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传感器在数控机床中的应用

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传感器在数控机床中的应用 由于高精度、高速度、高效率及安全可靠的特点,数控系统在装备制造业中 的应用越来越广泛,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、测量等最新技术,使用 了从位移、位置、速度、压力、温度以及刀具磨损监控等方面在数控机床控制系统中的传 感器。 位移监测传感器在数控机床中的应用 在数控机床上应用的传感器主要有光电编码器、直线光栅、接近开关、温度传感器、霍尔 传感器、电流传感器、电压传感器、压力传感器、液位传感器、旋转变压器、感应同步器、 速度传感器等,主要用来检测位置、直线位移和角位移、速度、压力、温度等。 数控机床对传感器的要求 数控机床中的传感器通常要满足下列条件: (1)可靠性高和抗干扰性强; (2)满足精度和速度的要求; (3)使用维护方便,适合机床运行环境; (4)成本低。 不同种类数控机床对传感器的要求也不尽相同,一般来说,大型机床要求速度响应高,中 型和高精度数控机床以要求精度为主。 位移的检测 位移检测的传感器主要有脉冲编码器、直线光栅、旋转变压器、感应同步器等。 1、脉冲编码器的应用 脉冲编码器是一种角位移(转速)传感器,它能够把机械转角变成电脉冲。脉冲编码器可 分为光电式、接触式和电磁式三种,其中,光电式应用比较多。 在图中,X 轴和 Z 轴端部分别配有光电编码器,用于角位移测量和数字测速,角位移通过 丝杠螺距能间接反映拖板或刀架的直线位移。 2、直线光栅的应用 直线光栅是利用光的透射和反射现象制作而成,常用于位移测量,分辨力较高,测量精度 比光电编码器高,适应于动态测量。 在进给驱动中,光栅尺固定在床身上,其产生的脉冲信号直接反映了拖板的实际位置。用 光栅检测工作台位置的伺服系统是全闭环控制系统。 3 、旋转变压器的应用旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函数关系的感应式微 电机。旋转变压器由定子和转子组成,具体来说,它由一个铁心、两个定子绕组和两个转 子绕组组成,其原、副绕组分别放置在定子、转子上,原、副绕组之间的电磁耦合程度与 转子的转角有关。 旋转变压器在同步随动系统及数字随动系统中可用于传递转角或电信号;在解算装置中可 作为函数的解算之用,故也称为解算器。 旋转变压器一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式。两极绕组旋转变压器的定子和转子 各有一对磁极,四极绕组则各有两对磁极,主要用于高精度的检测系统。除此之外,还有 多极式旋转变压器,用于高精度绝对式检测系统。 4、感应同步器的应用感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理 制成的。其功能是将角度或直线位移转变成感应电动势的相位或幅值,可用来测量直线或 转角位移。按其结构可分为直线式和旋转式两种。直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分 组成,定尺安装在机床床身上,滑尺安装于移动部件上,随工作台一起移动;旋转式感应 同步器定子为固定的圆盘,转子为转动的圆盘。感应同步器具有较高的精度与分辨力、抗 干扰能力强、使用寿命长、维护简单、长距离位移测量、工艺性好、成本较低等优点。直 线式感应同步器目前被广泛地应用于大位移静态与动态测量中,例如用于三坐标测量机、 程控数控机床、高精度重型机床及加工中心测量装置等。旋转式感应同步器则被广泛地用 于机床和仪器的转台以及各种回转伺服控制系统中。 位置的检测 位置传感器可用来检测位置,反映某种状态的开关,和位移传感器不同。位置传感器有接 触式和接近式两种。 1、 接触式传感器的应用 接触式传感器的触头由两个物体接触挤压而动作,常见的有行程开关、二维矩阵式位置传 感器等。行程开关结构简单、动作可靠、价格低廉。当某个物体在运动过程中,碰到行程 开关时,其内部触头会动作,从而完成控制,如在加工中心的 X、Y、Z 轴方向两端分别 装有行程开关,则可以控制移动范围。二维矩阵式位置传感器安装于机械手掌内侧,用于 检测自身与某个物体的接触位置。 2、 接近开关的应用 接近开关是指当物体与其接近到设定距离时就可以发出“动作”信号的开关,它无需和物 体直接接触。接近开关有很多种类,主要有自感式、差动变压器式、电涡流式、电容式、 干簧管、霍尔式等。 接近开关在数控机床上的应用主要是刀架选刀控制、工作台行程控制、油缸及汽缸活塞行 程控制等。 在刀架选刀控制中,如图所示,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。 速度的检测 速度传感器是一种将速度转变成电信号的传感器,既可以检测直线速度,也可以检测角速 度,常用的有测速发电机和脉冲编码器等。 测速发电机具有的特点是: (1)输出电压与转速严格成线性关系; (2)输出电压与转速比的斜率大。可分成交流和直流两类。 脉冲编码器在经过一个单位角位移时,便产生一个脉冲,配以定时器便可检测出角速度。 在数控机床中,速度传感器一般用于数控系统伺服单元的速度检测。 压力的检测 压力传感器是一种将压力转变成电信号的传感器。根据工作原理,可分为压电式传感器、 压阻式传感器和电容式传感器。 它是检测气体、液体、固体等所有物质间作用力能量的总称,也包括测量高于大气压的压 力计以及测量低于大气压的真空计。 电容式压力传感器的电容量是由电极面积和两个电极间的距离决定,因灵敏度高、温度稳 定性好、压力量程大等特点近来得到了迅速发展。在数控机床中,可用它对工件夹紧力进 行检测,当夹紧力小于设定值时,会导致工件松



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