王超

摘要：龍門(mén)機(jī)械手在橡膠行業(yè)應(yīng)用時(shí)，一般具有精準(zhǔn)定位的要求，要做到自動(dòng)運(yùn)行無(wú)人值守。在執(zhí)行輪胎出入庫(kù)任務(wù)的時(shí)候，對(duì)當(dāng)前庫(kù)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(cè)距的應(yīng)用顯得尤為重要，通過(guò)超聲波反饋信號(hào)經(jīng)程序整定計(jì)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(guò)分析龍門(mén)機(jī)械手工作流程，超聲波傳感器原理、反饋信號(hào)的整定及位置計(jì)算來(lái)簡(jiǎn)單介紹超聲波傳感器在龍門(mén)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(mén)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(duì)患者沒(méi)有損害，因而可以對(duì)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(guò)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(cè)到物體組織內(nèi)部情況，超聲波以其特點(diǎn)輕易取代了過(guò)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(cè)距也是其主要應(yīng)用方向，有相當(dāng)多的場(chǎng)景需要通過(guò)安全距離保護(hù)設(shè)備或以距離作為執(zhí)行動(dòng)作的前提條件，本例中，超聲波傳感器即作為龍門(mén)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(mén)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(kù)位中，X軸和Y軸平移動(dòng)作對(duì)應(yīng)平面XY坐標(biāo)系，機(jī)械抓手升降對(duì)應(yīng)Z坐標(biāo)系。當(dāng)有出入庫(kù)任務(wù)或異常輪胎出庫(kù)時(shí)，龍門(mén)機(jī)械手通過(guò)WCS系統(tǒng)接收任務(wù)明細(xì)，啟動(dòng)后自動(dòng)運(yùn)行至任務(wù)坐標(biāo)取胎，此時(shí)超聲波傳感器判斷坐標(biāo)位置上的輪胎數(shù)量與庫(kù)存信息中的數(shù)量是否一致（實(shí)際通過(guò)高度判斷），如果一致則按正常流程執(zhí)行任務(wù)，如果計(jì)算輪胎高度與庫(kù)存輪胎高度存在差異，則禁止任務(wù)執(zhí)行，蜂鳴器及報(bào)警燈會(huì)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(cuò)誤及人為等原因?qū)е聦?shí)際庫(kù)存與WCS記錄庫(kù)存不一致，龍門(mén)機(jī)械手繼續(xù)動(dòng)作引起損壞的情況，需要依靠超聲波傳感器對(duì)輪胎高度的正確判斷。所以安全距離判斷是龍門(mén)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(shì)必在選型上對(duì)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(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換成其他電信號(hào)的傳感器，其振動(dòng)頻率一般高于20kHz。而且具有指向性好和波長(zhǎng)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(shí)，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(huì)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(cè)量波能在兩者間往返的總時(shí)間，通過(guò)下面的公式，從而計(jì)算出傳感器到物體的距離，輸出最終值前多次計(jì)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(shí)間

本例中選用美國(guó)邦納超聲波傳感器QT50U系列，其主要參數(shù)如下：

檢測(cè)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(shí)間：100m到2300ms

最小檢測(cè)窗口：20mm

3 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

由于超聲波傳感器反饋的是模擬量信號(hào)，需經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)整定才能最終得到接收端（龍門(mén)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(cè)距離的最大和最小位置后，在此范圍內(nèi)移動(dòng)傳感器，模擬量輸入模塊可得到0～32767的反饋值，對(duì)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(wú)意義，由此可得到超聲波傳感器在本項(xiàng)目坐標(biāo)系中的實(shí)際測(cè)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L(zhǎng)1，輪胎上表面與超聲波傳感器距離為L(zhǎng)2，可計(jì)算出當(dāng)前輪胎高度H。再用庫(kù)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(kù)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(kù)存輪胎高度，與庫(kù)存記錄計(jì)算后得出的理論高度比對(duì)，如果一致或誤差在一定范圍內(nèi)，則認(rèn)定龍門(mén)機(jī)械手下降不受影響，且可以正常抓取輪胎;如果計(jì)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(bào)警，直到工作人員前來(lái)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(shí)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(duì)超聲波的散射問(wèn)題;目標(biāo)物體周圍物件存在對(duì)超聲波的反射;多個(gè)超聲波傳感器互相干擾等問(wèn)題。而且由于存在輪胎形狀不規(guī)則，停放時(shí)間對(duì)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(jì)算后得出的高度值一定不會(huì)與實(shí)際輪胎高度相等，會(huì)存在較大誤差。對(duì)此，誤差范圍的確定就需要通過(guò)多次反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，最終才能得到一個(gè)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)行情況的關(guān)鍵，那么就需要從庫(kù)位規(guī)劃、程序設(shè)計(jì)、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(hào)無(wú)限接近實(shí)際數(shù)值。

5 結(jié)論

超聲波傳感器使用簡(jiǎn)單，應(yīng)用場(chǎng)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(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，且遇到活動(dòng)物體會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。有一些問(wèn)題如安裝精度和交叉干擾等因素可以避免，有些問(wèn)題如時(shí)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(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。只要仔細(xì)論證工程項(xiàng)目細(xì)節(jié)，通過(guò)技術(shù)手段排除干擾，可以通過(guò)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)。

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