現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 郭渝萍 付志佳 王德林

1.引言

在全球科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，機(jī)電一體化也成為了一門有著自身體系的新型學(xué)科。其形式多種多樣、功能也各不相同。數(shù)控機(jī)床是高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，它主要由數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、測(cè)量反饋裝置和機(jī)床本體四大部分組成，如圖1所示。

圖1 數(shù)控機(jī)床的組成

圖1中的測(cè)量反饋裝置就是電子檢測(cè)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用。數(shù)控機(jī)床中的測(cè)量反饋裝置是通過現(xiàn)代的測(cè)量元件如：脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵尺、磁尺等，將執(zhí)行元件如（電機(jī)、刀架、工作臺(tái)）等的速度和位移檢測(cè)出來，經(jīng)過相應(yīng)的電路將所測(cè)得的信號(hào)反饋回?cái)?shù)控系統(tǒng)，構(gòu)成半閉環(huán)或全閉環(huán)系統(tǒng)，補(bǔ)償執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)誤差，以達(dá)到提高運(yùn)動(dòng)精度的目的。測(cè)量反饋系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床中不可缺少的重要組成部分，本文主要論述電子檢測(cè)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用。

2.現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)與數(shù)控機(jī)床的關(guān)系

檢測(cè)技術(shù)是自動(dòng)化學(xué)科的重要組成部分之一，是以現(xiàn)代自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用為主要目的，圍繞參數(shù)檢測(cè)和測(cè)量信號(hào)分析等信息獲取處理技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)與應(yīng)用的一門綜合性技術(shù)。

數(shù)控機(jī)床電子檢測(cè)技術(shù)即檢測(cè)反饋裝置系統(tǒng)舉足輕重，不可缺少，猶如人類不能沒有眼睛和耳朵一樣。

2.1 檢測(cè)裝置的功能

數(shù)控機(jī)床中的檢測(cè)裝置的功能是對(duì)機(jī)床加工過程中所需的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成可識(shí)別信號(hào)，傳輸?shù)綑C(jī)床系統(tǒng)信息處理單位，經(jīng)過分析、處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，控制機(jī)床正常運(yùn)行。

數(shù)控機(jī)床之所以能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的零件加工，最主要的原因是采用位置檢測(cè)元件對(duì)機(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測(cè)?，F(xiàn)在常用數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)多為采用反饋控制的隨動(dòng)系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)將其輸出的指令信號(hào)與檢測(cè)元件反饋回來的實(shí)際信號(hào)進(jìn)行比較，最終實(shí)現(xiàn)精確控制位移、速度的目的。數(shù)控系統(tǒng)的檢測(cè)元件（即傳感器）起著測(cè)量和反饋兩個(gè)作用，它發(fā)出的反饋信號(hào)傳給數(shù)控系統(tǒng)或?qū)Ｓ每刂破鳎瑯?gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

2.2 數(shù)控機(jī)床對(duì)檢測(cè)裝置的要求

數(shù)控機(jī)床對(duì)檢測(cè)裝置的精度和相應(yīng)的速度要求不同，對(duì)大型機(jī)床以滿足速度為主，對(duì)中小型機(jī)床以滿足精度為主。檢測(cè)系統(tǒng)的分辨率要比加工精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)，數(shù)控機(jī)床對(duì)測(cè)量裝置主要有以下幾點(diǎn)要求：(1)壽命長(zhǎng)，可靠性高、抗干擾性強(qiáng)；(2)滿足速度、精度和測(cè)量范圍的要求；(3)使用維護(hù)方便，適合機(jī)床運(yùn)行環(huán)境，成本低；(4)易于實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)態(tài)測(cè)量和處理，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

3.數(shù)控機(jī)床中的檢測(cè)裝置

3.1 檢測(cè)裝置的對(duì)象不同

數(shù)控機(jī)床中的檢測(cè)裝置可分為直線位移和角位移檢測(cè)裝置，直線位移檢測(cè)裝置是將檢測(cè)元件直接安裝在數(shù)控機(jī)床的拖板或工作臺(tái)上，直接測(cè)量數(shù)控機(jī)床移動(dòng)部件的直線位移量，該裝置多用于閉環(huán)伺服系統(tǒng)；角位移測(cè)量裝置是將位置檢測(cè)元件安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸或滾珠絲杠上，通過檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)件的角位移來間接測(cè)量數(shù)控機(jī)床移動(dòng)部件的直線位移量，該裝置多用于半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

3.2 檢測(cè)信號(hào)選取型號(hào)不同

數(shù)控機(jī)床中的檢測(cè)裝置可分為數(shù)字式測(cè)量裝置和模擬式測(cè)量裝置。數(shù)字式測(cè)量裝置是將被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換為脈沖個(gè)數(shù)，即數(shù)字形式來表示，檢測(cè)信號(hào)一般是電脈沖，可將其直接送入數(shù)控裝置進(jìn)行比較、處理。數(shù)字式測(cè)量裝置具有信號(hào)處理簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；模擬量測(cè)量裝置是將被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的模擬電量進(jìn)行檢測(cè)，無需量化，但對(duì)信號(hào)處理的方法相對(duì)來說比較復(fù)雜，需增加濾波器等以提高抗干擾性。

3.3 測(cè)量的絕對(duì)值不同

數(shù)控機(jī)床中的檢測(cè)裝置有增量式測(cè)量裝置和絕對(duì)式測(cè)量裝置，增量式測(cè)量裝置它只測(cè)量相對(duì)位移量（位移增量），即每移動(dòng)一個(gè)測(cè)量單位就發(fā)出一個(gè)測(cè)量信號(hào)，在測(cè)量過程中，對(duì)任何一個(gè)點(diǎn)都可作為測(cè)量的起點(diǎn)，而移動(dòng)距離是有測(cè)量信號(hào)計(jì)數(shù)器累加所得，一旦計(jì)數(shù)有誤，則以后測(cè)量所得結(jié)果將完全錯(cuò)誤，比外，在發(fā)生意外故障時(shí)（如斷電），待故障排除后，不能再找到事故前的正確位置，必須將移動(dòng)部件移至始點(diǎn)，重新計(jì)數(shù)才能找到事故前的正確位置，絕對(duì)式測(cè)量裝置時(shí)分辨率要求越高、量程越大、測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。

4.電子檢測(cè)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

4.1 數(shù)控機(jī)床中的檢測(cè)與傳感器

檢測(cè)系統(tǒng)在測(cè)量過程中，首先由傳感器將被測(cè)物理量從研究對(duì)象中檢測(cè)出來并轉(zhuǎn)換成電量，然后輸出。要使數(shù)控機(jī)床中的數(shù)控系統(tǒng)有效地發(fā)揮作用，必須首先借助傳感器獲取機(jī)床運(yùn)行過程中的各種各樣的反饋信息。檢測(cè)系統(tǒng)及組成如圖2所示。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)及組成

將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成為與之相對(duì)應(yīng)的，容易測(cè)量、傳輸或處理的器件，稱之為傳感器。這里傳感器的定義包含三層含義(1)傳感器是一個(gè)測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；(2)在規(guī)定的條件下感受被測(cè)量，如物理量、化學(xué)量和生物量等；(3)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成易于傳輸和處理的電信號(hào)。數(shù)控機(jī)床中的檢測(cè)系統(tǒng)離不開傳感器，它是測(cè)量裝置的輸入環(huán)節(jié)，它的性能直接影響著整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)工作的可靠性。傳感器的最終目的是將非電量（速度、位移等）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚妷?、電流、頻率），如圖3所示。

圖3 傳感器組成框圖

數(shù)控機(jī)床中所用的傳感器種類很多，具體闡述如下：

(1)位移傳感器，主要檢測(cè)數(shù)控機(jī)床中各軸移動(dòng)的距離，如安裝在床身上的光柵尺、讀數(shù)頭，安裝在電機(jī)上的編碼器、感應(yīng)同步尺、旋轉(zhuǎn)變壓器、磁柵尺等。

(2)力傳感器，主要檢測(cè)數(shù)控機(jī)床中液壓?jiǎn)卧膲毫?，風(fēng)壓回路的壓力，以及潤(rùn)滑回路的壓力等。

(3)溫度傳感器，在數(shù)控機(jī)床中是測(cè)量液壓油溫度、冷卻水溫度、配電柜溫度、電機(jī)溫度的，一旦溫度過高，機(jī)床就產(chǎn)生報(bào)警，起到安全保護(hù)作用。

(4)各種流體狀態(tài)的測(cè)量，主要有流量傳感器，用來檢測(cè)機(jī)床正常運(yùn)行液壓系統(tǒng)的流量是否符合要求。

(5)位置傳感器，位置傳感器與位移傳感器不一樣，它所測(cè)量的不是一段距離的變化量，而是通過檢測(cè)，確定是否已到達(dá)某一位置，因此，它只需要產(chǎn)生能反映某種狀態(tài)的開關(guān)量就可以了。位置傳感器分接觸式和接近式兩種，數(shù)控機(jī)床中檢測(cè)各軸的限位開關(guān)，回參考點(diǎn)的減速開關(guān)，開門關(guān)門到位開關(guān)，液位高低檢測(cè)開關(guān)，工作臺(tái)交換系統(tǒng)與刀具交換系統(tǒng)中檢測(cè)位置正確與否的觸點(diǎn)開關(guān)等。

4.2 機(jī)床中檢測(cè)元件的故障分析

在數(shù)控機(jī)床的正常工作中，出現(xiàn)報(bào)警及提示信息，基本是安裝在機(jī)床本體中的各種電子檢測(cè)元件的反饋信息。一種信息是真實(shí)反映機(jī)床的錯(cuò)誤狀態(tài)，提示數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行改正；第二種信息是電子檢測(cè)元件的安裝位置發(fā)生改變，使系統(tǒng)沒有接受到其反饋信號(hào)；第三種信息是電子檢測(cè)元件本身的性能下降或損壞而導(dǎo)致的。

(1)位置檢測(cè)裝置的故障及診斷

數(shù)控機(jī)床中的位置檢測(cè)裝置是決定機(jī)床加工精度的，由于數(shù)控機(jī)床中的位置檢測(cè)元件維護(hù)不當(dāng)使電子檢測(cè)元件被污染，或損壞都會(huì)造成檢測(cè)信號(hào)丟失，影響機(jī)床加工精度或造成停機(jī)。例如：一臺(tái)采用FANUCOITB數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控臥車，每次開機(jī)X軸回參考點(diǎn)后，零點(diǎn)機(jī)械位置都有0.5mm-1.5mm的誤差，該設(shè)備是全閉環(huán)控制，光柵尺為海德漢LS476，增量型，回參考點(diǎn)固定位置，在X軸零點(diǎn)端壓上百分表，每次回零后觀察百分表確實(shí)有誤差，從診斷302號(hào)（從擋塊脫離的位置到第一個(gè)柵格信號(hào)位置的距離）內(nèi)記錄的數(shù)據(jù)看也有變化，正常情況下診斷302號(hào)內(nèi)的數(shù)據(jù)應(yīng)該在每次回零后是固定不變的，檢查回零減速開關(guān)，沒有松動(dòng)，檢測(cè)X軸機(jī)械傳動(dòng)單元，也是正常的，沒有間隙。修改參數(shù)將X軸改為半閉環(huán)控制，開機(jī)回零后，發(fā)現(xiàn)診斷302號(hào)的數(shù)據(jù)不變，懷疑光柵尺有問題，把光柵尺拆下檢測(cè)發(fā)現(xiàn)動(dòng)尺的讀數(shù)頭內(nèi)有冷卻液，線路板有短路發(fā)黑的痕跡，重新更換讀數(shù)頭后，機(jī)床回零位置沒有誤差。

(2)機(jī)床中各種檢測(cè)開關(guān)的故障及診斷

由于電子檢測(cè)元件是有使用壽命的，經(jīng)過幾年的工作，有的電氣元件已經(jīng)老化，無法正常工作，或者由于操作者維護(hù)不當(dāng)造成短路將電子檢測(cè)元件燒壞。例如：一臺(tái)采用SIEMENS810系統(tǒng)數(shù)控升降臺(tái)銑床，開機(jī)后Y軸按正方向鍵回參考點(diǎn)，但是Y軸卻慢速的一直向負(fù)方向運(yùn)行，直到負(fù)反方向超程報(bào)警時(shí)Y軸停止運(yùn)行，沒有找到機(jī)床零點(diǎn)。檢查Y軸回參考點(diǎn)的減速開關(guān)，發(fā)現(xiàn)開關(guān)觸點(diǎn)被壓死，Y軸一直處于減速狀態(tài)，所以不往正方向運(yùn)行，找不到參考點(diǎn)。維修開關(guān)后，Y軸正常回參考點(diǎn)。

5.結(jié)束語

隨著數(shù)控機(jī)床的廣泛普及，掌握數(shù)控系統(tǒng)中的檢測(cè)技術(shù)顯得十分重要，尤其是傳感器檢測(cè)技術(shù)。傳感器檢測(cè)裝置是數(shù)控機(jī)床的感覺器官，即從待測(cè)對(duì)象那里獲取能反映待測(cè)對(duì)象特征與狀態(tài)的信息。它是數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，檢測(cè)元件是數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的重要組成部分，它的作用是檢測(cè)機(jī)床的各種外部信息，向控制裝置發(fā)送反饋信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)控制。檢測(cè)環(huán)節(jié)的精度決定數(shù)控機(jī)床的加工精度，因此，為了提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，為了更好地維護(hù)、維修數(shù)控機(jī)床，大力開展對(duì)電子檢測(cè)技術(shù)的研究具有十分重要的意義。

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