基于工業(yè)機(jī)器人與PLC的物料分揀教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

王德璋

（新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830021）

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域愈加廣泛，為人們的工作與生活提供了極大的便捷。越來(lái)越多的機(jī)電一體化平臺(tái)出現(xiàn)在學(xué)生的實(shí)習(xí)訓(xùn)練環(huán)節(jié)，通過(guò)實(shí)際教學(xué)實(shí)訓(xùn)來(lái)提升學(xué)生的能力與積累經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)前，多數(shù)教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)普遍存在一些缺點(diǎn)，如綜合性較低且實(shí)現(xiàn)功能單一，無(wú)法有效滿足學(xué)生的實(shí)訓(xùn)需求。基于此，文章將可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合，并且融合液壓氣動(dòng)控制、傳感器技術(shù)、PLC自動(dòng)控制技術(shù)以及機(jī)電傳動(dòng)控制等方面的知識(shí)，針對(duì)教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，以使學(xué)生的實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)更加科學(xué)、合理，幫助學(xué)生拓展知識(shí)面，對(duì)現(xiàn)代化教學(xué)設(shè)備實(shí)踐性與先進(jìn)性的提升具有重要意義[1-2]。

1 教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)及工作流程

1.1 整體結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)采用臺(tái)式構(gòu)造模式對(duì)教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括電源、主控制面板、感應(yīng)器、氣缸以及PLC自動(dòng)控制等裝置。鑒于該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的實(shí)際工作需求，選擇三菱PLC裝置，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。學(xué)生可以根據(jù)組態(tài)軟件進(jìn)行人機(jī)交互控制，同時(shí)，根據(jù)按鈕與觸摸屏對(duì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的系統(tǒng)進(jìn)行控制。

1.2 工作流程

教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的實(shí)際運(yùn)行流程：（1）給平臺(tái)通電啟動(dòng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。（2）將需要分揀的物料投放到傳輸帶上，向感應(yīng)區(qū)域進(jìn)行輸送。（3）當(dāng)感應(yīng)器檢測(cè)到物料為金屬材質(zhì)時(shí)，相應(yīng)的氣缸開(kāi)始運(yùn)作，將物料推送到金屬下料槽中。（4）當(dāng)感應(yīng)器檢測(cè)到物料為白色時(shí)，相應(yīng)的氣缸開(kāi)始運(yùn)作，將物料推送到顏色下料槽中。（5）當(dāng)感應(yīng)器檢測(cè)到物料為非金屬材質(zhì)時(shí)，相應(yīng)的氣缸開(kāi)始運(yùn)作，將物料推送到非金屬下料槽中。（6）如果在操作過(guò)程中出現(xiàn)故障，要馬上按急停按鈕。（7）物料分揀結(jié)束后要按停止按鈕。

2 教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的硬件與軟件設(shè)計(jì)

教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采用臺(tái)式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用異步電動(dòng)機(jī)作為輸送帶的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在網(wǎng)孔板上固定傳感器裝置。此外，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的操作主要由氣動(dòng)裝置與電氣裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中，電動(dòng)部分依靠智能控制裝置與傳感器之間的配合來(lái)完成，并且需要對(duì)氣動(dòng)裝置與電動(dòng)裝置等發(fā)出指令，才能實(shí)現(xiàn)平臺(tái)根據(jù)物料屬性選擇推料方式。具體結(jié)構(gòu)情況如圖2所示。

圖1 物料分揀實(shí)訓(xùn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

圖2 教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 工業(yè)機(jī)器人與PLC模塊

當(dāng)前，市場(chǎng)中的工業(yè)機(jī)器人品牌較多，不同品牌機(jī)器人的操作流程與實(shí)現(xiàn)效果也存在差異，因此，要貼合學(xué)生的實(shí)訓(xùn)需求來(lái)選擇工業(yè)機(jī)器人，該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)最終選擇ABB工業(yè)機(jī)器人負(fù)責(zé)物料的碼垛與搬運(yùn)工作。在PLC的選擇中，市場(chǎng)中應(yīng)用效果較好的有西門子、三菱以及東芝等品牌，在選擇時(shí)也需要根據(jù)物料分揀實(shí)訓(xùn)臺(tái)的流程與功能需求來(lái)考慮。本次設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在端口處搭載了控制裝置，并且保證控制信號(hào)裝置的狀態(tài)為開(kāi)關(guān)量，進(jìn)而將輸出端與輸入端的狀態(tài)調(diào)整至最佳。所以，在對(duì)各型PLC裝置的價(jià)格與性能等因素進(jìn)行綜合考慮后，選擇FX2n-32MR的PLC作為實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的控制主機(jī)，該裝置具有16個(gè)輸出端與16個(gè)輸入端，可以有效滿足實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的功能需求。

2.2 電動(dòng)控制模塊

在針對(duì)教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的電動(dòng)控制環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，電能的交換工作由強(qiáng)電電路負(fù)責(zé)，以為平臺(tái)電路的穩(wěn)定性提供保障，具體由接觸器、熔斷器、電動(dòng)機(jī)以及熱繼電器等裝置組成。平臺(tái)電器元件的控制工作由控制電路裝置負(fù)責(zé)，具體由接觸器、開(kāi)關(guān)以及熱繼電器組成。該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的主電路情況如圖3所示。

為保證平臺(tái)的穩(wěn)定性與安全性，主電路需要具備良好的短路保護(hù)與過(guò)載保護(hù)功能。由于該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)需要在操作環(huán)節(jié)融合控制實(shí)驗(yàn)與機(jī)電傳動(dòng)，因此，選擇的電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y80M1-4，該電動(dòng)機(jī)具有性價(jià)比高且輕便的優(yōu)勢(shì)，可以有效滿足試驗(yàn)臺(tái)的要求。FUI代表熔斷器，當(dāng)平臺(tái)電流異常導(dǎo)致溫度升高時(shí)，熔斷器會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)，會(huì)對(duì)教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行保護(hù)，以免其他裝置受到短路問(wèn)題的影響。本次設(shè)計(jì)采取雙接觸器模式，在一個(gè)接觸器發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)接觸器可以馬上替代其進(jìn)行工作，保證電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定狀態(tài)[3-5]。

2.3 氣動(dòng)控制模塊

教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的氣動(dòng)裝置主要由執(zhí)行部件與控制裝置組成，負(fù)責(zé)對(duì)氣動(dòng)裝置進(jìn)行控制的為五通電磁閥，該元件可以準(zhǔn)確執(zhí)行指令，并且經(jīng)過(guò)過(guò)濾減壓閥與手閥開(kāi)關(guān)的傳輸，達(dá)到電磁閥組，以此來(lái)對(duì)各氣動(dòng)元件進(jìn)行控制。氣動(dòng)控制裝置作業(yè)原理如圖4所示。

在對(duì)教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的實(shí)際功能效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先，接通電源，通過(guò)異步電機(jī)為傳輸帶提供轉(zhuǎn)動(dòng)力，當(dāng)自動(dòng)感應(yīng)裝置發(fā)現(xiàn)傳輸帶上有物料時(shí)，便會(huì)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)物料運(yùn)輸?shù)较鄳?yīng)位置時(shí)，電容傳感器會(huì)針對(duì)物料的性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，并將信息傳輸至PLC控制器中，電子閥會(huì)根據(jù)指令執(zhí)行推料工作。其次，當(dāng)運(yùn)動(dòng)幅度達(dá)到限位器位置時(shí)，電磁換向閥會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的位置，使推料缸回到原位，便完成了一次推料作業(yè)。指定顏色材料與金屬材料裝置的運(yùn)作規(guī)律也是一樣。

2.4 教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

在啟動(dòng)平臺(tái)后，X000功能便會(huì)被激活，此時(shí)急停功能X001與停止功能X002都處于非作業(yè)狀態(tài)，保證3個(gè)氣缸的位置處于回位限位狀態(tài)，也就是X011，X012，X013保持正常的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)，還要保證熱繼電器FR2正常，如果傳送帶不運(yùn)作，則說(shuō)明存在故障情況。物料分揀實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的順序功能如圖5所示。

圖5 物料分揀實(shí)訓(xùn)平臺(tái)順序功能

當(dāng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)裝置正常運(yùn)行時(shí)，需要傳感器。PLC裝置與物料分揀裝置相互配合，根據(jù)物料性質(zhì)選擇合適的推料方式，當(dāng)裝置接到相應(yīng)的命令，便會(huì)開(kāi)展推料工作。具體流程：將物料推送至下料槽區(qū)域，最終傳送到1號(hào)倉(cāng)庫(kù)；如果物料的性質(zhì)為指定的顏色物料，則指定顏色物料推料裝置便會(huì)接到相應(yīng)的命令，開(kāi)展推料工作。具體流程：將物料推送至滑槽，并且傳動(dòng)到2號(hào)倉(cāng)庫(kù)；如果物料的性質(zhì)為金屬時(shí)，則金屬推料裝置則會(huì)接到相應(yīng)的命令，將物料推送至滑槽處以及3號(hào)倉(cāng)庫(kù)。當(dāng)平臺(tái)分揀過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，需要及時(shí)進(jìn)行急停，停止傳送帶的運(yùn)作，在此過(guò)程中還要防止物料被拋出。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)物料分揀教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的構(gòu)成與特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)以下教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

（1）重點(diǎn)針對(duì)教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的電容感應(yīng)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以根據(jù)各類材質(zhì)的物料進(jìn)行，能夠判定出平臺(tái)的系統(tǒng)識(shí)別能力，讓學(xué)生了解到傳感技術(shù)的應(yīng)用原理，以進(jìn)一步深化對(duì)傳感器相關(guān)知識(shí)的理解。

（2）針對(duì)物料分揀平臺(tái)的機(jī)電傳動(dòng)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)平臺(tái)的實(shí)際運(yùn)行情況繪制相關(guān)的作業(yè)圖，以幫助學(xué)生在實(shí)踐中夯實(shí)理論基礎(chǔ)。

（3）針對(duì)物料分揀平臺(tái)的氣動(dòng)控制裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)下氣動(dòng)控制元件的作業(yè)形式進(jìn)行觀察，來(lái)認(rèn)識(shí)常用的氣動(dòng)元件，熟悉每一種氣動(dòng)元件所具備的功能與優(yōu)勢(shì)，以幫助學(xué)生明確了解氣動(dòng)控制裝置的執(zhí)行流程。

（4）針對(duì)物料分揀平臺(tái)進(jìn)行PLC編程實(shí)驗(yàn)，使用編程軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制程序進(jìn)行編輯，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)作方式與節(jié)奏進(jìn)行控制，對(duì)當(dāng)前的分揀模式進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，以提升學(xué)生的編程經(jīng)驗(yàn)，鍛煉學(xué)生編譯能力與邏輯思維。

4 結(jié)語(yǔ)

為滿足學(xué)生實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的多元化需求，本研究將PLC與機(jī)器人控制等現(xiàn)代化技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出物料分揀教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，在實(shí)踐應(yīng)用中具備以下優(yōu)勢(shì)：（1）融合機(jī)電控制與傳動(dòng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、組態(tài)交互技術(shù)、液壓氣動(dòng)技術(shù)以及PLC自動(dòng)控制技術(shù)，可以有效滿足高職院校學(xué)生的綜合性教學(xué)任務(wù)。（2）集多功能于一身，可以解決傳統(tǒng)教學(xué)平臺(tái)的功能單一問(wèn)題，為多學(xué)科提供多元化教學(xué)服務(wù)，使平臺(tái)的應(yīng)用效果更強(qiáng)。（3）嵌入了現(xiàn)代技術(shù)，在實(shí)際操作中可進(jìn)行按鈕與觸摸的雙通道控制，體現(xiàn)出平臺(tái)的創(chuàng)新性與先進(jìn)性，有效促進(jìn)了高職院校學(xué)生綜合能力的提升。