傳感器在數(shù)控機(jī)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(diǎn)，在制造業(yè)技術(shù)設(shè)備更新中，數(shù)控機(jī)床正迅速地在企業(yè)得到普及。數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床，能夠根據(jù)已編好的程序，使機(jī)床動(dòng)作并加工零件。它綜合了機(jī)械、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、測(cè)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(jī)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(cè)量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，其輸入信號(hào)（被測(cè)量）往往是非電量，輸出信號(hào)常常為易于處理的電量，如電壓等。

    傳感器種類很多，分類標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(cè)位置、直線位移和角位移、速度、壓力、溫度等。

3 數(shù)控機(jī)床對(duì)傳感器的要求

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

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

4 位移的檢測(cè)

    位移檢測(cè)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(jī)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(cè)量和數(shù)字測(cè)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(cè)量，分辨力較高，測(cè)量精度比光電編碼器高，適應(yīng)于動(dòng)態(tài)測(cè)量。

    在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中，光柵尺固定在床身上，其產(chǎn)生的脈沖信號(hào)直接反映了拖板的實(shí)際位置。用光柵檢測(cè)工作臺(tái)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(jī)。旋轉(zhuǎn)變壓器由定子和轉(zhuǎn)子組成，具體來說，它由一個(gè)鐵心、兩個(gè)定子繞組和兩個(gè)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(gè)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(dòng)勢(shì)的相位或幅值，可用來測(cè)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(jī)床床身上，滑尺安裝于移動(dòng)部件上，隨工作臺(tái)一起移動(dòng)；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(dòng)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(qiáng)、使用壽命長、維護(hù)簡單、長距離位移測(cè)量、工藝性好、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)態(tài)測(cè)量中，例如用于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、程控?cái)?shù)控機(jī)床、高精度重型機(jī)床及加工中心測(cè)量裝置等。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器則被廣泛地用于機(jī)床和儀器的轉(zhuǎn)臺(tái)以及各種回轉(zhuǎn)伺服控制系統(tǒng)中。

5 位置的檢測(cè)

    位置傳感器可用來檢測(cè)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(gè)物體接觸擠壓而動(dòng)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(dòng)作可靠、價(jià)格低廉。當(dāng)某個(gè)物體在運(yùn)動(dòng)過程中，碰到行程開關(guān)時(shí)，其內(nèi)部觸頭會(huì)動(dòng)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(dòng)范圍。二維矩陣式位置傳感器安裝于機(jī)械手掌內(nèi)側(cè)，用于檢測(cè)自身與某個(gè)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(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時(shí)就可以發(fā)出“動(dòng)作”信號(hào)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(dòng)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(jī)床上的應(yīng)用主要是刀架選刀控制、工作臺(tái)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(gè)凸輪與接近開關(guān)SQ4～SQ1相對(duì)應(yīng)，組成四位二進(jìn)制編碼，每一個(gè)編碼對(duì)應(yīng)一個(gè)刀位，如0110對(duì)應(yīng)6號(hào)刀位；接近開關(guān)SQ5用于奇偶校驗(yàn)，以減少出錯(cuò)。刀架每轉(zhuǎn)過一個(gè)刀位，就發(fā)出一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)與數(shù)控系統(tǒng)的刀位指令進(jìn)行比較，當(dāng)?shù)都艿牡段恍盘?hào)與指令刀位信號(hào)相符時(shí)，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(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，在一個(gè)方向通以電流時(shí)，則在垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)電位差，這就是霍爾現(xiàn)象。將小磁體固定在運(yùn)動(dòng)部件上，當(dāng)部件靠近霍爾元件時(shí)，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(cè)

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

    測(cè)速發(fā)電機(jī)具有的特點(diǎn)是：（1）輸出電壓與轉(zhuǎn)速嚴(yán)格成線性關(guān)系；（2）輸出電壓與轉(zhuǎn)速比的斜率大。可分成交流和直流兩類。

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

    在數(shù)控機(jī)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(cè)。

7 壓力的檢測(cè)

    壓力傳感器是一種將壓力轉(zhuǎn)變成電信號(hào)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(cè)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(cè)量高于大氣壓的壓力計(jì)以及測(cè)量低于大氣壓的真空計(jì)。電容式壓力傳感器的電容量是由電極面積和兩個(gè)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(diǎn)近來得到了迅速發(fā)展。在數(shù)控機(jī)床中，可用它對(duì)工件夾緊力進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)夾緊力小于設(shè)定值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致工件松動(dòng)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，停止走刀。另外，還可用壓力傳感器檢測(cè)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(cè)油路或氣路中的壓力，當(dāng)油路或氣路中的壓力低于設(shè)定值時(shí)，其觸點(diǎn)會(huì)動(dòng)作，將故障信號(hào)送給數(shù)控系統(tǒng)。

8 溫度的檢測(cè)

    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(hào)的一種裝置。常見的有以鉑、銅為主的熱電阻傳感器、以半導(dǎo)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(jī)床上，溫度傳感器用來檢測(cè)溫度從而進(jìn)行溫度補(bǔ)償或過熱保護(hù)。

    在加工過程中，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)部件的移動(dòng)、切削等都會(huì)產(chǎn)生熱量，且溫度分布不均勻，造成溫差，使數(shù)控機(jī)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(jī)床上某些部位裝設(shè)溫度傳感器，感受溫度信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送給數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

    此外，在電動(dòng)機(jī)等需要過熱保護(hù)的地方，應(yīng)埋設(shè)溫度傳感器，過熱時(shí)通過數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行過熱報(bào)警。

9 刀具磨損的監(jiān)控

    刀具磨損到一定程度會(huì)影響到工件的尺寸精度和表面粗糙度，因此，對(duì)刀具磨損要進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)?shù)毒吣p時(shí)，機(jī)床主軸電動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大，電動(dòng)機(jī)的電流和電壓也會(huì)變化，功率隨之改變，功率變化可通過霍爾傳感器檢測(cè)。功率變化到一定程度，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，機(jī)車停止運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)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(jī)床上的應(yīng)用是目前的狀況，但隨著傳感器和數(shù)控機(jī)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(huì)使數(shù)控機(jī)床更加完善，自適應(yīng)更強(qiáng)。