自制新國賽設備YL-235A1型坐標系機械手的示教器

長沙市電子工業學校 劉國云

針對真實聯軸器的生產，2021年全國職業院校技能大賽的機電一體化中職賽項的比賽設備（見圖1），應用了很多智能制造和信息技術，與老設備YL-235A相比，有4個顯著變化：一是增加了一個由2個松下伺服電機和1個松下步進電機構成的坐標系機械手，作為倉庫入庫和出庫的搬運工具。二是增加了機器人，作為生產過程中物料搬運和多點加工工具。三是增加了工件翻轉臺和產品沖壓加工平臺。四是增加了處理超聲波測距信號、RFID讀卡信號、掃碼信號、視覺信號的模擬量模塊和MODBUS總線模塊。

圖1 YL-235A1型整機設備

機電一體化新國項目競賽任務量大、技術新，為我國新機電一體化職教指引了方向。同時，本次國賽鼓勵參賽隊自制工具，這些改革大大提升了挑戰性、創新性和難度系數。指導老師如何指導學生應用新設備進行快速、準確地比賽，取得好的成績？除了努力學習和消化新技術的常規辦法外，還必須在工具創新上想辦法、出絕招。針對該設備的坐標系機械手（見圖2）點位不好示教的問題，我想出自制示教器和編寫示教程序的對策，現介紹如下，以與同行交流互鑒。

圖2 坐標系機械手

1 廠供示教方法的介紹

所謂坐標系機械手示教，是我借鑒機器人示教目標點，給坐標系機械手確定目標點三維坐標所做的定義。廠家提供的示教方法是：（1）編寫了控制坐標系機械手運動的PLC程序。（2）在MCGS中組態了控制XYZ軸運行方向的按鈕、速度的輸入框、顯示當前位置絕對坐標值的顯示框，及機器人快換和手爪夾緊和松開的按鈕。（3）通過XYZ按鍵控制PLC程序，使機械手達到目標點，并讀取保存當前位置坐標，完成目標點示教。

圖3 廠供觸摸屏示教器

廠家使用觸摸屏示教存在以下幾個不足：（1）觸摸屏盡管可以手持移動，但受電源線和通信線尺寸限制，不方便用戶隨意移動、靠近點位全方位觀察，實現精確定位。（2）觸摸屏是人機交互設備，沒有示教器拿放方便，不適合操控。（3）觸摸屏按鍵控制靈敏度和操作速度沒有按鍵開關高，難于實現目標點快速、精準定位。針對上述缺陷，為提高比賽時坐標系機械手的示教速度和精準度，我設計了圖4所示的示教器。

圖4 自制的示教器的正反面和連接線

2 自制示教器的介紹

該示教器是針對三菱PLC設計的，其輸入端口S/S接+24V，所以按鍵的公共端接地；PLC輸出COM端口接+24V，具體按鍵功能和原理圖如圖5所示。

圖5 自制示教器原理圖和按鍵功能

該示教器能實現兩組驅動：一是用“快松”、“快緊”、“夾松”、“夾緊”4組按鍵，直接給控制坐標系機械手法蘭快換和夾具的兩組雙向電磁閥提供+24V電源，驅動快換和夾具松開和夾緊，以便驗證機械手在目標點換夾具和夾取托盤或物料的功能。

二是用9個PLC輸入按鍵，驅動坐標系機械手控制程序，為兩個夾具夾取托盤和物料目標點確定三維坐標。按鍵X左、X右、Y前、Y后、Z下、Z上通過控制XYZ三個方向的伺服和步進電機，使法蘭和夾具快速、精準地運動到目標點?！凹铀佟?、“減速”按鍵是控制夾具法蘭或夾具的運動速度，便于精準定位調節?！按_認”按鍵是對目標點三維坐標值進行確認，并把坐標值保存到點位數據中。

該示教器通過連接線的插頭，直接與PLC控制系統的+24V、GND、PLC輸入輸出端口連接，接口可靠、快捷、方便。該示教器輕便，手持操作舒適感強；選手移動范圍大，便于把頭靠近工具多角度觀察點位；按鍵控制操控感好、機械手移動方向和速度控制靈敏精準，大大提高了選手示教精度和速度。

3 PLC示教程序的介紹

由于篇幅限制，就不在此提供完整的PLC示教程序，主要介紹4個確保示教功能可靠、方便、快捷，及示教點位數據不被誤操作、能長期保存的小技巧。

3.1 用斷電保持數據存儲器存儲點位數據

示教出來的目標點數據在本次比賽期間，是不能斷電丟失的，需要用斷電保持數據存儲器保存。沒有點位數據，坐標系機械手根本沒辦法實現出入庫放取功能，點位示教非常重要。示教完所需點位，估計要40-60min，任務二比賽總時間為360min，假如因為掉電丟失，再重新示教，會嚴重影響競賽成績，出現此問題，是示教程序嚴謹性的致命BUG。有些選手有PLC上電時，使用M8031、M8032復位PLC所有繼電器和存儲器的習慣，在此友情提示：千萬別用M8032進行上電復位。

3.2 設置示教標志位

坐標系機械手示教程序與該部件的調試程序、復位程序要共用，為確保示教程序首先運行，使用M8002置位了示教標志位M90，并用該標志位限定示教專用程序。示教完所有點位后，可以置位斷電保持繼電器M500，用它的常閉觸點來鎖存已經創建的點位數據。

3.3 示教時速度控制有技巧

我分別用了三個數據存儲器，對XYZ三個方向的速度參數進行設置，實現了三個方向的速度單獨控制，具體編程很容易實現，不再贅述。

3.4 編寫目標點坐標“確認”延時輸出和指示燈提示程序

法蘭和夾具到達目標點后，選手應該把目標點XYZ三維坐標值送給點位數據存儲器。通過按下“確認”按鍵，用變址存儲器Z保存目標點位參數給示教編程帶來很大方便，但由于需要示教的點位多，且點位參數存儲器編號是連續的，只有一個點位出錯，其它點位就會相繼出錯，造成所有點位都需要重新示教。為確保每一個點位參數準確無誤地保存，我通過“確認”按鍵按下4S延時后，再保存點位數據，給選手提供了一段糾錯思考時間，大大降低了點位示教出錯率。同時通過延時4S點亮紅色警示燈，來提示選手點位數據已經成功保存，可以繼續示教下一個目標點。