4.3.4 装配单元程序设计与调试
1.任务引入
装配单元作为独立设备运行时，其工作的主令信号和工作状态显示信号来自PLC侧的按钮/指示灯模块，并且按钮/指示灯模块上的工作方式选择开关SA应置于左侧“单站方式”位置
2.任务目标
1）知识目标
熟悉装配单元的结构和功能。
2）技能目标
（1）能够编写装配单元的控制程序，并进行程序调试。
（2）装配单元组装完成后进行机械部分的检查和调整，使其满足规定的技术要求。
3）素养目标
培养学生注重细节、追求完美、精益求精的工作作风。
3.任务分析
编写装配单元的PLC控制程序，使装配单元能够按照生产要求进行工件装配工作。
（1）设备上电和气源接通后，若各气缸满足初始位置要求，且管形料仓上已经有足够的小圆柱工件，装配台上没有待装配工件，则“正常工作”指示灯HL 1常亮，表示设备准备好。否则，该指示灯以1 Hz的频率闪烁。
（2）若设备准备好，按下启动按钮，装配单元启动， “设备运行”指示灯HL2常亮。如果物料回转台上的左料盘内没有小圆柱工件，就执行下料操作；如果左料盘内有小圆柱工件，而右料盘内没有小圆柱工件，则执行物料回转台回转操作。
（3）如果物料回转台上的右料盘内有小圆柱工件且装配台上有待装配工件，则执行装配机械手抓取小圆柱工件，放入待装配工件中的操作。
（4）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）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）在运行中发生“工件不足”报警时，指示灯HL3以1 Hz的频率闪烁，HL1和HL2灯常亮；在运行中发生“没有工件”报警时，指示灯HL3以亮1 s，灭0.5 s的方式闪烁，HL2熄灭，HL1常亮。
4.相关知识
1）认识机械手
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它可在空间抓、放、搬运物体等，动作灵活多样，广泛应用于工业生产和其他领域。应用PLC控制机械手能实现各种规定的工序动作。机械手在构造与性能上兼有人和机器各自的优点，不仅可以提高产品的质量与产量，降低劳动强度，提高劳动生产率，还能节约原材料消耗以及降低生产成本。
机械手的自由度代表机械手的运动灵活性。人从手指到肩部共有27个自由度。从力学的角度分析，物件在空间只有6个自由度。因此为抓取和传送在空间中不同位置和方位的物件，传送机构也应具有6个自由度。常用的机械手的自由度小于等于7。一般的专用机械手只有2～4个自由度，而通用机械手则多数为3～7个自由度，这里所说的自由度数目，均不包括手指的抓取动作。
机械手的每一个自由度是由其操作机的独立驱动关节来实现的。因此，在应用中，关节和自由度在表达机械手的运动灵活性方面的意义是相通的。又由于关节在实际构造上是由回转或移动的轴来完成的，所以又习惯称之为轴。因此，就有了6自由度、6关节或6轴机械手的命名方法。这些都说明机械手有6个独立驱动的关节结构，能在其工作空间中以任意位置和姿态抓取物件。图4-24所示为6自由度机械手和5自由度机械手。
图4-24 6自由度机械手和5自由度机械手
（a）6自由度机械手；（b）5自由度机械手
随着网络技术的发展，机械手的联网操作也是其发展方向。工业机器人是近年来发展起来的一种高科技自动化生产设备。机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，它在构造与性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手因其作业的准确性和在各种环境中完成作业的能力而在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
智能生产线上共有两个机械手，一个是装配单元的装配机械手，一个是输送单元的搬运机械手。装配机械手由手爪、手臂和机座组成，具有水平方向的前后运动、竖直方向的上下运动（手爪运动除外），可实现三维运动。装配机械手的水平方向移动和竖直方向移动分别由2个导杆气缸和气动手指组成，能够实现抓取和搬运物料的功能。
2）装配单元的程序编制方法
（1）装配单元的编程思路。
从装配系统的工作过程要求可以看出，装配系统的编程思路为：首先进行运行状态的初始检查，进入运行状态后，装配单元的工作过程包括3个相互独立的子过程，一个是落料过程，一个是旋转过程，还有一个是装配过程。
落料过程就是通过供料机构的操作，使管形料仓中的小圆柱工件落下到物料回转台左边料盘上；回转过程使装有小圆柱工件的料盘转移到右边，以便装配机械手抓取小圆柱工件；装配过程是当装配台上有待装配小圆柱工件，且装配机械手下方有小圆柱工件时，进行装配操作。
在主程序中，当初始状态检查结束，确认单元准备就绪时，按下启动按钮进入运行状态后，同时应进行落料、旋转和装配3个子过程，如图4-25所示。
①落料过程与旋转过程相互锁定，在小圆柱工件从管形料仓下落到左料盘的过程中，禁止物料回转台转动；反之，在物料回转台转动的过程中，禁止打开管形料仓（挡料气缸缩回）落料。实现联锁的方法：一是当物料回转台的左限位或右限位磁性开关动作并且左料盘没有小圆柱工件时，经定时确认后，开始落料过程；二是当挡料气缸伸出到位使管形料仓关闭，左料盘有物料而右料盘为空时，经定时确认后，开始物料回转台转动，直到达到限位位置。
②3个子过程的控制过程都是单序列步进顺序控制。
③停止运行有两种情况。一种情况是在运行中按下停止按钮，启动信号被复位；另一种情况是当管形料仓中最后一个小圆柱工件落下时，检测工件有无的传感器动作，将发出缺料报警。此时，对于落料过程，上述两种情况均应在管形料仓关闭，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。但对于旋转控制，一旦停止指令发出，则应立即停止物料回转台转动。对于装配控制，上述两种情况也应在一次装配完成，装配机械手返回初始位置后停止。
图4-25 装配运行的3个子过程(https://www.daowen.com)
（2）选择分支步进编程方法。
根据上述分析，可采用步进选择分支方法来编程，如图4-26所示。
编程原则是先集中处理分支转移情况，然后依顺序进行各分支程序处理。图4-26中当S0步被激活成为活动步后，若转换条件X0成立就执行左边的分支程序，若X3成立就执行右边的分支程序。S50为汇合状态，转换条件X1和X4成立时，汇合转换成S50步。
（3）装配单元程序编制。
根据步进选择分支编程方法，理解图4-25的流程分解说明，为PLC程序的编写做好准备。
①启动条件。
启动条件这里只考虑单机启动（SA转换开关置于左位），在满足初始条件的情况下，按下启动按钮，置位启动信号，按下停止按钮或无工件时复位该信号。
②左旋、右旋到位判断。
图4-26 步进选择分支编程方法
在落料、旋转和装配之前，必须先判断摆动气缸是否回转到位（摆动气缸上的两个磁性开关指示灯亮），防止左、右料盘的传感器误判（如果气缸不在左、右到位状态，则左、右料盘对应的传感器检测到的信息未必是当前料盘的状态）。
③落料条件。
气缸左旋或右旋到位、左料盘没有工件（供料机构正下方，其对应的料盘工件检测传感器感应不到信号）、管形料仓内有工件（料盘铁槽对应下方传感器感应到信号）。
④回转条件。
左料盘有工件、右料盘无工件（装配机械手下方的料盘对应检测传感器感应不到信号）。
⑤装配条件。
装配台有待装配的工件（装配台上的光纤传感器检测到工件）、右料盘有工件（右料盘检测传感器感应到工件）。
5.任务实施
1）绘制顺序功能图
装配单元控制程序用顺序功能图来编写，可根据前面画出的工作流程图和I/O地址分配表，采用步进选择分支编程方法。系统信号指示程序的编写放在步进程序的外面，在步进程序执行过程中用标志信号来驱动。根据装配单元的工作流程图，绘制装配单元的顺序功能图，如图4-27所示。
2）编写分支程序
当系统满足条件且启动后，根据3个分支的条件选择执行，如图4-28所示。
3）程序调试
（1）程序编好后，进行变换，如果变换无误，则下载到PLC进行调试。
（2）将PLC的RUN/STOP开关置于“STOP”位置，运行程序，按照控制要求进行操作，记录调试过程中的问题。
调试程序时，如果发现程序没有问题，但是设备执行的动作有误，应检查设备其他部分，如电气接线、气动回路、传感器信号等，要连带着一起调试。
图4-27 装配单元顺序功能图
图4-28 装配单元分支程序设计
另外，调试程序时，先从功能开始调试，最后处理特殊情况。在调试过程中要看设备的动作状态和PLC上的信号，程序编制错误时，重新修改后，要再次变换和下载，直到调试没有问题为止。
4）拓展练习
（1）利用警示灯实现装配单元工件状态判断，显示方法：工件不足时，红色警示灯闪烁；没有工件时，警示灯顺序点亮，闪烁3 s后熄灭，设备停止。
（2）总结编程过程中可能出现的问题。
6.任务评价
任务评价见表4-22。
表4-22 任务评价
