基于PLC控制的FANUC機(jī)器人木架打釘工作站的設(shè)計(jì)

趙 豐，孝佩軍，周錢君，成 軍

（特雷通家具(嘉興)有限公司，浙江 嘉興 330400）

為了解決木架打釘生產(chǎn)線自動(dòng)化程度不高、效率低的問題，企業(yè)一直在尋求一款沙發(fā)木架自動(dòng)打釘設(shè)備。之前的衍架打釘設(shè)備在打平面有較好的效果，但在沙發(fā)木架打釘過程中，不僅有平面，還有復(fù)雜多變的曲面，此設(shè)備就不太實(shí)用?；赑LC與工業(yè)機(jī)器人的打釘系統(tǒng)，憑借其穩(wěn)定的生產(chǎn)特性以及優(yōu)越的柔性設(shè)計(jì)能很好地克服以上缺點(diǎn)。為此設(shè)計(jì)了一個(gè)以西門子PLC1200為控制器，F(xiàn)ANUC機(jī)器人打釘?shù)墓ぷ髡尽?/p>

1.機(jī)器人工作站的硬件設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)器人工作站概述

本工作站主要由FANUC工業(yè)機(jī)器人、西門子PLC1200、MCGS觸摸屏、轉(zhuǎn)臺(tái)、加釘裝置等五大設(shè)備組成。其中，F(xiàn)ANUC工業(yè)機(jī)器人負(fù)責(zé)工作站的木架打釘，其工作指令由PLC1200發(fā)出。西門子PLC1200 作為工作站的中樞，接收與處理觸摸屏、機(jī)器人和工作站傳感器所反饋來的信號(hào)，再經(jīng)邏輯處理，輸出控制機(jī)器人和工作站運(yùn)行的控制信號(hào)。MCGS觸摸屏為工作站的人機(jī)交互界面，主要用來選擇工作站的運(yùn)行模式，以及控制轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，以及監(jiān)控工作站運(yùn)行狀態(tài)。轉(zhuǎn)臺(tái)主要用于木架的上件與下件，將木架從人工上料區(qū)送到機(jī)器人打釘工作區(qū)，實(shí)現(xiàn)流水線作業(yè)。加釘裝置為工作站的輔助設(shè)備，協(xié)助機(jī)器人完成自動(dòng)加釘任務(wù)。

1.2 伺服電機(jī)選型

旋轉(zhuǎn)臺(tái)為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，重量M=30 kg,長(zhǎng)L=2 m,高H=0.1 m,寬W=1 m，本次設(shè)計(jì)為6 s旋轉(zhuǎn)90°角，設(shè)計(jì)加速時(shí)間t=2 s,該模式下角加速度α=11.25°/s2.通過該要求配置伺服電機(jī)。

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

負(fù)載轉(zhuǎn)矩：

連續(xù)性運(yùn)轉(zhuǎn)，安全系數(shù)設(shè)定為s=1.3，考慮安全系數(shù)后轉(zhuǎn)矩

電機(jī)側(cè)角速度：

電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)速:

電機(jī)輸出功率:

本次木架比較輕故不考慮木架慣量，最終選配1KW臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)。

1.3 打釘、裝釘裝置設(shè)計(jì)

市場(chǎng)上暫無成熟的適配于機(jī)器人的自動(dòng)打釘槍，通過研究、對(duì)比傳統(tǒng)打釘槍結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款適用機(jī)器人六軸安裝的打釘槍（如圖1所示），并配套了槍釘補(bǔ)充站（如圖2所示）。通過補(bǔ)充站三個(gè)氣缸的配合，完成拉開槍夾，填充槍釘?shù)囊幌盗袆?dòng)作。實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間不間斷打釘工作，提高了工作站的運(yùn)行節(jié)拍。

圖1 打釘槍

圖2 槍釘補(bǔ)充站

2.機(jī)器人工作站的軟件設(shè)計(jì)

2.1 工作站硬件組態(tài)

2.1.1 PLC1200與FANUC機(jī)器人硬件組態(tài)

本工作站軟件編程系統(tǒng)主要通過TIA Portal V15.1建立(以下簡(jiǎn)稱V15.1)。將隨機(jī)文件自帶的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)GSD文件導(dǎo)入V15.1編程軟件中，打開V15.1,依次打開項(xiàng)目視圖→選項(xiàng)→管理通用站描述文件（GSD）→機(jī)器人GSD存儲(chǔ)路徑，然后新建一個(gè)項(xiàng)目，開始組態(tài)硬件設(shè)備，選擇硬件目錄下→ 其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 → PROFINET IO→I/O→FANUC→M20iD/25：A05B-2600-R834：FANUC Robot Controller(1.0)’’，新 建 一 條PROFINET子網(wǎng)，將PLC與FANUC機(jī)器人通過PROFINET子網(wǎng)連接起來。

2.1.2 MCGS觸摸屏硬件組態(tài)

MSGS觸摸屏?xí)簺]有支持西門子編程軟件的驅(qū)動(dòng)GSD文件，因此不在此處組態(tài)。通過McgsPro組態(tài)軟件(以下簡(jiǎn)稱軟件)里進(jìn)行設(shè)置，打開軟件，新建工程，選擇觸摸屏型號(hào)，在彈出的窗口中雙擊設(shè)備窗口，然后單擊工具欄上的工具箱，添加通用TCP/IP父設(shè)備，雙擊設(shè)備工具箱頁面里的設(shè)備管理器，在PLC類里增加siemens_1200，然后添加到父設(shè)備下面，接著添加PLC I/O通道，編輯變量表，組態(tài)完畢，開始設(shè)計(jì)觸摸屏畫面。

2.1.3 設(shè)備IP設(shè)為同一網(wǎng)段

本次機(jī)器人IP地址設(shè)為192.168.1.3，可以在V15.1硬件組態(tài)里面或機(jī)器人示教器里設(shè)置。MCGS觸摸屏IP設(shè)置為192.168.1.2，在McgsPro組態(tài)軟件里設(shè)置，PLC1200 IP地址設(shè)置為192.168.1.4，在V15.1設(shè)置，然后將其網(wǎng)線分別插入4口的以太網(wǎng)交換機(jī)。

2.1.4 網(wǎng)絡(luò)物理鏈路測(cè)試與下載

電腦網(wǎng)卡IP設(shè)置為192.168.1.5，分別與MCGS觸摸屏、PLC1200、機(jī)器人進(jìn)行“ping”物理鏈路測(cè)試，打開電腦，按快捷鍵“windows+R”,在彈出的窗口里輸入“cmd”回車，接著輸入要測(cè)試的設(shè)備IP地址，測(cè)試成功后， 打開V15.1軟件進(jìn)行硬件通訊測(cè)試，測(cè)試正常后下載硬件組態(tài)與PLC程序到PLC1200中。

2.2 PLC1200 編程

采用模塊化編程思想，通過OB1組織塊調(diào)用FB、FC各功能子塊，利用V15.1軟件封裝好的軸控制功能塊，提高編程的高效性。

2.2.1 轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)控制

在V15.1編程軟件自動(dòng)打釘項(xiàng)目下，選擇工藝對(duì)象-新增對(duì)象，在基本參數(shù)中，常規(guī)里選擇驅(qū)動(dòng)器控制方式為“PTO”，測(cè)量單位為“°”，在驅(qū)動(dòng)器窗口里設(shè)置參數(shù)，如圖3所示：

圖3 參數(shù)配置

在擴(kuò)展屬性里設(shè)置電機(jī)每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)，本次采用了臺(tái)達(dá)的伺服電機(jī)，編碼器分辨率為2000 P/R,填入2000，根據(jù)渦輪蝸桿機(jī)械設(shè)計(jì)尺寸計(jì)算，電機(jī)每轉(zhuǎn)負(fù)載位移為0.5803°，本次只有兩個(gè)位置原點(diǎn)位（0°）與90°位置，設(shè)置兩個(gè)硬限位開關(guān)，在PLC的輸入點(diǎn)為%I0.4，%I0.5，一個(gè)感應(yīng)開關(guān)（原點(diǎn)位），輸入點(diǎn)為%I1.0。本次選擇主動(dòng)回原點(diǎn)，轉(zhuǎn)臺(tái)按反方向逼近感應(yīng)開關(guān)，然后減速停止，在以設(shè)定的速度正方向接近感應(yīng)開關(guān)，停止后再次減速，反方向接近感應(yīng)開關(guān)，然后正方向低速回到原點(diǎn)位。

利用V15.1軟件封裝好的運(yùn)動(dòng)控制指令啟用/禁用軸指令MC_POWER,故障復(fù)位指令MC_RESET,回原點(diǎn)指令MC_HOME,軸點(diǎn)動(dòng)指令MC_JOG,軸制動(dòng)指令MC_HALT的外接接口端子編寫程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的定位控制。

2.2.2 PLC通訊程序

PLC1200與FANUC機(jī)器人配置的profinet通訊板卡進(jìn)行信息交互，PLC根據(jù)機(jī)器人側(cè)的配置進(jìn)行組態(tài)IO模塊，機(jī)器人第一個(gè)插槽是輸入模塊，PLC組態(tài)時(shí)第一模塊應(yīng)為輸出模塊，本次選用64個(gè)字節(jié)進(jìn)行信息交互，PLC1200添加64個(gè)輸入、輸出字節(jié)模塊如圖4所示。

圖4 I/0配置

FANUC機(jī)器人在配置profinet參數(shù)時(shí)，通訊數(shù)據(jù)長(zhǎng)度應(yīng)與PLC1200設(shè)置的一樣。本次啟用PNS作為程序號(hào)的調(diào)用，PLC1200只需發(fā)送三個(gè)指令：程序號(hào)、啟動(dòng)信號(hào)、PNS信號(hào)，如機(jī)器人處在空閑狀態(tài)時(shí)，且系統(tǒng)沒有故障，即開始執(zhí)行打釘程序。

2.2.3 機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

（1）機(jī)器人作為 I/O device的配置。本次PLC1200為主站，F(xiàn)ANUC機(jī)器人遠(yuǎn)程I/O device ，配置過程：在示教器上，按下menu→I/O→Type→F1→Profinet,將光標(biāo)移到Channel2,按下“→”，將Channel2展開，在I/O device選擇插槽1為DI 64字節(jié)，插槽2為DO 64字節(jié)。

（2）機(jī)器人配置自動(dòng)加釘I/O。機(jī)器人與自動(dòng)加釘裝置信號(hào)交互通過硬接線完成，機(jī)器人示教器，按下menu→I/O→數(shù)字，按確定后，在里面設(shè)置三個(gè)氣缸輸出信號(hào),DO100,DO101,DO102,兩個(gè)感應(yīng)器輸入信號(hào)DI100, DI101。

（3）機(jī)器人程序編寫。設(shè)置好程序原點(diǎn)，建立打釘槍上的TCP坐標(biāo)，本次選用TCP坐標(biāo)利于打釘槍的姿態(tài)調(diào)整，方便FANUC機(jī)器人打釘。編寫機(jī)器人回home位程序PNS0250、換釘程序、木架程序PNS0001/PNS0022、服務(wù)位程序，對(duì)軌跡點(diǎn)示教。

3.機(jī)器人工作站運(yùn)行

初次上電，轉(zhuǎn)臺(tái)要進(jìn)行回原點(diǎn)位，在操作臺(tái)上將旋鈕選擇到自動(dòng)位置，在觸摸屏中，操作回原點(diǎn)?；氐皆c(diǎn)后，在上件位上好木架，雙手按壓?jiǎn)?dòng)按鈕，轉(zhuǎn)臺(tái)開始旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到機(jī)器人工作位置后（90°位置），機(jī)器人執(zhí)行PLC發(fā)來的程序號(hào)對(duì)應(yīng)的程序，開始打釘。打釘結(jié)束后，機(jī)器人檢測(cè)槍里是否有釘子。如檢測(cè)不到釘，機(jī)器人執(zhí)行加釘程序。若檢測(cè)到，機(jī)器人回home，等待下次打釘工作。打釘結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺(tái)帶著木架旋轉(zhuǎn)90°，回到轉(zhuǎn)臺(tái)原點(diǎn)位。操作員將打好的木架取下，進(jìn)行檢查，合格后，將木架打包輸送到下一工位。

4.結(jié)語

本設(shè)計(jì)以PLC為工作站控制核心，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)為工作界面，自動(dòng)加釘裝置與氣動(dòng)打釘槍配合，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人工作站的木架打釘任務(wù)，不論是打釘效率還是打釘質(zhì)量都較以前手工打釘時(shí)有了很大的提高，而且此制作方案對(duì)于其它家具自動(dòng)化打釘也有著重要的指導(dǎo)意義。