开关量传感器在数控机床中的应用

2014-07-20谭立岗

机械工程与自动化 2014年4期

谭立岗

（中国北车集团大同电力机车有限责任公司，山西大同 037038）

1 数控机床中应用的开关量传感器种类

数控系统作为数控机床的大脑和中枢，通常由人机界面、数字控制以及机床逻辑控制（PLC）这三个功能部件构成。而开关量传感器又是机床逻辑控制的组成部分，作为输入信号传输给PLC，通过PLC程序实现机床的逻辑控制，如主轴的换档控制、液压系统控制、冷却润滑系统控制、自动换刀控制等。在数控机床中主要应用的开关量传感器有行程传感器、压力传感器和温度传感器。

1.1 行程传感器的应用

行程传感器是一种由物体的位移来决定电路通断的开关，又叫行程开关，可以安装在相对静止或运动的物体上。当动物或静物接近或接触开关时，开关动作，改变原有状态。行程传感器在数控机床中的应用主要有接触式和接近式两种。

接触式行程传感器有直动式和滚轮式两种，其工作原理都是通过动物或静物接触传感器的触头，使常开常闭触点动作。接触式行程传感器价格较低，但体积较大，主要应用在数控机床安装较方便的地方，如各轴的参考点及超程限位、电气柜和安全栏的门开关等。图1 为接触式行程传感器在数控加工中心参考点和超程检测功能中的应用。

接触式行程传感器在数控机床使用过程中，由于其结构原因，可能出现触点卡死、进水短路和触点腐蚀等故障。

接近式行程传感器又叫接近开关，是利用传感器对接近物体的敏感特性来达到控制开关通或断的目的，常见的接近开关有涡流式、电容式、霍尔式、光电式4种。涡流式接近开关也叫电感式接近开关，它是利用导电物体在接近这个能产生电磁场的接近开关时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化，由此识别出有无导电物体接近，进而控制开关的通或断。该接近开关所能检测的物体必须是导电体。电容式接近开关的测量通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳。该外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体，由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。该接近开关检测的对象不仅限于导体，也可以是绝缘的液体或粉状物等。霍尔式接近开关是利用霍尔元件做成的开关。霍尔元件是一种磁敏元件，当磁性物体移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近存在磁性物体，进而控制开关的通或断，这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。光电式接近开关是利用光电效应做成的开关。将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个检测头内，当有反光面（被检测物体）接近时，光电器件接收到反射光后便有信号输出，由此便可“感知”有物体接近。

接近开关有两线、三线之分，三线制的有PNP、NPN两种接法，分别对应相应的PLC输入点。接线时可以根据线的颜色区分，棕色或者红色接电源正极，蓝色接电源负极，黑色接输入信号。常用的接近开关可分为4类：NPN-NO、NPN-NC、PNP-NO 与 PNPNC（三条引线，电源线L＋与L－，信号输出线）。NPN是指当有触发信号时，信号输出线动作于L＋这条高电平的电源线。对于NO型，在没有触发信号时，输出线是悬空的，有触发时则发出与L＋电源线相同的电平（实际是这两条线连通了）。对于NC型，在没有触发信号时，信号输出线与L＋电源线是连通的（同电平），当有触发信号后，输出线就悬空了（相当于与L＋电源线断开了）。对于PNP型传感器来说，信号输出线是作用于L－这条低电平的电源线的，其中NO和NC型的原理与上述一致。

接近开关由于体积小、防水、耐腐蚀、安装灵活等特点，在数控机床中应用最多，如在自动换刀系统、主轴换档、自动工作台交换、冷却润滑循环系统等结构较紧凑部件中。图2 为涡流式接近开关在数控加工中心自动换刀系统中的应用。

图1 接触式行程传感器在数控加工中心的应用

图2 涡流式接近开关在数控加工中心中的应用

接近开关在数控机床使用过程中，安装在动的部件上时，由于震动等原因容易出现松动撞毁开关，偶尔也出现内部触点故障需要更换开关。

1.2 压力传感器的应用

开关量压力传感器又叫压力开关，其工作原理是：当系统内压力高于或低于额定的安全压力时，感应器内碟片瞬时发生移动，通过连接导杆推动开关接头接通或断开；当压力降或升至额定的恢复值时，碟片复位，开关自动复位。或者简单地说是当被测压力超过额定值时，弹性元件的自由端产生位移，直接或经过比较后推动开关元件，改变开关元件的通断状态，达到控制被测压力的目的。压力开关采用的弹性元件有单圈弹簧管、膜片、膜盒及波纹管等。

压力开关主要应用在数控机床的液压和风压系统中，起监测保护作用，以保证数控机床各液压或风压移动部件正常运行。对用蓄能器起平衡作用的数控机床，为了监测蓄能器内的压力，用压力开关检测以保障平衡状态。图3 为压力开关在数控加工中心液压系统中的应用。

1.3 温度传感器的应用

开关量温度传感器又叫温度开关，是一种用双金属片作为感温元件，根据所要控制对象的温度来决定通断的开关。双金属片由上层的高锰合金和下层的殷钢组成，前者的膨胀系数是后者的几十倍，分别称为主动层和被动层，在正常温度下双金属片处于自由状态，触点处于闭合或断开状态；当温度升高时，主动层膨胀的比被动层多，双金属片弯曲，当达到一定程度时触点断开或闭合；温度降低到一定程度时双金属片恢复，同时触点也恢复。

温度开关主要应用在数控机床的液压冷却系统和空调系统中。在液压冷却系统中温度开关检测的是液压油或其他冷却介质的温度，当高于设定值时开关动作，系统报警或制冷机工作；当低于设定值时开关动作，系统报警或对其进行加热，满足温度后机床正常工作。在空调系统主要是对电气柜内的温度调整，电气柜内电器元件工作产生大量的热，而电气柜为了防尘密封效果好，其散热效果差，高温会加快电器元件的老化，因此，大多数数控机床电气柜都加有空调，但为了确保电气柜内的温度，有的厂家还在电气柜内加设了温度开关，当超出设定温度时开关动作，系统报警。图4 为数控机床电气柜内加设的温度开关。

图4 数控机床电气柜内加设的温度开关

图3 压力开关在数控加工中心液压系统中的应用

2 数控机床中开关量传感器故障的排除

当开关量传感器引起系统报警时，有的机床厂家报警信息做的好，直接给出报警点，可直接检查故障点排除故障。但有的厂家报警信息很模糊或只有报警号没有报警信息，这就需要维修人员对可能引起报警的各开关进行检查。以一台数控加工中心系统报警“自动换刀故障”为例。当看到报警时应查看换刀动作的完成情况，检查当前位置的各开关状态来判断故障。检查各开关的状态不应以开关的指示灯或触头状态来判断，应按图5 的流程逐步排除，最终找到故障点，避免走弯路。

图5 检查开关状态的流程图

一台数控镗床，配备西门子840D系统，故障现象为：开机回参考点时X轴向相反方向移动，直到超程报警。怀疑是回参考点的减速行程开关故障，人为动作开关看PLC的指示灯有反应，因此判断此路开关没问题。随后更改了X轴移动方向参数，又怀疑光栅尺，更改为半闭环还是不行，最后查图纸找到此开关量的PLC输入地址，在系统中查看开关状态是错误的，判断是PLC输入模块的内部点故障，模块更换故障排除。