傳感器在機器人自動碼垛系統中的應用

王佑兵

(海洋石油富島股份有限公司,海南 東方 572600)

傳感器技術在智能自動化裝備及物聯網技術開發等方面具有重要的作用，沒有傳感器技術的發展就沒有智能自動化設備的提高成長，特別是在超小型化的智能自動化領域中，傳感器的重要性更加突出。隨著光學技術和新光源的大量應用和開發，傳感器的可靠性和穩定性得到了提高，實現了傳感器的小型化、高可靠性和高穩定性，從而使其在要求高精度的場合也得到了廣泛的應用。

海洋石油富島股份有限公司復合肥部的BB肥生產裝置屬于勞動密集型生產，生產組織和銷售主要集中在大量的物流環節上，無論是生產上的拆包、碼垛疊包工作，還是庫房的搬運、裝貨工作，都需要大量的青壯年勞動力。面對當前人工成本上漲以及勞動力短缺、人員流動性大、人工操作效率低等問題，公司在年產10萬t的BB肥生產裝置配套增加一套ABB IRB460機器人自動碼垛系統，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關在機器人自動碼垛系統中的應用，對傳感器的測量原理、選型和使用過程中出現的問題進行了歸納總結。

機器人自動碼垛系統包括推包輸送機、過渡皮帶輸送機(一)、過渡皮帶輸送機(二)、爬坡輸送機、矩形輥道機、帶式整形機、抓包輥道機、托盤輸送機、垛盤輸送機(一)、垛盤輸送機(二)、無動力垛盤輸送機、PLC控制柜、IRC5機器人控制器、IRB460機器人及機器人抓手等。該機器人自動碼垛系統共有7個光電傳感器、兩個電感式傳感器和8個磁性開關，這些傳感器信號輸入到PLC作為碼垛系統的聯鎖輸入信號，對系統的高效、穩定和安全運行起到至關重要的作用。

1.1 光電傳感器原理

光電傳感器(光電開關)是利用被檢測物體對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體的有無，所有能反射光線的物體均可被檢測[1]。多數光電開關選用的是波長接近可見光的紅外線，光電開關將輸入電流在發射器上轉換為光信號射出，接收器再根據接收到的光線強弱或有無對目標物體進行探測[2]。

光電開關按檢測方式可分為3種。

擴散反射型(漫反射型)，是一種集發射器和接收器于一體的傳感器，當有被檢測物體經過時，物體將光電開關發射器發射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關就產生了開關信號。擴散反射型光電開關要求檢測物體大、物體顏色淺、檢測面平整、物體不透明。當被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時，擴散反射型光電開關是首選。擴散反射型光電開關的檢測距離最短、不需要對準光軸、成本比較低。

對射型。包含結構上相互分離、光軸相對放置的發射器和接收器，發射器發出的光線直接進入接收器，當被檢測物體經過發射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關產生開關信號。當檢測物體為不透明物體時，對射型光電開關最可靠。對射型對物體的顏色沒有嚴格要求，且不易受干擾、檢測距離最長、適用于野外或有灰塵的環境。

回歸反射型(鏡反射型)。集發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，發射器發出的光被反光板反射回來由接收器接收，一旦光路被檢測物體擋住，接收器檢測的光信號將發生變化，光電開關動作，輸出一個開關控制信號。檢測透明物體時推薦使用回歸反射型，如檢測物體是反光量較強的鏡面物體，建議使用帶鏡面體光澤消除功能的回歸反射型傳感器。回歸反射型需要對準光軸，檢測距離要比擴散反射型遠，但比對射型短，成本比對射型低。

1.2 光電傳感器的應用

海洋石油富島股份有限公司機器人自動碼垛系統在推包輸送機、帶式整形機、抓包輥道機和無動力垛盤輸送機上各使用一個DOIR450-BQ18-VP6X2漫反射型光電傳感器，推包輸送機前的光電開關檢測到有包信號時觸發推包機動作，帶式整形機和抓包輥道機同時檢測到有包信號時帶式整形機和前系統會自動停車，避免出現擠包現象。無動力垛盤輸送機光電開關檢測到信號時會提醒工作人員及時叉走已碼好的托盤。任何一個光電開關誤動作或故障，都會給機器人自動碼垛系統的正常運行帶來影響。由于該系統安裝在BB肥生產廠房內，廠房粉塵較大、環境較差，這就對光電開關提出了較高的要求。DOIR450-BQ18-VP6X2光電開關最大檢測距離為450mm，環境溫度-20～70℃，工作電壓10～30V(DC)，直流額定工作電流不大于100mA，正常延時不大于200ms，防護等級為IP67，帶有短路保護和反極性保護，同時也帶工作電壓指示、開關狀態指示、故障顯示和過量增益指示，具有防護等級高、穩定性好和故障率低的優點，尤其在粉塵、潮濕的環境下優點更加顯著，可見DOIR450-BQ18-VP6X2光電開關完全滿足現場要求。

托盤倉、托盤輸送機和垛盤輸送機共使用4個E3JK-DS30M1型光電開關，該光電開關的最大檢測距離300mm，控制輸出為繼電器輸出：1c接點250V(AC) 3A以下、5V(DC) 10mA以上，不帶負載短路保護功能，防護等級IP64。E3JK-DS30M1型光電開關在實際應用中多次出現檢測信號時有時無等故障，具體情況如下：

a. 托盤倉托盤檢測信號偶爾誤動作會導致PLC聯鎖動作、升降氣缸不動作、不能正常下托盤，碼垛系統因此而停機；

b. 托盤輸送機的托盤到位檢測信號誤動作時，升降氣缸會在托盤叉未打開的情況下再次動作，容易頂壞托盤叉；

c. 托盤輸送機的下托盤到位檢測信號誤動作會導致托盤輸送機因為沒有檢測到托盤而不動作，而實際上托盤已經到位，這種情況下，升降氣缸會再次托著托盤向上動作，從而頂到托盤叉上的托盤，影響設備安全；

d. 垛盤輸送機(一)的托盤到位檢測信號誤動作時，前面的托盤輸送機會繼續向垛盤輸送機(一)送托盤，導致兩托盤發生碰擠，碼垛系統不能正常工作。

這些誤動作不僅對生產造成影響，對碼垛系統設備安全運行也是一大隱患，通過分析，誤動作的原因主要有：該型號光電開關最大檢測距離僅為300mm(偏小)，不適合本裝置的實際檢測要求；該型號光電開關的防護等級為IP64，現場托盤露天存放，下雨天托盤上的雨水容易滲透至光電開關；該型號光電開關不帶負載短路保護功能。鑒于此，將E3JK-DS30M1型光電開關改為E3JM-DS70M4-G型，E3JM-DS70M4-G型防護等級(IP66)和最大檢測距離(700mm)比E3JK-DS30M1的防護等級(IP64)和最大檢測距離(300mm)都要高，替換后再未出現上述故障。

1.3 電感式傳感器的應用

電感式傳感器(渦流式)以無磨損和非接觸的方式通過高頻交流電磁場來檢測被測金屬物體，磁場由繞在鐵氧體芯線圈上的LC振蕩電路產生。與機械開關相比，電感式傳感器具有完美的先決條件，如無接觸和無磨損的工作方式以及較高的開關頻率和開關精度，此外，還具有抗振動、防灰塵和潮濕的特點，電感式傳感器可以無接觸地檢測所有金屬。

海洋石油富島股份有限公司機器人自動碼垛系統托盤倉升降氣缸上部和下部各安裝一個BI8-M18-AP6X電感式接近開關，檢測升降氣缸高低位置信號，用以聯鎖打開或收回托盤叉裝置，保證托盤正常放置在托盤輸送機上。BI8-M18-AP6X型電感式傳感器的額定檢測距離為8mm，實際測量范圍不大于6.48mm，工作電壓10～30V(DC)，直流額定工作電流不大于200mA，開關頻率500Hz，防護等級為IP67，該傳感器帶有短路保護、斷路和反極性保護。兩個接近開關運行不到一年的時間內先后出現偶爾檢測不到信號直到完全故障的情況，將升降氣缸高位檢測傳感器改為ID5005/IDE3060-FPKG電感式傳感器(感應距離60mm，可調節，實際感應距離60±10%mm，開關頻率100Hz，防護等級IP65，電流負載250mA，額定工作電壓10～36V(DC)，帶有短路和過載保護)后，至今運行情況良好，穩定性較高；將升降氣缸低位檢測傳感器改為DW-AS-633-M18-002型傳感器，該傳感器的檢測距離(12mm)比BI8-M18-AP6X的檢測距離(8mm)稍大，其他參數基本一致，總體效果較好。

升降氣缸高低位檢測傳感器直接關系到托盤倉和托盤輸送機的安全運行，設計時可以考慮在升降氣缸高低位各安裝兩個傳感器，且并接在一起，雙重化的設計可最大限度保障設備安全、穩定、高效運行。

1.4 磁性開關的應用

磁性開關是用來檢測氣缸活塞位置的，分為有接點型(有接點磁簧管型)和無接點型(無接點電晶體型)兩種。有接點磁簧管型內部為由兩片磁簧管組成的機械觸點，交直流電源通用，當隨氣缸移動的磁環靠近感應開關時，感應開關的兩根磁簧片被磁化進而使觸點閉合，產生電信號；當磁環離開磁性開關后，舌簧片失磁，觸點斷開，電信號消失。如此便可以根據檢測到的氣缸活塞位置控制相應的電磁閥動作。

無接點電晶體型感應開關從結構和原理上與有接點磁簧管型有著本質區別，無接點電晶體型是通過對內部晶體管的控制來發出控制信號的。當磁環靠近感應開關時，晶體管導通，產生電信號；當磁環離開磁性開關后，晶體管關斷，電信號消失。海洋石油富島股份有限公司機器人自動碼垛系統的推包氣缸、抓手氣缸、托盤叉氣缸和阻擋氣缸各安裝了一個氣缸到位、氣缸回位磁性開關。抓手氣缸磁性開關采用D-B53型，該型磁性開關穩定性較好，使用至今未出現故障。推包氣缸、托盤叉氣缸和阻擋氣缸采用D-M9N型磁性開關，該型開關負載電壓不大于28V(DC)，負載電流不大于40mA，電流消耗不大于10mA，從機器人自動碼垛系統實際使用情況來看，效果相對較差，會出現短路燒壞及信號不良等情況，因此現全部更換為CS1-U型磁性開關，該開關為有接點磁簧管型，工作電壓5～240V(AC/DC)，最大開關電流100mA，最大接點容量10W，防護等級IP67，目前CS1-U型磁性開關使用情況均比較穩定，故障率也較低。

2 結束語

通過選擇合適的光電傳感器、電感式傳感器和磁性開關，使機器人自動碼垛系統在實際應用過程中，避免了出現擠包的現象，改善了檢測信號時有時無、短路和信號不良的情況。傳感器更新升級改造后，機器人自動碼垛系統運行穩定性好、故障率低，極大地提高了生產效率，減少了企業的用工成本。

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

[2] Autonics上海代表處.光電傳感器技術的發展及應用[J].國內外機電一體化技術,2002,5(5):75～76.