自制新国赛设备YL-235A1型坐标系机械手的示教器

长沙市电子工业学校 刘国云

针对真实联轴器的生产，2021年全国职业院校技能大赛的机电一体化中职赛项的比赛设备（见图1），应用了很多智能制造和信息技术，与老设备YL-235A相比，有4个显著变化：一是增加了一个由2个松下伺服电机和1个松下步进电机构成的坐标系机械手，作为仓库入库和出库的搬运工具。二是增加了机器人，作为生产过程中物料搬运和多点加工工具。三是增加了工件翻转台和产品冲压加工平台。四是增加了处理超声波测距信号、RFID读卡信号、扫码信号、视觉信号的模拟量模块和MODBUS总线模块。

图1 YL-235A1型整机设备

机电一体化新国项目竞赛任务量大、技术新，为我国新机电一体化职教指引了方向。同时，本次国赛鼓励参赛队自制工具，这些改革大大提升了挑战性、创新性和难度系数。指导老师如何指导学生应用新设备进行快速、准确地比赛，取得好的成绩？除了努力学习和消化新技术的常规办法外，还必须在工具创新上想办法、出绝招。针对该设备的坐标系机械手（见图2）点位不好示教的问题，我想出自制示教器和编写示教程序的对策，现介绍如下，以与同行交流互鉴。

图2 坐标系机械手

1 厂供示教方法的介绍

所谓坐标系机械手示教，是我借鉴机器人示教目标点，给坐标系机械手确定目标点三维坐标所做的定义。厂家提供的示教方法是：（1）编写了控制坐标系机械手运动的PLC程序。（2）在MCGS中组态了控制XYZ轴运行方向的按钮、速度的输入框、显示当前位置绝对坐标值的显示框，及机器人快换和手爪夹紧和松开的按钮。（3）通过XYZ按键控制PLC程序，使机械手达到目标点，并读取保存当前位置坐标，完成目标点示教。

图3 厂供触摸屏示教器

厂家使用触摸屏示教存在以下几个不足：（1）触摸屏尽管可以手持移动，但受电源线和通信线尺寸限制，不方便用户随意移动、靠近点位全方位观察，实现精确定位。（2）触摸屏是人机交互设备，没有示教器拿放方便，不适合操控。（3）触摸屏按键控制灵敏度和操作速度没有按键开关高，难于实现目标点快速、精准定位。针对上述缺陷，为提高比赛时坐标系机械手的示教速度和精准度，我设计了图4所示的示教器。

图4 自制的示教器的正反面和连接线

2 自制示教器的介绍

该示教器是针对三菱PLC设计的，其输入端口S/S接+24V，所以按键的公共端接地；PLC输出COM端口接+24V，具体按键功能和原理图如图5所示。

图5 自制示教器原理图和按键功能

该示教器能实现两组驱动：一是用“快松”、“快紧”、“夹松”、“夹紧”4组按键，直接给控制坐标系机械手法兰快换和夹具的两组双向电磁阀提供+24V电源，驱动快换和夹具松开和夹紧，以便验证机械手在目标点换夹具和夹取托盘或物料的功能。

二是用9个PLC输入按键，驱动坐标系机械手控制程序，为两个夹具夹取托盘和物料目标点确定三维坐标。按键X左、X右、Y前、Y后、Z下、Z上通过控制XYZ三个方向的伺服和步进电机，使法兰和夹具快速、精准地运动到目标点。“加速”、“减速”按键是控制夹具法兰或夹具的运动速度，便于精准定位调节。“确认”按键是对目标点三维坐标值进行确认，并把坐标值保存到点位数据中。

该示教器通过连接线的插头，直接与PLC控制系统的+24V、GND、PLC输入输出端口连接，接口可靠、快捷、方便。该示教器轻便，手持操作舒适感强；选手移动范围大，便于把头靠近工具多角度观察点位；按键控制操控感好、机械手移动方向和速度控制灵敏精准，大大提高了选手示教精度和速度。

3 PLC示教程序的介绍

由于篇幅限制，就不在此提供完整的PLC示教程序，主要介绍4个确保示教功能可靠、方便、快捷，及示教点位数据不被误操作、能长期保存的小技巧。

3.1 用断电保持数据存储器存储点位数据

示教出来的目标点数据在本次比赛期间，是不能断电丢失的，需要用断电保持数据存储器保存。没有点位数据，坐标系机械手根本没办法实现出入库放取功能，点位示教非常重要。示教完所需点位，估计要40-60min，任务二比赛总时间为360min，假如因为掉电丢失，再重新示教，会严重影响竞赛成绩，出现此问题，是示教程序严谨性的致命BUG。有些选手有PLC上电时，使用M8031、M8032复位PLC所有继电器和存储器的习惯，在此友情提示：千万别用M8032进行上电复位。

3.2 设置示教标志位

坐标系机械手示教程序与该部件的调试程序、复位程序要共用，为确保示教程序首先运行，使用M8002置位了示教标志位M90，并用该标志位限定示教专用程序。示教完所有点位后，可以置位断电保持继电器M500，用它的常闭触点来锁存已经创建的点位数据。

3.3 示教时速度控制有技巧

我分别用了三个数据存储器，对XYZ三个方向的速度参数进行设置，实现了三个方向的速度单独控制，具体编程很容易实现，不再赘述。

3.4 编写目标点坐标“确认”延时输出和指示灯提示程序

法兰和夹具到达目标点后，选手应该把目标点XYZ三维坐标值送给点位数据存储器。通过按下“确认”按键，用变址存储器Z保存目标点位参数给示教编程带来很大方便，但由于需要示教的点位多，且点位参数存储器编号是连续的，只有一个点位出错，其它点位就会相继出错，造成所有点位都需要重新示教。为确保每一个点位参数准确无误地保存，我通过“确认”按键按下4S延时后，再保存点位数据，给选手提供了一段纠错思考时间，大大降低了点位示教出错率。同时通过延时4S点亮红色警示灯，来提示选手点位数据已经成功保存，可以继续示教下一个目标点。