基于工业机器人与PLC的物料分拣教学实训平台设计

王德璋

（新疆轻工职业技术学院，新疆 乌鲁木齐 830021）

随着科学技术的飞速发展，机电一体化技术的应用领域愈加广泛，为人们的工作与生活提供了极大的便捷。越来越多的机电一体化平台出现在学生的实习训练环节，通过实际教学实训来提升学生的能力与积累经验。当前，多数教学实训平台普遍存在一些缺点，如综合性较低且实现功能单一，无法有效满足学生的实训需求。基于此，文章将可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技术与工业机器人相结合，并且融合液压气动控制、传感器技术、PLC自动控制技术以及机电传动控制等方面的知识，针对教学实训平台进行设计与实验，以使学生的实训环节更加科学、合理，帮助学生拓展知识面，对现代化教学设备实践性与先进性的提升具有重要意义[1-2]。

1 教学实训平台的结构及工作流程

1.1 整体结构

在设计环节采用台式构造模式对教学实训平台进行设计，主要包括电源、主控制面板、感应器、气缸以及PLC自动控制等装置。鉴于该实训平台的实际工作需求，选择三菱PLC装置，整体结构如图1所示。学生可以根据组态软件进行人机交互控制，同时，根据按钮与触摸屏对实训平台的系统进行控制。

1.2 工作流程

教学实训平台的实际运行流程：（1）给平台通电启动实训平台。（2）将需要分拣的物料投放到传输带上，向感应区域进行输送。（3）当感应器检测到物料为金属材质时，相应的气缸开始运作，将物料推送到金属下料槽中。（4）当感应器检测到物料为白色时，相应的气缸开始运作，将物料推送到颜色下料槽中。（5）当感应器检测到物料为非金属材质时，相应的气缸开始运作，将物料推送到非金属下料槽中。（6）如果在操作过程中出现故障，要马上按急停按钮。（7）物料分拣结束后要按停止按钮。

2 教学实训平台的硬件与软件设计

教学实训平台采用台式结构进行设计，采用异步电动机作为输送带的驱动机构，在网孔板上固定传感器装置。此外，实训平台的操作主要由气动装置与电气装置来实现，其中，电动部分依靠智能控制装置与传感器之间的配合来完成，并且需要对气动装置与电动装置等发出指令，才能实现平台根据物料属性选择推料方式。具体结构情况如图2所示。

图1 物料分拣实训平台整体结构

图2 教学实训平台硬件结构

2.1 工业机器人与PLC模块

当前，市场中的工业机器人品牌较多，不同品牌机器人的操作流程与实现效果也存在差异，因此，要贴合学生的实训需求来选择工业机器人，该实训平台最终选择ABB工业机器人负责物料的码垛与搬运工作。在PLC的选择中，市场中应用效果较好的有西门子、三菱以及东芝等品牌，在选择时也需要根据物料分拣实训台的流程与功能需求来考虑。本次设计的教学实训平台在端口处搭载了控制装置，并且保证控制信号装置的状态为开关量，进而将输出端与输入端的状态调整至最佳。所以，在对各型PLC装置的价格与性能等因素进行综合考虑后，选择FX2n-32MR的PLC作为实训平台的控制主机，该装置具有16个输出端与16个输入端，可以有效满足实训平台的功能需求。

2.2 电动控制模块

在针对教学实训平台的电动控制环节进行设计时，电能的交换工作由强电电路负责，以为平台电路的稳定性提供保障，具体由接触器、熔断器、电动机以及热继电器等装置组成。平台电器元件的控制工作由控制电路装置负责，具体由接触器、开关以及热继电器组成。该实训平台的主电路情况如图3所示。

为保证平台的稳定性与安全性，主电路需要具备良好的短路保护与过载保护功能。由于该实训平台需要在操作环节融合控制实验与机电传动，因此，选择的电动机型号为Y80M1-4，该电动机具有性价比高且轻便的优势，可以有效满足试验台的要求。FUI代表熔断器，当平台电流异常导致温度升高时，熔断器会自动断开，会对教学实训平台进行保护，以免其他装置受到短路问题的影响。本次设计采取双接触器模式，在一个接触器发生故障时，另一个接触器可以马上替代其进行工作，保证电动机的稳定状态[3-5]。

2.3 气动控制模块

教学实训平台的气动装置主要由执行部件与控制装置组成，负责对气动装置进行控制的为五通电磁阀，该元件可以准确执行指令，并且经过过滤减压阀与手阀开关的传输，达到电磁阀组，以此来对各气动元件进行控制。气动控制装置作业原理如图4所示。

在对教学实训平台的实际功能效果进行实验时，首先，接通电源，通过异步电机为传输带提供转动力，当自动感应装置发现传输带上有物料时，便会开始运转；当物料运输到相应位置时，电容传感器会针对物料的性质进行检测，并将信息传输至PLC控制器中，电子阀会根据指令执行推料工作。其次，当运动幅度达到限位器位置时，电磁换向阀会恢复到原来的位置，使推料缸回到原位，便完成了一次推料作业。指定颜色材料与金属材料装置的运作规律也是一样。

2.4 教学实训平台的软件设计

在启动平台后，X000功能便会被激活，此时急停功能X001与停止功能X002都处于非作业状态，保证3个气缸的位置处于回位限位状态，也就是X011，X012，X013保持正常的运行状态，同时，还要保证热继电器FR2正常，如果传送带不运作，则说明存在故障情况。物料分拣实训平台的顺序功能如图5所示。

图5 物料分拣实训平台顺序功能

当实训平台装置正常运行时，需要传感器。PLC装置与物料分拣装置相互配合，根据物料性质选择合适的推料方式，当装置接到相应的命令，便会开展推料工作。具体流程：将物料推送至下料槽区域，最终传送到1号仓库；如果物料的性质为指定的颜色物料，则指定颜色物料推料装置便会接到相应的命令，开展推料工作。具体流程：将物料推送至滑槽，并且传动到2号仓库；如果物料的性质为金属时，则金属推料装置则会接到相应的命令，将物料推送至滑槽处以及3号仓库。当平台分拣过程中出现问题，需要及时进行急停，停止传送带的运作，在此过程中还要防止物料被抛出。

3 实验设计

根据物料分拣教学实训平台的构成与特点，可以设计以下教学实验。

（1）重点针对教学实训平台的电容感应器进行实验，可以根据各类材质的物料进行，能够判定出平台的系统识别能力，让学生了解到传感技术的应用原理，以进一步深化对传感器相关知识的理解。

（2）针对物料分拣平台的机电传动装置进行实验，根据平台的实际运行情况绘制相关的作业图，以帮助学生在实践中夯实理论基础。

（3）针对物料分拣平台的气动控制装置进行实验，通过对运行状态下气动控制元件的作业形式进行观察，来认识常用的气动元件，熟悉每一种气动元件所具备的功能与优势，以帮助学生明确了解气动控制装置的执行流程。

（4）针对物料分拣平台进行PLC编程实验，使用编程软件对实验平台的控制程序进行编辑，来实现对试验台的运作方式与节奏进行控制，对当前的分拣模式进行调整优化，以提升学生的编程经验，锻炼学生编译能力与逻辑思维。

4 结语

为满足学生实训环节的多元化需求，本研究将PLC与机器人控制等现代化技术相结合，设计出物料分拣教学实训平台，在实践应用中具备以下优势：（1）融合机电控制与传动技术、传感器技术、组态交互技术、液压气动技术以及PLC自动控制技术，可以有效满足高职院校学生的综合性教学任务。（2）集多功能于一身，可以解决传统教学平台的功能单一问题，为多学科提供多元化教学服务，使平台的应用效果更强。（3）嵌入了现代技术，在实际操作中可进行按钮与触摸的双通道控制，体现出平台的创新性与先进性，有效促进了高职院校学生综合能力的提升。