机械检测技术

1机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社2机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社主编吴静副主编龚丽萍机械检测技术出版社ISBN978-5624-4188-53机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社•传感器监视和测量着数控机床的每一步工作过程，它在数控机床中占据重要的地位。•1.1传感器与数控机床•1.1.1传感器定义及组成•实现这种转换技术的期间器件就是传感器。因此，传感器是一种能感受规定的第1章概述4机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社被测量，以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、便于处理的电量信号(如电压、电流、频率等)输出的测量器件。•传感器一般由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成，如图1.1所示。•敏感元件是传感器中直接感受被测量的元件，它将被测量转换成与之有确定关系、图1.1传感器的组成5机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社更易于处理的非电量，如位移、应变等。传感元件通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出的物理量转换成电路的参数(电参量)。测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率等。传感器只完成被测量至电量的基本转换，然后输入到测控电路，进行放大、运算、处理等进一步转换，以获得被测值或进行过程控制。•图1.2为电位器式气体压力传感器结构简6机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社图。当被测压力变化时，弹簧管自由端产生位移，通过齿条带动齿轮转动，从而使电位器的电刷产生角位移。电位器电阻的变化量反映了被测压力数值的变化。当电位器的两端加上电源后，电位器电刷上输出与压力成一定关系的电压，只要测量出该电压值，经过换算就可以求出压力的大小。•如图1.3来表示此例中传感器的组成及原理。7机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社•结合上述工作原理，可将图1.2的内容具体化，见图1.3。图1.2电位器式压力传感器1—弹簧管；2—电位器；3—电刷；4—齿轮-齿条8机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社•1.1.2数控机床及特点•数控机床是机电一体化的典型产品，它是机、电、液、气和光等多学科的综合性组合，技术范围覆盖了机械制造、计算机、自动控制、伺服驱动、传感器及信息处理等领域。•数控机床一般由数控装置、伺服驱动系图1.3电位器式压力传感器原理框图9机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社统、反馈检测系统、强电控制部分、机床主机及辅助装置组成。数控机床辅助装置主要包括工装卡具、换刀装置、回转工作台、液压系统、润滑系统、排屑装置等。•概括起来，数控机床的加工有以下几方面的优点。•(1)适应性强。•(2)精度高，质量稳定。•(3)零件加工所需的时间短，生产效率高。10机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社•(4)能实现复杂的运动。•1.1.3数控机床中的各种传感器•数控机床的各种运动和状态通过传感器测量、监视后输入给数控系统加以控制、补偿或调整，以提高机床的加工精度和稳定度。•(1)位置检测传感器•在数控机床中广泛应用数字式角编码器、光栅传感器、感应同步器、旋转变压器、磁栅等来实现位置检测。11机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社•(2)数控转塔刀架中的传感器•图1.4为某全功能数控刀架组成简图。图1.4某全功能数控刀架组成简图12机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社刀架回转由刀架电机通过传动机构来实现，刀架回转时，与刀架同轴的二进制绝对编码器也一起转动。图1.5所示为选刀的控制流程图。•接近开关除了在刀架选刀控制外，还在数控机床中用作工作台、油缸及汽缸活塞的行程控制。•(3)温度的检测•在数控机床上，常用温度传感器来检测温度从而进行温度补偿或过热保护。13机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社图1.5选刀的控制流程图14机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社•此外，在数控机床中，需要过热保护的部位有几十处，主要是监测一些轴温、压力油温、润滑油温、冷却空气温度、各个电动机绕组温度、变压器绕组温度等。•(4)压力的检测•压力传感器是一种将压力转变成电信号的传感器。常用的有压电式传感器、压阻式传感器和电容式传感器。•(5)刀具磨损监控15机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社•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。•(6)数控装置中的其他传感器•数控装置中还有很多的传感器的应用，如：光纤、光电耦合器、电涡流接近开关、流量传感器等。这样两者在电气上是完全隔离的，可以提高整个系统的抗干扰能力。如下图1.6为应用之一。16机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社图1.6光电耦合器用于信号的输入输出举例(a)系统信号的输出(b)外部信号的输入17机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社•此外，在润滑、液压、气动等系统中，均安装有压力传感器、液位传感器、流量传感器，对这些辅助系统随时进行监控，保证数控机床的正常运行。•1.2传感器的分类及其特性参数•1.2.1传感器的分类•传感器有许多分类方法，最常用的分类方法有两种：一种是按被测物理量来分；另一种是按传感器的工作原理来分。18机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社•(1)按被测物理量划分的传感器•可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。•(2)按工作原理划分的传感器•可分为电阻、电容、电感、光栅、压电、热电耦、超声波、红外、光导纤维、激光等传感器。•1)电阻式传感器电阻式传感器是根据利用19机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社电阻器将被测非电量转换为电信号的原理制成的。•2)电容式传感器电容式传感器是根据改变磁路的几何尺寸或改变介质的性质，从而使电容量发生变化的原理制成的。•3)电感式传感器电感式传感器是根据改变磁路的几何尺寸或改变电感或互感系数的电磁效应的原理制成的。•4)压电式传感器压电式传感器是根据压电效应原理制成的，主要用于脉动力、振动20机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社和加速度的测量。•5)热电耦传感器热电耦传感器是根据热电效应原理制成的，它主要用于温度测量。•6)光栅传感器光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种脉冲输出数字式传感器，它广泛应用于数控机床中，能够形成闭环控制系统，测量精度可达微米级。•7)超声波传感器超声波传感器是利用了超声波的特点与超声波换能器一起构成。21机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社•8)光纤传感器光纤传感器是利用光导纤维技术发展的新型传感器。广泛应用于热工参数、电工参数的测量、图像扫描和图像信息传输。•1.2.2传感器基本特性•传感器所测量的非电量处在不断的变动之中，传感器能否将这些非电量的变化不失真地变换成相应的电量，取决于传感器的输入-输出特性。22机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社•传感器的这一基本特性可以用它的静态特性和动态特性来描述。当输入信号不随时间变化时，输入与输出的关系称为传感器的静态特性；当输入信号随时间而变化时，输入与输出的关系称为传感器的动态特性。•传感器静态特性的主要技术指标有：灵敏度、线性度、迟滞、重复性等。•(1)灵敏度23机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社•传感器的灵敏度是指传感器在稳态下，输出变化量与输入变化量的比值，用K来表示，如下所示：•式中x——输入量；•y——输出量。•从输出曲线看，曲线越陡，灵敏度越高，如图1.7所示。通过作该曲线切线的方法求得曲线上任一点处的灵敏度。24机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社•(2)线性度•传感器的线性度又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出的满度值之比。•式中γL——线性度；•ΔLmax——传感器实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差；25机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社•ymax-ymin——传感器的输出范围。•实际应用中传感器的输出-输入特性曲线只能接近直线，实际曲线与理论直线之间存在的偏差ΔLmax就是传感器的非线性误差，如图1.8所示。•(3)分辨力•分辨力时指传感器能够检测出的被测信号的最小变化量，即当传感器的输入从非零的任意值缓慢增加，只有超过某一输入26机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社•增量后输出才有变化，这个输入增量称为传感器的分辨力。图1.7灵敏度示意图(a)线性测量系统(b)非线性测量系统图1.8线性度示意图1—拟合直线y=ax；2—实际特性曲线27机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社•(4)迟滞•迟滞现象是传感器在正向行程(输入量增大)和反向行程(输入量减小)期间，输出-输入特性曲线不一致的程度，如图1.9所示。•产生迟滞现象的主要原因是传感器的机械结构和制造工艺上的缺陷，如轴承摩擦、间隙、螺钉松动和元件腐蚀等。•(5)重复性•重复性是指在同一工作条件下，输入量28机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社•按同一方向在全量程范围内多次测试时，所得特性曲线不一致的程度。图1.9迟滞特性曲线1—反向特性；2—正向特性图1.10重复性示意图图1.10重复性示意图29机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社•传感器输出特性的不重复性主要由传感器机械部分的摩损、间隙、松动，部件内摩擦、积尘，电路元件老化、工作点漂移等原因产生。•周围环境中，对传感器影响最大的是温度。另外，大气压、湿度、振动、电源电压及频率都会影响传感器的特性。30机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社第2章位置检测传感器•位置检测传感器是数控机床进给伺服系统中的重要组成部分，主要由检测元件(传感器)和测量电路组成。•位置检测装置按其测量对象、工作原理和结构特点有着不同的分类方法，其常用类型见表2.1。•2.1编码器•编码器又称编码盘或码盘，能把机械转角31机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社•转换成电脉冲，是数控机床上使用广泛的位置检测装置。编码器分为光电式、接触式和电磁感应式三种，从精度和可靠性方面来看，光电式编码器优于其他两种。•2.1.1光电式编码器的结构与分类32机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社•光电式编码器是一种旋转式位置传感器，它的转轴通常与被测轴连接，随被测轴一齐转动，它能将被测轴的角位移转换成一串脉冲或二进制编码，其结构简图如图2.1所示。图2.1光电式编码器的结构示意图33机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社•光电式编码器有两种基本类型：绝对式编码器和增量式编码器。•2.1.2绝对式光电编码器•图2.2所示为一个4位二进制光电式编码器。图2.2绝对式光电码盘34机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社•从以上分析可知，码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。由此可以推断出，若是n位二进制码盘，就有n圈码道，且圆周均分2n个数据来分别表示其不同位置，所能分辨的角度α为α=360°/2n分辨率=1/2n•显然，位数n越大，所能分辨的角度α就越小，测量精度就越高。所以，若要提35机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社高分辨力，就必须增加码道数，即二进制位数。•2.1.3增量式光电编码器•增量式脉冲编码器能够把回转件的旋转方向、旋转角度和旋转速度准确检测出来。•增量式脉冲编码器的结构如图2.3所示，在它的码盘边缘等间隔地制出n个透光狭缝。•光电编码器的测量精度取决于它所能分辨36机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数n有关，即分辨角度为：图2.3增量式光电码盘结构示意图1—转轴；2—LED；3—光栏板；4—零标志位光槽；5—光敏元件；6—码盘；7—电源及信号线连接座37机械专业系列教材——机械检测技术出版社理工分社•2.1.4编码器的应用•编码器除了直接测量角位移外，还有以下用途：•(1)测直线位移•可根据滚珠丝杠的导程来计算移动部件的位移量。38机械