超聲波傳感器在龍門機械手上的應用

王超

摘要：龍門機械手在橡膠行業應用時，一般具有精準定位的要求，要做到自動運行無人值守。在執行輪胎出入庫任務的時候，對當前庫位的輪胎數量要精準判斷，防止出現壓胎或機械手碰撞的事故發生。因此，超聲波測距的應用顯得尤為重要，通過超聲波反饋信號經程序整定計算可以提前判斷機械手的下降取/放胎的任務是否可以順利執行。

本文通過分析龍門機械手工作流程，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械手相關應用上如何實現位置判斷的功能。

關鍵詞：龍門機械手;超聲波傳感器; 距離判斷

隨著科學的進步，超聲波技術一直在不斷發展，其應用范圍也愈發廣泛。比如在醫學上，根據不同介質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，對患者沒有損害，因而可以對病灶進行精準診斷。在工業上，超聲波探傷是最為經典的一種應用，相比過去取樣分析、射線影像和聲音判斷等技術方案，或者傳統方法不能檢測到物體組織內部情況，超聲波以其特點輕易取代了過去的落后手段，得到了廣泛的認可。

相比于穿透各種介質的能力，超聲波反射測距也是其主要應用方向，有相當多的場景需要通過安全距離保護設備或以距離作為執行動作的前提條件，本例中，超聲波傳感器即作為龍門機械手執行輪胎取放任務的安全保障。

1 工程概述

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

為了避免出現整摞輪胎倒塌，或上一次執行任務異常造成輪胎滯留，或WCS出現錯誤及人為等原因導致實際庫存與WCS記錄庫存不一致，龍門機械手繼續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械手能否正確完成任務的關鍵之一，而且平面倉內成品輪胎擺放緊湊，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高于普通聲波的信號轉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。用于收發超聲波的元器件由電壓晶片構成，工作時，超聲波傳感器發射單脈沖或多脈沖超聲波能，在空氣中以聲音的速度傳播，依據目標物體的表面不同會形成反射或折射現象，其中部分波能經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，其主要參數如下：

檢測范圍：200mm到8m

超聲波頻率：75kHz，重復率96ms

精度：1mm

輸出響應時間：100m到2300ms

最小檢測窗口：20mm

3 實現過程

由于超聲波傳感器反饋的是模擬量信號，需經過數據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。以羅克韋爾工控產品為例，標定超聲波傳感器檢測距離的最大和最小位置后，在此范圍內移動傳感器，模擬量輸入模塊可得到0～32767的反饋值，對應標定位置的最小最大值，超出此范圍其反饋數值無意義，由此可得到超聲波傳感器在本項目坐標系中的實際測量距離。

如圖3.1，設整摞輪胎高度為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，可計算出當前輪胎高度H。再用庫存記錄數量乘以此規格輪胎厚度得出的記錄值與H比較，最終得出目標位置輪胎實際數量與庫存數量是否一致的結論。

具體程序邏輯的實現如圖3.2，判斷任務目標庫存輪胎高度，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，則認定龍門機械手下降不受影響，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，機械手停機報警，直到工作人員前來處理異常并恢復。

4 誤差分析及措施

客觀的講，超聲波傳感器在實際應用時確實存在一些限制，比如超聲波擴散角度是否能完全覆蓋中空物體最高表面需要仔細分析;反射物表面對超聲波的散射問題;目標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則，停放時間對下沉度的影響及溫度等因素，即便輪胎數量一致，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的實驗，最終才能得到一個合理的數值。其次，如何避免超聲波的干擾也是影響最終設備運行情況的關鍵，那么就需要從庫位規劃、程序設計、設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值。

5 結論

超聲波傳感器使用簡單，應用場景多樣且靈活，但實際應用的限制也有很多，聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射回波，且遇到活動物體會產生多普勒效應。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，精準的距離判斷仍然廣泛應用在工業、國防、生物醫學等方面。只要仔細論證工程項目細節，通過技術手段排除干擾，可以通過超聲波傳感器解決的技術方案一定可以得到理想實現。

參考文獻

[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設計 [J]. 微計算機信息.2006，01S：129-130.

[3] 高峰，鄭源明.超聲波傳感器測量聲速和距離實驗的研究 [J].傳感器與微系統.2009，11：68-70.

（沈陽藍英工業自動化裝備股份有限公司?遼寧?沈陽?110000）