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)備就不太實用?；赑LC與工業(yè)機器人的打釘系統(tǒng)，憑借其穩(wěn)定的生產(chǎn)特性以及優(yōu)越的柔性設(shè)計能很好地克服以上缺點。為此設(shè)計了一個以西門子PLC1200為控制器，F(xiàn)ANUC機器人打釘?shù)墓ぷ髡尽?/p>

1.機器人工作站的硬件設(shè)計

1.1 機器人工作站概述

本工作站主要由FANUC工業(yè)機器人、西門子PLC1200、MCGS觸摸屏、轉(zhuǎn)臺、加釘裝置等五大設(shè)備組成。其中，F(xiàn)ANUC工業(yè)機器人負(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、機器人和工作站傳感器所反饋來的信號，再經(jīng)邏輯處理，輸出控制機器人和工作站運行的控制信號。MCGS觸摸屏為工作站的人機交互界面，主要用來選擇工作站的運行模式，以及控制轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，以及監(jiān)控工作站運行狀態(tài)。轉(zhuǎn)臺主要用于木架的上件與下件，將木架從人工上料區(qū)送到機器人打釘工作區(qū)，實現(xiàn)流水線作業(yè)。加釘裝置為工作站的輔助設(shè)備，協(xié)助機器人完成自動加釘任務(wù)。

1.2 伺服電機選型

旋轉(zhuǎn)臺為長方體結(jié)構(gòu)，重量M=30 kg,長L=2 m,高H=0.1 m,寬W=1 m，本次設(shè)計為6 s旋轉(zhuǎn)90°角，設(shè)計加速時間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。

轉(zhuǎn)動慣量：

負(fù)載轉(zhuǎn)矩：

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

電機側(cè)角速度：

電機側(cè)轉(zhuǎn)速:

電機輸出功率:

本次木架比較輕故不考慮木架慣量，最終選配1KW臺達(dá)伺服電機。

1.3 打釘、裝釘裝置設(shè)計

市場上暫無成熟的適配于機器人的自動打釘槍，通過研究、對比傳統(tǒng)打釘槍結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一款適用機器人六軸安裝的打釘槍（如圖1所示），并配套了槍釘補充站（如圖2所示）。通過補充站三個氣缸的配合，完成拉開槍夾，填充槍釘?shù)囊幌盗袆幼鳌崿F(xiàn)了機器人長時間不間斷打釘工作，提高了工作站的運行節(jié)拍。

圖1 打釘槍

圖2 槍釘補充站

2.機器人工作站的軟件設(shè)計

2.1 工作站硬件組態(tài)

2.1.1 PLC1200與FANUC機器人硬件組態(tài)

本工作站軟件編程系統(tǒng)主要通過TIA Portal V15.1建立(以下簡稱V15.1)。將隨機文件自帶的機器人驅(qū)動GSD文件導(dǎo)入V15.1編程軟件中，打開V15.1,依次打開項目視圖→選項→管理通用站描述文件（GSD）→機器人GSD存儲路徑，然后新建一個項目，開始組態(tài)硬件設(shè)備，選擇硬件目錄下→ 其他現(xiàn)場設(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GSD文件，因此不在此處組態(tài)。通過McgsPro組態(tài)軟件(以下簡稱軟件)里進行設(shè)置，打開軟件，新建工程，選擇觸摸屏型號，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)計觸摸屏畫面。

2.1.3 設(shè)備IP設(shè)為同一網(wǎng)段

本次機器人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。

2.1.4 網(wǎng)絡(luò)物理鏈路測試與下載

電腦網(wǎng)卡IP設(shè)置為192.168.1.5，分別與MCGS觸摸屏、PLC1200、機器人進行“ping”物理鏈路測試，打開電腦，按快捷鍵“windows+R”,在彈出的窗口里輸入“cmd”回車，接著輸入要測試的設(shè)備IP地址，測試成功后， 打開V15.1軟件進行硬件通訊測試，測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)臺旋轉(zhuǎn)控制

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

圖3 參數(shù)配置

在擴展屬性里設(shè)置電機每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)，本次采用了臺達(dá)的伺服電機，編碼器分辨率為2000 P/R,填入2000，根據(jù)渦輪蝸桿機械設(shè)計尺寸計算，電機每轉(zhuǎn)負(fù)載位移為0.5803°，本次只有兩個位置原點位（0°）與90°位置，設(shè)置兩個硬限位開關(guān)，在PLC的輸入點為%I0.4，%I0.5，一個感應(yīng)開關(guān)（原點位），輸入點為%I1.0。本次選擇主動回原點，轉(zhuǎn)臺按反方向逼近感應(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位。

利用V15.1軟件封裝好的運動控制指令啟用/禁用軸指令MC_POWER,故障復(fù)位指令MC_RESET,回原點指令MC_HOME,軸點動指令MC_JOG,軸制動指令MC_HALT的外接接口端子編寫程序，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺的定位控制。

2.2.2 PLC通訊程序

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

圖4 I/0配置

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

2.2.3 機器人程序設(shè)計

（1）機器人作為 I/O device的配置。本次PLC1200為主站，F(xiàn)ANUC機器人遠(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）機器人配置自動加釘I/O。機器人與自動加釘裝置信號交互通過硬接線完成，機器人示教器，按下menu→I/O→數(shù)字，按確定后，在里面設(shè)置三個氣缸輸出信號,DO100,DO101,DO102,兩個感應(yīng)器輸入信號DI100, DI101。

（3）機器人程序編寫。設(shè)置好程序原點，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機器人打釘。編寫機器人回home位程序PNS0250、換釘程序、木架程序PNS0001/PNS0022、服務(wù)位程序，對軌跡點示教。

3.機器人工作站運行

初次上電，轉(zhuǎn)臺要進行回原點位，在操作臺上將旋鈕選擇到自動位置，在觸摸屏中，操作回原點?；氐皆c后，在上件位上好木架，雙手按壓啟動按鈕，轉(zhuǎn)臺開始旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到機器人工作位置后（90°位置），機器人執(zhí)行PLC發(fā)來的程序號對應(yīng)的程序，開始打釘。打釘結(jié)束后，機器人檢測槍里是否有釘子。如檢測不到釘，機器人執(zhí)行加釘程序。若檢測到，機器人回home，等待下次打釘工作。打釘結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺帶著木架旋轉(zhuǎn)90°，回到轉(zhuǎn)臺原點位。操作員將打好的木架取下，進行檢查，合格后，將木架打包輸送到下一工位。

4.結(jié)語

本設(shè)計以PLC為工作站控制核心，旋轉(zhuǎn)平臺為工作界面，自動加釘裝置與氣動打釘槍配合，實現(xiàn)機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有了很大的提高，而且此制作方案對于其它家具自動化打釘也有著重要的指導(dǎo)意義。