基于PLC控制的FANUC机器人木架打钉工作站的设计

赵 丰，孝佩军，周钱君，成 军

（特雷通家具(嘉兴)有限公司，浙江 嘉兴 330400）

为了解决木架打钉生产线自动化程度不高、效率低的问题，企业一直在寻求一款沙发木架自动打钉设备。之前的衍架打钉设备在打平面有较好的效果，但在沙发木架打钉过程中，不仅有平面，还有复杂多变的曲面，此设备就不太实用。基于PLC与工业机器人的打钉系统，凭借其稳定的生产特性以及优越的柔性设计能很好地克服以上缺点。为此设计了一个以西门子PLC1200为控制器，FANUC机器人打钉的工作站。

1.机器人工作站的硬件设计

1.1 机器人工作站概述

本工作站主要由FANUC工业机器人、西门子PLC1200、MCGS触摸屏、转台、加钉装置等五大设备组成。其中，FANUC工业机器人负责工作站的木架打钉，其工作指令由PLC1200发出。西门子PLC1200 作为工作站的中枢，接收与处理触摸屏、机器人和工作站传感器所反馈来的信号，再经逻辑处理，输出控制机器人和工作站运行的控制信号。MCGS触摸屏为工作站的人机交互界面，主要用来选择工作站的运行模式，以及控制转台旋转，以及监控工作站运行状态。转台主要用于木架的上件与下件，将木架从人工上料区送到机器人打钉工作区，实现流水线作业。加钉装置为工作站的辅助设备，协助机器人完成自动加钉任务。

1.2 伺服电机选型

旋转台为长方体结构，重量M=30 kg,长L=2 m,高H=0.1 m,宽W=1 m，本次设计为6 s旋转90°角，设计加速时间t=2 s,该模式下角加速度α=11.25°/s2.通过该要求配置伺服电机。

转动惯量：

负载转矩：

连续性运转，安全系数设定为s=1.3，考虑安全系数后转矩

电机侧角速度：

电机侧转速:

电机输出功率:

本次木架比较轻故不考虑木架惯量，最终选配1KW台达伺服电机。

1.3 打钉、装钉装置设计

市场上暂无成熟的适配于机器人的自动打钉枪，通过研究、对比传统打钉枪结构，设计了一款适用机器人六轴安装的打钉枪（如图1所示），并配套了枪钉补充站（如图2所示）。通过补充站三个气缸的配合，完成拉开枪夹，填充枪钉的一系列动作。实现了机器人长时间不间断打钉工作，提高了工作站的运行节拍。

图1 打钉枪

图2 枪钉补充站

2.机器人工作站的软件设计

2.1 工作站硬件组态

2.1.1 PLC1200与FANUC机器人硬件组态

本工作站软件编程系统主要通过TIA Portal V15.1建立(以下简称V15.1)。将随机文件自带的机器人驱动GSD文件导入V15.1编程软件中，打开V15.1,依次打开项目视图→选项→管理通用站描述文件（GSD）→机器人GSD存储路径，然后新建一个项目，开始组态硬件设备，选择硬件目录下→ 其他现场设备 → PROFINET IO→I/O→FANUC→M20iD/25：A05B-2600-R834：FANUC Robot Controller(1.0)’’，新 建 一 条PROFINET子网，将PLC与FANUC机器人通过PROFINET子网连接起来。

2.1.2 MCGS触摸屏硬件组态

MSGS触摸屏暂没有支持西门子编程软件的驱动GSD文件，因此不在此处组态。通过McgsPro组态软件(以下简称软件)里进行设置，打开软件，新建工程，选择触摸屏型号，在弹出的窗口中双击设备窗口，然后单击工具栏上的工具箱，添加通用TCP/IP父设备，双击设备工具箱页面里的设备管理器，在PLC类里增加siemens_1200，然后添加到父设备下面，接着添加PLC I/O通道，编辑变量表，组态完毕，开始设计触摸屏画面。

2.1.3 设备IP设为同一网段

本次机器人IP地址设为192.168.1.3，可以在V15.1硬件组态里面或机器人示教器里设置。MCGS触摸屏IP设置为192.168.1.2，在McgsPro组态软件里设置，PLC1200 IP地址设置为192.168.1.4，在V15.1设置，然后将其网线分别插入4口的以太网交换机。

2.1.4 网络物理链路测试与下载

电脑网卡IP设置为192.168.1.5，分别与MCGS触摸屏、PLC1200、机器人进行“ping”物理链路测试，打开电脑，按快捷键“windows+R”,在弹出的窗口里输入“cmd”回车，接着输入要测试的设备IP地址，测试成功后， 打开V15.1软件进行硬件通讯测试，测试正常后下载硬件组态与PLC程序到PLC1200中。

2.2 PLC1200 编程

采用模块化编程思想，通过OB1组织块调用FB、FC各功能子块，利用V15.1软件封装好的轴控制功能块，提高编程的高效性。

2.2.1 转台旋转控制

在V15.1编程软件自动打钉项目下，选择工艺对象-新增对象，在基本参数中，常规里选择驱动器控制方式为“PTO”，测量单位为“°”，在驱动器窗口里设置参数，如图3所示：

图3 参数配置

在扩展属性里设置电机每转的脉冲数，本次采用了台达的伺服电机，编码器分辨率为2000 P/R,填入2000，根据涡轮蜗杆机械设计尺寸计算，电机每转负载位移为0.5803°，本次只有两个位置原点位（0°）与90°位置，设置两个硬限位开关，在PLC的输入点为%I0.4，%I0.5，一个感应开关（原点位），输入点为%I1.0。本次选择主动回原点，转台按反方向逼近感应开关，然后减速停止，在以设定的速度正方向接近感应开关，停止后再次减速，反方向接近感应开关，然后正方向低速回到原点位。

利用V15.1软件封装好的运动控制指令启用/禁用轴指令MC_POWER,故障复位指令MC_RESET,回原点指令MC_HOME,轴点动指令MC_JOG,轴制动指令MC_HALT的外接接口端子编写程序，实现对转台的定位控制。

2.2.2 PLC通讯程序

PLC1200与FANUC机器人配置的profinet通讯板卡进行信息交互，PLC根据机器人侧的配置进行组态IO模块，机器人第一个插槽是输入模块，PLC组态时第一模块应为输出模块，本次选用64个字节进行信息交互，PLC1200添加64个输入、输出字节模块如图4所示。

图4 I/0配置

FANUC机器人在配置profinet参数时，通讯数据长度应与PLC1200设置的一样。本次启用PNS作为程序号的调用，PLC1200只需发送三个指令：程序号、启动信号、PNS信号，如机器人处在空闲状态时，且系统没有故障，即开始执行打钉程序。

2.2.3 机器人程序设计

（1）机器人作为 I/O device的配置。本次PLC1200为主站，FANUC机器人远程I/O device ，配置过程：在示教器上，按下menu→I/O→Type→F1→Profinet,将光标移到Channel2,按下“→”，将Channel2展开，在I/O device选择插槽1为DI 64字节，插槽2为DO 64字节。

（2）机器人配置自动加钉I/O。机器人与自动加钉装置信号交互通过硬接线完成，机器人示教器，按下menu→I/O→数字，按确定后，在里面设置三个气缸输出信号,DO100,DO101,DO102,两个感应器输入信号DI100, DI101。

（3）机器人程序编写。设置好程序原点，建立打钉枪上的TCP坐标，本次选用TCP坐标利于打钉枪的姿态调整，方便FANUC机器人打钉。编写机器人回home位程序PNS0250、换钉程序、木架程序PNS0001/PNS0022、服务位程序，对轨迹点示教。

3.机器人工作站运行

初次上电，转台要进行回原点位，在操作台上将旋钮选择到自动位置，在触摸屏中，操作回原点。回到原点后，在上件位上好木架，双手按压启动按钮，转台开始旋转，转到机器人工作位置后（90°位置），机器人执行PLC发来的程序号对应的程序，开始打钉。打钉结束后，机器人检测枪里是否有钉子。如检测不到钉，机器人执行加钉程序。若检测到，机器人回home，等待下次打钉工作。打钉结束后，转台带着木架旋转90°，回到转台原点位。操作员将打好的木架取下，进行检查，合格后，将木架打包输送到下一工位。

4.结语

本设计以PLC为工作站控制核心，旋转平台为工作界面，自动加钉装置与气动打钉枪配合，实现机器人工作站的木架打钉任务，不论是打钉效率还是打钉质量都较以前手工打钉时有了很大的提高，而且此制作方案对于其它家具自动化打钉也有着重要的指导意义。