传感器在数控机床中的应用

武瑞峰

摘 要：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。

关键词：数控机床；位置传感器；力传感器；温度传感器

中图分类号：TP212.9 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）30-0185-02

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。本文主要介绍位置传感器、力传感器、温度传感器及霍尔传感器的工作原理及在机床中的应用。

1 位置传感器

在闭环的数控机床系统中，必须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时检测出来，与给定的控制值进行比较，从而控制驱动元件准确运转，使工作台或刀架按规定的轨迹和坐标移动，所以位置传感器需要在精度、可靠性、抗干扰能力、动态测量、使用维护简单、成本和寿命等方面满足要求。

机床中常用的位置传感器是数字式位置传感器，主要有光电脉冲编码器、光栅尺、磁栅传感器等。光电脉冲编码器是一种角位移传感器，通常与驱动电机同轴相联，随电机同轴旋转，可以连续发出脉冲信号。数控系统通过对信号的接收、处理和计数，即可得到电动机的旋转角度。从而计算出工作台的位移，属于间接检测。其角位移的分辨率可达0.1"。光栅尺主要利用莫尔条纹的平均效应、信息变换作用、光强的分布规律等特点来实现测量位移的传感器，主要应用于数控机床的闭环伺服系统中，对刀具和工件坐标进行检测，以跟踪走刀误差，以实现刀具误差的补偿。目前其测量精度可达到0.1？滋m甚至更高。如图1所示。磁栅传感器是指利用磁栅和磁头的感应原理进行的测量的新型位移传感器，成本较低，而且在使用时可将原来的磁信号抹去，安装在机床上再进行磁信号的录制，对于消除机床的安装误差和机床本身的几何误差十分有利。精度可达±0.1mm/m，分辨率为1～5？滋m。

2 力传感器

随着数控机床向高速、高精度发展，高速液压卡盘的安全问题日益突出，其危险主要有卡盘在高速运转时，离心力正比于转速的平方，夹紧力随转速的增加而减小严重以及液压缸的压力是否稳定等。在夹紧力不足时，夹持的工件从动力卡盘中飞出，造成事故。对于因液压缸输入压力不足引起的动力卡盘的输入推拉力不足，常用压力传感器来监测动力卡盘回转液压缸的供油压力，但这种间接检测夹紧力的方式不能可靠判断夹紧情况；另一个原因是动力卡盘传动机构的摩擦力过大以及卡盘的离心力造成夹紧力损失过大，用于监测过大的摩擦力和过大的卡爪离心力造成的夹紧力不足，常用的方法是利用在线监测系统，将力传感元件应变片粘贴在高爪外表面上，应变片的供电和传输均采用无线方式。但其缺点是粘贴了电路和电线的高抓不方便经常调节。浙江大学研制的高速拉压力传感器能够在高速旋转时直接检测卡盘的输入推拉力，比传统的间接检测更可靠，并具有不受铁屑和冷却液污染的优点。

3 温度传感器

温度传感器数控机床为了降低热变形对加工精度的影响，通常会通过检测机床关键部件如螺母副、电机等位置的温度变化来进行热补偿，常见的温度传感器有模拟式和数字式两种，模拟温度传感器常见的有热电阻型和热电偶型。

（1）热电偶传感器是将温度转换为电势大小的热电式传感器。其原理为利用不同材料的两个结点当温度不同时的热电效应进行温度测量。置于被测对象的一端称为测量端，置于参考温度的另一结点称为参考端即冷端。热电偶测量温度时，要求参考端即冷端的温度保持不变，但由于热电偶的长度有限，冷端温度受被测端温度及环境温度影响而不稳定，一般需要进行冷端补偿，且热电偶的测温范围（-260～+2800℃），而機床的温升一般为0～60℃，所以在机床中热电偶型使用较少。

（2）机床中常用的是热电阻传感器，是利用金属导体或半导体材料的电阻率随温度变化的特性来进行温度测量的，其测温范围在-200～850℃之间，热电阻具有测量范围宽、精度高、稳定性好的优点。热电阻的测温元件分金属热电阻和半导体热电阻两大类。在机床中常用的是铂电阻温度传感器。铂电阻的特点是检测精度高、稳定性好、性能可靠、复现性好；它的变换原理是利用电阻系数随温度的变化而变化的物理效应。其精度与铂的纯度有关。在0℃～660℃范围内，铂电阻的阻值与温度之间的关系可用下式表示为：

Rt=R0*（1+At+Bt2）

式中Rt为温度为t℃时的电阻值，R0是温度为0℃时的电阻值，A、B为常数，A=3.96847*103/℃，B=-5.847×10-7/C2。目前工业上常用的铂电阻有三种，其R0值分别为50Ω、100Ω、1000Ω，相应的分度号为PT50、PT100、PT1000；机床上常选用片状结构贴于被测表面。如图2所示为STT-F系列铂电阻温度传感器采用金属外壳封装，内部填充导热材料和密封材料灌封而成，防水防潮，适用于物体表面温度的测量。

4 霍尔式接近开关

霍尔式接近开关是磁极与霍尔元件的轴线在同一直线上，当磁性物体接近到距霍尔元件几毫米时，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有高电平变为低电平以控制开关的动作，从而使运动部件停止。数控机床的切削转矩是由端面键来传递的，只有当刀柄上的键槽和主轴上的端面键对准时，机械手才能自动拔刀，为达到这种要求，常用霍尔式接近开关来检测定向，如图3所示。在主轴上安装的发磁体随主轴转动，在传感器的规定距离内安装与放大器、主轴伺服单元相联的霍尔传感器，主轴发出准停指令后，发磁体随主轴转动，当传感器的基准槽检测到发磁体的判别孔时，主轴即刻停止。达到主轴准停的目的。

5 结束语

随着精密和超精密加工技术的發展，对数控机床加工精度的要求越来越高。而机床自身零部件的制造精度提高难度加大，其机械结构的几何误差对机床精度的影响越来越小，进一步提高零件加工精度的方法越来越依靠对温度、振动、压力等产生的误差进行补偿来实现。这就需要对机床的位置误差、转速、压力、温度、振动等引起的误差进行动态测量并利用误差补偿技术进行实时补偿。传感器作为精确检测和分析机床误差及其误差源，掌握误差的性质、产生规律和对加工精度的影响的重要部件，对准确地测量机床的各项误差并进行建模和补偿起着极其重要的作用。

参考文献：

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