传感器在机器人自动码垛系统中的应用

2015-03-20王佑兵

化工自动化及仪表 2015年9期

王佑兵

(海洋石油富岛股份有限公司,海南东方 572600)

传感器技术在智能自动化装备及物联网技术开发等方面具有重要的作用，没有传感器技术的发展就没有智能自动化设备的提高成长，特别是在超小型化的智能自动化领域中，传感器的重要性更加突出。随着光学技术和新光源的大量应用和开发，传感器的可靠性和稳定性得到了提高，实现了传感器的小型化、高可靠性和高稳定性，从而使其在要求高精度的场合也得到了广泛的应用。

海洋石油富岛股份有限公司复合肥部的BB肥生产装置属于劳动密集型生产，生产组织和销售主要集中在大量的物流环节上，无论是生产上的拆包、码垛叠包工作，还是库房的搬运、装货工作，都需要大量的青壮年劳动力。面对当前人工成本上涨以及劳动力短缺、人员流动性大、人工操作效率低等问题，公司在年产10万t的BB肥生产装置配套增加一套ABB IRB460机器人自动码垛系统，其码垛能力为1 000包/h，用以替代人工码垛叠包工作。在此，笔者介绍了光电传感器、电感式传感器和磁性开关在机器人自动码垛系统中的应用，对传感器的测量原理、选型和使用过程中出现的问题进行了归纳总结。

机器人自动码垛系统包括推包输送机、过渡皮带输送机(一)、过渡皮带输送机(二)、爬坡输送机、矩形辊道机、带式整形机、抓包辊道机、托盘输送机、垛盘输送机(一)、垛盘输送机(二)、无动力垛盘输送机、PLC控制柜、IRC5机器人控制器、IRB460机器人及机器人抓手等。该机器人自动码垛系统共有7个光电传感器、两个电感式传感器和8个磁性开关，这些传感器信号输入到PLC作为码垛系统的联锁输入信号，对系统的高效、稳定和安全运行起到至关重要的作用。

1.1 光电传感器原理

光电传感器(光电开关)是利用被检测物体对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体的有无，所有能反射光线的物体均可被检测[1]。多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线，光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线强弱或有无对目标物体进行探测[2]。

光电开关按检测方式可分为3种。

扩散反射型(漫反射型)，是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。扩散反射型光电开关要求检测物体大、物体颜色浅、检测面平整、物体不透明。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，扩散反射型光电开关是首选。扩散反射型光电开关的检测距离最短、不需要对准光轴、成本比较低。

对射型。包含结构上相互分离、光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关产生开关信号。当检测物体为不透明物体时，对射型光电开关最可靠。对射型对物体的颜色没有严格要求，且不易受干扰、检测距离最长、适用于野外或有灰尘的环境。

回归反射型(镜反射型)。集发射器与接收器于一体，前方装有一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用。正常情况下，发射器发出的光被反光板反射回来由接收器接收，一旦光路被检测物体挡住，接收器检测的光信号将发生变化，光电开关动作，输出一个开关控制信号。检测透明物体时推荐使用回归反射型，如检测物体是反光量较强的镜面物体，建议使用带镜面体光泽消除功能的回归反射型传感器。回归反射型需要对准光轴，检测距离要比扩散反射型远，但比对射型短，成本比对射型低。

1.2 光电传感器的应用

海洋石油富岛股份有限公司机器人自动码垛系统在推包输送机、带式整形机、抓包辊道机和无动力垛盘输送机上各使用一个DOIR450-BQ18-VP6X2漫反射型光电传感器，推包输送机前的光电开关检测到有包信号时触发推包机动作，带式整形机和抓包辊道机同时检测到有包信号时带式整形机和前系统会自动停车，避免出现挤包现象。无动力垛盘输送机光电开关检测到信号时会提醒工作人员及时叉走已码好的托盘。任何一个光电开关误动作或故障，都会给机器人自动码垛系统的正常运行带来影响。由于该系统安装在BB肥生产厂房内，厂房粉尘较大、环境较差，这就对光电开关提出了较高的要求。DOIR450-BQ18-VP6X2光电开关最大检测距离为450mm，环境温度-20～70℃，工作电压10～30V(DC)，直流额定工作电流不大于100mA，正常延时不大于200ms，防护等级为IP67，带有短路保护和反极性保护，同时也带工作电压指示、开关状态指示、故障显示和过量增益指示，具有防护等级高、稳定性好和故障率低的优点，尤其在粉尘、潮湿的环境下优点更加显著，可见DOIR450-BQ18-VP6X2光电开关完全满足现场要求。

托盘仓、托盘输送机和垛盘输送机共使用4个E3JK-DS30M1型光电开关，该光电开关的最大检测距离300mm，控制输出为继电器输出：1c接点250V(AC) 3A以下、5V(DC) 10mA以上，不带负载短路保护功能，防护等级IP64。E3JK-DS30M1型光电开关在实际应用中多次出现检测信号时有时无等故障，具体情况如下：

a. 托盘仓托盘检测信号偶尔误动作会导致PLC联锁动作、升降气缸不动作、不能正常下托盘，码垛系统因此而停机；

b. 托盘输送机的托盘到位检测信号误动作时，升降气缸会在托盘叉未打开的情况下再次动作，容易顶坏托盘叉；

c. 托盘输送机的下托盘到位检测信号误动作会导致托盘输送机因为没有检测到托盘而不动作，而实际上托盘已经到位，这种情况下，升降气缸会再次托着托盘向上动作，从而顶到托盘叉上的托盘，影响设备安全；

d. 垛盘输送机(一)的托盘到位检测信号误动作时，前面的托盘输送机会继续向垛盘输送机(一)送托盘，导致两托盘发生碰挤，码垛系统不能正常工作。

这些误动作不仅对生产造成影响，对码垛系统设备安全运行也是一大隐患，通过分析，误动作的原因主要有：该型号光电开关最大检测距离仅为300mm(偏小)，不适合本装置的实际检测要求；该型号光电开关的防护等级为IP64，现场托盘露天存放，下雨天托盘上的雨水容易渗透至光电开关；该型号光电开关不带负载短路保护功能。鉴于此，将E3JK-DS30M1型光电开关改为E3JM-DS70M4-G型，E3JM-DS70M4-G型防护等级(IP66)和最大检测距离(700mm)比E3JK-DS30M1的防护等级(IP64)和最大检测距离(300mm)都要高，替换后再未出现上述故障。

1.3 电感式传感器的应用

电感式传感器(涡流式)以无磨损和非接触的方式通过高频交流电磁场来检测被测金属物体，磁场由绕在铁氧体芯线圈上的LC振荡电路产生。与机械开关相比，电感式传感器具有完美的先决条件，如无接触和无磨损的工作方式以及较高的开关频率和开关精度，此外，还具有抗振动、防灰尘和潮湿的特点，电感式传感器可以无接触地检测所有金属。

海洋石油富岛股份有限公司机器人自动码垛系统托盘仓升降气缸上部和下部各安装一个BI8-M18-AP6X电感式接近开关，检测升降气缸高低位置信号，用以联锁打开或收回托盘叉装置，保证托盘正常放置在托盘输送机上。BI8-M18-AP6X型电感式传感器的额定检测距离为8mm，实际测量范围不大于6.48mm，工作电压10～30V(DC)，直流额定工作电流不大于200mA，开关频率500Hz，防护等级为IP67，该传感器带有短路保护、断路和反极性保护。两个接近开关运行不到一年的时间内先后出现偶尔检测不到信号直到完全故障的情况，将升降气缸高位检测传感器改为ID5005/IDE3060-FPKG电感式传感器(感应距离60mm，可调节，实际感应距离60±10%mm，开关频率100Hz，防护等级IP65，电流负载250mA，额定工作电压10～36V(DC)，带有短路和过载保护)后，至今运行情况良好，稳定性较高；将升降气缸低位检测传感器改为DW-AS-633-M18-002型传感器，该传感器的检测距离(12mm)比BI8-M18-AP6X的检测距离(8mm)稍大，其他参数基本一致，总体效果较好。

升降气缸高低位检测传感器直接关系到托盘仓和托盘输送机的安全运行，设计时可以考虑在升降气缸高低位各安装两个传感器，且并接在一起，双重化的设计可最大限度保障设备安全、稳定、高效运行。

1.4 磁性开关的应用

磁性开关是用来检测气缸活塞位置的，分为有接点型(有接点磁簧管型)和无接点型(无接点电晶体型)两种。有接点磁簧管型内部为由两片磁簧管组成的机械触点，交直流电源通用，当随气缸移动的磁环靠近感应开关时，感应开关的两根磁簧片被磁化进而使触点闭合，产生电信号；当磁环离开磁性开关后，舌簧片失磁，触点断开，电信号消失。如此便可以根据检测到的气缸活塞位置控制相应的电磁阀动作。

无接点电晶体型感应开关从结构和原理上与有接点磁簧管型有着本质区别，无接点电晶体型是通过对内部晶体管的控制来发出控制信号的。当磁环靠近感应开关时，晶体管导通，产生电信号；当磁环离开磁性开关后，晶体管关断，电信号消失。海洋石油富岛股份有限公司机器人自动码垛系统的推包气缸、抓手气缸、托盘叉气缸和阻挡气缸各安装了一个气缸到位、气缸回位磁性开关。抓手气缸磁性开关采用D-B53型，该型磁性开关稳定性较好，使用至今未出现故障。推包气缸、托盘叉气缸和阻挡气缸采用D-M9N型磁性开关，该型开关负载电压不大于28V(DC)，负载电流不大于40mA，电流消耗不大于10mA，从机器人自动码垛系统实际使用情况来看，效果相对较差，会出现短路烧坏及信号不良等情况，因此现全部更换为CS1-U型磁性开关，该开关为有接点磁簧管型，工作电压5～240V(AC/DC)，最大开关电流100mA，最大接点容量10W，防护等级IP67，目前CS1-U型磁性开关使用情况均比较稳定，故障率也较低。