自制新國賽設(shè)備YL-235A1型坐標(biāo)系機(jī)械手的示教器

長沙市電子工業(yè)學(xué)校 劉國云

針對真實聯(lián)軸器的生產(chǎn)，2021年全國職業(yè)院校技能大賽的機(jī)電一體化中職賽項的比賽設(shè)備（見圖1），應(yīng)用了很多智能制造和信息技術(shù)，與老設(shè)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(jī)和1個松下步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的坐標(biāo)系機(jī)械手，作為倉庫入庫和出庫的搬運(yùn)工具。二是增加了機(jī)器人，作為生產(chǎn)過程中物料搬運(yùn)和多點加工工具。三是增加了工件翻轉(zhuǎn)臺和產(chǎn)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(jī)設(shè)備

機(jī)電一體化新國項目競賽任務(wù)量大、技術(shù)新，為我國新機(jī)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(zhàn)性、創(chuàng)新性和難度系數(shù)。指導(dǎo)老師如何指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用新設(shè)備進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地比賽，取得好的成績？除了努力學(xué)習(xí)和消化新技術(shù)的常規(guī)辦法外，還必須在工具創(chuàng)新上想辦法、出絕招。針對該設(shè)備的坐標(biāo)系機(jī)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(xiàn)介紹如下，以與同行交流互鑒。

圖2 坐標(biāo)系機(jī)械手

1 廠供示教方法的介紹

所謂坐標(biāo)系機(jī)械手示教，是我借鑒機(jī)器人示教目標(biāo)點，給坐標(biāo)系機(jī)械手確定目標(biāo)點三維坐標(biāo)所做的定義。廠家提供的示教方法是：（1）編寫了控制坐標(biāo)系機(jī)械手運(yùn)動的PLC程序。（2）在MCGS中組態(tài)了控制XYZ軸運(yùn)行方向的按鈕、速度的輸入框、顯示當(dāng)前位置絕對坐標(biāo)值的顯示框，及機(jī)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(jī)械手達(dá)到目標(biāo)點，并讀取保存當(dāng)前位置坐標(biāo)，完成目標(biāo)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(xiàn)精確定位。（2）觸摸屏是人機(jī)交互設(shè)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(guān)高，難于實現(xiàn)目標(biāo)點快速、精準(zhǔn)定位。針對上述缺陷，為提高比賽時坐標(biāo)系機(jī)械手的示教速度和精準(zhǔn)度，我設(shè)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(shè)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(xiàn)兩組驅(qū)動：一是用“快松”、“快緊”、“夾松”、“夾緊”4組按鍵，直接給控制坐標(biāo)系機(jī)械手法蘭快換和夾具的兩組雙向電磁閥提供+24V電源，驅(qū)動快換和夾具松開和夾緊，以便驗證機(jī)械手在目標(biāo)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(qū)動坐標(biāo)系機(jī)械手控制程序，為兩個夾具夾取托盤和物料目標(biāo)點確定三維坐標(biāo)。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(jìn)電機(jī)，使法蘭和夾具快速、精準(zhǔn)地運(yùn)動到目標(biāo)點。“加速”、“減速”按鍵是控制夾具法蘭或夾具的運(yùn)動速度，便于精準(zhǔn)定位調(diào)節(jié)。“確認(rèn)”按鍵是對目標(biāo)點三維坐標(biāo)值進(jìn)行確認(rèn)，并把坐標(biāo)值保存到點位數(shù)據(jù)中。

該示教器通過連接線的插頭，直接與PLC控制系統(tǒng)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(qiáng)；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(jī)械手移動方向和速度控制靈敏精準(zhǔn)，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(shù)據(jù)不被誤操作、能長期保存的小技巧。

3.1 用斷電保持?jǐn)?shù)據(jù)存儲器存儲點位數(shù)據(jù)

示教出來的目標(biāo)點數(shù)據(jù)在本次比賽期間，是不能斷電丟失的，需要用斷電保持?jǐn)?shù)據(jù)存儲器保存。沒有點位數(shù)據(jù)，坐標(biāo)系機(jī)械手根本沒辦法實現(xiàn)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(wù)二比賽總時間為360min，假如因為掉電丟失，再重新示教，會嚴(yán)重影響競賽成績，出現(xiàn)此問題，是示教程序嚴(yán)謹(jǐn)性的致命BUG。有些選手有PLC上電時，使用M8031、M8032復(fù)位PLC所有繼電器和存儲器的習(xí)慣，在此友情提示：千萬別用M8032進(jìn)行上電復(fù)位。

3.2 設(shè)置示教標(biāo)志位

坐標(biāo)系機(jī)械手示教程序與該部件的調(diào)試程序、復(fù)位程序要共用，為確保示教程序首先運(yùn)行，使用M8002置位了示教標(biāo)志位M90，并用該標(biāo)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(jīng)創(chuàng)建的點位數(shù)據(jù)。

3.3 示教時速度控制有技巧

我分別用了三個數(shù)據(jù)存儲器，對XYZ三個方向的速度參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，實現(xiàn)了三個方向的速度單獨(dú)控制，具體編程很容易實現(xiàn)，不再贅述。

3.4 編寫目標(biāo)點坐標(biāo)“確認(rèn)”延時輸出和指示燈提示程序

法蘭和夾具到達(dá)目標(biāo)點后，選手應(yīng)該把目標(biāo)點XYZ三維坐標(biāo)值送給點位數(shù)據(jù)存儲器。通過按下“確認(rèn)”按鍵，用變址存儲器Z保存目標(biāo)點位參數(shù)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(shù)存儲器編號是連續(xù)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(shù)準(zhǔn)確無誤地保存，我通過“確認(rèn)”按鍵按下4S延時后，再保存點位數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)已經(jīng)成功保存，可以繼續(xù)示教下一個目標(biāo)點。