CNC數控係統上的傳感器

由於高（gāo）精度、高速度、高效率及（jí）安全可（kě）靠的特（tè）點，數控係統在裝備製造業（yè）中的應用越來越廣泛，數（shù）控機床（chuáng）是一種裝有程序控製係統的自動化機床，能夠（gòu）根據已（yǐ）編好的程（chéng）序，使機床動作並加（jiā）工零件。它綜合了機械、自動化、計算機、測（cè）量等（děng）最新技術，使用了（le）從位移、位置、速度、壓力、溫度以及刀具磨損監控等方麵在數控機床控製係統中的（de）傳感器。

位移監測傳感器（qì）在數控機床中（zhōng）的應用

在數控機床上應用的傳感器主要有光電編碼（mǎ）器、直線光柵、接近開關、溫度傳感器、霍爾（ěr）傳感器、電流傳感器（qì）、電壓傳感器、壓力傳感器、液位傳（chuán）感器、旋轉變壓器、感應（yīng）同步器、速度傳感器等,主（zhǔ）要用來檢測位置、直線位移和角位移、速度、壓力、溫度等。

數（shù）控機床對傳感（gǎn）器的要求

數控機床中的傳感器通常要滿足下列條件：

    （1）可靠性高和抗幹擾性強；

    （2）滿足精度和速度的要（yào）求；

    （3）使用（yòng）維（wéi）護方便，適合機床運行環境；

    （4）成本低。

不同種類數控（kòng）機床對傳感（gǎn）器的要求（qiú）也不盡相同，一般來說，大型機床要求速度響（xiǎng）應高，中型（xíng）和高精度數控（kòng）機床以要求精度為主。

位移的檢（jiǎn）測

位（wèi）移檢（jiǎn）測的傳感器主要有脈衝編碼器、直線光柵、旋轉變壓器、感應同（tóng）步器等。

1、脈衝編碼器的應用

脈衝編碼器是一種角位移（轉速（sù））傳（chuán）感器，它能夠把機械轉角變成電脈衝。脈（mò）衝編碼器可分為光電式、接觸式（shì）和電磁式三種，其中，光電式（shì）應用（yòng）比較多（duō）。

在圖中，X軸（zhóu）和Z軸端部分（fèn）別配（pèi）有光電編碼器，用於（yú）角位移測量和數字測速，角位移（yí）通過絲杠（gàng）螺距能間接反映拖板或刀架的（de）直線位移。

2、直線（xiàn）光柵的應（yīng）用

直線光柵是（shì）利用光的透射和反射現象製作而成，常用於位移測量，分辨力較高，測量精度比光電編碼器高，適應於動態測（cè）量。

在進給驅動中，光柵尺固定在床身上，其（qí）產生的脈衝信號（hào）直接反映了拖板的實際位置。用光柵檢（jiǎn）測工作台位置的伺服係統是全閉環控製係統。

3 、旋轉變壓器的應用（yòng）

旋轉變壓器是一種輸出電壓與角位移量成（chéng）連續函數關係的感應式微電機。旋轉變壓器由定子和轉子組成，具體來說，它由一個鐵心、兩個定子繞（rào）組（zǔ）和兩個轉子繞（rào）組組（zǔ）成，其（qí）原、副繞組分別放置在定子（zǐ）、轉（zhuǎn）子上，原、副繞組之間的電磁耦合程度與轉子的轉角有關。

旋轉變壓器在同步隨動係統及數字隨動係統中可（kě）用於傳遞轉角或電信號（hào）；在解算（suàn）裝置中可作為函數的（de）解算之用，故也（yě）稱為解算器。

旋轉變壓器一般有兩極繞組和（hé）四極繞組兩種結構形式。兩極繞組旋轉變壓器的定子和轉子各有一對磁極，四極繞組則各有兩對（duì）磁極，主要用於（yú）高精度的（de）檢測係統。除此之外，還有多（duō）極式旋轉變壓器，用於高精度絕對式檢測係統（tǒng）。

4、感應同步器的（de）應（yīng）用

感應同步器是利用兩個平麵形繞組的互感隨位置不同而變化的原（yuán）理製成（chéng）的。其功（gōng）能是將角度或直線位移轉變（biàn）成感應（yīng）電動勢（shì）的（de）相位或幅值，可用來測量直（zhí）線或轉角位移。按其結構可（kě）分為直線式和旋轉式兩種。直（zhí）線（xiàn）式感應同步器由定（dìng）尺和滑尺兩部分（fèn）組成，定尺安裝在機床床身上，滑尺安裝於移動部件上，隨工作台一起移動；旋轉（zhuǎn）式感應同步器定（dìng）子為固定的圓盤，轉子為轉動的圓盤（pán）。感應（yīng）同步器具有較高的精度與分（fèn）辨力、抗幹擾能力強、使用壽命長、維護簡單、長距離位移測量、工藝性好、成本較低（dī）等優點。直線式感應（yīng）同（tóng）步器目前被廣（guǎng）泛地應用於大位移靜態與動態（tài）測量中，例如用於三坐標測量機（jī）、程控（kòng）數控機床、高精度重型機床及加工中心測量裝置等。旋轉式感應同步器則被廣泛地用於機床和儀器（qì）的轉台以及各種（zhǒng）回轉伺服控（kòng）製（zhì）係統中。

位置的檢測

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

1、 接觸式（shì）傳感器的應用

接觸式傳感器的觸（chù）頭由（yóu）兩個（gè）物體接觸擠壓而動作，常見的（de）有（yǒu）行程開關、二維矩陣式位置傳感器等。行程開（kāi）關結構簡單、動作可（kě）靠（kào）、價格低廉。當某（mǒu）個物體在運動過程中，碰到行程開關時（shí），其內部觸頭（tóu）會動作，從而完成控製，如（rú）在加工中心的X、Y、Z軸方向兩端分別裝有行程開關，則可以控製移動範圍。二維矩陣式位置（zhì）傳感（gǎn）器安（ān）裝於機（jī）械手掌（zhǎng）內側，用於檢測自身與某個物體的接觸位（wèi）置。

2、 接近開關的應用

接（jiē）近開關（guān）是（shì）指（zhǐ）當物體與其接近到設定距離時就可以發出“動作”信號的開關，它（tā）無需和物體（tǐ）直接接觸（chù）。接近開關有很多種類，主要有自感（gǎn）式、差動變（biàn）壓（yā）器式、電渦流式、電容式、幹簧管、霍爾式等（děng）。

接（jiē）近開關在數控機床上的應用主要是刀（dāo）架選刀控製、工作台（tái）行程控製、油缸及汽缸活塞行程控製等。

在刀架選刀控製中，如圖所示，從左至右的四個凸輪與接近開關SQ4～SQ1相對應（yīng），組成四位二進（jìn）製編（biān）碼（mǎ），每一（yī）個編（biān）碼對應一個刀位，如（rú）0110對應6號刀位；接近開（kāi）關SQ5用於奇（qí）偶校驗，以減少出錯。刀架每轉過一個刀位，就發出一（yī）個信號，該信號與數控係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（ěr）傳感器是（shì）利用霍爾現象製成的傳感器。將（jiāng）鍺等半導體置於磁（cí）場（chǎng）中，在一個方向通以電流時，則在垂直的方向（xiàng）上會出（chū）現電位差，這（zhè）就是霍（huò）爾現象。將小磁體固（gù）定在運（yùn）動（dòng）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（tǐ）是否到位。

速度的檢測

速度傳感器是一種將速度轉變成電信號的（de）傳感器，既可以檢測直線速度，也（yě）可以檢（jiǎn）測角速度，常用的有測速發電機和脈衝編碼器等。

測速發電機具（jù）有的特點是：

（1）輸出電壓與轉（zhuǎn）速嚴格成線性關係；

（2）輸出電壓與轉（zhuǎn）速比的斜率大。可分成交流和直（zhí）流兩類。

脈衝編（biān）碼器在經過（guò）一個單位角位移時（shí），便產生一個脈衝，配（pèi）以定時（shí）器便可檢測出角速度。

在數控機床中，速度傳感器一般用於數控係統伺服單（dān）元的速度檢測。

壓力的（de）檢測

壓力傳感器是一種將壓力轉變成電信（xìn）號的傳感器。根據工作原理，可分為壓電式傳感器、壓阻式（shì）傳感器和電容式傳感器。

它是檢測氣（qì）體、液體、固體等所有物質間作用力能量的總稱，也（yě）包括測量高於大氣壓的壓力計以及測量低於大氣壓的真空計。

電容式壓力傳感器的電容量是由電（diàn）極麵積和兩（liǎng）個電極間的距離決定，因（yīn）靈敏度（dù）高、溫度穩定性好、壓力量程大等特點近（jìn）來得到了迅（xùn）速發展。在數控機床中，可用它（tā）對工件夾（jiá）緊力進（jìn）行檢測，當夾（jiá）緊力小於設定值時，會導致工件鬆動，係統發出報警，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，它還在潤滑係統、液（yè）壓係統、氣壓係（xì）統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於設（shè）定值時，其觸點會動作，將故障信號送給數控係統。

溫度的檢測（cè）

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

在（zài）加工過程中，電（diàn）動機的旋（xuán）轉、移動部件的移（yí）動、切削等都會產（chǎn）生熱量，且溫度分布不均勻，造成溫差，使數控機（jī）床（chuáng）產生（shēng）熱變形，影響零件加工（gōng）精度，為了避免溫度（dù）產生的影響，可（kě）在數控機床上某些部位（wèi）裝（zhuāng）設溫度傳感器（qì），感（gǎn）受溫度（dù）信號並轉換（huàn）成電信號送給數控係（xì）統，進行溫（wēn）度補償。

此外，在電動機等需要過（guò）熱保護的地方，應埋設溫度傳（chuán）感（gǎn）器，過（guò）熱時通過數控係統（tǒng）進行過熱報警。

刀具（jù）磨損的監控

刀具磨損到一定程（chéng）度會（huì）影（yǐng）響到工件的尺寸精（jīng）度和表麵粗糙度，因此，對刀具磨損要進行監控。當刀具磨損時，機床主（zhǔ）軸電動機負荷增大（dà），電動機的電流和（hé）電壓（yā）也會變化，功率隨之改（gǎi）變（biàn），功率變化（huà）可通過霍爾傳感器檢測。功率變化（huà）到一定程度，數控係（xì）統發出報警（jǐng）信號，機車停止運轉，此時，應及時進行刀具調整（zhěng）或更換。

隨著傳感（gǎn）器（qì）和（hé）數控機床的發展，有些傳感器將被淘（táo）汰，如（rú）旋（xuán）轉變壓器等，而新（xīn）的傳感器將不斷出現，會使數控機床更加完善，自適應更強。