傳感器在機械制造中的應用

在機械制造中，傳感器技術是實現(xiàn)測試與自動控制的重要環(huán)節(jié)。在機械制造測試系統(tǒng)中，被作為一次儀表定位，其主要特征是能準確傳遞和檢測出某一形態(tài)的信息，并將其轉換成另一形態(tài)的信息。具體地說，傳感器是指那些對被測對象的某一確定的信息具有感受（或響應）與檢出功能，并使之按照一定規(guī)律轉換成與之對應的可輸出信號的元器件或裝置。如果沒有傳感器對被測的原始信息進行準確可靠的捕獲和轉換，一切準確的測試與控制都將無法實現(xiàn)；即使最現(xiàn)代化的電子計算機，沒有準確的信息（或轉換可靠的數(shù)據(jù)）、不失真的輸入，也將無法充分發(fā)揮其應有的作用。

在機械制造中的應用，高品質(zhì)傳感器的主要特性體現(xiàn)為：

*壽命長，可靠性高，抗干擾能力強；
*滿足精度和速度要求；
*使用維護方便，適合機床運行環(huán)境；
*成本低；
*便于與計算機聯(lián)接。

切削過程和機床運行過程的傳感技術

切削過程傳感檢測的目的在于優(yōu)化切削過程的生產(chǎn)率、制造成本或（金屬）材料的切除率等。切削過程傳感檢測的目標有切削過程的切削力及其變化、切削過程顫震、刀具與工件的接觸和切削時切屑的狀態(tài)及切削過程辨識等，而最重要的傳感參數(shù)有切削力、切削過程振動、切削過程聲發(fā)射、切削過程電機的功率等。

對于機床的運行來講，主要的傳感檢測目標有驅動系統(tǒng)、軸承與回轉系統(tǒng)、溫度的監(jiān)測與控制及安全性等，其傳感參數(shù)有機床的故障停機時間、被加工件的表面粗糙度和加工精度、功率、機床狀態(tài)與冷卻潤滑液的流量等。

圖1所示是采用聲波原理制成的粘度傳感器，用于實時在線檢測重要機床的冷卻潤滑液粘度，以確保加工品質(zhì)。聲波在介質(zhì)中傳播時，能量的衰減決定于聲波的擴散、散射和吸收。在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴散，即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。因此，當聲波通過不同粘度的冷卻潤滑液時，聲波能量的衰減就可以定性表示為粘度的直接變化。

圖1、粘度傳感器的工作狀況

圖2所示是用于檢測機床加工速度和位置的光電編碼傳感器，簡稱編碼器。它是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖3所示，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前機床傳動電動機的轉速。

圖2、光電編碼傳感器

圖3、光電編碼器原理

工件的過程傳感

與刀具和機床的過程監(jiān)視技術相比，工件的過程監(jiān)視是研究和應用得更早、更多。它們多數(shù)以工件加工質(zhì)量控制為目標。20世紀80年代以來，工件識別和工件安裝位姿監(jiān)視要求也提到日程上來。

粗略地講，工序識別是為辨識所執(zhí)行的加工工序是否是工（零）件加工要求的工序；工件識別是辨識送入機床待加工的工件或者毛坯是否是要求加工的工件或毛坯，同時還要求辨識工件安裝的位姿是否符合工藝規(guī)程要求。

此外 還可以利用工件識別和工件安裝監(jiān)視傳感待加工毛坯或工件的加工裕量和表面缺陷。完成這些識別與監(jiān)視將采用或開發(fā)許多傳感器，如基于TV或CCD的機器視覺傳感器、激光表面粗糙度傳感系統(tǒng)等。

圖4是美國AB公司的ColorSight_9000系列顏色傳感器，它具有自學習功能，能主動識別工件的顏色。顏色傳感器主要用來識別顏色，也就是用來判斷工件被檢測到的顏色與所期望的顏色是否一致。顏色傳感器可以大致知道所測顏色的色度等，但并不像分光器那樣可用于測量色度的絕對值。顏色傳感器的結構主要包括光電二極管與彩色濾光器。其工作原理是，通過彩色濾光器將所測得的顏色分解成RGB值，然后通過光電二極管分別檢測各色的強度。由于顏色傳感器具有顏色識別功能，所以設備廠商可以將其運用到各種各樣的應用中，包括機械制造行業(yè)。只要是與顏色相關的行業(yè)，都可以考慮使用顏色傳感器。對于設備商來說，這一情況也意味著他們擁有更多的機會。只要運用得當，就有可能生產(chǎn)出匪夷所思的產(chǎn)品。甚至，只需設備商的一個構想，顏色傳感器就有可能成為產(chǎn)品差異化的關鍵所在。

圖4、機床加工用的顏色傳感器

除了顏色傳感器外，視覺傳感器是應用較多的一種，圖5所示為機床加工應用中的視覺傳感器。

圖5、工作中的視覺傳感器

從原理上來說，視覺傳感器具有從一整幅圖像捕獲光線的數(shù)以千計的像素，其圖像的清晰和細膩程度通常用分辨率來衡量，以像素數(shù)量表示，比如Banner工程公司提供的部分視覺傳感器能夠捕獲130萬像素。因此，無論距離目標數(shù)米或數(shù)厘米遠，傳感器都能“看到”十分細膩的目標圖像。

在捕獲圖像之后，視覺傳感器將其與內(nèi)存中存儲的基準圖像進行比較，以做出分析。例如，若視覺傳感器被設定為辨別正確地插有八顆螺栓的機器部件，則傳感器知道應該拒收只有七顆螺栓的部件，或者螺栓未對準的部件。此外，無論該機器部件位于視場中的哪個位置，無論該部件是否在360度范圍內(nèi)旋轉，視覺傳感器都能做出判斷。

在機械制造中，復雜的視覺系統(tǒng)是一項成熟的技術，它可執(zhí)行細致的自動檢驗。與光電傳感器相比，視覺傳感器賦予機器設計者更大的靈活性。以往需要多個光電傳感器的應用，現(xiàn)在可以用一個視覺傳感器來檢驗多項特征。視覺傳感器能夠檢驗大得多的面積，并實現(xiàn)了機械制造中更佳的目標位置和方向靈活性，這使視覺傳感器在某些原先只有依靠光電傳感器才能解決的應用中受到廣泛歡迎。在傳統(tǒng)上，這些應用還需要昂貴的配件，以及能夠確保目標物體始終以同一位置和姿態(tài)出現(xiàn)的精確運動控制。

刀具或砂輪的檢測傳感

切削與磨削過程是重要的材料切除過程。刀具與砂輪磨損到一定限度（按磨鈍標準判定）或出現(xiàn)破損（破損、崩刃、燒傷、塑變或卷刀的總稱），使它們失去切磨削能力或無法保證加工精度和加工表面完整性時，稱為刀具/砂輪失效。工業(yè)統(tǒng)計證明，刀具失效是引起機床故障停機的首要因素，由其引起的停機時間占NC類機床的總停機時間的1/5至1/3。此外，它還可能引發(fā)設備或人身安全事故，甚至是重大事故。

以某刀具傳感器及其應用系統(tǒng)為例，切削加工過程中刀具所受的負載與很多因素有關，根據(jù)在線檢測的要求，僅考慮幾個較大的影響因素，即主軸轉速、進給速度、切削深度、加工材料的切削性能等多個因素，通過刀具負載的模型即可測算出該刀具的壽命及磨損程度。