現(xiàn)代檢測技術(shù)在數(shù)控機床中的應(yīng)用

中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司 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)控機床是高度機電一體化的產(chǎn)品，它主要由數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動裝置、測量反饋裝置和機床本體四大部分組成，如圖1所示。

圖1 數(shù)控機床的組成

圖1中的測量反饋裝置就是電子檢測技術(shù)在數(shù)控機床中的應(yīng)用。數(shù)控機床中的測量反饋裝置是通過現(xiàn)代的測量元件如：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、刀架、工作臺）等的速度和位移檢測出來，經(jīng)過相應(yīng)的電路將所測得的信號反饋回數(shù)控系統(tǒng)，構(gòu)成半閉環(huán)或全閉環(huán)系統(tǒng)，補償執(zhí)行機構(gòu)的運動誤差，以達到提高運動精度的目的。測量反饋系統(tǒng)是數(shù)控機床中不可缺少的重要組成部分，本文主要論述電子檢測技術(shù)在數(shù)控機床中的應(yīng)用。

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

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

數(shù)控機床電子檢測技術(shù)即檢測反饋裝置系統(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 檢測裝置的功能

數(shù)控機床中的檢測裝置的功能是對機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)進行檢測并轉(zhuǎn)換成可識別信號，傳輸?shù)綑C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，控制機床正常運行。

數(shù)控機床之所以能夠?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元件對機床移動部件的實際位置進行檢測。現(xiàn)在常用數(shù)控機床的控制系統(tǒng)多為采用反饋控制的隨動系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)將其輸出的指令信號與檢測元件反饋回來的實際信號進行比較，最終實現(xiàn)精確控制位移、速度的目的。數(shù)控系統(tǒng)的檢測元件（即傳感器）起著測量和反饋兩個作用，它發(fā)出的反饋信號傳給數(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)控機床對檢測裝置的要求

數(shù)控機床對檢測裝置的精度和相應(yīng)的速度要求不同，對大型機床以滿足速度為主，對中小型機床以滿足精度為主。檢測系統(tǒng)的分辨率要比加工精度高一個數(shù)量級，數(shù)控機床對測量裝置主要有以下幾點要求：(1)壽命長，可靠性高、抗干擾性強；(2)滿足速度、精度和測量范圍的要求；(3)使用維護方便，適合機床運行環(huán)境，成本低；(4)易于實現(xiàn)高速動態(tài)測量和處理，易于實現(xiàn)自動化。

3.數(shù)控機床中的檢測裝置

3.1 檢測裝置的對象不同

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

3.2 檢測信號選取型號不同

數(shù)控機床中的檢測裝置可分為數(shù)字式測量裝置和模擬式測量裝置。數(shù)字式測量裝置是將被測位移量轉(zhuǎn)換為脈沖個數(shù)，即數(shù)字形式來表示，檢測信號一般是電脈沖，可將其直接送入數(shù)控裝置進行比較、處理。數(shù)字式測量裝置具有信號處理簡單、抗干擾性強等優(yōu)點；模擬量測量裝置是將被測位移量轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的模擬電量進行檢測，無需量化，但對信號處理的方法相對來說比較復(fù)雜，需增加濾波器等以提高抗干擾性。

3.3 測量的絕對值不同

數(shù)控機床中的檢測裝置有增量式測量裝置和絕對式測量裝置，增量式測量裝置它只測量相對位移量（位移增量），即每移動一個測量單位就發(fā)出一個測量信號，在測量過程中，對任何一個點都可作為測量的起點，而移動距離是有測量信號計數(shù)器累加所得，一旦計數(shù)有誤，則以后測量所得結(jié)果將完全錯誤，比外，在發(fā)生意外故障時（如斷電），待故障排除后，不能再找到事故前的正確位置，必須將移動部件移至始點，重新計數(shù)才能找到事故前的正確位置，絕對式測量裝置時分辨率要求越高、量程越大、測量裝置的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。

4.電子檢測技術(shù)在數(shù)控機床中的應(yīng)用

4.1 數(shù)控機床中的檢測與傳感器

檢測系統(tǒng)在測量過程中，首先由傳感器將被測物理量從研究對象中檢測出來并轉(zhuǎn)換成電量，然后輸出。要使數(shù)控機床中的數(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床運行過程中的各種各樣的反饋信息。檢測系統(tǒng)及組成如圖2所示。

圖2 檢測系統(tǒng)及組成

將被測物理量轉(zhuǎn)換成為與之相對應(yīng)的，容易測量、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)傳感器是一個測量裝置，能完成檢測任務(wù)；(2)在規(guī)定的條件下感受被測量，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。數(shù)控機床中的檢測系統(tǒng)離不開傳感器，它是測量裝置的輸入環(huán)節(jié)，它的性能直接影響著整個測量系統(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妷骸㈦娏鳌㈩l率），如圖3所示。

圖3 傳感器組成框圖

數(shù)控機床中所用的傳感器種類很多，具體闡述如下：

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

(2)力傳感器，主要檢測數(shù)控機床中液壓單元的壓力，風壓回路的壓力，以及潤滑回路的壓力等。

(3)溫度傳感器，在數(shù)控機床中是測量液壓油溫度、冷卻水溫度、配電柜溫度、電機溫度的，一旦溫度過高，機床就產(chǎn)生報警，起到安全保護作用。

(4)各種流體狀態(tài)的測量，主要有流量傳感器，用來檢測機床正常運行液壓系統(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，它所測量的不是一段距離的變化量，而是通過檢測，確定是否已到達某一位置，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)控機床中檢測各軸的限位開關(guān)，回參考點的減速開關(guān)，開門關(guān)門到位開關(guān)，液位高低檢測開關(guān)，工作臺交換系統(tǒng)與刀具交換系統(tǒng)中檢測位置正確與否的觸點開關(guān)等。

4.2 機床中檢測元件的故障分析

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

(1)位置檢測裝置的故障及診斷

數(shù)控機床中的位置檢測裝置是決定機床加工精度的，由于數(shù)控機床中的位置檢測元件維護不當使電子檢測元件被污染，或損壞都會造成檢測信號丟失，影響機床加工精度或造成停機。例如：一臺采用FANUCOITB數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控臥車，每次開機X軸回參考點后，零點機械位置都有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，回參考點固定位置，在X軸零點端壓上百分表，每次回零后觀察百分表確實有誤差，從診斷302號（從擋塊脫離的位置到第一個柵格信號位置的距離）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，檢測X軸機械傳動單元，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，開機回零后，發(fā)現(xiàn)診斷302號的數(shù)據(jù)不變，懷疑光柵尺有問題，把光柵尺拆下檢測發(fā)現(xiàn)動尺的讀數(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，機床回零位置沒有誤差。

(2)機床中各種檢測開關(guān)的故障及診斷

由于電子檢測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不當造成短路將電子檢測元件燒壞。例如：一臺采用SIEMENS810系統(tǒng)數(shù)控升降臺銑床，開機后Y軸按正方向鍵回參考點，但是Y軸卻慢速的一直向負方向運行，直到負反方向超程報警時Y軸停止運行，沒有找到機床零點。檢查Y軸回參考點的減速開關(guān)，發(fā)現(xiàn)開關(guān)觸點被壓死，Y軸一直處于減速狀態(tài)，所以不往正方向運行，找不到參考點。維修開關(guān)后，Y軸正常回參考點。

5.結(jié)束語

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

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