王佑兵

(海洋石油富島股份有限公司,海南 東方 572600)

傳感器技術(shù)在智能自動(dòng)化裝備及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)等方面具有重要的作用，沒(méi)有傳感器技術(shù)的發(fā)展就沒(méi)有智能自動(dòng)化設(shè)備的提高成長(zhǎng)，特別是在超小型化的智能自動(dòng)化領(lǐng)域中，傳感器的重要性更加突出。隨著光學(xué)技術(shù)和新光源的大量應(yīng)用和開(kāi)發(fā)，傳感器的可靠性和穩(wěn)定性得到了提高，實(shí)現(xiàn)了傳感器的小型化、高可靠性和高穩(wěn)定性，從而使其在要求高精度的場(chǎng)合也得到了廣泛的應(yīng)用。

海洋石油富島股份有限公司復(fù)合肥部的BB肥生產(chǎn)裝置屬于勞動(dòng)密集型生產(chǎn)，生產(chǎn)組織和銷售主要集中在大量的物流環(huán)節(jié)上，無(wú)論是生產(chǎn)上的拆包、碼垛疊包工作，還是庫(kù)房的搬運(yùn)、裝貨工作，都需要大量的青壯年勞動(dòng)力。面對(duì)當(dāng)前人工成本上漲以及勞動(dòng)力短缺、人員流動(dòng)性大、人工操作效率低等問(wèn)題，公司在年產(chǎn)10萬(wàn)t的BB肥生產(chǎn)裝置配套增加一套ABB IRB460機(jī)器人自動(dòng)碼垛系統(tǒng)，其碼垛能力為1 000包/h，用以替代人工碼垛疊包工作。在此，筆者介紹了光電傳感器、電感式傳感器和磁性開(kāi)關(guān)在機(jī)器人自動(dòng)碼垛系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)傳感器的測(cè)量原理、選型和使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了歸納總結(jié)。

機(jī)器人自動(dòng)碼垛系統(tǒng)包括推包輸送機(jī)、過(guò)渡皮帶輸送機(jī)(一)、過(guò)渡皮帶輸送機(jī)(二)、爬坡輸送機(jī)、矩形輥道機(jī)、帶式整形機(jī)、抓包輥道機(jī)、托盤輸送機(jī)、垛盤輸送機(jī)(一)、垛盤輸送機(jī)(二)、無(wú)動(dòng)力垛盤輸送機(jī)、PLC控制柜、IRC5機(jī)器人控制器、IRB460機(jī)器人及機(jī)器人抓手等。該機(jī)器人自動(dòng)碼垛系統(tǒng)共有7個(gè)光電傳感器、兩個(gè)電感式傳感器和8個(gè)磁性開(kāi)關(guān)，這些傳感器信號(hào)輸入到PLC作為碼垛系統(tǒng)的聯(lián)鎖輸入信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定和安全運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。

1.1 光電傳感器原理

光電傳感器(光電開(kāi)關(guān))是利用被檢測(cè)物體對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體的有無(wú)，所有能反射光線的物體均可被檢測(cè)[1]。多數(shù)光電開(kāi)關(guān)選用的是波長(zhǎng)接近可見(jiàn)光的紅外線，光電開(kāi)關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線強(qiáng)弱或有無(wú)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)[2]。

光電開(kāi)關(guān)按檢測(cè)方式可分為3種。

擴(kuò)散反射型(漫反射型)，是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)時(shí)，物體將光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)。擴(kuò)散反射型光電開(kāi)關(guān)要求檢測(cè)物體大、物體顏色淺、檢測(cè)面平整、物體不透明。當(dāng)被檢測(cè)物體的表面光亮或其反光率極高時(shí)，擴(kuò)散反射型光電開(kāi)關(guān)是首選。擴(kuò)散反射型光電開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離最短、不需要對(duì)準(zhǔn)光軸、成本比較低。

對(duì)射型。包含結(jié)構(gòu)上相互分離、光軸相對(duì)放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進(jìn)入接收器，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時(shí)，光電開(kāi)關(guān)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)物體為不透明物體時(shí)，對(duì)射型光電開(kāi)關(guān)最可靠。對(duì)射型對(duì)物體的顏色沒(méi)有嚴(yán)格要求，且不易受干擾、檢測(cè)距離最長(zhǎng)、適用于野外或有灰塵的環(huán)境。

回歸反射型(鏡反射型)。集發(fā)射器與接收器于一體，前方裝有一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用。正常情況下，發(fā)射器發(fā)出的光被反光板反射回來(lái)由接收器接收，一旦光路被檢測(cè)物體擋住，接收器檢測(cè)的光信號(hào)將發(fā)生變化，光電開(kāi)關(guān)動(dòng)作，輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。檢測(cè)透明物體時(shí)推薦使用回歸反射型，如檢測(cè)物體是反光量較強(qiáng)的鏡面物體，建議使用帶鏡面體光澤消除功能的回歸反射型傳感器。回歸反射型需要對(duì)準(zhǔn)光軸，檢測(cè)距離要比擴(kuò)散反射型遠(yuǎn)，但比對(duì)射型短，成本比對(duì)射型低。

1.2 光電傳感器的應(yīng)用

海洋石油富島股份有限公司機(jī)器人自動(dòng)碼垛系統(tǒng)在推包輸送機(jī)、帶式整形機(jī)、抓包輥道機(jī)和無(wú)動(dòng)力垛盤輸送機(jī)上各使用一個(gè)DOIR450-BQ18-VP6X2漫反射型光電傳感器，推包輸送機(jī)前的光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到有包信號(hào)時(shí)觸發(fā)推包機(jī)動(dòng)作，帶式整形機(jī)和抓包輥道機(jī)同時(shí)檢測(cè)到有包信號(hào)時(shí)帶式整形機(jī)和前系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停車，避免出現(xiàn)擠包現(xiàn)象。無(wú)動(dòng)力垛盤輸送機(jī)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到信號(hào)時(shí)會(huì)提醒工作人員及時(shí)叉走已碼好的托盤。任何一個(gè)光電開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作或故障，都會(huì)給機(jī)器人自動(dòng)碼垛系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來(lái)影響。由于該系統(tǒng)安裝在BB肥生產(chǎn)廠房?jī)?nèi)，廠房粉塵較大、環(huán)境較差，這就對(duì)光電開(kāi)關(guān)提出了較高的要求。DOIR450-BQ18-VP6X2光電開(kāi)關(guān)最大檢測(cè)距離為450mm，環(huán)境溫度-20～70℃，工作電壓10～30V(DC)，直流額定工作電流不大于100mA，正常延時(shí)不大于200ms，防護(hù)等級(jí)為IP67，帶有短路保護(hù)和反極性保護(hù)，同時(shí)也帶工作電壓指示、開(kāi)關(guān)狀態(tài)指示、故障顯示和過(guò)量增益指示，具有防護(hù)等級(jí)高、穩(wěn)定性好和故障率低的優(yōu)點(diǎn)，尤其在粉塵、潮濕的環(huán)境下優(yōu)點(diǎn)更加顯著，可見(jiàn)DOIR450-BQ18-VP6X2光電開(kāi)關(guān)完全滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

托盤倉(cāng)、托盤輸送機(jī)和垛盤輸送機(jī)共使用4個(gè)E3JK-DS30M1型光電開(kāi)關(guān)，該光電開(kāi)關(guān)的最大檢測(cè)距離300mm，控制輸出為繼電器輸出：1c接點(diǎn)250V(AC) 3A以下、5V(DC) 10mA以上，不帶負(fù)載短路保護(hù)功能，防護(hù)等級(jí)IP64。E3JK-DS30M1型光電開(kāi)關(guān)在實(shí)際應(yīng)用中多次出現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)時(shí)有時(shí)無(wú)等故障，具體情況如下：

a. 托盤倉(cāng)托盤檢測(cè)信號(hào)偶爾誤動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致PLC聯(lián)鎖動(dòng)作、升降氣缸不動(dòng)作、不能正常下托盤，碼垛系統(tǒng)因此而停機(jī)；

b. 托盤輸送機(jī)的托盤到位檢測(cè)信號(hào)誤動(dòng)作時(shí)，升降氣缸會(huì)在托盤叉未打開(kāi)的情況下再次動(dòng)作，容易頂壞托盤叉；

c. 托盤輸送機(jī)的下托盤到位檢測(cè)信號(hào)誤動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致托盤輸送機(jī)因?yàn)闆](méi)有檢測(cè)到托盤而不動(dòng)作，而實(shí)際上托盤已經(jīng)到位，這種情況下，升降氣缸會(huì)再次托著托盤向上動(dòng)作，從而頂?shù)酵斜P叉上的托盤，影響設(shè)備安全；

d. 垛盤輸送機(jī)(一)的托盤到位檢測(cè)信號(hào)誤動(dòng)作時(shí)，前面的托盤輸送機(jī)會(huì)繼續(xù)向垛盤輸送機(jī)(一)送托盤，導(dǎo)致兩托盤發(fā)生碰擠，碼垛系統(tǒng)不能正常工作。

這些誤動(dòng)作不僅對(duì)生產(chǎn)造成影響，對(duì)碼垛系統(tǒng)設(shè)備安全運(yùn)行也是一大隱患，通過(guò)分析，誤動(dòng)作的原因主要有：該型號(hào)光電開(kāi)關(guān)最大檢測(cè)距離僅為300mm(偏小)，不適合本裝置的實(shí)際檢測(cè)要求；該型號(hào)光電開(kāi)關(guān)的防護(hù)等級(jí)為IP64，現(xiàn)場(chǎng)托盤露天存放，下雨天托盤上的雨水容易滲透至光電開(kāi)關(guān)；該型號(hào)光電開(kāi)關(guān)不帶負(fù)載短路保護(hù)功能。鑒于此，將E3JK-DS30M1型光電開(kāi)關(guān)改為E3JM-DS70M4-G型，E3JM-DS70M4-G型防護(hù)等級(jí)(IP66)和最大檢測(cè)距離(700mm)比E3JK-DS30M1的防護(hù)等級(jí)(IP64)和最大檢測(cè)距離(300mm)都要高，替換后再未出現(xiàn)上述故障。

1.3 電感式傳感器的應(yīng)用

電感式傳感器(渦流式)以無(wú)磨損和非接觸的方式通過(guò)高頻交流電磁場(chǎng)來(lái)檢測(cè)被測(cè)金屬物體，磁場(chǎng)由繞在鐵氧體芯線圈上的LC振蕩電路產(chǎn)生。與機(jī)械開(kāi)關(guān)相比，電感式傳感器具有完美的先決條件，如無(wú)接觸和無(wú)磨損的工作方式以及較高的開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)精度，此外，還具有抗振動(dòng)、防灰塵和潮濕的特點(diǎn)，電感式傳感器可以無(wú)接觸地檢測(cè)所有金屬。

海洋石油富島股份有限公司機(jī)器人自動(dòng)碼垛系統(tǒng)托盤倉(cāng)升降氣缸上部和下部各安裝一個(gè)BI8-M18-AP6X電感式接近開(kāi)關(guān)，檢測(cè)升降氣缸高低位置信號(hào)，用以聯(lián)鎖打開(kāi)或收回托盤叉裝置，保證托盤正常放置在托盤輸送機(jī)上。BI8-M18-AP6X型電感式傳感器的額定檢測(cè)距離為8mm，實(shí)際測(cè)量范圍不大于6.48mm，工作電壓10～30V(DC)，直流額定工作電流不大于200mA，開(kāi)關(guān)頻率500Hz，防護(hù)等級(jí)為IP67，該傳感器帶有短路保護(hù)、斷路和反極性保護(hù)。兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)運(yùn)行不到一年的時(shí)間內(nèi)先后出現(xiàn)偶爾檢測(cè)不到信號(hào)直到完全故障的情況，將升降氣缸高位檢測(cè)傳感器改為ID5005/IDE3060-FPKG電感式傳感器(感應(yīng)距離60mm，可調(diào)節(jié)，實(shí)際感應(yīng)距離60±10%mm，開(kāi)關(guān)頻率100Hz，防護(hù)等級(jí)IP65，電流負(fù)載250mA，額定工作電壓10～36V(DC)，帶有短路和過(guò)載保護(hù))后，至今運(yùn)行情況良好，穩(wěn)定性較高；將升降氣缸低位檢測(cè)傳感器改為DW-AS-633-M18-002型傳感器，該傳感器的檢測(cè)距離(12mm)比BI8-M18-AP6X的檢測(cè)距離(8mm)稍大，其他參數(shù)基本一致，總體效果較好。

升降氣缸高低位檢測(cè)傳感器直接關(guān)系到托盤倉(cāng)和托盤輸送機(jī)的安全運(yùn)行，設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮在升降氣缸高低位各安裝兩個(gè)傳感器，且并接在一起，雙重化的設(shè)計(jì)可最大限度保障設(shè)備安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

1.4 磁性開(kāi)關(guān)的應(yīng)用

磁性開(kāi)關(guān)是用來(lái)檢測(cè)氣缸活塞位置的，分為有接點(diǎn)型(有接點(diǎn)磁簧管型)和無(wú)接點(diǎn)型(無(wú)接點(diǎn)電晶體型)兩種。有接點(diǎn)磁簧管型內(nèi)部為由兩片磁簧管組成的機(jī)械觸點(diǎn)，交直流電源通用，當(dāng)隨氣缸移動(dòng)的磁環(huán)靠近感應(yīng)開(kāi)關(guān)時(shí)，感應(yīng)開(kāi)關(guān)的兩根磁簧片被磁化進(jìn)而使觸點(diǎn)閉合，產(chǎn)生電信號(hào)；當(dāng)磁環(huán)離開(kāi)磁性開(kāi)關(guān)后，舌簧片失磁，觸點(diǎn)斷開(kāi)，電信號(hào)消失。如此便可以根據(jù)檢測(cè)到的氣缸活塞位置控制相應(yīng)的電磁閥動(dòng)作。

無(wú)接點(diǎn)電晶體型感應(yīng)開(kāi)關(guān)從結(jié)構(gòu)和原理上與有接點(diǎn)磁簧管型有著本質(zhì)區(qū)別，無(wú)接點(diǎn)電晶體型是通過(guò)對(duì)內(nèi)部晶體管的控制來(lái)發(fā)出控制信號(hào)的。當(dāng)磁環(huán)靠近感應(yīng)開(kāi)關(guān)時(shí)，晶體管導(dǎo)通，產(chǎn)生電信號(hào)；當(dāng)磁環(huán)離開(kāi)磁性開(kāi)關(guān)后，晶體管關(guān)斷，電信號(hào)消失。海洋石油富島股份有限公司機(jī)器人自動(dòng)碼垛系統(tǒng)的推包氣缸、抓手氣缸、托盤叉氣缸和阻擋氣缸各安裝了一個(gè)氣缸到位、氣缸回位磁性開(kāi)關(guān)。抓手氣缸磁性開(kāi)關(guān)采用D-B53型，該型磁性開(kāi)關(guān)穩(wěn)定性較好，使用至今未出現(xiàn)故障。推包氣缸、托盤叉氣缸和阻擋氣缸采用D-M9N型磁性開(kāi)關(guān)，該型開(kāi)關(guān)負(fù)載電壓不大于28V(DC)，負(fù)載電流不大于40mA，電流消耗不大于10mA，從機(jī)器人自動(dòng)碼垛系統(tǒng)實(shí)際使用情況來(lái)看，效果相對(duì)較差，會(huì)出現(xiàn)短路燒壞及信號(hào)不良等情況，因此現(xiàn)全部更換為CS1-U型磁性開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)為有接點(diǎn)磁簧管型，工作電壓5～240V(AC/DC)，最大開(kāi)關(guān)電流100mA，最大接點(diǎn)容量10W，防護(hù)等級(jí)IP67，目前CS1-U型磁性開(kāi)關(guān)使用情況均比較穩(wěn)定，故障率也較低。

2 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)選擇合適的光電傳感器、電感式傳感器和磁性開(kāi)關(guān)，使機(jī)器人自動(dòng)碼垛系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，避免了出現(xiàn)擠包的現(xiàn)象，改善了檢測(cè)信號(hào)時(shí)有時(shí)無(wú)、短路和信號(hào)不良的情況。傳感器更新升級(jí)改造后，機(jī)器人自動(dòng)碼垛系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性好、故障率低，極大地提高了生產(chǎn)效率，減少了企業(yè)的用工成本。

[1] 李旭華.光電傳感器原理及應(yīng)用[J].電氣時(shí)代,2004,(9):56～57.

[2] Autonics上海代表處.光電傳感器技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù),2002,5(5):75～76.