数控机床中常用的传感器
4-1 数控机床常用传感器
Es = KUs sin(90o −θ ) = KUm sinα sin wt cosθ 感应电势： 感应电势： Ec = KUc sin(−θ ) = −KUm cosα cos wt sinθ
S1 Us C2 Uc S2
光电转换原理。 光电转换原理。
莫尔条纹
P— 栅距 W— 莫尔条纹宽度
3.莫尔条纹性质 3.莫尔条纹性质
i）平行光照射光栅时，莫尔条纹由亮带到暗带，再由暗带 平行光照射光栅时，莫尔条纹由亮带到暗带， 到亮带透过的光强度分布近似于余弦函数。 到亮带透过的光强度分布近似于余弦函数。 ii）放大作用： （Ｗ＝P/sinθ） ii）放大作用： （Ｗ＝P/sinθ P/sin iii）均化误差作用 iii）
五.光栅 光栅
位置检测装置． 位置检测装置．将机械位移或者模拟量转变为数字脉 反馈给数控装置，实现闭环控制． 冲，反馈给数控装置，实现闭环控制．
1.结构和种类 1.结构和种类
包括： 包括： 标尺光栅: 标尺光栅:固定在机床活动部件上 指示光栅: 指示光栅:安装在读数头内
光栅读数头示意图
2.原理 2.原理
1. 结构
利用互感原理工作
在结构上与二相线绕式异 步电动机相似， 步电动机相似，由定子和 转子组成。 转子组成。
间接测量角位移
2.基本工作原理 2.基本工作原理
Us
Us = Um sin ω t
S1
S2
U B = KU s sin θ = KU m sin θ sin ω t
θ B2
B1
Z
按工作方式分为鉴相式和鉴幅式
四. 绝对值编码器
传感器在数控机床中的应用
传感器在数控机床中的应用随着数控机床向高速、高精、高效的方向发展，对其加工误差的补偿就成了重要的研究内容。
传感器是数控机床与测控系统的接口，是感知、获取与检测信息的窗口。
文章主要介绍数控机床中常用的传感器及其工作过程。
标签：数控机床；位置传感器；力传感器；温度传感器Abstract：With the development of CNC machine tools in the direction of high speed，high precision and high efficiency，the compensation of machining error has become an important research content. Sensor is the interface between CNC machine tool and measurement and control system. It is the window to sense，obtain and detect information. This paper mainly introduces the sensors commonly used in CNC machine tools and their working process.Keywords：CNC machine tool；position sensor；force sensor；temperature sensor引言数控机床是高精度、高效率的自动化加工设备，传感器作为感知、获取信息的重要部件在机床中的地位是极其重要的。
特别是随着数控机床向智能化发展的今天，作为能够实时采集加工过程中的位移、加速度、振动、温度、噪声、切削力、转矩等制造数据的传感器就更为重要。
传感器的检测原理是：传感器将温度、压力位移等误差信号转变成电信号，经转换电路进行信号处理和放大传输到数控系统进行误差补偿。
数控机床位置检测与传感器件1位置传感器件主要分类1
第五部分数控机床位置检测与传感器件1.位置传感器件主要分类(1)直线和角位移传感器:a.直线位移传感器直线位移传感器用于测量工作台的位移，通常装在工作台侧面。
为了使传感器的热膨胀系数与机床床身的相同，要选择传感器的材料，否则会影响测量的准确性。
直线位移传感器还要避免油雾、冷却液和切屑等的污染。
b.角位移传感器是用来测量传动轴的角度位移的。
用角位移传感器测量直线位移时，要求它的测量值与工作台的直线位移有一定的对应关系，通常是将角位移传感器装在带动工作台移动的丝杠的端部。
位移传感器的输出只有两种形式，即模拟式或数字式；直线或角位移传感器也可能是绝对、半绝对或增量位移传感器。
(2)模拟式和数字式位移传感器:模拟传感器——传感器输出信号的强度产生连续的、逐渐的变化。
数字位移传感器——工作台位置变化时，位移传感器以电脉冲的形式产生一个数字式输出信号。
根据机床的最小设定单位，每移动相应的距离就产生一个脉冲。
(3)绝对、半绝对及增量位移传感器:绝对、增量传感器产生的信号，前者是一个绝对的位置数据.后者是相对于上一个位置的增最(相对)数据。
半绝对位移传感器大部分使用绝对角位移传感器测量丝杠的角位移，为了得到工作台的直线位移，需要采用一些附加的方法测定丝杠旋转的圈数。
2.精度的概念精度和分辨率是描述传感器件性能的重要指标。
传感器件的测量精度是其可以一致的、重复测出的最小单位；分辨率是指传感器件能辨别的一个物理量等分后的最小单位。
无论是直线位移传感器还是角位移传感器，精度都是指其测量工作台位移的精度，而不是传感器的分辨率。
另一方面，测量的精度并非工件的加工精度，工件的加工精度受很多因素的影响。
3.光栅位移检测装置光栅位移传感器基于莫尔条纹和光电效应将位移信号转变为电信号，有直线光栅和困光栅两种类型。
光栅位移检测装置的测量精度高，在大量程测长方面其精度仅低于激光式的测量精度；而对要求整困范围内高分辨率的困分度测量来说，光栅式测量装置是精度最高的一种。
数控机床控制系统中的传感器介绍
数控机床控制系统中得传感器介绍摘要：由于高精度、高速度、高效率及安全可靠得特点，数控系统在装备制造业中得应用越来越广泛,数控机床就是一种装有程序控制系统得自动化机床，能够根据已编好得程序，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,使用了多种传感器，本文从位移、位置、速度、压力、温度以及刀具磨损监控等方面论述了在数控机床控制系统中用到得传感器。
１、数控系统简介数控系统也称为计算机数控系统（CNC),就是用计算机控制加工功能,实现数值控制得系统。
数控系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控装置（ＣＮＣ装置）、可编程逻辑控制器、主轴驱动装置与进给(伺服)驱动装置（包括检测装置）等组成。
由于使用了计算机,系统具有了软件功能，又用PLC代替了传统得机床电器逻辑控制装置,使系统更小巧，其灵活性、通用性、可靠性更好,易于实现复杂得数控功能,使用、维护也方便,并具有与上位机连接及进行远程通信得功能.该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其她符号指令规定得程序，并将其译码,从而使机床动作并加工零件。
它综合了机械、自动化、计算机、测量、等新技术，使用了多种传感器 ,本文介绍得就是数控系统中各个部分所用到得传感器。
2、传感器简介传感器就是一种能承受规定得被测量,能够把被测量（如物理量、化学量、生物量等)变换为另一种与之有确定对应关系并且容易测量得量（通常为电学量)得装置。
它就是一种获得信息得重要手段，它所获得信息得正确与否,关系到整个检测系统得精度，因而在非电量检测系统中占有重要地位。
传感器得原理各种各样,其种类十分繁多，分类标准不一样,叫法也不一样.常见得有电阻传感器、电感式传感器、电容式传感器、温度传感器等.作为应用在数控系统中得传感器应满足以下一些要求:(1）传感器应该具有比较高得可靠性与较强得抗干扰性.（２）传感器应该满足数控机床在加工上得精度与速度得要求。
(3）传感器在使用时应该具有维护方便、适合机床运行环境得特点。
习题答案：
第1章 传感器基础知识1．什么是传感器传感器由哪些部分组成传感器：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。
传感器一般由敏感元件、传感元件、测量转换电路等部分组成。
2．传感器是如何分类的最常用的分类方法有两种：一种是按被测物理量来分；另一种是按传感器的工作原理来分。
按被测物理量划分的传感器常见的有以下几种：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。
按工作原理划分的传感器主要有以下几种：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、光电式传感器、压电式传感器、光栅传感器、磁栅传感器、电化学式传感器。
3．传感器的主要静态特性有哪些传感器静态特性的主要技术指标有：灵敏度、线性度、迟滞、重复性等。
4．从哪些方面可以理解传感器在数控机床中的用途1、监视重要点的温度，如轴温度、压力油温度、润滑油温度、冷却空气的温度、电动机绕组温度等。
2、测量位置，如刀具、工件的位置等。
3、测量力和加速度，如工件的夹紧力等。
4、测量机械位移、角位移，如转轴转角、工件和刀具的位移等。
5．什么是电阻式传感器有哪几种类型电阻式传感器：能将被测的非电量（如位移、应变、温度、湿度等）的变化转换成导电材料电阻的变化的装置。
常用的几种类型：电阻应变式传感器、电位器传感器、热敏电阻传感器、气敏电阻传感器、光敏电阻传感器、磁敏电阻传感器等。
6．什么是电容式传感器分哪几类简述其工作原理。
电容式传感器：以各种类型的电容器作为敏感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化，再由转换电路（测量电路）转换为电压、电流或频率，以达到检测目的的传感器。
电容式传感器有三种类型：变面积式、变极距式、变介电常数式。
机床常用电器介绍及选用(六)-电源开关、传感器及辅助器件
机床常用电器介绍及选用（六）——电源开关、传感器及辅助安装器件本节简单介绍前面没有提到的其它常用低压电器，与前述六类低压电器相比，这些器件或者比较简单，或者使用量较少。
一、电源开关如各类刀闸开关、旋转电源开关等用于投送和分断电源的设备。
（一）刀闸开关刀闸开关是主要的电源开关之一，在空气开关被普遍使用前，这类开关很普及。
现在除非在工地做临时电源使用，工业及民用都逐步为空气开关代替。
它主要是用于切断和接通电源，本身没有保护功能，要和熔断器结合使用。
刀闸开关按电源相数分类，有两相、三相之分。
图1-64：刀闸开关（二）旋转电源开关扭把开关操作机构是旋转式的，作用也是进行电源的通断操作。
这种开关多用于操作机床电源，特别是万能设备上比较多地使用。
它本身也没有保护功能，要和熔断器结合使用。
图1-65：扭把开关（三）空气开关即前面提到的空气开关，但作为机床主电源，一般电流都比较大（如几百安培）。
空气开关作为机床电源时，一般要增加在柜门外操作的连杆机构，以在不开启柜门的情况下进行送、断电作业。
空气开关的优点是，本身既具备通断能力，又具有保护能力。
目前机床上大部分电源开关已经被空气开关取代。
工厂作为电源开关的品种还有一些，如油开关、隔离开关等，但这些主要用于电力系统，操作几百、上千安培的大电流。
二、传感器与仪表设备电器还有传感器与仪表等，其原理比较复杂，是一门专业课程，此处不做详述。
（一）传感器传感器的使用比较复杂，由于是模拟器件，具体设计时要查询产品手册的特性表及特性曲线。
工厂里常用的传感器有：1、温度传感器常用铂电阻（Pt100）、热电偶两种。
铂电阻可以测量低温，如液氮；一般标称值为100欧姆。
热电偶则测量高温更合适，如烘干炉等。
具体使用方法及特性不在这里讨论，设计时，可以参考产品手册。
图1-66：铂电阻图1-67：热电偶2、液位传感器模拟的液位传感器大多数是电容式的，通过测量传感器电容的变化来测量液体位置。
其外形和前面提到的液位开关类似。
机床数控技术--习题答案—第6章数控伺服系统
第5章 位置检测装置习题及答案1.伺服系统中常用的位置检测装置有几种？各有什么特点？答：伺服系统中常用的位置检测装置有：旋转变压器、感应同步器、脉冲编码器和光栅，各检测装置的特点如下：旋转变压器：又称同步分解器，是利用电磁感应原理的一种模拟式测角器件，是一种旋转式的小型交流电动机，在结构上和二相绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成，分有刷和无刷两种。
其特点是坚固、耐热、耐冲击、抗干扰、成本低，是数控系统中较为常用的位置传感器；感应同步器：感应同步器是从旋转变压器发展而来的直线式感应器，相当于一个展开的多级旋转变压器。
踏实利用滑尺上的励磁绕组和定尺上的感应绕组之间相对位置的变化而产生电磁耦合的变化，从而发出相应的位置信号来实现位移检测的，其特点为：精度高，工作可靠，抗干扰能力强，维修简单、寿命长，测量距离长，工艺好、成本低、便于成批生产；脉冲编码器：脉冲编码器分为光电式、接触式和电磁感应式三种。
数控机床主要使用光电式脉冲编码器。
光电式脉冲编码器按编码方式又分为绝对值式和增量式两种，常用的为增量式脉冲编码器，其优点是结构简单、成本低、使用方便，缺点是有可能由于噪声或其它外界的干扰产生计数误差，若因停电、刀具破损而停机，事故排除后不能再找到事故发生前执行部件的正确位置；光栅：在高精度数控机床和数显系统中，常使用光栅作为位置检测装置。
它是将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈给CNC或数显装置来实现闭环控制的。
计量光栅分为圆光栅和长光栅两种。
圆光栅用于测量转角位移，长光栅用于测量直线位移，由于激光技术的发展，光栅制作的精度有了很大的提高，现在光栅精度可以达到微米级甚至亚微米级。
2. 旋转变压器由哪些部分组成？其检测的基本原理如何？答：旋转变压器又称同步分解器，是利用电磁感应原理的一种模拟式测角器件，是一种旋转式的小型交流电动机，在结构上和二相绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成，分有刷和无刷两种，结构如下图所示：有刷式旋转变压器的结构无刷式旋转变压器结构示意图1-转轴 ; 2-轴承 ; 3-机壳; 4-转子铁心; 5-定子铁心6-端盖 ; 7-电刷 ;8-集电环旋转变压器是根据互感原理工作的。
数字式位置传感器
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8
作业 p201:3、5
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休息一下
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10
第二节 数字式角编码器
（参考德国沃申道夫公司资料）
= 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察” 莫尔条纹光强的变化。
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光栅的输出信号（TTL）
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余弦信号 （超前）
正弦信号
零位信号
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光栅输出信号（电压正弦波）
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余弦信号 细分点 正弦信号 零位信号
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光栅细分举例
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细 分数为4细分，则：
分辨力 =W /4 =（1mm/50）/4
=0.005mm=5m
采用细分技术，在不增加光栅刻线数 （成本）的情况下，将分辨力提高了3倍。
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辨向电路及波形
如果传感器只安装一套光电元件，则 在实际应用中，无论光栅作正向移动还是 反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信 号，无法分辨位移的方向。
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编码器的安装方式
1.编码器 的套式安装
安装套
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2.编码器的轴式安装
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安装轴
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编码器在定位加工中的应用
1—绝对式编码器 2—电动机 3—转轴 4—转盘 5—工件
6—刀具
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2. 4 感应同步器
感应同步器的概念和结构 感应同步器的工作原理 感应同步器的信号处理方式 感应同步器在数控机床中的应用 感应同步器的安装要求
2. 5 光栅位移传感器
光栅位移传感器的概念和结构 直线型透射光栅位移传感器的工作原理 细分和辨向技术 光栅位移传感器在数控机床中的应用 光栅位移传感器来自安装要求霍尔元件的主要特性
（1）输入电阻Ri和输出电阻Ro （2）额定控制电流IM
（3）灵敏度KH （4）最大磁感应强度BM
（5）不等位电势 （6）霍尔电势的温度系数
霍尔传感器在数控机床上的应用
应用实例一 : 数控车床电动刀架上的应用
应用实例二 : 数控铣床或加工中心主轴准停装置
2. 3 旋转变压器
第二章 数控机床中常用的传感器
旋转编码器 霍尔传感器 旋转变压器 感应同步器 光栅位移传感器 磁栅位移传感器
2. 1 旋转编码器
接触式码盘 光电式编码器
光电式编码器的结构 光电式编码器的工作原理
电磁式编码器
2. 2 霍尔传感器
霍尔元件的结构及工作原理 霍尔元件的主要特性 霍尔传感器 霍尔传感器在数控机床上的应用
2. 6 磁栅位移传感器
直线型磁栅位移传感器的组成和结构 直线型磁栅位移传感器的工作原理 直线型磁栅位移传感器的安装要求