传感器在现代数控技术中的应用优化

一、任务目标

通过本任务的学习，帮助学生了解数控机床检测装置的分类及测量方法，掌握数控机床中用于位移、速度、位置、温度、压力等参数检测的传感器的工作原理。

二、任务背景

检测装置是数控机床半闭环／闭环伺服系统的重要组成部分。它的主要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号进行比较，若有偏差，经过放大后控制执行部件，使其向消除偏差的方向运动，直至偏差为零为止。闭环控制的数控机床的加工精度主要取决于检测系统的精度，因此精密检测装置是高精度数控机床的重要保证。一般来说，数控机床上使用的检测装置应满足以下要求：①工作有较高的可靠性和抗干扰能力；②满足精度和速度的要求；③便于安装和维护；④成本低、寿命长。

数控机床半闭环／闭环伺服系统中检测装置及反馈电路包括速度反馈和位置反馈，用于速度反馈的传感器一般安装在伺服电动机上，位置反馈的传感器则根据闭环方式的不同安装在伺服电动机或机床上。在半闭环控制时，速度反馈和位置反馈的传感器一般共用伺服电动机上的光电编码器；对于闭环控制，分别采用各自独立的速度、位置传感器。闭环伺服系统框图如图7-13所示。

图7-13　闭环伺服系统框图

数控机床的检测装置根据被测物理量分为位移、速度和电流三种类型；按测量方法分为增量式和绝对值式两种；根据运动形式分为旋转型和直线型检测装置。本任务主要介绍位移和速度两类检测装置，数控机床常用的检测装置见表7-1。

表7-1　数控机床检测装置的分类

1.位移检测

位移检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环／半闭环控制系统中，它的主要作用是检测直线位移和角位移，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。位移检测装置按工作条件和测量要求不同，有下面几种分类方法。

（1）直接测量和间接测量

1）直接测量。

直接测量是将直线位移传感器安装在移动部件（工作台）上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。其优点是准确性高、可靠性好，缺点是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。

2）间接测量。

它是将旋转型检测装置（角位移传感器）安装在驱动电动机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。其优点是测量方便、无长度限制，缺点是测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。

（2）数字式测量和模拟式测量

1）数字式测量。

它是将被测的物理量以数字形式来表示，测量输出信号一般为脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理，信号抗干扰能力强、处理简单。

2）模拟式测量。

它是将被测的物理量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等，对信号处理的方法相对来说比较复杂。

（3）增量式测量和绝对值式测量

1）增量式测量

在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量只测相对位移量，如测量单位为0.001 mm，则每移动0.001 mm 就发出一个脉冲信号，其优点是测量装置较简单，任何一个对中点都可以作为测量的起点，而移距是由测量信号计数累加所得，但一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。

2）绝对值式测量

绝对值式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值。测量装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显然，分辨精度要求越高，量程越大，则所要求的二进制位数也越多，结构就越复杂。

通常，数控机床检测装置的分辨率为0.001～0.01 mm／m，测量精度为± 0.001～0.01 mm／m，能满足机床工作台以1～10 m／min 的速度运行。不同类型的数控机床对检测装置的精度和适应的速度要求是不同的。对于大型机床来说，以满足速度要求为主；对于中、小型机床和高精度机床来说，以满足精度为主。

2.速度检测

除了位移检测装置，伺服系统中往往还包括速度检测元件，用以检测和调节电动机的转速。在半闭环控制时，速度反馈传感器是伺服电动机上的光电编码器，该编码器也是位置反馈传感器；对于闭环控制，其速度传感器是独立的，不与位置传感器共用一个传感器。数控机床上常用的速度反馈传感器有：光电编码器和测速发电机。

数控机床伺服系统要求伺服轴调速范围Rn 要宽，调速范围Rn 是指机械装置要求电动机能提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比（调速范围Rn＝nmax／nmin，nmax和nmin一般是指额定负载时的转速）。在各种数控机床中，由于加工刀具、被加工材料、主轴转速以及零件加工工艺要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，要求伺服驱动系统必须具有足够宽的无级调速范围（通常大于1∶10 000），不仅要满足低速切削进给的要求，如5 mm／min，还要能满足高速进给的要求，如10 000 mm／min。脉冲当量为1 μm／P 的情况下，最先进的数控机床的进给速度在0～240 m／min 连续可调。但对于一般的数控机床，要求进给驱动系统在0～24 m／min 进给速度下工作就足够了。

三、相关知识

1.位移检测

数控机床上的位移检测装置常有编码器、光栅尺、旋转变压器和感应同步器。旋转变压器、编码器主要应用于半闭环控制的数控机床，安装在电动机或丝杠上，测量了电动机或丝杠的角位移，也就间接地测量了工作台的直线位移。感应同步器、光栅尺等测量装置主要应用于闭环控制系统的数控机床，安装在工作台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。脉冲编码器和光栅尺在前面的章节中已经介绍过，本章主要介绍旋转变压器和感应同步器在数控系统中测量工作台直线位移的工作原理。

（1）旋转变压器

1）结构和分类。

旋转变压器是间接测量装置，是一种利用输出电压随转子转角改变而变化的角位移检测传感器。旋转变压器的结构和两相绕线式异步电动机的结构相似，可分为定子和转子两大部分。定子和转子的铁芯由铁镍软磁合金或硅钢薄板冲成的槽状芯片叠成，它们的绕组分别嵌入各自的槽状铁芯内。定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引出，转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种不同的引出方式，旋转变压器分为有刷式和无刷式两种结构，旋转变压器常采用无刷式结构。如图7-14所示为无刷式旋转变压器结构和实物图。

2）工作原理。

旋转变压器按照其绕组对数可分为单极对和双极对两种，下面以单极对旋转变压器为例介绍其工作原理。根据互感原理，定子与转子之间气隙磁通分布呈正／余弦规律。当定子加上一定频率的激磁电压时，通过电磁耦合转子绕组产生感应电动势。如图7-15所示，所产生的感应电动势的大小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。两者平行时，磁通几乎全部穿过转子绕组的横截面，转子绕组产生的感应电动势最大。二者垂直时，转子绕组产生的感应电动势为零。感应电动势随着转子偏转的角度呈正（余）弦变化，即：

图7-14　无刷式旋转变压器结构图

（a）结构；（b）实物图
1—转子轴承；2—壳体；3—分解器定子；4—变压器定子；5—变压器一次绕组；6—变压器转子线轴；7—变压器二次绕组；8—分解器转子

式中 u2——转子绕组感应电动势；

u1——定子励磁电压；

Um——定子绕组的最大瞬时电压；

θ——两绕组之间的夹角；

k——电磁耦合系数变压比。

图7-15　旋转变压器的工作原理

测量旋转变压器二次绕组的感应电动势U2 的幅值或相位的变化，即可知转子偏转角θ的变化，从而测得伺服轴的角位移。旋转变压器安装时可单独和滚珠丝杠相连，也可与伺服电动机组成一体。

3）工作方式。

旋转变压器作为位移检测装置，有两种工作方式：鉴相式工作方式和鉴幅工作方式。

①鉴相方式。在该工作方式下，给旋转变压器定子的两个绕组通以同幅值、同频率，相位差90°的交流激磁电压，如图7-16所示。

图7-16　旋转变压器定子两相激磁绕组

这两相励磁电压在转子绕组中产生感应电压。根据线性叠加原理，在转子上的工作绕组中产生的感应电压为：

由上式可见，旋转变压器转子绕组中的感应电压u2 与定子绕组中的励磁电压同频率，但是相位不同，其相位严格随转子偏角θ 变化。测量转子绕组输出电压的相位角θ 即可测得转子相对于定子的转角位置。在实际应用中，把定子正弦绕组励磁的交流电压相位作为基准相位，与转子绕组输出相位作比较，来确定转子转角的位置。

②鉴幅方式。在这种工作方式中，在旋转变压器定子正、余弦绕组中分别通以同频率、同相位，但幅值分别为Usm和Ucm的交流激磁电压，当给定电气角为α 时：

定子励磁电压在转子中感应出的电动势不但与转子和定子的相对位置有关，还与励磁的幅值有关。根据线性叠加原理，在转子上的工作绕组中的感应电压为：

由上式可知，感应电压u2 是以ω 为角频率的交变信号，其幅值为kUmsin（α-θ）。若电气角α 已知，只要测出u2 的幅值，便可间接地求出（α-θ）的值，即可以测出被测角位移θ 的大小。当感应电压u2 的幅值为0 时，说明电气角的大小就是被测角位移的大小。旋转变压器在鉴幅工作方式时，不断调整α，使感应电压u2 的幅值为0，用α 代替对θ 的测量，α 可通过具体的电子线路测得。

（2）感应同步器

1）结构和分类。

感应同步器是利用电磁感应原理制成的位移测量装置。按结构和用途可分为直线感应同步器和圆盘旋转式感应同步器两类，直线感应同步器用于测量直线位移，圆盘旋转式感应同步器用于测量角位移，两者的工作原理基本相同。感应同步器具有较高的测量精度和分辨率，工作可靠，抗干扰能力强，使用寿命长。目前，直线感应同步器的测量精度可达1.5 μm，测量分辨率可达0.05 μm，并可测量较大位移。

直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，结构示意图如图7-17所示。定尺和滑尺分别安装在机床床身和移动部件上，定尺或滑尺随工作台一起移动，两者平行放置，保持0.2～0.3 mm 间隙。

图7-17　直线感应同步器结构图

1—固定部分（工作台）；2—定尺绕组引线；3—定尺座；4—防护罩；5—滑尺；6—滑尺座；7—滑尺绕组引线；8—调整垫；9—定尺；10—固定部件（床身）

直线感应同步器广泛应用于坐标镗床、坐标铣床及其他机床的定位；圆盘旋转式感应同步器常用于雷达天线定位跟踪、精密机床或测量仪器的分度装置等。

2）工作原理。

如图7-18所示，感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，定尺与滑尺间有均匀的气隙，在定尺表面制有连续平面绕组，绕组节距为P。滑尺表面制有两段分段绕组，即正弦绕组和余弦绕组，它们相对于定尺绕组在空间错开1／4 节距。

图7-18　定尺和滑尺绕组示意图

感应同步器利用电磁耦合原理，通过两个绕组的互感量随位置的变化来检测位移量，如图7-19所示为滑尺在不同位置时定尺上的感应电压。如果滑尺处于图中a 点位置，滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，那么定尺上的感应电压最大。随着滑尺相对定尺做平行移动，感应电压逐渐减小。当滑尺移动至图中b 点位置，与定尺绕组刚好错开1／4 节距时，感应电压为零。再继续移至1／2 节距处，即图中c 点位置时，为最大的负值电压，即感应电压的幅值与a 点相同但极性相反。再移至3／4 节距，即图中d 点位置时，感应电压又变为零。当移动到一个节距位置即图中e 点，又恢复初始状态，即与a 点情况相同。这样，滑尺在移动一个节距的过程中，感应电压变化了一个余弦波形，即滑尺每移动一个节距，感应电压就变化一个周期。

3）工作方式。

感应同步器工作时按照供给滑尺正、余弦绕组励磁信号的不同，测量方式分为鉴相式和鉴幅式两种。

①鉴相方式。在这种工作方式下，给滑尺的正弦和余弦绕组分别通以幅值相等、频率相同、相位相差90°的交流电压，即：

励磁信号将在空间产生一个以ω 为频率移动的行波，磁场切割定尺绕组，并产生感应电压，该电压随着定尺与滑尺相对位置的不同而产生超前或滞后的相位差θ。根据线性叠加原理，在定尺上的工作绕组中的感应电压为：

图7-19　感应同步器工作原理(www.xing528.com)

式中 ω——励磁角频率；

k——电磁耦合系数；

Um——定尺工作绕组的最大瞬时电压；

ud——定尺工作绕组的感应电压；

us——滑尺正弦绕组的励磁电压；

uc——滑尺余弦绕组的励磁电压；

θ——滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角，且。

可见，在一个节距内，θ 与x 是一一对应的，通过测量定尺感应电压的相位θ，可以测量定尺相对滑尺的位移x。数控机床的闭环系统采用鉴相系统时，指令信号的相位角θ1由数控装置发出，由θ 和θ1 的差值控制数控机床的伺服驱动机构。当定尺和滑尺之间产生相对运动，定尺上的感应电压的相位将发生变化，其值为θ。当θ≠θ1 时，机床伺服系统带动机床工作台移动。当滑尺与定尺的相对位置达到指令要求时，即θ＝θ1，工作台停止移动。

②鉴幅方式。在这种工作方式中，在感应同步器滑尺正、余弦绕组中分别通以同频率、同相位，但幅值分别为Usm和Ucm的交流激磁电压，若滑尺相对于定尺移动一个距离x，其对应的相移为θ，且，给定电气角为α，则：

定子励磁电压在转子中感应出的电动势不但与转子和定子的相对位置有关，还与励磁电压的幅值有关。根据线性叠加原理，在转子上的工作绕组中的感应电压为：

由上式可知给定电气角α 为已知，只要测出ud 的幅值kUmsin（θ-α），便可以间接地求出θ。若θ＝α，则Ud＝0，说明电气角α 的大小就是被测角位移θ 的大小。采用鉴幅工作方式时，不断调整θ，使感应电压的幅值为0，用α 代替对θ 的测量，θ 可通过具体的电子线路测得。

定尺上的感应电压的幅值随指令给定的位移量x1（α）与工作台的实际位移x（θ）的差值按正弦规律变化。鉴幅型系统用于数控机床闭环系统时，当工作台未达到指令要求值时，即x≠x1，定尺上的感应电压Ud≠0。该电压经过检波放大后控制伺服执行机构带动机床工作台移动。当工作台移动到x＝x1（α＝θ）时，定尺上的感应电压Ud＝0，工作台停止运动。

（3）位移检测在数控机床上的应用

旋转变压器与感应同步器一样，工作方式可分为鉴相式和鉴幅式两种，鉴相式工作方式是一种根据旋转变压器转子绕组中感应电动势的相位来确定被测位移大小的检测方式，对应为数控系统相位比较伺服系统。鉴相式工作方式是通过对旋转变压器转子绕组中感应电动势幅值的检测来实现位移检测，对应为数控系统幅值比较伺服系统。

如图7-20所示为数控系统幅值比较伺服系统框图，幅值比较伺服系统以位置检测信号的幅值大小反映机械位移的数值，并以此信号作为位置反馈信号，一般还要转换成数字信号才能与指令信号进行比较，而后获得位置偏差信号构成闭环控制系统。当指令脉冲与反馈脉冲相等时，比较器输出为0，说明工作台实际移动的距离等于指令信号要求的距离，电动机停止运转。若两者不等，则电动机就会继续运转，带动工作台移动直到比较器输出为0 为止。

图7-20　数控系统幅值比较伺服系统框图

如图7-21所示为数控系统相位比较伺服系统框图，相位比较伺服系统中，位置检测装置采用相位工作方式，指令信号与反馈信号是用相位表示的，即是某个载波的相位。通过指令信号与反馈信号相位的比较，获得实际位置与指令位置的偏差，实现闭环控制。

相位比较伺服系统适用于感应式检测装置（旋转变压器、感应同步器），精度较高，由于载波频率高，响应快，抗干扰性强，特别适合于连续控制的伺服系统。

2.速度检测

图7-21　数控系统相位比较伺服系统框图

在数控伺服驱动系统中不仅有位移检测装置，还包括速度检测元件，用以检测和调节电动机的转速。数控机床上常用的速度反馈传感器有：光电编码器和测速发电机。光电编码器测速原理在前面的章节中已经介绍过，本章主要介绍测速发电机在数控伺服驱动系统中检测伺服轴转速的工作原理。按结构和工作原理的不同，测速发电机分为直流测速发电机和交流测速发电机，测速发电机实物如图7-22所示。

（1）直流测速发电机

直流测速发电机分永磁式和他励式两种。两种发电机的电枢相同，工作时电枢接负载电阻RL。但永磁式的定子使用永久磁铁产生磁场，因而没有励磁线圈。他励式的结构与直流伺服电动机相同，工作时励磁绕组加直流电压Uf 励磁，工作原理如图7-23所示。

图7-22　测速发电机

图7-23　直流测速发电机工作原理

当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时，电枢产生电动势E 为：

发电机的输出电压为：

负载电路电流为：

将式（7-12）代入式（7-11）得：

式中 Ra——发电机电枢电阻；

n——输入转速；

Ke——发电机的电动势常数；

Φ——磁场磁通。

可见，当励磁电压Uf 保持恒定时（Φ 亦恒定），若Ra、RL 不变，则输出电压U2 的大小与电枢转速n 成正比。这样，发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压信号，输出给CNC 数控装置。

（2）交流测速发电机

交流测速发电机又分为同步式和异步式两种，数控机床中常用异步式交流测速发电机。异步式交流测速发电机的结构与杯形转子交流伺服电动机相似，它的定子上有两个绕组，一个是励磁绕组，一个是输出绕组。其结构及工作原理如图7-24所示，工作时测速发电机的励磁绕组接交流电源u1：

式中 f1——励磁电压频率；

N1——励磁绕组线圈匝数；

Φ1——励磁磁场磁通。

当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转子切割Φ1 产生转子感应电动势Er 和转子电流ir，它们的大小与Φ1 和转子转速n 成正比。转子电流ir 也产生磁通Φr，Φr 在输出绕组中感应出电压u2，u2 的大小与Φr 成正比。当u1 恒定不变时，u2 与n 成正比，这样发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压信号，输出给CNC 数控装置。

图7-24　交流测速发电机工作原理

四、知识拓展

精密检测装置是高精度数控机床的重要保证，在数控机床闭环／半闭环伺服系统中不仅要用到位移传感器检测反馈实际工作台直线位移，速度传感器检测反馈伺服轴实际转速，还需要位置、压力、温度、刀具磨损等传感器才能组成一个完整的数控机床传感检测系统。

1.位置传感器

位置传感器是用来检测位置，反映某种状态的开关，和位移传感器检测工作台实际位移不同，位置传感器仅反应各伺服轴是否达到限位，当达到限位行程时反馈开关量信号被发送给CNC 数控装置，从而停止工作台移动。位置传感器有接触式和接近式两种。

（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。

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

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，它无须和物体直接接触。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。

如图7-25所示为常用的接近开关。最常用的霍尔接近开关是利用霍尔效应制成的。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，输出开关量信号，从而判断物体是否到位。

图7-25　常用的接近开关

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。

2.压力传感器

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极板正对面积和两个极板间的距离决定的，因其灵敏度高、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，如图7-26（a）所示。

压电式压力传感器是基于压电效应的传感器，是一种自发电式传感器，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，如图7-26（b）所示，我们已经在项目二中介绍过。

另外，压力传感器还在润滑系统、液压系统、气压系统中用来检测油路或气路中的压力，当油路或气路中的压力低于设定值时，其触点会动作，将故障信号送给数控系统。

图7-26　电容式和压电式压力传感器结构图

（a）工件夹紧力传感器（电容式）；（b）刀具切削力传感器（压电式）

3.温度传感器

温度传感器是一种将温度高低转变成电阻值大小或其他电信号的一种装置，如图7-27所示。在项目三中我们已经了解到常见的有以铂、铜为主的热电阻传感器、以半导体材料为主的热敏电阻传感器和热电偶传感器等。在数控机床上，温度传感器用来检测温度，从而进行温度补偿或过热保护。

在加工过程中，电动机的旋转、移动部件的移动、切削等都会产生热量，且温度分布不均匀，造成温差，使数控机床产生热变形，影响零件加工精度，为了避免温度产生的影响，可在数控机床上某些部位装设温度传感器，感受温度信号并转换成电信号送给数控系统，进行温度补偿。

此外，温度传感器可以埋设在电动机等需要过热保护的地方，过热时通过数控系统进行过热报警。

4.刀具磨损监控传感器

刀具磨损到一定程度会影响到工件的尺寸精度和表面粗糙度，因此，对刀具磨损要进行监控。当刀具磨损时，机床主轴电动机负荷增大，电动机的电流和电压也会变化，功率随之改变，功率变化可通过霍尔传感器检测。功率变化到一定程度，数控系统发出报警信号，机车停止运转，此时，应及时进行刀具调整或更换。图7-28所示为智能式数控车床对刀仪。

图7-27　温度传感器

图7-28　数控车床对刀仪