基于工業機器人與PLC的物料分揀教學實訓平臺設計

王德璋

（新疆輕工職業技術學院，新疆 烏魯木齊 830021）

隨著科學技術的飛速發展，機電一體化技術的應用領域愈加廣泛，為人們的工作與生活提供了極大的便捷。越來越多的機電一體化平臺出現在學生的實習訓練環節，通過實際教學實訓來提升學生的能力與積累經驗。當前，多數教學實訓平臺普遍存在一些缺點，如綜合性較低且實現功能單一，無法有效滿足學生的實訓需求。基于此，文章將可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術與工業機器人相結合，并且融合液壓氣動控制、傳感器技術、PLC自動控制技術以及機電傳動控制等方面的知識，針對教學實訓平臺進行設計與實驗，以使學生的實訓環節更加科學、合理，幫助學生拓展知識面，對現代化教學設備實踐性與先進性的提升具有重要意義[1-2]。

1 教學實訓平臺的結構及工作流程

1.1 整體結構

在設計環節采用臺式構造模式對教學實訓平臺進行設計，主要包括電源、主控制面板、感應器、氣缸以及PLC自動控制等裝置。鑒于該實訓平臺的實際工作需求，選擇三菱PLC裝置，整體結構如圖1所示。學生可以根據組態軟件進行人機交互控制，同時，根據按鈕與觸摸屏對實訓平臺的系統進行控制。

1.2 工作流程

教學實訓平臺的實際運行流程：（1）給平臺通電啟動實訓平臺。（2）將需要分揀的物料投放到傳輸帶上，向感應區域進行輸送。（3）當感應器檢測到物料為金屬材質時，相應的氣缸開始運作，將物料推送到金屬下料槽中。（4）當感應器檢測到物料為白色時，相應的氣缸開始運作，將物料推送到顏色下料槽中。（5）當感應器檢測到物料為非金屬材質時，相應的氣缸開始運作，將物料推送到非金屬下料槽中。（6）如果在操作過程中出現故障，要馬上按急停按鈕。（7）物料分揀結束后要按停止按鈕。

2 教學實訓平臺的硬件與軟件設計

教學實訓平臺采用臺式結構進行設計，采用異步電動機作為輸送帶的驅動機構，在網孔板上固定傳感器裝置。此外，實訓平臺的操作主要由氣動裝置與電氣裝置來實現，其中，電動部分依靠智能控制裝置與傳感器之間的配合來完成，并且需要對氣動裝置與電動裝置等發出指令，才能實現平臺根據物料屬性選擇推料方式。具體結構情況如圖2所示。

圖1 物料分揀實訓平臺整體結構

圖2 教學實訓平臺硬件結構

2.1 工業機器人與PLC模塊

當前，市場中的工業機器人品牌較多，不同品牌機器人的操作流程與實現效果也存在差異，因此，要貼合學生的實訓需求來選擇工業機器人，該實訓平臺最終選擇ABB工業機器人負責物料的碼垛與搬運工作。在PLC的選擇中，市場中應用效果較好的有西門子、三菱以及東芝等品牌，在選擇時也需要根據物料分揀實訓臺的流程與功能需求來考慮。本次設計的教學實訓平臺在端口處搭載了控制裝置，并且保證控制信號裝置的狀態為開關量，進而將輸出端與輸入端的狀態調整至最佳。所以，在對各型PLC裝置的價格與性能等因素進行綜合考慮后，選擇FX2n-32MR的PLC作為實訓平臺的控制主機，該裝置具有16個輸出端與16個輸入端，可以有效滿足實訓平臺的功能需求。

2.2 電動控制模塊

在針對教學實訓平臺的電動控制環節進行設計時，電能的交換工作由強電電路負責，以為平臺電路的穩定性提供保障，具體由接觸器、熔斷器、電動機以及熱繼電器等裝置組成。平臺電器元件的控制工作由控制電路裝置負責，具體由接觸器、開關以及熱繼電器組成。該實訓平臺的主電路情況如圖3所示。

為保證平臺的穩定性與安全性，主電路需要具備良好的短路保護與過載保護功能。由于該實訓平臺需要在操作環節融合控制實驗與機電傳動，因此，選擇的電動機型號為Y80M1-4，該電動機具有性價比高且輕便的優勢，可以有效滿足試驗臺的要求。FUI代表熔斷器，當平臺電流異常導致溫度升高時，熔斷器會自動斷開，會對教學實訓平臺進行保護，以免其他裝置受到短路問題的影響。本次設計采取雙接觸器模式，在一個接觸器發生故障時，另一個接觸器可以馬上替代其進行工作，保證電動機的穩定狀態[3-5]。

2.3 氣動控制模塊

教學實訓平臺的氣動裝置主要由執行部件與控制裝置組成，負責對氣動裝置進行控制的為五通電磁閥，該元件可以準確執行指令，并且經過過濾減壓閥與手閥開關的傳輸，達到電磁閥組，以此來對各氣動元件進行控制。氣動控制裝置作業原理如圖4所示。

在對教學實訓平臺的實際功能效果進行實驗時，首先，接通電源，通過異步電機為傳輸帶提供轉動力，當自動感應裝置發現傳輸帶上有物料時，便會開始運轉；當物料運輸到相應位置時，電容傳感器會針對物料的性質進行檢測，并將信息傳輸至PLC控制器中，電子閥會根據指令執行推料工作。其次，當運動幅度達到限位器位置時，電磁換向閥會恢復到原來的位置，使推料缸回到原位，便完成了一次推料作業。指定顏色材料與金屬材料裝置的運作規律也是一樣。

2.4 教學實訓平臺的軟件設計

在啟動平臺后，X000功能便會被激活，此時急停功能X001與停止功能X002都處于非作業狀態，保證3個氣缸的位置處于回位限位狀態，也就是X011，X012，X013保持正常的運行狀態，同時，還要保證熱繼電器FR2正常，如果傳送帶不運作，則說明存在故障情況。物料分揀實訓平臺的順序功能如圖5所示。

圖5 物料分揀實訓平臺順序功能

當實訓平臺裝置正常運行時，需要傳感器。PLC裝置與物料分揀裝置相互配合，根據物料性質選擇合適的推料方式，當裝置接到相應的命令，便會開展推料工作。具體流程：將物料推送至下料槽區域，最終傳送到1號倉庫；如果物料的性質為指定的顏色物料，則指定顏色物料推料裝置便會接到相應的命令，開展推料工作。具體流程：將物料推送至滑槽，并且傳動到2號倉庫；如果物料的性質為金屬時，則金屬推料裝置則會接到相應的命令，將物料推送至滑槽處以及3號倉庫。當平臺分揀過程中出現問題，需要及時進行急停，停止傳送帶的運作，在此過程中還要防止物料被拋出。

3 實驗設計

根據物料分揀教學實訓平臺的構成與特點，可以設計以下教學實驗。

（1）重點針對教學實訓平臺的電容感應器進行實驗，可以根據各類材質的物料進行，能夠判定出平臺的系統識別能力，讓學生了解到傳感技術的應用原理，以進一步深化對傳感器相關知識的理解。

（2）針對物料分揀平臺的機電傳動裝置進行實驗，根據平臺的實際運行情況繪制相關的作業圖，以幫助學生在實踐中夯實理論基礎。

（3）針對物料分揀平臺的氣動控制裝置進行實驗，通過對運行狀態下氣動控制元件的作業形式進行觀察，來認識常用的氣動元件，熟悉每一種氣動元件所具備的功能與優勢，以幫助學生明確了解氣動控制裝置的執行流程。

（4）針對物料分揀平臺進行PLC編程實驗，使用編程軟件對實驗平臺的控制程序進行編輯，來實現對試驗臺的運作方式與節奏進行控制，對當前的分揀模式進行調整優化，以提升學生的編程經驗，鍛煉學生編譯能力與邏輯思維。

4 結語

為滿足學生實訓環節的多元化需求，本研究將PLC與機器人控制等現代化技術相結合，設計出物料分揀教學實訓平臺，在實踐應用中具備以下優勢：（1）融合機電控制與傳動技術、傳感器技術、組態交互技術、液壓氣動技術以及PLC自動控制技術，可以有效滿足高職院校學生的綜合性教學任務。（2）集多功能于一身，可以解決傳統教學平臺的功能單一問題，為多學科提供多元化教學服務，使平臺的應用效果更強。（3）嵌入了現代技術，在實際操作中可進行按鈕與觸摸的雙通道控制，體現出平臺的創新性與先進性，有效促進了高職院校學生綜合能力的提升。