傳感器在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用

由于高精度、高速度、高效率及安全可靠的特點，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)的自動化機(jī)床，能夠根據(jù)已編好的程序，使機(jī)床動作并加工零件。它綜合了機(jī)械、自動化、計算機(jī)、測量、微電子等最新技術(shù)，使用了多種傳感器。

傳感器

傳感器（sensor;measuring element;transducer）：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)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(xué)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(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)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(guī)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(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。

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(xué)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(yīng)。

②化學(xué)類，基于化學(xué)反應(yīng)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(jù)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(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床中的傳感器的基本要求

1）傳感器具有較強(qiáng)的抗干擾性和較高的可靠性；

2）傳感器要達(dá)到速度及精度方面的標(biāo)準(zhǔn)和要求；

3）傳感器的使用和維護(hù)工作較為方便；

4）傳感器的成本較低。

不同類型的數(shù)控機(jī)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(shù)控機(jī)床對傳感器的要求著重體現(xiàn)在精度上，而大型數(shù)控機(jī)床對傳感器的要求主要體現(xiàn)在速度響應(yīng)度上。

1、位移檢測的應(yīng)用 

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

1）直線光柵的一些應(yīng)用

直線光柵是通過對光的反射、投射現(xiàn)象進(jìn)行運(yùn)用而制成的，通常被運(yùn)用在位移的檢測上，其辨認(rèn)能力較高，檢測準(zhǔn)確度高于光編碼器，在動態(tài)測量中被廣泛的運(yùn)用。

在進(jìn)給驅(qū)動過程中，在床身上對光柵進(jìn)行固定。拖板移動的實際位移在直線光柵所產(chǎn)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(jìn)行檢測的伺服系統(tǒng)是一個全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2）脈沖編碼器的一些應(yīng)用

脈沖編碼器是一種轉(zhuǎn)速傳感器或是角位移傳感器，此傳感器可以將機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)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(yùn)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(yùn)用于對數(shù)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(jìn)行間接性的反映。

3）旋轉(zhuǎn)變壓器的一些應(yīng)用

旋轉(zhuǎn)變壓器就是感應(yīng)式微電機(jī)，在該旋轉(zhuǎn)變壓器中，其角位移量與輸出電壓之間是一種連續(xù)函數(shù)的關(guān)系。轉(zhuǎn)子與定子共同構(gòu)成旋轉(zhuǎn)變壓器，詳細(xì)來講，旋轉(zhuǎn)變壓器由兩個轉(zhuǎn)子繞組、一個鐵心以及兩個定子繞組構(gòu)成，在轉(zhuǎn)子及定子上各自放置著旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角存在一定的關(guān)系。

2、位置檢測的應(yīng)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(yīng)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(jìn)行相應(yīng)的工作，經(jīng)常見到的有行程開關(guān)以及二維矩陣式位置傳感器等等。行程開關(guān)的構(gòu)架比較簡單、成本廉價且運(yùn)行動作可靠。如果一個物體在運(yùn)行中碰到行程開關(guān)時，行程開關(guān)的內(nèi)部觸頭將產(chǎn)生動作，進(jìn)而實現(xiàn)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(guān)，那么該行程開關(guān)將對移動范圍進(jìn)行了控制。在機(jī)械手掌的內(nèi)側(cè)對二維矩陣式位置傳感器進(jìn)行相應(yīng)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(jìn)行檢測。

2）接近開關(guān)的應(yīng)用

所謂接近開關(guān)，指某種物體和接近開關(guān)相距事先設(shè)定的距離時，能發(fā)出“動作”信號的一種開關(guān)，接近開關(guān)與物體之間沒有必要直接接觸。接近開關(guān)主要有霍爾式、自感式以及電容式等。在數(shù)控機(jī)床中，接近開關(guān)著重運(yùn)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(guān)SQ4～SQ1相對應(yīng)，組成四位二進(jìn)制編碼，每一個編碼對應(yīng)一個刀位，如0110對應(yīng)6號刀位；接近開關(guān)SQ5用于奇偶校驗，以減少出錯。刀架每轉(zhuǎn)過一個刀位，就發(fā)出一個信號，該信號與數(shù)控系統(tǒng)的刀位指令進(jìn)行比較，當(dāng)?shù)都艿牡段恍盘柵c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(xiàn)象制成的傳感器。將鍺等半導(dǎo)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(xiàn)電位差，這就是霍爾現(xiàn)象。將小磁體固定在運(yùn)動部件上，當(dāng)部件靠近霍爾元件時，便產(chǎn)生霍爾現(xiàn)象，從而判斷物體是否到位。

3、速度檢測的應(yīng)用

速度傳感器就是把速度轉(zhuǎn)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(jìn)行檢測，另一方面也能對角速度進(jìn)行檢測，在數(shù)控機(jī)床中常見的有脈沖編碼器以及測速發(fā)電機(jī)等。

脈沖編碼器每經(jīng)過一個單位角位移就產(chǎn)生一個脈沖，同時和定時器相互配合對角速度進(jìn)行檢測。測速發(fā)電機(jī)有直流、交流測速發(fā)電機(jī)兩種；測速發(fā)電機(jī)具有以下兩個特點，其一、測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出電壓之比的斜率較大；其二、測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出電壓之間成線性關(guān)系。

通常情況下，速度傳感器在數(shù)控機(jī)床中主要運(yùn)用在對數(shù)控系統(tǒng)伺服單元的速度檢測上。

4、壓力檢測的應(yīng)用

壓力傳感器就是把壓力轉(zhuǎn)化成電信號的一種傳感器。依據(jù)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(zhì)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(wěn)定性能好、靈敏度較高等，在數(shù)控機(jī)床中得到了廣泛的運(yùn)用。

壓力傳感器在數(shù)控機(jī)床中可對工件夾緊進(jìn)行相應(yīng)的檢測，如果設(shè)定值大于夾緊力時，將出現(xiàn)被夾工件松動的現(xiàn)象，同時，系統(tǒng)出現(xiàn)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(jìn)行相應(yīng)的檢測。

5、溫度檢測和應(yīng)用

溫度傳感器就是將溫度高低轉(zhuǎn)化成另外一種信號、電阻值大小的設(shè)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(shù)控機(jī)床中通過對溫度進(jìn)行檢測，進(jìn)而進(jìn)行相應(yīng)的過熱保護(hù)和溫度補(bǔ)償。

在數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行過程中，移動部件切削、電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等均會產(chǎn)生不同程度的溫度，并且這些熱量不易盡快發(fā)散，分部不均衡，很容易造成溫度上的差異，致使數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)發(fā)熱變形的現(xiàn)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(xiàn)象的出現(xiàn)，在數(shù)控機(jī)床的一些易受溫度影響的部位安裝溫度傳感器，該設(shè)置能將溫度信號轉(zhuǎn)變成一種電信號傳達(dá)到數(shù)控系統(tǒng)中，從而進(jìn)行一定的溫度補(bǔ)償。

除此之外，在電動機(jī)等一些設(shè)備或部件需要過熱保護(hù)的部位，應(yīng)當(dāng)安裝相應(yīng)的溫度傳感器，從而進(jìn)行一定的過熱保護(hù)。

6、刀具磨損監(jiān)控和應(yīng)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(xiàn)象在數(shù)控機(jī)床中出現(xiàn)，有必要對刀具磨損進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)控。當(dāng)?shù)毒叱霈F(xiàn)磨損時，在機(jī)床主軸電動機(jī)上會出現(xiàn)荷載加大的現(xiàn)象，同時電動機(jī)的電壓及電流會隨之發(fā)生變化，電動機(jī)功率同樣也發(fā)生了變化，通過霍爾傳感器對功率變化進(jìn)行檢測。當(dāng)功率變化到數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)報警、機(jī)車出現(xiàn)停止運(yùn)行的現(xiàn)象時，應(yīng)當(dāng)立刻對刀具進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整或者替換。

以上幾種傳感器已在數(shù)控機(jī)床中進(jìn)行了廣泛的運(yùn)用，但是伴著數(shù)控機(jī)床以及傳感器的不斷更新和發(fā)展，部分傳感器已經(jīng)被遭到淘汰，例如旋轉(zhuǎn)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(xiàn)出來，致使數(shù)控機(jī)床得以更新和完善。