传感器在数控机床上的应用

由于高精度、高速度、高效率及安全可靠的特点，在制造业技术设备更新中，数控机床正迅速地在企业得到普及。数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床，能够根据已编好的程序，使机床动作并加工零件。它综合了机械、自动化、计算机、测量、微电子等最新技术，使用了多种传感器。

传感器（sensor;measuring element;transducer）：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。

传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。它能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

传感器的功能

常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：光敏传感器——视觉、声敏传感器——听觉、气敏传感器——嗅觉、化学传感器——味觉、压敏、温敏、流体传感器——触觉　

敏感元件的分类：

①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。

②化学类，基于化学反应的原理。

③生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。

通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将敏感元件分46类）。

数控机床中的传感器的基本要求

1）传感器具有较强的抗干扰性和较高的可靠性；

2）传感器要达到速度及精度方面的标准和要求；

3）传感器的使用和维护工作较为方便；

4）传感器的成本较低。

不同类型的数控机床对传感器的一些要求也存在着差异，通常情况下，高精度、中型数控机床对传感器的要求着重体现在精度上，而大型数控机床对传感器的要求主要体现在速度响应度上。

1、位移检测的应用 

对位移检测的数控机床中的传感器着重包括直线光栅、脉冲编码器以及旋转变压器等。

1）直线光栅的一些应用

直线光栅是通过对光的反射、投射现象进行运用而制成的，通常被运用在位移的检测上，其辨认能力较高，检测准确度高于光编码器，在动态测量中被广泛的运用。

在进给驱动过程中，在床身上对光栅进行固定。拖板移动的实际位移在直线光栅所产生的一些脉冲信号上被直接性的反映出来。利用直线光栅对工作台的具体位置进行检测的伺服系统是一个全闭环控制系统。

2）脉冲编码器的一些应用

脉冲编码器是一种转速传感器或是角位移传感器，此传感器可以将机械转角转化成一种电脉冲。脉冲编码器有三种类型，分别是电磁式、接触式以及光电式。在以上三种脉冲编码器中，光电式的运用最为广泛，在x轴、z轴端各配有一个光点编码器，其主要运用于对数字、角位移的检测，角位移基于丝杠螺距对刀架的直线位移进行间接性的反映。

3）旋转变压器的一些应用

旋转变压器就是感应式微电机，在该旋转变压器中，其角位移量与输出电压之间是一种连续函数的关系。转子与定子共同构成旋转变压器，详细来讲，旋转变压器由两个转子绕组、一个铁心以及两个定子绕组构成，在转子及定子上各自放置着旋转变压器的副绕组和原绕组，原绕组和副绕组间的电磁耦合度与旋转变压器转子的转角存在一定的关系。

2、位置检测的应用

位置传感器与位移传感器之间存在一定的差异。位置传感器主要分为接近式传感器与接触式传感器。

1）接触式传感器的应用

接触式传感器的触头通常由两个物体相互接触并挤压进行相应的工作，经常见到的有行程开关以及二维矩阵式位置传感器等等。行程开关的构架比较简单、成本廉价且运行动作可靠。如果一个物体在运行中碰到行程开关时，行程开关的内部触头将产生动作，进而实现整个过程的控制，倘若在x轴、y轴以及z轴两端各自配置一个行程开关，那么该行程开关将对移动范围进行了控制。在机械手掌的内侧对二维矩阵式位置传感器进行相应的安装和配置，该传感器主要用在对其自身和一个物体间的接触位置进行检测。

2）接近开关的应用

所谓接近开关，指某种物体和接近开关相距事先设定的距离时，能发出“动作”信号的一种开关，接近开关与物体之间没有必要直接接触。接近开关主要有霍尔式、自感式以及电容式等。在数控机床中，接近开关着重运用于对工作台行程、刀架选刀以及油缸等的一些控制。

在刀架选刀控制中，如下图所示，从左至右的四个凸轮与接近开关SQ4～SQ1相对应，组成四位二进制编码，每一个编码对应一个刀位，如0110对应6号刀位；接近开关SQ5用于奇偶校验，以减少出错。刀架每转过一个刀位，就发出一个信号，该信号与数控系统的刀位指令进行比较，当刀架的刀位信号与指令刀位信号相符时，表示选刀完成。

霍尔传感器是利用霍尔现象制成的传感器。将锗等半导体置于磁场中，在一个方向通以电流时，则在垂直的方向上会出现电位差，这就是霍尔现象。将小磁体固定在运动部件上，当部件靠近霍尔元件时，便产生霍尔现象，从而判断物体是否到位。

3、速度检测的应用

速度传感器就是把速度转化成电信号的一种传感器，该种传感器一方面可对直线速度进行检测，另一方面也能对角速度进行检测，在数控机床中常见的有脉冲编码器以及测速发电机等。

脉冲编码器每经过一个单位角位移就产生一个脉冲，同时和定时器相互配合对角速度进行检测。测速发电机有直流、交流测速发电机两种；测速发电机具有以下两个特点，其一、测速发电机的转速和输出电压之比的斜率较大；其二、测速发电机的转速和输出电压之间成线性关系。

通常情况下，速度传感器在数控机床中主要运用在对数控系统伺服单元的速度检测上。

4、压力检测的应用

压力传感器就是把压力转化成电信号的一种传感器。依据压力传感器的工作原理，可将其划分成电容式、压电式、压阻式传感器。

压力传感器是检测固体以及气体等物质之间的一种作用能量的合称。电容式压力传感器的两个电极与电极面积之间的距离决定了该传感器的电容量，电容式压力传感器由于其稳定性能好、灵敏度较高等，在数控机床中得到了广泛的运用。

压力传感器在数控机床中可对工件夹紧进行相应的检测，如果设定值大于夹紧力时，将出现被夹工件松动的现象，同时，系统出现报警声音，停止工作。除此之外，也可以利用压力传感器对车刀切削力的一些变化进行相应的检测。

5、温度检测和应用

温度传感器就是将温度高低转化成另外一种信号、电阻值大小的设备。通常所见的就是热敏电阻传感器或者热电阻传感器等。温度传感器在数控机床中通过对温度进行检测，进而进行相应的过热保护和温度补偿。

在数控机床的运行过程中，移动部件切削、电动机运转等均会产生不同程度的温度，并且这些热量不易尽快发散，分部不均衡，很容易造成温度上的差异，致使数控机床出现发热变形的现象，在很大程度上给零件的加工精度带来影响，为了避免由于以上现象的出现，在数控机床的一些易受温度影响的部位安装温度传感器，该设置能将温度信号转变成一种电信号传达到数控系统中，从而进行一定的温度补偿。

除此之外，在电动机等一些设备或部件需要过热保护的部位，应当安装相应的温度传感器，从而进行一定的过热保护。

6、刀具磨损监控和应用

刀具磨损在一定程度上会给工件的表面粗糙度及尺寸精度造成影响，所以，为了避免上述现象在数控机床中出现，有必要对刀具磨损进行相应的监控。当刀具出现磨损时，在机床主轴电动机上会出现荷载加大的现象，同时电动机的电压及电流会随之发生变化，电动机功率同样也发生了变化，通过霍尔传感器对功率变化进行检测。当功率变化到数控系统出现报警、机车出现停止运行的现象时，应当立刻对刀具进行相应的调整或者替换。

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