傳感器在數(shù)控機床上的應(yīng)用

1 引 言

    由于高精度、高速度、高效率及安全可靠的特點，在制造業(yè)技術(shù)設(shè)備更新中，數(shù)控機床正迅速地在企業(yè)得到普及。數(shù)控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床，能夠根據(jù)已編好的程序，使機床動作并加工零件。它綜合了機械、自動化、計算機、測量、微電子等最新技術(shù)，使用了多種傳感器，本文介紹的是各種各樣的傳感器在數(shù)控機床上的應(yīng)用。

2 傳感器簡介

    傳感器是一種能夠感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，其輸入信號（被測量）往往是非電量，輸出信號常常為易于處理的電量，如電壓等。

    傳感器種類很多，分類標準不一樣，叫法也不一樣，常見的有電阻傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、溫度傳感器、壓電式傳感器、霍爾傳感器、熱電偶傳感器、光電傳感器、數(shù)字式位置傳感器等。在數(shù)控機床上應(yīng)用的傳感器主要有光電編碼器、直線光柵、接近開關(guān)、溫度傳感器、霍爾傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、速度傳感器等,主要用來檢測位置、直線位移和角位移、速度、壓力、溫度等。

3 數(shù)控機床對傳感器的要求

    （1）可靠性高和抗干擾性強；
    （2）滿足精度和速度的要求；
    （3）使用維護方便，適合機床運行環(huán)境；
    （4）成本低。

    不同種類數(shù)控機床對傳感器的要求也不盡相同，一般來說，大型機床要求速度響應(yīng)高，中型和高精度數(shù)控機床以要求精度為主。

4 位移的檢測

    位移檢測的傳感器主要有脈沖編碼器、直線光柵、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等。

    4.1 脈沖編碼器的應(yīng)用

    脈沖編碼器是一種角位移（轉(zhuǎn)速）傳感器，它能夠把機械轉(zhuǎn)角變成電脈沖。脈沖編碼器可分為光電式、接觸式和電磁式三種，其中，光電式應(yīng)用比較多。

    在圖1中，X軸和Z軸端部分別配有光電編碼器，用于角位移測量和數(shù)字測速，角位移通過絲杠螺距能間接反映拖板或刀架的直線位移。

圖1

    4.2 直線光柵的應(yīng)用

    直線光柵是利用光的透射和反射現(xiàn)象制作而成，常用于位移測量，分辨力較高，測量精度比光電編碼器高，適應(yīng)于動態(tài)測量。

    在進給驅(qū)動中，光柵尺固定在床身上，其產(chǎn)生的脈沖信號直接反映了拖板的實際位置。用光柵檢測工作臺位置的伺服系統(tǒng)是全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

    4.3 旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用

    旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓與角位移量成連續(xù)函數(shù)關(guān)系的感應(yīng)式微電機。旋轉(zhuǎn)變壓器由定子和轉(zhuǎn)子組成，具體來說，它由一個鐵心、兩個定子繞組和兩個轉(zhuǎn)子繞組組成，其原、副繞組分別放置在定子、轉(zhuǎn)子上，原、副繞組之間的電磁耦合程度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角有關(guān)。

    4.4 感應(yīng)同步器的應(yīng)用

    感應(yīng)同步器是利用兩個平面形繞組的互感隨位置不同而變化的原理制成的。其功能是將角度或直線位移轉(zhuǎn)變成感應(yīng)電動勢的相位或幅值，可用來測量直線或轉(zhuǎn)角位移。按其結(jié)構(gòu)可分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種。直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成，定尺安裝在機床床身上，滑尺安裝于移動部件上，隨工作臺一起移動；旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器定子為固定的圓盤，轉(zhuǎn)子為轉(zhuǎn)動的圓盤。感應(yīng)同步器具有較高的精度與分辨力、抗干擾能力強、使用壽命長、維護簡單、長距離位移測量、工藝性好、成本較低等優(yōu)點。直線式感應(yīng)同步器目前被廣泛地應(yīng)用于大位移靜態(tài)與動態(tài)測量中，例如用于三坐標測量機、程控數(shù)控機床、高精度重型機床及加工中心測量裝置等。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器則被廣泛地用于機床和儀器的轉(zhuǎn)臺以及各種回轉(zhuǎn)伺服控制系統(tǒng)中。

5 位置的檢測

    位置傳感器可用來檢測位置，反映某種狀態(tài)的開關(guān)，和位移傳感器不同。位置傳感器有接觸式和接近式兩種。

    5.1 接觸式傳感器的應(yīng)用

    接觸式傳感器的觸頭由兩個物體接觸擠壓而動作，常見的有行程開關(guān)、二維矩陣式位置傳感器等。行程開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、價格低廉。當某個物體在運動過程中，碰到行程開關(guān)時，其內(nèi)部觸頭會動作，從而完成控制，如在加工中心的X、Y、Z軸方向兩端分別裝有行程開關(guān)，則可以控制移動范圍。二維矩陣式位置傳感器安裝于機械手掌內(nèi)側(cè)，用于檢測自身與某個物體的接觸位置。

    5.2 接近開關(guān)的應(yīng)用

    接近開關(guān)是指當物體與其接近到設(shè)定距離時就可以發(fā)出“動作”信號的開關(guān)，它無需和物體直接接觸。接近開關(guān)有很多種類，主要有自感式、差動變壓器式、電渦流式、電容式、干簧管、霍爾式等。

    接近開關(guān)在數(shù)控機床上的應(yīng)用主要是刀架選刀控制、工作臺行程控制、油缸及汽缸活塞行程控制等。

    在刀架選刀控制中，如圖2所示，從左至右的四個凸輪與接近開關(guān)SQ4～SQ1相對應(yīng)，組成四位二進制編碼，每一個編碼對應(yīng)一個刀位，如0110對應(yīng)6號刀位；接近開關(guān)SQ5用于奇偶校驗，以減少出錯。刀架每轉(zhuǎn)過一個刀位，就發(fā)出一個信號，該信號與數(shù)控系統(tǒng)的刀位指令進行比較，當?shù)都艿牡段恍盘柵c指令刀位信號相符時，表示選刀完成。

圖2

    霍爾傳感器是利用霍爾現(xiàn)象制成的傳感器。將鍺等半導體置于磁場中，在一個方向通以電流時，則在垂直的方向上會出現(xiàn)電位差，這就是霍爾現(xiàn)象。將小磁體固定在運動部件上，當部件靠近霍爾元件時，便產(chǎn)生霍爾現(xiàn)象，從而判斷物體是否到位。

6 速度的檢測

    速度傳感器是一種將速度轉(zhuǎn)變成電信號的傳感器，既可以檢測直線速度，也可以檢測角速度，常用的有測速發(fā)電機和脈沖編碼器等。

    測速發(fā)電機具有的特點是：（1）輸出電壓與轉(zhuǎn)速嚴格成線性關(guān)系；（2）輸出電壓與轉(zhuǎn)速比的斜率大?？煞殖山涣骱椭绷鲀深?。

    脈沖編碼器在經(jīng)過一個單位角位移時，便產(chǎn)生一個脈沖，配以定時器便可檢測出角速度。

    在數(shù)控機床中，速度傳感器一般用于數(shù)控系統(tǒng)伺服單元的速度檢測。

7 壓力的檢測

    壓力傳感器是一種將壓力轉(zhuǎn)變成電信號的傳感器。根據(jù)工作原理，可分為壓電式傳感器、壓阻式傳感器和電容式傳感器。它是檢測氣體、液體、固體等所有物質(zhì)間作用力能量的總稱，也包括測量高于大氣壓的壓力計以及測量低于大氣壓的真空計。電容式壓力傳感器的電容量是由電極面積和兩個電極間的距離決定，因靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、壓力量程大等特點近來得到了迅速發(fā)展。在數(shù)控機床中，可用它對工件夾緊力進行檢測，當夾緊力小于設(shè)定值時，會導致工件松動，系統(tǒng)發(fā)出報警，停止走刀。另外，還可用壓力傳感器檢測車刀切削力的變化。再者，它還在潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)被用來檢測油路或氣路中的壓力，當油路或氣路中的壓力低于設(shè)定值時，其觸點會動作，將故障信號送給數(shù)控系統(tǒng)。

8 溫度的檢測

    溫度傳感器是一種將溫度高低轉(zhuǎn)變成電阻值大小或其它電信號的一種裝置。常見的有以鉑、銅為主的熱電阻傳感器、以半導體材料為主的熱敏電阻傳感器和熱電偶傳感器等。在數(shù)控機床上，溫度傳感器用來檢測溫度從而進行溫度補償或過熱保護。

    在加工過程中，電動機的旋轉(zhuǎn)、移動部件的移動、切削等都會產(chǎn)生熱量，且溫度分布不均勻，造成溫差，使數(shù)控機床產(chǎn)生熱變形，影響零件加工精度，為了避免溫度產(chǎn)生的影響，可在數(shù)控機床上某些部位裝設(shè)溫度傳感器，感受溫度信號并轉(zhuǎn)換成電信號送給數(shù)控系統(tǒng)，進行溫度補償。

    此外，在電動機等需要過熱保護的地方，應(yīng)埋設(shè)溫度傳感器，過熱時通過數(shù)控系統(tǒng)進行過熱報警。

9 刀具磨損的監(jiān)控

    刀具磨損到一定程度會影響到工件的尺寸精度和表面粗糙度，因此，對刀具磨損要進行監(jiān)控。當?shù)毒吣p時，機床主軸電動機負荷增大，電動機的電流和電壓也會變化，功率隨之改變，功率變化可通過霍爾傳感器檢測。功率變化到一定程度，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出報警信號，機車停止運轉(zhuǎn)，此時，應(yīng)及時進行刀具調(diào)整或更換。

10 結(jié)束語

    以上介紹的傳感器在數(shù)控機床上的應(yīng)用是目前的狀況，但隨著傳感器和數(shù)控機床的發(fā)展，有些傳感器將被淘汰，如旋轉(zhuǎn)變壓器等，而新的傳感器將不斷出現(xiàn)，會使數(shù)控機床更加完善，自適應(yīng)更強。