数控机床控制系统中的传感器介绍

数控机床控制系统中的传感器介绍 摘要： 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的传感器。

1数控系统简介 数控系统也称为计算机数控系统（CNC）,是用计算机控制加工功能，实现数 值控制的系统。 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、主轴驱动装置和进给（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 替了传统的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，易于实现复杂的数控功能，使用、维护也方便，并具有与上位机连接及进 行远程通信的功能。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规 定的程序，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 ，本文介绍的是数控系统中各个 部分所用到的传感器。

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2、传感器简介 传感器是一种能承受规定的被测量，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的量（通常为电学量） 的装置。它是一种获得信息的重要手段，它所获得信息的正确与否，关系到整个 检测系统的精度，因而在非电量检测系统中占有重要地位。传感器的原理各种各 样，其种类十分繁多，分类标准不一样，叫法也不一样。常见的有电阻传感器、 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的传感器应满足以下一些要求： （1）传感器应该具 有比较高的可靠性和较强 的抗干扰性。 （2）传感器应该满足数控机床在加工 上的精度和速度的要求。（3）传感器在使用时应该具有维护方便、适合机床运行 环境的特点。（4）应用在数控机床上的传感器的成本应该相对较低。 不同种类的 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。

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设备支持层 3、位移检测传感器 数控系统中进行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。 3.1脉冲编码器 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，其 结构示意图如下：

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S—J I 7-評事 1 8" t⅛* 在下图中，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。 JtMHS

3.2直线光栅 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。 3.3旋转变压器 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，用 来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，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。

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图旋转变崔器结构 (宜)】一定子铁芯;2—转子铁芯定子绕组转子绕组 5一电刷—接线柱;7—滑环 (b) l-⅛子绕组沱一定子铁芯;3—转子14一外磁环；3—坏形 定子绕组止一环形转子绕组17—内磁环

旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置，适用于所有使用旋转编 码器的场合，特别是高温、严寒、潮湿、告诉、高震动等旋转编码器无法正常工 作的场合。由于旋转变压器以上特点，可完全替代光电编码器，被广泛应用在伺 服控制系统、机器人系统、机械工具、 汽车、电力、冶金、纺织、印刷、航空 航天、船舶、兵器、电子、冶金、矿山、油田、水利、化工、轻工、建筑等领域 的角度、位置检测系统中。也可用于坐标变换、三角运算和角度数据传输、作为 两相移相器用在角度--数字转换装置中。 3.4感应同步器 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。

4、位置检测传感器 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。 4.1接触式传感器 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，下图为滚轮旋转式行程开关 的结构介绍： 图1」9滚轮旋转式行程开关 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。 4.2接近开关 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。

揍逬开关摞理框EB 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，如下图所示，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。下图即为霍尔传感器原理图：

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5、速度检测传感器 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。其结构图如下： 空心坏榜子异步测速发电机摞理图 B轴子静止时b ⅛TK动时

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。

6、压力检测传感器 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，会导致工件松动，系统 发出报警，停止走刀。

压电式传感器是基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感 器。它的敏感元件由压电材料制成。在机床上它可用于检测车刀切削力的变化。

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