超聲波傳感器在龍門機(jī)械手上的應(yīng)用

1、    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(yùn)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(shí)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

2、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(diǎn)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

3、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(yùn)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(shí)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?shí)際庫存與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

4、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(diǎn)，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

5、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/2d=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：20mm3 實(shí)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

6、傳感器，模擬量輸入模塊可得到032767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(shí)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(yùn)行最高點(diǎn)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(shí)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(shí)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

7、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(shí)際應(yīng)用時確實(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)，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(yùn)行情況的

8、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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)。參考文獻(xiàn)1 莊慶德.超聲波傳感器 j.電子器件.1991，2：76-82.2 趙廣濤，程蔭杭.基于超聲波傳感器的測距系統(tǒng)設(shè)計 j. 微計算機(jī)信息.2006，01s：129-130.3 高峰，鄭源明.超聲波傳感器測量聲速和距離實(shí)驗(yàn)的研究 j.傳感器與微系統(tǒng).2009，11：68-70.（沈陽藍(lán)英工業(yè)自動化裝備股份有限公司 遼寧 沈陽 110000）錦