超聲波傳感器在龍門機(jī)械手上的應(yīng)用

王超

摘要：龍門機(jī)械手在橡膠行業(yè)應(yīng)用時，一般具有精準(zhǔn)定位的要求，要做到自動運行無人值守。在執(zhí)行輪胎出入庫任務(wù)的時候，對當(dāng)前庫位的輪胎數(shù)量要精準(zhǔn)判斷，防止出現(xiàn)壓胎或機(jī)械手碰撞的事故發(fā)生。因此，超聲波測距的應(yīng)用顯得尤為重要，通過超聲波反饋信號經(jīng)程序整定計算可以提前判斷機(jī)械手的下降取/放胎的任務(wù)是否可以順利執(zhí)行。

本文通過分析龍門機(jī)械手工作流程，超聲波傳感器原理、反饋信號的整定及位置計算來簡單介紹超聲波傳感器在龍門機(jī)械手相關(guān)應(yīng)用上如何實現(xiàn)位置判斷的功能。

關(guān)鍵詞：龍門機(jī)械手;超聲波傳感器; 距離判斷

隨著科學(xué)的進(jìn)步，超聲波技術(shù)一直在不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍也愈發(fā)廣泛。比如在醫(yī)學(xué)上，根據(jù)不同介質(zhì)反射回不同的超聲波可以生成清晰影像，而且超聲波穿透力強(qiáng)，對患者沒有損害，因而可以對病灶進(jìn)行精準(zhǔn)診斷。在工業(yè)上，超聲波探傷是最為經(jīng)典的一種應(yīng)用，相比過去取樣分析、射線影像和聲音判斷等技術(shù)方案，或者傳統(tǒng)方法不能檢測到物體組織內(nèi)部情況，超聲波以其特點輕易取代了過去的落后手段，得到了廣泛的認(rèn)可。

相比于穿透各種介質(zhì)的能力，超聲波反射測距也是其主要應(yīng)用方向，有相當(dāng)多的場景需要通過安全距離保護(hù)設(shè)備或以距離作為執(zhí)行動作的前提條件，本例中，超聲波傳感器即作為龍門機(jī)械手執(zhí)行輪胎取放任務(wù)的安全保障。

1 工程概述

本文例舉的龍門機(jī)械手是專用于輪胎成品平面?zhèn)}的設(shè)備，成品輪胎摞放在以坐標(biāo)系形式均勻分布的庫位中，X軸和Y軸平移動作對應(yīng)平面XY坐標(biāo)系，機(jī)械抓手升降對應(yīng)Z坐標(biāo)系。當(dāng)有出入庫任務(wù)或異常輪胎出庫時，龍門機(jī)械手通過WCS系統(tǒng)接收任務(wù)明細(xì)，啟動后自動運行至任務(wù)坐標(biāo)取胎，此時超聲波傳感器判斷坐標(biāo)位置上的輪胎數(shù)量與庫存信息中的數(shù)量是否一致（實際通過高度判斷），如果一致則按正常流程執(zhí)行任務(wù)，如果計算輪胎高度與庫存輪胎高度存在差異，則禁止任務(wù)執(zhí)行，蜂鳴器及報警燈會指示工作人員處理此異常狀況。

為了避免出現(xiàn)整摞輪胎倒塌，或上一次執(zhí)行任務(wù)異常造成輪胎滯留，或WCS出現(xiàn)錯誤及人為等原因?qū)е聦嶋H庫存與WCS記錄庫存不一致，龍門機(jī)械手繼續(xù)動作引起損壞的情況，需要依靠超聲波傳感器對輪胎高度的正確判斷。所以安全距離判斷是龍門機(jī)械手能否正確完成任務(wù)的關(guān)鍵之一，而且平面?zhèn)}內(nèi)成品輪胎擺放緊湊，勢必在選型上對超聲波傳感器提出一定要求，比如超聲波發(fā)散的角度、檢測范圍、抗干擾能力和精度等。

2 超聲波傳感器原理

超聲波傳感器是將頻率遠(yuǎn)高于普通聲波的信號轉(zhuǎn)換成其他電信號的傳感器，其振動頻率一般高于20kHz。而且具有指向性好和波長短等特點，可以做到定向傳播。用于收發(fā)超聲波的元器件由電壓晶片構(gòu)成，工作時，超聲波傳感器發(fā)射單脈沖或多脈沖超聲波能，在空氣中以聲音的速度傳播，依據(jù)目標(biāo)物體的表面不同會形成反射或折射現(xiàn)象，其中部分波能經(jīng)物體反射后返回到傳感器。傳感器測量波能在兩者間往返的總時間，通過下面的公式，從而計算出傳感器到物體的距離，輸出最終值前多次計算取其平均值。

D=ct/2

D=傳感器到物體間的距離

c=聲音在空氣中的傳播速度

t=超聲波脈沖傳送的時間

本例中選用美國邦納超聲波傳感器QT50U系列，其主要參數(shù)如下：

檢測范圍：200mm到8m

超聲波頻率：75kHz，重復(fù)率96ms

精度：1mm

輸出響應(yīng)時間：100m到2300ms

最小檢測窗口：20mm

3 實現(xiàn)過程

由于超聲波傳感器反饋的是模擬量信號，需經(jīng)過數(shù)據(jù)整定才能最終得到接收端（龍門抓手下表面，傳感器安裝的位置）與整摞輪胎上表面的正確距離。以羅克韋爾工控產(chǎn)品為例，標(biāo)定超聲波傳感器檢測距離的最大和最小位置后，在此范圍內(nèi)移動傳感器，模擬量輸入模塊可得到0～32767的反饋值，對應(yīng)標(biāo)定位置的最小最大值，超出此范圍其反饋數(shù)值無意義，由此可得到超聲波傳感器在本項目坐標(biāo)系中的實際測量距離。

如圖3.1，設(shè)整摞輪胎高度為H，Z軸（超聲波傳感器安裝在下表面）運行最高點距地面高度為L1，輪胎上表面與超聲波傳感器距離為L2，可計算出當(dāng)前輪胎高度H。再用庫存記錄數(shù)量乘以此規(guī)格輪胎厚度得出的記錄值與H比較，最終得出目標(biāo)位置輪胎實際數(shù)量與庫存數(shù)量是否一致的結(jié)論。

具體程序邏輯的實現(xiàn)如圖3.2，判斷任務(wù)目標(biāo)庫存輪胎高度，與庫存記錄計算后得出的理論高度比對，如果一致或誤差在一定范圍內(nèi)，則認(rèn)定龍門機(jī)械手下降不受影響，且可以正常抓取輪胎;如果計算誤差大于一定范圍，則判定為異常情況，機(jī)械手停機(jī)報警，直到工作人員前來處理異常并恢復(fù)。

4 誤差分析及措施

客觀的講，超聲波傳感器在實際應(yīng)用時確實存在一些限制，比如超聲波擴(kuò)散角度是否能完全覆蓋中空物體最高表面需要仔細(xì)分析;反射物表面對超聲波的散射問題;目標(biāo)物體周圍物件存在對超聲波的反射;多個超聲波傳感器互相干擾等問題。而且由于存在輪胎形狀不規(guī)則，停放時間對下沉度的影響及溫度等因素，即便輪胎數(shù)量一致，超聲波傳感器反饋值計算后得出的高度值一定不會與實際輪胎高度相等，會存在較大誤差。對此，誤差范圍的確定就需要通過多次反復(fù)的實驗，最終才能得到一個合理的數(shù)值。其次，如何避免超聲波的干擾也是影響最終設(shè)備運行情況的關(guān)鍵，那么就需要從庫位規(guī)劃、程序設(shè)計、設(shè)備安裝等方面排除可能存在的干擾，盡量使超聲波傳感器反饋的信號無限接近實際數(shù)值。

5 結(jié)論

超聲波傳感器使用簡單，應(yīng)用場景多樣且靈活，但實際應(yīng)用的限制也有很多，聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，且遇到活動物體會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。有一些問題如安裝精度和交叉干擾等因素可以避免，有些問題如時間、溫度和目標(biāo)物品外形等因素不受控制，其造成的影響則不可避免。盡管如此，超聲波傳感器以其穿透力強(qiáng)，精準(zhǔn)的距離判斷仍然廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。只要仔細(xì)論證工程項目細(xì)節(jié)，通過技術(shù)手段排除干擾，可以通過超聲波傳感器解決的技術(shù)方案一定可以得到理想實現(xiàn)。

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