工业机器人技术及应用课件：内部传感器

工业机器人控制与传感器技术《工业机器人技术及应用》

工业机器人传感器基础知识——内部传感器工业机器人控制与传感器技术3.2.1内部传感器1概述内部传感器中，位置传感器和速度传感器，是当今机器人反馈控制中不可缺少的元件。现已有多种传感器大量生产，但倾斜角传感器、方位角传感器及振动传感器等用作机器人内部传感器的时间不长，其性能尚需进一步改进。3.2.1内部传感器2、内部传感器功能分类1）规定位置、规定角度的检测2）位置、角度测量3）速度、角速度测量4）加速度测量3.2.1内部传感器2、内部传感器功能分类1）规定位置、规定角度的检测检测预先规定的位置或角度，可以用开/关两个状态值，用于检测机器人的起始原点、越限位置或确定位置。

(1)限位开关：规定的位移或力作用到微型开关的可动部分(称为执行器)时，开关的电气触点断开或接通。限位开关通常装在盒里，以防外力的作用和水、油、尘埃的侵蚀。3.2.1内部传感器(2)光电开关：光电开关是由LED光源和光敏二极管或光敏晶体管等光敏元件组成，相隔一定距离而构成的透光式开关。当光由基准位置的遮光片通过光源和光敏元件的缝隙时，光射不到光敏元件上，而起到开关的作用3.2.1内部传感器红外光电开关检测黑白地面的光电开关接I/O、比较器或ADC3.2.1内部传感器光电开关的应用工业机器人机械部件动作的定位、限位2025/3/223.2.1内部传感器2、内部传感器功能分类2）位置、角度测量测量机器人关节线位移和角位移的传感器是机器人位置反馈控制中必不可少的元件。a)电位器b)旋转变压器c)编码器3.2.1内部传感器关于电位器电位器可作为直线位移和角位移检测元件，结构形式如图。为了保证电位器的线性输出，应保证等效负载电阻远远大于电位器总电阻。电位器式传感器结构简单，性能稳定，使用方便，但分辨率不高，且当电刷和电阻之间接触面磨损或有尘埃附着时会产生噪声。3.2.1内部传感器

关于编码器光电式编码器是一种非接触的数字位置位移传感器。它的基本原理是采用红外发射接受管，检测编码盘的位置或移动的方向、速度等。其优缺点刚好与电位器式相反，它是数字信号输出，接口方便；非接触式寿命长；不需限位可以无限次旋转等。

编码器输出表示位移增量的编码器脉冲信号，并带有符号。根据其刻度方法及信号输出形式，分为增量式编码器和绝对式编码器。作为工业机器人位移传感器，光电编码器应用最为广泛。3.2.1内部传感器光电编码器：

光电编码器由发光元件、聚光镜、漏光盘、光栏板、光敏管等构成。灯泡发出的光线经过聚焦后变成平行光束，当漏光盘上的条纹与光栏板上的条纹重合时，光敏管便接受一次光的信号并记数，由此可以测试旋转速度。3.2.1内部传感器光电编码器结构示意图：3.2.1内部传感器编码器信号航空插头3.2.1内部传感器其他角编码器外形3.2.1内部传感器其他角编码器外形（续）拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。3.2.1内部传感器3.2.1内部传感器绝对式码盘与增量式码盘有何区别？绝对式编码器按照角度直接进行编码，可直接把被测转角用数字代码表示出来。透光区不透光区3.2.1内部传感器绝对式编码器的码盘示意图3.2.1内部传感器绝对式接触式编码器演示4个电刷4位二进制码盘

+5V输入公共码道最小分辨角度为α=360°/2n

3.2.1内部传感器2．绝对式光电编码器

a）光电码盘的平面结构（8码道）b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道）

高位低位3.2.1内部传感器绝对式光电编码器的分辨力及分辨率绝对式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘上的码道数n有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：

α=360°/2n分辨率=1/2n3.2.1内部传感器二、增量式编码器转轴盘码及狭缝光敏元件光栏板及辨向用的A、B狭缝LEDABC零位标志ABC3.2.1内部传感器增量式编码器的原理增量式光电编码盘上只有A、B、C三条码道，只需要三对红外发射接受管。在A、B码道上分别刻有等距离的黑白相间标识（或透光缝隙）并相互错开半个缝宽（90度），C道只有一个黑点，每转一圈出一个脉冲。应用增量式编码器可以得到运动的方向（正转、反转）；运动的速度；位移等信息。3.2.1内部传感器增量式编码器3.2.1内部传感器辨向信号和零标志

光电编码器的光栏板上有A组与B组两组狭缝，两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号A、B彼此相差90

相位，用于辩向。当编码正转时，A信号超前B信号90

；当码盘反转时，B信号超前A信号90

。(请画出反转时信号B的波形）

在上一页图的码盘里圈，还有一根狭缝C，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。3.2.1内部传感器增量式光电编码器的分辨力及分辨率增量式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数n有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：3.2.1内部传感器三、角编码器的应用角编码器除了能直接测量角位移或间接测量直线位移外，可用于数字测速、工位编码、伺服电机控制等。3.2.1内部传感器M法测速（适合于高转速场合）T编码器每转产生N个脉冲，在T时间段内有m1

个脉冲产生，则转速（r/min)为：n=60m1/（NT）

m13.2.1内部传感器例题T有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，在5s时间内测得65536个脉冲，则转速（r/min)为：

n=60×65536/（1024×5）r/min

=768r/min

m13.2.1内部传感器T法测速（适合于低转速场合）时钟脉冲fc

编码器输出脉冲

m2

···编码器每转产生N

个脉冲，用已知频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为m2

，则转速(r/min)为n=60fc/（Nm2）

3.2.1内部传感器T法测速举例时钟脉冲fc

编码器输出脉冲

m2

···

n=60fc

/（Nm2

）

=60*1000000/（1024*3000）

=19.53r/min

有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频率fc为1MHz，则转速（r/min)为：3.2.1内部传感器安装套编码器的安装方式

1.编码器的套式安装3.2.1内部传感器安装轴编码器的轴式安装3.2.1内部传感器编码器的安装机械方面：由于编码器属于高精度机电一体化设备，所以编码器轴与用户端输出轴之间需要采用弹性软连接，以避免因用户轴的串动、跳动而造成编码器轴系和码盘的损坏3.2.1内部传感器旋转编码器的安装机械方面：安装时注意允许的轴负载应保证编码器轴与用户输出轴的不同轴度＜0.20mm，与轴线的偏角＜1.5°安装时严禁敲击和摔打碰撞，以免损坏轴系和码盘长期使用时，定期检查固定编码器的螺钉是否松动（每季度一次）3.2.1内部传感器旋转编码器的安装电气方面：接地线应尽量粗，一般应大于1.5平方编码器的输出线彼此不要搭接，以免损坏输出电路编码器的信号线不要接到直流电源上或交流电流上，以免损坏输出电路与编码器相连的电机等设备，应接地良好，不要有静电3.2.1内部传感器旋转编码器的安装电气方面：配线时应采用屏蔽电缆开机前，应仔细检查，产品说明书与编码器型号是否相符，接线是否正确长距离传输时，应考虑信号衰减因素，选用具备输出阻抗低，抗干扰能力强的型号3.2.1内部传感器旋转编码器的安装电气方面：避免在强电磁波环境中使用3.2.1内部传感器旋转编码器的安装环境方面：编码器是精密仪器，使用时要注意周围有无振源及干扰源不是防漏结构的编码器不要溅上水、油等，必要时要加上防护罩注意环境温度、湿度是否在仪器使用要求范围之内3.2.1内部传感器编码器在定位加工中的应用1—绝对式编码器

2—电动机

3—转轴

4—转盘

5—工件

6—刀具

设该增量式光电编码器的参数为1024p/r，大、小皮带轮的传动比为5，若希望当加工好元件1后紧接着加工元件8，则电动机转动了多少分之几圈？应等待编码器给出多少脉冲数时，电动机停转？3.2.1内部传感器编码器在数控加工中心的刀库选刀控制中的应用旋转刀库被加工工件刀具角编码器的输出为当前刀具号角编码器与旋转刀库连接3.2.1内部传感器编码器在伺服电机中的应用利用编码器测量伺服电机的转速、转角，并通过伺服控制系统控制其各种运行参数。转速测量转子磁极位置测量角位移测量3.2.1内部传感器3）速度、角速度测量速度、角速度测量是驱动器反馈控制必不可少的环节。有时也利用测位移传感器测量速度及检测单位采样时间位移量，但这种方法有其局限性：低速时测量不稳定的危险；高速时，只能获得较低的测量精度。最通用的速度、角速度传感器是测速发电机或成为转速表的传感器、比率发电机。测量角速度的测速发电机，可按其构造分为直流测速发电机、交流测速发电机和感应式