项目四装配单元安装与调试样本.doc

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项目四 装配单元安装与调试
知识目标
■掌握装配单元的组成与工作过程
■掌握装配机械手的结构与运行过程
■掌握落料机构的结构与工作过程
■掌握回转台的结构与工作过程
■掌握回转气缸的结构与工作原理
■掌握导向气缸的结构与工作原理
■掌握装配单元机械部分安装接线方法、 步骤
■掌握装配单元气动系统的连接、 调试方法、 步骤
■掌握装配单元PLC控制系统的设计方法
■掌握装配单元电气控制线路的接线方法、 步骤
能力目标
■能够准确叙述装配单元的功能及组成
■能够绘制出装配单元的电气原理图
■能够绘制出装配单元的气动原理图
■能够完成装配单元机械、 气动系统的安装及调试
■能够完成装配单元的PLC控制系统设计、 安装及调试
■能够正确调整传感器的安装位置
■能够正确调整回转气缸的回转角度

素质目标
■遵循国家标准, 操作规范
■工作细致, 态度认真
■团结协作, 有创新精神
项目描述
装配单元的功能是完成将该单元料仓内的黑色、 白色或金属小圆柱工件嵌入到放置在装配料斗的待装配工件中的装配过程。本项目主要学习机械手的控制及供料控制。
第一节 装配单元的结构与工作过程
一、 装配单元的结构
装配单元的结构组成包括: 管形料仓, 供料机构, 廻转物料台, 机械手, 待装配工件的定位机构, 气动系统及其阀组, 信号采集及其自动控制系统, 以及用于电器连接的端子排组件, 整条生产线状态指示的信号灯和用于其它机构安装的铝型材支架及底板, 传感器安装支架等其它附件。其中, 机械装配图如图4-1所示。
图 4-1 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、 黑色和白色小圆柱零件。 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。小工件竖直放入料仓的空心圆管内, 由于二者之间有一定的间隙, 使其能在重力作用下自由下落。为了能对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2个漫反射光电传感器( E3Z-L型) , 并在料仓塑料圆柱上纵向铣槽, 以使光电传感器的红外光斑能可靠照射到被检测的物料上。如图 4-2 所示。光电传感器的灵敏度调整应以能检测到黑色物料为准则。

图 4-2 落料机构示意图
2、 落料机构
图4-2 给出了落料机构剖视图。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。
系统气源接通后, 顶料气缸的初始位置处在缩回状态, 挡料气缸的初始位置处在伸出状态。这样, 当从料仓上面放下工件时, 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, 工件掉入廻转物料台的料盘中。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终端挡块上, 为再一次供料作准备。
3、 回转物料台
该机构由气动摆台和两个料盘组成, 气动摆台能驱动料盘旋转180度, 从而实现把从供料机构落下到料盘的工件移动到装配机械手正下方的功能, 其结构如图4-3所示。图中的光电传感器1和光电传感器2分别用来检测左料盘和右料盘是否有零件。两个光电传感器均选用CX-441 型。

图 4-3 回转物料台的结构
4、 装配机械手
( 1) 装配机械手结构
装配机械手整体外形如图4-4所示。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2个导向气缸和气动手指组成。
( 2) 装配机械手的运行过程
装配机械手是整个装配单元的核心。当装配机械手正下方的回转物料台右料盘上有小圆 柱零件, 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过程。
PLC 驱动与竖直移动气缸相连的电磁换向阀动作, 由竖直移动带导杆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, 并将夹紧信号经过磁性开关传送给 PLC, 在PLC控制下, 竖直移动气缸复位, 被夹紧的物料随气动手指一并提起, 离开右料盘, 提升到上限位后, 水平移动气缸在与之对应的换向阀的驱动下, 活塞杆伸出, 移动到前限位后, 竖直移动气缸再次被驱动下移, 移动到下限位位置, 气动手指松开, 经短暂延时, 竖直移动气缸和水平移动气缸缩回, 机械手恢复初始状态。
在整个机械手动作过程中, 除气动手指松开到位无传感器检测外, 其余动作的到位信号检测均采用与气缸配套的磁性开关, 将采集到的信号反馈给 PLC为输入信号, 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。

图 4-4 装配机械手的整体外形
5、 装配台料斗
输送单元运送来的待装配工件直接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4-5所示。
为了确定装配台料斗内是否放置了待装配工件, 使用了光纤传感器进行检测。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 。

图 4-5 装配台料斗
6、 警示灯
本工作单元上安装有红、 橙、 绿三色警示灯, 它是作为整个系统警示用的。警示灯有五根引出线, 黄绿双色线( 地线) 、 红色线( 红色灯控制线) 、 黄色线( 橙色灯控制线) 、 绿色线( 绿色灯控制线) 、 黑色线( 信号灯公共控制线) 。接线如图 4-6 所示。

图 4-6 警示灯及其接线
二、 装配单元的工作过程
装配单元各气缸的初始位置是挡料气缸处于伸出状态, 顶料气缸处于缩回状态, 料仓上已经有足够的小圆柱零件; 装配机械手的升降气缸处于提升状态, 伸缩气缸处于缩回状态; 气爪处于松开状态。
若设备已准备好, 按下启动按钮, 装配单元启动, 如果回转台上的左料盘内没有小圆柱零件, 就执行下料操作; 如果左料盘内有零件, 而右料盘内没有零件, 执行回转台回转操作。
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, 工件掉入廻转物料台的料盘中。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终端挡块上, 为再一次供料作准备。
如果回转台上的右料盘内有小圆柱零件且装配台上有待装配工件, 执行装配机械手抓取小圆柱零件, 放入待装配工件中的操作。装配机械手的动作过程是: 下降-夹紧-上升-伸出-下降-放松-上升-缩回。
完成装配任务后, 装配机械手应返回初始位置, 等待下一次装配。
第二节 相关知识
装配单元所使用气动执行元件包括标准直线气缸、 气动手指、 气动摆台和导向气缸, 前二种气缸在前面的项目实训中已叙述, 下面只介绍气动摆台和导向气缸。
一、 摆台气缸
气缸的种类很多, 一般按气缸的结构特征、 功能、 驱动方式或安装方法等进行分类。按结构特征, 气缸主要分为活塞式气缸和膜片式气缸两种。按运动形式分为直线运动气缸和摆动气缸两类。 
回转物料台的主要器件是摆台气缸。摆台气缸又名旋转气缸, 摆动气缸。
1、 定义
摆台气缸是利用压缩空气驱动输出轴在一定角度范围内作往复回转运动的气动执行元件, 用于物体的转位。主要用于翻转、 分类、 夹紧、 阀门的开闭以及机器人的手臂动作等场合。
2、 回转原理
摆台气缸是由直线气缸驱动齿轮齿条实现回转运动, 回转角度能在0~90 度和 0~180 度之间任意可调, 而且能够安装磁性开关, 检测旋转到位信号, 多用于方向和位置需要变换的机构。如图 4-7 所示。

图 4-7 气动摆台
3、 摆台气缸的调节
摆台气缸的回转角度能在0~180度范围任意可调。当需要调节回转角度或调整摆动位置精度时, 首先应松开调节螺杆上的反扣螺母, 经过旋入和旋出调节螺杆, 从而改变回转凸台的回转角度, 调节螺杆1和调节螺杆2分别用于左旋和右旋角度的调整。当调整好摆动角度后, 应将反扣螺母与基体反扣锁紧, 防止调节螺杆松动, 造成回转精度降低。
回转到位的信号是经过调整气动摆台滑轨内的2个磁性开关的位置实现的, 图4-8是调整磁性开关位置的示意图。磁性开关安装在气缸体的滑轨内, 松开磁性开关的紧固定位螺丝, 磁性开关就能够沿着滑轨左右移动, 确定开关位置后, 旋紧固定位螺丝, 即可完成位置的调整。

图 4-8 磁性开关位置调整示意
二、 导向气缸
1、 定义
导向气缸是指具有导向功能的气缸。 一般为标准气缸和导向装置的集合体。导向气缸具有导向精度高, 抗扭转力矩、 承载能力强、 工作平稳等特点。装配单元用于驱动装配机械手水平方向移动的导向气缸外型如图 4-9 所示。该气缸由直线运动气缸带双导杆和其它附件组成。
图 4-9 导向气缸
2、 功能
安装支架用于导杆导向件的安装和导向气缸整体的固定, 连接件安装板用于固定其它需要连接到该导向气缸上的物件, 并将两导杆和直线气缸活塞杆的相对位置固定, 当直线气缸的一端接通压缩空气后, 活塞被驱动作直线运动, 活塞杆也一起移动, 被连接件安装板固定到一起的两导杆也随活塞杆伸出或缩回, 从而实现导向气缸的整体功能。
3、 调整方法
安装在导杆末端的行程调整板用于调整该导杆气缸的伸出行程。具体调整方法是先松开行程调整板上的紧定螺钉, 让行程调整板在导杆上移动, 当达到理想的伸出距离以后, 再完全锁紧紧定螺钉, 完成行程的调节。
三、 电磁阀组和气动控制回路
1、 装配单元电磁阀组
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4-10所示。这些阀分别对供料, 回转台和装配动作的气路进行控制, 以改变各自的动作状态。气动控制回路图如图4-11 所示。

图 4-10 装配单元的阀组
在进行气路连接时, 请注意各气缸的初始位置, 其中, 挡料气缸处在伸出位置, 手爪提升气缸处在提起位置。
2、 装配单元气动控制回路

图 4-11 装配单元气动控制回路
四、 光纤传感器
1、 光纤传感器的原理
光纤传感器也是光电传感器中的一种。基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器, 使待测参数与进入调制区的光相互作用后, 导致光的光学性质( 如光的强度、 波长、 频率、 相位、 偏振态等) 发生变化, 称为被调制的信号光, 再利用被测量对光的传输特性施加的影响, 完成测量。

图 4-12 光纤传感器组件
光纤型传感器由光纤检测头、 光纤放大器两部分组成, 放大器和光纤检测头是分离的两个部分, 光纤检测头的尾端部分分成两条光纤, 使用时分别插入放大器的两个光纤孔。
光纤传感器组件如图 4-12 所示。 图 4-13 是放大器的安装示意图。

图 4-13 光纤传感器组件外形及放大器的安装示意图
2、 光纤传感器特点
( 1) 抗电磁干扰、 可工作于恶劣环境;
( 2) 传输距离远, 使用寿命长;
( 3) 光纤头具有较小的体积, 因此能够安装在很小空间的地方;
( 4) 光纤式光电接近开关中放大器的灵敏度调节范围较大。
3、 光纤传感器灵敏度调节
当光纤传感器灵敏度调得较小时, 反射性较差的黑色物体, 光电探测器无法接收到反射信号; 而反射性较好的白色物体, 光电探测器就能够接收到反射信号。
若调高光纤传感器灵敏度, 则即使对反射性较差的黑色物体, 光电探测器也能够接收到反射信号。
图4-14 给出了放大器单元的俯视图, 调节其中部的8旋转灵敏度高速旋钮就能进行放大器灵敏度调节( 顺时针旋转灵敏度增大) 。调节时, 会看到”入光量显示灯”发光的变化。当探测器检测到物料时, ”动作显示灯”会亮, 提示检测到物料。

图 4-14 光纤传感器放大器单元的俯视图
4、 光纤传感器的接线
E3X-NA 型光纤传感器电路框图如图4-15所示。接线时请注意根据导线颜色判断电源极性和信号输出线, 切勿把信号输出线直接连接到电源+24V 端。

图4-15 E3X-NA 型光纤传感器电路框图
第三节 项目实施
一、 装配单元拆装
本单元的工作任务是将装配单元的机械部分拆散成组件和零件的形式, 然后再组装成原样。着重掌握机械设备的安装、 调整方法与技巧。
1、 安装步骤和方法
装配单元是整个 YL—335B 中所包含气动元器件较多, 结构较为复杂的单元。为了减小安装的难度和提高安装时的效率, 在装配前, 应当认真分析该结构组成, 认真观看录像, 参考别人的装配工艺, 认真思考, 做好记录。遵循先前的思路, 先成组件, 再进行总装。
( 1) 首先所装配成的组件如图 4-16 所示。

图 4-16 装配单元装配过程的组件
( 2) 在完成以上组件的装配后, 将与底板接触的型材放置在底板的连接螺纹之上, 使用”L”型的连接件和连接螺栓, 固定装配站的型材支撑架, 如图 4-17 所示。

图 4-17 框架组件在底板上的安装

( 3) 然后把图4-16中的组件逐个安装上去。
顺序为: 装配回转台组件→小工件料仓组件→小工件供料组件→装配机械手组件。
( 4) 最后, 安装警示灯及其各传感器, 从而完成机械部分装配。
2、 注意事项
( 1) 注意摆台的初始位置, 以免装配完毕摆动角度不到位;
( 2) 预留螺栓的放置位置一定要足够, 以免造成组件之间不能完成安装;
( 3) 建议先进行装配, 但不要一次拧紧各固定螺栓, 待相互位置基本确定后, 再依次进行调整、 固定。
二、 PLC 控制系统设计
1、 具体控制要求
( 1) 装配单元各气缸的初始位置: 挡料气缸处于伸出状态, 顶料气缸处于缩回状态, 料仓上已经有足够的小圆柱零件; 装配机械手的升降气缸处于提升状态, 伸缩气缸处于缩回状态; 气爪处于松开状态; 设备上电和气源接通后, 若各气缸满足初始位置要求, 且料仓上已经有足够的小圆柱零件且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 频率闪烁。
( 2) 供料过程
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零件, 就执行下料操作; 如果左料盘内有零件, 而右料盘内没有零件, 执行回转台回转操作。
( 3) 装配过程
如果回转台上的右料盘内有小圆柱零件且装配台上有待装配工件, 执行装配机械手抓取小圆柱零件, 放入待装配工件中的操作。
( 4) 返回
完成装配任务后, 装配机械手应返回初始位置, 等待下一次装配。
( 5) 系统停止
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停止工作。
( 6) 报警
在运行中发生”零件不足”报警时, 指示灯HL3以1Hz的频率闪烁, HL1和HL2灯常亮; 在运行中发生”零件没有”报警时, 指示灯HL3以亮1秒, 灭0.5秒的方式闪烁, HL2熄灭, HL1常亮。
2、 PLC 的 I/O 分配及系统安装接线
( 1) 装置侧的接线端口分配
装配单元装置侧的接线端口分配如表 4-1 所示。
表4-1 装配单元装置侧的接线端口信号端子的分配
输入端口中间层
输出端口中间层
端子号
设备符号
信号线
端子号
设备符号
信号线
2
SC1
零件不足检测
2
1Y
挡料电磁阀
3
SC2
零件有无检测
3
2Y
顶料电磁阀
4
SC3
左料盘零件检测
4
3Y
回转电磁阀
5
SC4
右料盘零件检测
5
4Y
手爪夹紧电磁阀
6
SC5
装配台工件检测
6
5Y
手爪下降电磁阀
7
1B1
顶料到位检测
7
6Y
手臂伸出电磁阀
8
1B2
顶料复位检测
8
AHL1
红色警示灯
9
2B1
挡料状态检测
9
AHL2
橙色警示灯
10
2B2
落料状态检测
10
AHL3
绿色警示灯
11
5B1
摆动气缸左限位检测

12
5B2
摆动气缸右限位检测

13
6B2
手爪夹紧检测

14
4B2
手爪下降到位检测

15
4B1
手爪上升到位检测

16
3B1
手臂缩回到位检测

17
3B2
手臂伸出到位检测

( 2) 装配单元I/O分配
装配单元的I/O点数较多, 选用S7-226 AC/DC/RLY主单元, 共24点输入, 16继电器输出。PLC的I/O分配如表4-2所示。
表4-2装配单元PLC的I/O分配表
输入信号
输出信号
序号
输入端子
信号名称
序号
输出端子
信号名称
1
I0.0
零件不足检测
1
Q0.0
挡料电磁阀
2
I0.1
零件有无检测
2
Q0.1
顶料电磁阀
3
I0.2
左料盘零件检测
3
Q0.2
回转电磁阀
4
I0.3
右料盘零件检测
4
Q0.3
手爪夹紧电磁阀
5
I0.4
装配台工件检测
5
Q0.4
手爪下降电磁阀
6
I0.5
顶料到位检测
6
Q0.5
手臂伸出电磁阀
7
I0.6
顶料复位检测
7
Q0.6
红色警示灯
8
I0.7
挡料状态检测
8
Q0.7
橙色警示灯
9
I1.0
落料状态检测
9
Q1.0
绿色警示灯
10
I1.1
摆动气缸左限位检测
10
Q1.5
HL1
11
I1.2
摆动气缸右限位检测
11
Q1.6
HL2
12
I1.3
手爪夹紧检测
12
Q1.7
HL3
13
I1.4
手爪下降到位检测

14
I1.5
手爪上升到位检测

15
I1.6
手臂缩回到位检测

16
I1.7
手臂伸出到位检测

17
I2.4
停止按钮

18
I2.5
启动按钮

19
I2.6
急停按钮

20
I2.7
单站/全线

注: 警示灯用来指示 YL-335B 整体运行时的工作状态, 工作任务是装配单元单独运行, 没有要求使用警示灯, 能够不连接到PLC 上。
( 3) 接线原理图
图4-18是装配单元PLC接线原理图。

图 4-18 装配单元 PLC 接线原理
4、 控制程序设计与系统调试
( 1) 编写程序的思路
进入运行状态后, 装配单元的工作过程包括2个相互独立的子过程, 一个是供料过程, 另一个是装配过程。
供料过程就是经过供料机构的操作, 使料仓中的小圆柱零件落下到摆台左边料盘上; 然后摆台转动, 使装有零件的料盘转移到右边, 以便装配机械手抓取零件。
装配过程是当装配台上有待装配工件, 且装配机械手下方有小圆柱零件时, 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子程序。如图4-19所示程序。

图 4-19
⑵供料控制子程序设计
供料控制过程包含两个互相联锁的过程, 即落料过程和摆台转动使料盘转移的过程。 在小圆柱零件从料仓下落到左料盘的过程中, 禁止摆台转动; 反之, 在摆台转动过程中, 禁止打开料仓( 挡料气缸缩回) 落料。解决的办法是这两个过程要实现连锁。
实现联锁的方法是:
①当摆台的左限位或右限位磁性开关动作而且左料盘没有料, 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, 经定时确认后, 开始摆台转动, 直到达到限位位置。图4-20给出了摆动气缸转动操作的梯形图。
图 4-20 摆动气缸转动操作的梯形图
( 3) 停止运行
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( I0.1 OFF) , 将发出缺料报警。
①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, 并复位落料初始步。
②对于摆台转动控制, 一旦发出停止指令, 则应立即停止摆台转动。( 见图4-21梯形图) 对于装配控制, 上述两种情况也应在一次装配完成, 装配机械手返回到初始位置后停止。
③仅当落料机构和装配机械手均返回到初始位置, 才能复位运行状态标志和停止指令。停止运行的操作应在主程序中编制, 其梯形图如图4-21所示。

图 4-21 停止运行的操作
三、 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、 恰当, 气缸的动作速度是否合适;
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, 观察装配单元动作是否满足任务要求。