摘要： 由於高精度、高速度、高效率及安全可靠的特點，數控系統在裝備製造業中的應用越來越廣泛，數控工具機是一種裝有程式控制系統的自動化工具機，能夠根據已編好的程式，使工具機動作並加工零件。它綜合了機械、自動化、計算機、測量等最新技術，使用了多種感測器，本文從位移、位置、速度、壓力、溫度以及刀具磨損監控等方面論述了在數控工具機控制系統中用到的感測器。
1、數控系統簡介
數控系統也稱為計算機數控系統（**c），是用計算機控制加工功能，實現數值控制的系統。數控系統由數控程式、輸入裝置、輸出裝置、計算機數控裝置（**c裝置）、可程式設計邏輯控制器、主軸驅動裝置和進給（伺服）驅動裝置（包括檢測裝置）等組成。由於使用了計算機，系統具有了軟體功能，又用plc代替了傳統的工具機電器邏輯控制裝置，使系統更小巧，其靈活性、通用性、可靠性更好，易於實現複雜的數控功能，使用、維護也方便，並具有與上位機連線及進行遠端通訊的功能。
該控制系統能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規定的程式，並將其解碼，從而使工具機動作並加工零件。它綜合了機械、自動化、計算機、測量、等新技術，使用了多種感測器，本文介紹的是數控系統中各個部分所用到的感測器。
2、感測器簡介
感測器是一種能承受規定的被測量，能夠把被測量（如物理量、化學量、生物量等）變換為另一種與之有確定對應關係並且容易測量的量（通常為電學量）的裝置。它是一種獲得資訊的重要手段，它所獲得資訊的正確與否，關係到整個檢測系統的精度，因而在非電量檢測系統中占有重要地位。感測器的原理各種各樣，其種類十分繁多，分類標準不一樣，叫法也不一樣。
常見的有電阻感測器、電感式感測器、 電容式感測器、溫度感測器等。
作為應用在數控系統中的感測器應滿足以下一些要求： （1）感測器應該具有比較高的可靠性和較強的抗干擾性。 （2）感測器應該滿足數控工具機在加工上的精度和速度的要求。
（3）感測器在使用時應該具有維護方便、適合工具機執行環境的特點。（4）應用在數控工具機上的感測器的成本應該相對較低。不同種類的數控工具機對感測器的要求也不盡相同，一般來說，大型工具機要求速度響應高，中型和高精度數控工具機以要求精度為主。
3、位移檢測感測器
數控系統中進行位移檢測的感測器主要有：脈衝編碼器、直線光柵、旋轉變壓器、感應同步器等。
3.1脈衝編碼器
脈衝編碼器是一種角位移**速）感測器，它能夠把機械轉角變成電脈衝。脈衝編碼器可分為光電式、接觸式和電磁式三種，其中，光電式應用比較多，其結構示意圖如下：
在下圖中，x軸和z軸端部分別配有光電編碼器，用於角位移測量和數字測速，角位移通過絲槓螺距能間接反映拖板或刀架的直線位移。
3.2 直線光柵
直線光柵是利用光的透射和反射現象製作而成，常用於位移測量，分辨力較高，測量精度比光電編碼器高，適應於動態測量。
在進給驅動中，光柵尺固定在床身上，其產生的脈衝訊號直接反映了拖板的實際位置。用光柵檢測工作台位置的伺服系統是全閉環控制系統。
3.3旋轉變壓器
旋轉變壓器是一種輸出電壓與角位移量成連續函式關係的感應式微電機，用來測量旋轉物體的轉軸角位移和角速度，旋轉變壓器由定子和轉子組成，具體來說，它由乙個鐵心、兩個定子繞組和兩個轉子繞組組成，其原、副繞組分別放置在定子、轉子上，原、副繞組之間的電磁耦合程度與轉子的轉角有關。旋轉變壓器在同步隨動系統及數字隨動系統中可用於傳遞轉角或電訊號；在解算裝置中可作為函式的解算之用，故也稱為解算器。
旋轉變壓器一般有兩極繞組和四極繞組兩種結構形式。兩極繞組旋轉變壓器的定子和轉子各有一對磁極，四極繞組則各有兩對磁極，主要用於高精度的檢測系統。除此之外，還有多極式旋轉變壓器，用於高精度絕對式檢測系統。
旋轉變壓器是一種精密角度、位置、速度檢測裝置，適用於所有使用旋轉編碼器的場合，特別是高溫、嚴寒、潮濕、告訴、高震動等旋轉編碼器無法正常工作的場合。由於旋轉變壓器以上特點，可完全替代光電編碼器，被廣泛應用在伺服控制系統、機械人系統、機械工具、 汽車、電力、冶金、紡織、印刷、航空航天、船舶、兵器、電子、冶金、礦山、油田、水利、化工、輕工、建築等領域的角度、位置檢測系統中。也可用於座標變換、三角運算和角度資料傳輸、作為兩相移相器用在角度--數字轉換裝置中。
3.4感應同步器
感應同步器是利用兩個平面形繞組的互感隨位置不同而變化的原理製成的。其功能是將角度或直線位移轉變成感應電動勢的相位或幅值，可用來測量直線或轉角位移。
按其結構可分為直線式和旋轉式兩種。直線式感應同步器由定尺和滑尺兩部分組成，定尺安裝在工具機床身上，滑尺安裝於移動部件上，隨工作台一起移動；旋轉式感應同步器定子為固定的圓盤，轉子為轉動的圓盤。
感應同步器具有較高的精度與分辨力、抗干擾能力強、使用壽命長、維護簡單、長距離位移測量、工藝性好、成本較低等優點。直線式感應同步器目前被廣泛地應用於大位移靜態與動態測量中，例如用於三座標測量機、程式控制數控工具機、高精度重型工具機及加工中心測量裝置等。旋轉式感應同步器則被廣泛地用於工具機和儀器的轉台以及各種迴轉伺服控制系統中。
4、位置檢測感測器
位置感測器可用來檢測位置，反映某種狀態的開關，和位移感測器不同。位置感測器有接觸式和接近式兩種。
4.1 接觸式感測器
接觸式感測器的觸頭由兩個物體接觸擠壓而動作，常見的有行程開關、二維矩陣式位置感測器等。
行程開關結構簡單、動作可靠、**低廉。當某個物體在運動過程中，碰到行程開關時，其內部觸頭會動作，從而完成控制，如在加工中心的x、y、z軸方向兩端分別裝有行程開關，則可以控制移動範圍，下圖為滾輪旋轉式行程開關的結構介紹：
二維矩陣式位置感測器安裝於機械手掌內側，用於檢測自身與某個物體的接觸位置。
4.2 接近開關
接近開關是指當物體與其接近到設定距離時就可以發出「動作」訊號的開關，它無需和物體直接接觸。接近開關有很多種類，主要有自感式、差動變壓器式、電渦流式、電容式、幹簧管、霍爾式等。
接近開關在數控工具機上的應用主要是刀架選刀控制、工作台行程控制、油缸及汽缸活塞行程控制等。
在刀架選刀控制中，如下圖所示，從左至右的四個凸輪與接近開關sq4～sq1相對應，組成四位二進位制編碼，每乙個編碼對應乙個刀位，如0110對應6號刀位；接近開關sq5用於奇偶校驗，以減少出錯。刀架每轉過乙個刀位，就發出乙個訊號，該訊號與數控系統的刀位指令進行比較，當刀架的刀位訊號與指令刀位訊號相符時，表示選刀完成。
霍爾感測器是利用霍爾現象製成的感測器。將鍺等半導體置於磁場中，在乙個方向通以電流時，則在垂直的方向上會出現電位差，這就是霍爾現象。將小磁體固定在運動部件上，當部件靠近霍爾元件時，便產生霍爾現象，從而判斷物體是否到位。
下圖即為霍爾感測器原理圖：
5、速度檢測感測器
速度感測器是一種將速度轉變成電訊號的感測器，既可以檢測直線速度，也可以檢測角速度，常用的有測速發電機和脈衝編碼器等。
測速發電機具有的特點是：（1）輸出電壓與轉速嚴格成線性關係；（2）輸出電壓與轉速比的斜率大。可分成交流和直流兩類。其結構圖如下：
脈衝編碼器在經過乙個單位角位移時，便產生乙個脈衝，配以定時器便可檢測出角速度。
在數控工具機中，速度感測器一般用於數控系統伺服單元的速度檢測。
6、壓力檢測感測器
壓力感測器是一種將壓力轉變成電訊號的感測器。根據工作原理，可分為壓電式感測器、壓阻式感測器和電容式感測器。它是檢測氣體、液體、固體等所有物質間作用力能量的總稱，也包括測量高於大氣壓的壓力計以及測量低於大氣壓的真空計。
電容式壓力感測器的電容量是由電極面積和兩個電極間的距離決定，因靈敏度高、溫度穩定性好、壓力量程大等特點近來得到了迅速發展。在數控工具機中，可用它對工件夾緊力進行檢測，當夾緊力小於設定值時，會導致工件鬆動，系統發出報警，停止走刀。
壓電式感測器是基於壓電效應的感測器。是一種自發電式和機電轉換式感測器。它的敏感元件由壓電材料製成。在工具機上它可用於檢測車刀切削力的變化。
另外，壓力感測器還在潤滑系統、液壓系統、氣壓系統被用來檢測油路或氣路中的壓力，當油路或氣路中的壓力低於設定值時，其觸點會動作，將故障訊號送給數控系統。
7、溫度檢測感測器
溫度感測器是一種將溫度高低轉變成電阻值大小或其它電訊號的一種裝置。常見的有以鉑、銅為主的熱電阻感測器、以半導體材料為主的熱敏電阻感測器和熱電偶感測器等。在數控工具機上，溫度感測器用來檢測溫度從而進行溫度補償或過熱保護。
在加工過程中，電動機的旋轉、移動部件的移動、切削等都會產生熱量，且溫度分布不均勻，造成溫差，使數控工具機產生熱變形，影響零件加工精度，為了避免溫度產生的影響，可在數控工具機上某些部位裝設溫度感測器，感受溫度訊號並轉換成電訊號送給數控系統，進行溫度補償。
此外，溫度感測器可以埋設在電動機等需要過熱保護的地方，過熱時通過數控系統進行過熱報警。
8、刀具磨損監控感測器
刀具磨損到一定程度會影響到工件的尺寸精度和表面粗糙度，因此，對刀具磨損要進行監控。當刀具磨損時，工具機主軸電動機負荷增大，電動機的電流和電壓也會變化，功率隨之改變，功率變化可通過霍爾感測器檢測。功率變化到一定程度，數控系統發出報警訊號，機車停止運轉，此時，應及時進行刀具調整或更換。
9、結束語
綜上所述，感測器的使用在數控系統中起著重要的作用，在很大程度上決定了數控系統的加工精度、加工質量等效能指標。隨著感測器技術的發展，各種各樣的感測器將在不同的領域中扮演更重要的角色。
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