傳感器在數控機床上的應用介紹

傳感器技術編輯整理

由于高精度、高速度、高效率及安全可靠的特點，在制造業技術設備更新中，數控機床正迅速地在企業得到普及。數控機床是一種裝有程序控制系統的自動化機床，能夠根據已編好的程序，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，使用了多種傳感器。

傳感器（sensor;measuring element;transducer）：能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。

傳感器一般由敏感元件、轉換元件、基本轉換電路三部分組成。

傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。它能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。

傳感器的功能

常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬：光敏傳感器——視覺、聲敏傳感器——聽覺、氣敏傳感器——嗅覺、化學傳感器——味覺、壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺

敏感元件的分類：

①物理類，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應。

②化學類，基于化學反應的原理。

③生物類，基于酶、抗體、和激素等分子識別功能。

通常據其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類（還有人曾將敏感元件分46類）。

傳感器在數控機床中的應用

數控機床中的傳感器的基本要求

1）傳感器具有較強的抗干擾性和較高的可靠性；

2）傳感器要達到速度及精度方面的標準和要求；

3）傳感器的使用和維護工作較為方便；

4）傳感器的成本較低。

不同類型的數控機床對傳感器的一些要求也存在著差異，通常情況下，高精度、中型數控機床對傳感器的要求著重體現在精度上，而大型數控機床對傳感器的要求主要體現在速度響應度上。

1、位移檢測的應用

對位移檢測的數控機床中的傳感器著重包括直線光柵、脈沖編碼器以及旋轉變壓器等。

1）直線光柵的一些應用

直線光柵是通過對光的反射、投射現象進行運用而制成的，通常被運用在位移的檢測上，其辨認能力較高，檢測準確度高于光編碼器，在動態測量中被廣泛的運用。

在進給驅動過程中，在床身上對光柵進行固定。拖板移動的實際位移在直線光柵所產生的一些脈沖信號上被直接性的反映出來。利用直線光柵對工作臺的具體位置進行檢測的伺服系統是一個全閉環控制系統。

2）脈沖編碼器的一些應用

脈沖編碼器是一種轉速傳感器或是角位移傳感器，此傳感器可以將機械轉角轉化成一種電脈沖。脈沖編碼器有三種類型，分別是電磁式、接觸式以及光電式。在以上三種脈沖編碼器中，光電式的運用最為廣泛，在x軸、z軸端各配有一個光點編碼器，其主要運用于對數字、角位移的檢測，角位移基于絲杠螺距對刀架的直線位移進行間接性的反映。

3）旋轉變壓器的一些應用

旋轉變壓器就是感應式微電機，在該旋轉變壓器中，其角位移量與輸出電壓之間是一種連續函數的關系。轉子與定子共同構成旋轉變壓器，詳細來講，旋轉變壓器由兩個轉子繞組、一個鐵心以及兩個定子繞組構成，在轉子及定子上各自放置著旋轉變壓器的副繞組和原繞組，原繞組和副繞組間的電磁耦合度與旋轉變壓器轉子的轉角存在一定的關系。

2、位置檢測的應用

位置傳感器與位移傳感器之間存在一定的差異。位置傳感器主要分為接近式傳感器與接觸式傳感器。

1）接觸式傳感器的應用

接觸式傳感器的觸頭通常由兩個物體相互接觸并擠壓進行相應的工作，經常見到的有行程開關以及二維矩陣式位置傳感器等等。行程開關的構架比較簡單、成本廉價且運行動作可靠。如果一個物體在運行中碰到行程開關時，行程開關的內部觸頭將產生動作，進而實現整個過程的控制，倘若在x軸、y軸以及z軸兩端各自配置一個行程開關，那么該行程開關將對移動范圍進行了控制。在機械手掌的內側對二維矩陣式位置傳感器進行相應的安裝和配置，該傳感器主要用在對其自身和一個物體間的接觸位置進行檢測。

2）接近開關的應用

所謂接近開關，指某種物體和接近開關相距事先設定的距離時，能發出“動作”信號的一種開關，接近開關與物體之間沒有必要直接接觸。接近開關主要有霍爾式、自感式以及電容式等。在數控機床中，接近開關著重運用于對工作臺行程、刀架選刀以及油缸等的一些控制。

在刀架選刀控制中，如下圖所示，從左至右的四個凸輪與接近開關SQ4～SQ1相對應，組成四位二進制編碼，每一個編碼對應一個刀位，如0110對應6號刀位；接近開關SQ5用于奇偶校驗，以減少出錯。刀架每轉過一個刀位，就發出一個信號，該信號與數控系統的刀位指令進行比較，當刀架的刀位信號與指令刀位信號相符時，表示選刀完成。

霍爾傳感器是利用霍爾現象制成的傳感器。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電位差，這就是霍爾現象。將小磁體固定在運動部件上，當部件靠近霍爾元件時，便產生霍爾現象，從而判斷物體是否到位。

3、速度檢測的應用

速度傳感器就是把速度轉化成電信號的一種傳感器，該種傳感器一方面可對直線速度進行檢測，另一方面也能對角速度進行檢測，在數控機床中常見的有脈沖編碼器以及測速發電機等。

脈沖編碼器每經過一個單位角位移就產生一個脈沖，同時和定時器相互配合對角速度進行檢測。測速發電機有直流、交流測速發電機兩種；測速發電機具有以下兩個特點，其一、測速發電機的轉速和輸出電壓之比的斜率較大；其二、測速發電機的轉速和輸出電壓之間成線性關系。

通常情況下，速度傳感器在數控機床中主要運用在對數控系統伺服單元的速度檢測上。

4、壓力檢測的應用

壓力傳感器就是把壓力轉化成電信號的一種傳感器。依據壓力傳感器的工作原理，可將其劃分成電容式、壓電式、壓阻式傳感器。

壓力傳感器是檢測固體以及氣體等物質之間的一種作用能量的合稱。電容式壓力傳感器的兩個電極與電極面積之間的距離決定了該傳感器的電容量，電容式壓力傳感器由于其穩定性能好、靈敏度較高等，在數控機床中得到了廣泛的運用。

壓力傳感器在數控機床中可對工件夾緊進行相應的檢測，如果設定值大于夾緊力時，將出現被夾工件松動的現象，同時，系統出現報警聲音，停止工作。除此之外，也可以利用壓力傳感器對車刀切削力的一些變化進行相應的檢測。

5、溫度檢測和應用

溫度傳感器就是將溫度高低轉化成另外一種信號、電阻值大小的設備。通常所見的就是熱敏電阻傳感器或者熱電阻傳感器等。溫度傳感器在數控機床中通過對溫度進行檢測，進而進行相應的過熱保護和溫度補償。

在數控機床的運行過程中，移動部件切削、電動機運轉等均會產生不同程度的溫度，并且這些熱量不易盡快發散，分部不均衡，很容易造成溫度上的差異，致使數控機床出現發熱變形的現象，在很大程度上給零件的加工精度帶來影響，為了避免由于以上現象的出現，在數控機床的一些易受溫度影響的部位安裝溫度傳感器，該設置能將溫度信號轉變成一種電信號傳達到數控系統中，從而進行一定的溫度補償。

除此之外，在電動機等一些設備或部件需要過熱保護的部位，應當安裝相應的溫度傳感器，從而進行一定的過熱保護。

6、刀具磨損監控和應用

刀具磨損在一定程度上會給工件的表面粗糙度及尺寸精度造成影響，所以，為了避免上述現象在數控機床中出現，有必要對刀具磨損進行相應的監控。當刀具出現磨損時，在機床主軸電動機上會出現荷載加大的現象，同時電動機的電壓及電流會隨之發生變化，電動機功率同樣也發生了變化，通過霍爾傳感器對功率變化進行檢測。當功率變化到數控系統出現報警、機車出現停止運行的現象時，應當立刻對刀具進行相應的調整或者替換。

以上幾種傳感器已在數控機床中進行了廣泛的運用，但是伴著數控機床以及傳感器的不斷更新和發展，部分傳感器已經被遭到淘汰，例如旋轉變壓器等這些傳感器，同樣，一些較新傳感器也在不斷的涌現出來，致使數控機床得以更新和完善。

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