超声波传感器在龙门机械手上的应用

王超

摘要：龙门机械手在橡胶行业应用时，一般具有精准定位的要求，要做到自动运行无人值守。在执行轮胎出入库任务的时候，对当前库位的轮胎数量要精准判断，防止出现压胎或机械手碰撞的事故发生。因此，超声波测距的应用显得尤为重要，通过超声波反馈信号经程序整定计算可以提前判断机械手的下降取/放胎的任务是否可以顺利执行。

本文通过分析龙门机械手工作流程，超声波传感器原理、反馈信号的整定及位置计算来简单介绍超声波传感器在龙门机械手相关应用上如何实现位置判断的功能。

关键词：龙门机械手;超声波传感器; 距离判断

随着科学的进步，超声波技术一直在不断发展，其应用范围也愈发广泛。比如在医学上，根据不同介质反射回不同的超声波可以生成清晰影像，而且超声波穿透力强，对患者没有损害，因而可以对病灶进行精准诊断。在工业上，超声波探伤是最为经典的一种应用，相比过去取样分析、射线影像和声音判断等技术方案，或者传统方法不能检测到物体组织内部情况，超声波以其特点轻易取代了过去的落后手段，得到了广泛的认可。

相比于穿透各种介质的能力，超声波反射测距也是其主要应用方向，有相当多的场景需要通过安全距离保护设备或以距离作为执行动作的前提条件，本例中，超声波传感器即作为龙门机械手执行轮胎取放任务的安全保障。

1 工程概述

本文例举的龙门机械手是专用于轮胎成品平面仓的设备，成品轮胎摞放在以坐标系形式均匀分布的库位中，X轴和Y轴平移动作对应平面XY坐标系，机械抓手升降对应Z坐标系。当有出入库任务或异常轮胎出库时，龙门机械手通过WCS系统接收任务明细，启动后自动运行至任务坐标取胎，此时超声波传感器判断坐标位置上的轮胎数量与库存信息中的数量是否一致（实际通过高度判断），如果一致则按正常流程执行任务，如果计算轮胎高度与库存轮胎高度存在差异，则禁止任务执行，蜂鸣器及报警灯会指示工作人员处理此异常状况。

为了避免出现整摞轮胎倒塌，或上一次执行任务异常造成轮胎滞留，或WCS出现错误及人为等原因导致实际库存与WCS记录库存不一致，龙门机械手继续动作引起损坏的情况，需要依靠超声波传感器对轮胎高度的正确判断。所以安全距离判断是龙门机械手能否正确完成任务的关键之一，而且平面仓内成品轮胎摆放紧凑，势必在选型上对超声波传感器提出一定要求，比如超声波发散的角度、检测范围、抗干扰能力和精度等。

2 超声波传感器原理

超声波传感器是将频率远高于普通声波的信号转换成其他电信号的传感器，其振动频率一般高于20kHz。而且具有指向性好和波长短等特点，可以做到定向传播。用于收发超声波的元器件由电压晶片构成，工作时，超声波传感器发射单脉冲或多脉冲超声波能，在空气中以声音的速度传播，依据目标物体的表面不同会形成反射或折射现象，其中部分波能经物体反射后返回到传感器。传感器测量波能在两者间往返的总时间，通过下面的公式，从而计算出传感器到物体的距离，输出最终值前多次计算取其平均值。

D=ct/2

D=传感器到物体间的距离

c=声音在空气中的传播速度

t=超声波脉冲传送的时间

本例中选用美国邦纳超声波传感器QT50U系列，其主要参数如下：

检测范围：200mm到8m

超声波频率：75kHz，重复率96ms

精度：1mm

输出响应时间：100m到2300ms

最小检测窗口：20mm

3 实现过程

由于超声波传感器反馈的是模拟量信号，需经过数据整定才能最终得到接收端（龙门抓手下表面，传感器安装的位置）与整摞轮胎上表面的正确距离。以罗克韦尔工控产品为例，标定超声波传感器检测距离的最大和最小位置后，在此范围内移动传感器，模拟量输入模块可得到0～32767的反馈值，对应标定位置的最小最大值，超出此范围其反馈数值无意义，由此可得到超声波传感器在本项目坐标系中的实际测量距离。

如图3.1，设整摞轮胎高度为H，Z轴（超声波传感器安装在下表面）运行最高点距地面高度为L1，轮胎上表面与超声波传感器距离为L2，可计算出当前轮胎高度H。再用库存记录数量乘以此规格轮胎厚度得出的记录值与H比较，最终得出目标位置轮胎实际数量与库存数量是否一致的结论。

具体程序逻辑的实现如图3.2，判断任务目标库存轮胎高度，与库存记录计算后得出的理论高度比对，如果一致或误差在一定范围内，则认定龙门机械手下降不受影响，且可以正常抓取轮胎;如果计算误差大于一定范围，则判定为异常情况，机械手停机报警，直到工作人员前来处理异常并恢复。

4 误差分析及措施

客观的讲，超声波传感器在实际应用时确实存在一些限制，比如超声波扩散角度是否能完全覆盖中空物体最高表面需要仔细分析;反射物表面对超声波的散射问题;目标物体周围物件存在对超声波的反射;多个超声波传感器互相干扰等问题。而且由于存在轮胎形状不规则，停放时间对下沉度的影响及温度等因素，即便轮胎数量一致，超声波传感器反馈值计算后得出的高度值一定不会与实际轮胎高度相等，会存在较大误差。对此，误差范围的确定就需要通过多次反复的实验，最终才能得到一个合理的数值。其次，如何避免超声波的干扰也是影响最终设备运行情况的关键，那么就需要从库位规划、程序设计、设备安装等方面排除可能存在的干扰，尽量使超声波传感器反馈的信号无限接近实际数值。

5 结论

超声波传感器使用简单，应用场景多样且灵活，但实际应用的限制也有很多，声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，且遇到活動物体会产生多普勒效应。有一些问题如安装精度和交叉干扰等因素可以避免，有些问题如时间、温度和目标物品外形等因素不受控制，其造成的影响则不可避免。尽管如此，超声波传感器以其穿透力强，精准的距离判断仍然广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。只要仔细论证工程项目细节，通过技术手段排除干扰，可以通过超声波传感器解决的技术方案一定可以得到理想实现。

参考文献

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