2.3 装配单元的结构和工作过程
装配单元的功能是将该单元料仓内的黑色或白色小圆柱形工件嵌入到放置在装配料斗的待装配工件中。
装配单元的结构组成包括：管形料仓，供料机构，回转物料台，机械手，待装配工件的定位机构，气动系统及其阀组，信号采集及自动控制系统，以及用于电器连接的端子排组件，用于整条生产线状态指示的信号灯，用于其他机构安装的铝型材支架及底板，传感器安装支架等其他附件。其机械装配图如图2-13所示。
图2-13 装配单元机械装配图
1．管形料仓
管形料仓用来存储装配用的金属或塑料材质的颜色为黑色或白色小圆柱形零件。它由塑料圆管和中空底座构成。塑料圆管顶端放置加强金属环，以防止破损。由于二者之间有一定的间隙，因此工件竖直放入料仓的空心管内时，能在重力作用下自由下落。
为了能在料仓供料不足和缺料时报警，在塑料圆管底部和底座处分别安装了两个漫反射光电式传感器（E3Z-L型），并在料仓塑料圆柱上纵向铣槽，以使光电式传感器的红外光斑能可靠地照射到被检测的物料上。对光电式传感器的灵敏度调整使其能检测到黑色物料为准则。
2．落料机构
图2-14为落料机构剖视图。图中，料仓底座的背面安装了两个直线气缸。上面的气缸称为顶料气缸，下面的气缸称为挡料气缸。
图2-14 落料机构示意图
系统气源接通后，顶料气缸的初始位置在缩回状态，挡料气缸的初始位置在伸出状态。这样，当从料仓上面放入工件时，工件将被挡料气缸活塞杆终端的挡块阻挡而不能落下。
需要进行落料操作时，首先使顶料气缸伸出，把次下层的工件夹紧，然后挡料气缸缩回，工件掉入回转物料台的料盘中。之后挡料气缸复位伸出，顶料气缸缩回，次下层工件跌落到挡料气缸活塞杆终端挡块上，为再一次供料做准备。
3．回转物料台
该机构主要由摆动气缸和两个料盘组成，摆动气缸能驱动料盘旋转180°，实现把从落料机构落到料盘的工件移动到装配机械手装置正下方的功能，如图2-15所示。图中的光电式传感器1和光电式传感器2分别用来检测左面和右面料盘是否有零件。两个光电式传感器均选用CX-441型。
图2-15 回转物料台的结构
4．装配机械手装置
装配机械手装置是整个装配单元的核心。在装配机械手装置正下方的回转物料台的料盘上有小圆柱形零件，且装配台侧面的光纤传感器检测到装配台上有待装配工件的情况下，机械手从初始状态开始执行装配操作。装配机械手装置整体外形如图2-16所示。
图2-16 装配机械手装置的整体外形
装配机械手装置是一个三维运动的机构，它由水平方向移动和竖直方向移动的两个导向气缸和气动手指组成。
装配机械手装置的运行过程为：PLC驱动与竖直移动导向气缸相连的电磁换向阀动作，由竖直移动导向气缸驱动气动手指向下移动，到位后气动手指驱动手爪夹紧物料，并将夹紧信号通过磁性开关传送给PLC。在PLC的控制下，竖直移动导向气缸复位，被夹紧的物料随气动手指一并被提起，离开回转物料台的料盘，被提升到最高位后，水平移动导向气缸在与之对应的换向阀的驱动下，活塞杆伸出，并移动到气缸前端位置后，竖直移动导向气缸再次被驱动下移，移动到最底端位置，气动手指松开以放下物料，经短暂延时，竖直移动导向气缸和水平移动导向气缸缩回，机械手恢复初始状态。
在整个机械手动作的过程中，除气动手指松开到位时无传感器检测外，其余动作的到位信号检测均采用与气缸配套的磁性开关，采集到的信号被输入PLC，由PLC输出信号驱动电磁阀换向，使由气缸及气动手指组成的机械手按程序自动运行。
5．装配台料斗
输送单元运送来的待装配工件直接被放置在该机构的料斗定位孔中，由定位孔与工件之间的较小的间隙配合实现定位，从而完成准确的装配动作和定位精度，如图2-17所示。
为了确定装配台料斗内是否放置了待装配工件，需要使用光纤传感器进行检测。于是在料斗的侧面开了一个M6的螺孔，光纤传感器的光纤探头就固定在螺孔内。
6．警示灯
本工作单元上安装有红、橙、绿三色警示灯，它们是作为整个系统警示用的。警示灯有5根引出线，其中黄绿交叉线为“地线”，直接接到接线端子排上的接地端；其余颜色导线为：红色线为红色灯控制线；黄色线为橙色灯控制线；绿色线为绿色灯控制线；黑色线为信号灯公共控制线。警示灯及信号线的接法如图2-18所示。
图2-17 装配台料斗
图2-18 警示灯及信号线的接法
2.3.1 装配单元PLC的I/O接线
装配单元PLC的I/O接线如图2-19所示。
图2-19 装配单元PLC的I/O接线图
a）Fx2N-48MR的I/O接线图
图2-19 装配单元PLC的I/O接线图（续）
b）Fx3U-48M的I/O接线图
2.3.2 装配单元气动控制回路工作原理
装配单元的阀组由6个二位五通单电控电磁换向阀组成，如图2-20所示。这些阀分别对供料、位置变换和装配动作气路进行控制，以改变执行机构的动作状态。气动控制回路图如图2-21所示。
图2-20 装配单元的阀组
在进行气路连接时，注意各气缸的初始位置，其中，挡料气缸在伸出位置，手爪提升气缸在提起位置。
图2-21 装配单元气动控制回路
2.3.3 装配单元调试与运行
1．工作任务
1）装配单元各气缸的初始位置为：挡料气缸处于伸出状态，顶料气缸处于缩回状态，装配机械手装置的升降气缸处于提升状态，伸缩气缸处于缩回状态，手爪处于松开状态。
设备通电和气源接通后，若各气缸满足初始位置要求，且料仓中已经有足够的小圆柱形零件，同时工件装配台上没有待装配工件，则“正常工作”指示灯HL1常亮，表示设备已准备好。否则该指示灯以1Hz的频率闪烁。
2）若设备已准备好，按下启动按钮，装配单元启动，“设备运行”指示灯HL2常亮。如果回转台上的左料盘内没有小圆柱形零件，则执行下料操作；如果左料盘内有零件，而右料盘内没有零件，则执行回转台回转操作。
3）如果回转台上的右料盘内有小圆柱形零件且装配台上有待装配工件，则执行装配机械手装置抓取小圆柱形零件，并将其放入待装配工件中的操作。
4）完成装配任务后，装配机械手装置应返回初始位置，等待下一次装配。
5）若在运行过程中按下“停止”按钮，则供料机构应立即停止供料，在装配条件满足的情况下，装配单元在完成本次装配后会立即停止工作。
6）在运行中发生“零件不足”报警时，指示灯HL3以1Hz的频率闪烁，接示灯HL1和HL2常亮；在运行中发生“零件没有”报警时，指示灯HL3以亮1s、灭0.5s的方式闪烁，指示灯HL2熄灭，HL1常亮。
2．编写和调试PLC控制程序
1）进入运行状态后，装配单元的工作过程包括两个相互独立的子过程，一个是供料过程，另一个是装配过程。
供料过程就是通过供料机构的操作，使料仓中的小圆柱形零件落到回转台左边料盘上；然后回转台转动，使装有零件的料盘转移到右边，以便装配机械手装置抓取零件。
装配过程是当装配台上有待装配工件，且装配机械手装置下方有小圆柱形零件时，进行装配操作。
在主程序中，当初始状态检查结束，确认单元准备就绪，按下“启动”按钮进入运行状态后，应同时调用供料控制和装配控制两个程序。如图2-22所示，图中S0为供料控制步进顺序段，S1为装配控制步进顺序段。
图2-22 调用工料与装配控制
2）供料控制过程包含两个互相联锁的过程，即落料过程和回转台转动、料盘转移的过程。在小圆柱形零件从料仓下落到左料盘的过程中，禁止回转台转动；反之，在回转台转动过程中，禁止打开料仓（挡料气缸缩回）落料。
实现联锁的方法是：①当回转台的左限位或右限位磁性开关动作并且左料盘没有物料时，经定时确认后，开始落料过程；②当挡料气缸伸出到位使料仓关闭、左料盘有物料而右料盘为空时，经定时确认后，回转台开始转动，直到达到限位位置。
3）供料过程的落料控制和装配控制过程都是单序列步进顺序控制，具体编程步骤这里不再赘述。
4）停止运行有两种情况。一是在运行中按下停止按钮，停止指令被置位；另一种情况是当料仓中最后一个零件落下时，检测物料有无的传感器动作（X001 OFF），发出缺料报警。
对于供料过程的落料控制，上述两种情况均应在料仓关闭、顶料气缸复位到位（即返回到初始步）后，停止下次落料，并使落料初始步复位。但对于回转台转动控制，一旦停止指令发出，则应立即停止回转台转动。
对于装配控制，上述两种情况也应在一次装配完成后装配机械手装置返回到初始位置时停止。
仅当落料机构和装配机械手装置均返回到初始位置时，才能让运行状态标志和停止指令复位。停止运行的操作对应的程序应在主程序中进行编制，其梯形图如图2-23所示。
图2-23 停止运行的梯形图
3．调试与运行
1）调整气动部分，检查气路是否正确，气压是否合理，气缸的动作速度是否合理。
2）检查磁性开关的安装位置是否到位，磁性开关工作是否正常。
3）检查I/O接线是否正确。
4）检查传感器安装是否合理，灵敏度是否合适，保证检测的可靠性。
5）放入工件，运行程序并观察装配单元动作是否满足任务要求。