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。

设备层 机 床 机器人 测量机

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。 计胃飞L 基本系统 显示设备

接

计算机系统 I — A 输人∕⅛⅛⅛

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。

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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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⑹接触式⑹无按触武

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：