传感器在机械制造中的应用

在机械制造中，传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。在机械制造测试系统中，被作为一次仪表定位，其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。具体地说，传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置。如果没有传感器对被测的原始信息进行准确可靠的捕获和转换，一切准确的测试与控制都将无法实现；即使最现代化的电子计算机，没有准确的信息（或转换可靠的数据）、不失真的输入，也将无法充分发挥其应有的作用。

在机械制造中的应用，高品质传感器的主要特性体现为：

*寿命长，可靠性高，抗干扰能力强；
*满足精度和速度要求；
*使用维护方便，适合机床运行环境；
*成本低；
*便于与计算机联接。

切削过程和机床运行过程的传感技术

切削过程传感检测的目的在于优化切削过程的生产率、制造成本或（金属）材料的切除率等。切削过程传感检测的目标有切削过程的切削力及其变化、切削过程颤震、刀具与工件的接触和切削时切屑的状态及切削过程辨识等，而最重要的传感参数有切削力、切削过程振动、切削过程声发射、切削过程电机的功率等。

对于机床的运行来讲，主要的传感检测目标有驱动系统、轴承与回转系统、温度的监测与控制及安全性等，其传感参数有机床的故障停机时间、被加工件的表面粗糙度和加工精度、功率、机床状态与冷却润滑液的流量等。

图1所示是采用声波原理制成的粘度传感器，用于实时在线检测重要机床的冷却润滑液粘度，以确保加工品质。声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。因此，当声波通过不同粘度的冷却润滑液时，声波能量的衰减就可以定性表示为粘度的直接变化。

图1、粘度传感器的工作状况

图2所示是用于检测机床加工速度和位置的光电编码传感器，简称编码器。它是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图3所示，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前机床传动电动机的转速。

图2、光电编码传感器

图3、光电编码器原理

工件的过程传感

与刀具和机床的过程监视技术相比，工件的过程监视是研究和应用得更早、更多。它们多数以工件加工质量控制为目标。20世纪80年代以来，工件识别和工件安装位姿监视要求也提到日程上来。

粗略地讲，工序识别是为辨识所执行的加工工序是否是工（零）件加工要求的工序；工件识别是辨识送入机床待加工的工件或者毛坯是否是要求加工的工件或毛坯，同时还要求辨识工件安装的位姿是否符合工艺规程要求。

此外 还可以利用工件识别和工件安装监视传感待加工毛坯或工件的加工裕量和表面缺陷。完成这些识别与监视将采用或开发许多传感器，如基于TV或CCD的机器视觉传感器、激光表面粗糙度传感系统等。

图4是美国AB公司的ColorSight_9000系列颜色传感器，它具有自学习功能，能主动识别工件的颜色。颜色传感器主要用来识别颜色，也就是用来判断工件被检测到的颜色与所期望的颜色是否一致。颜色传感器可以大致知道所测颜色的色度等，但并不像分光器那样可用于测量色度的绝对值。颜色传感器的结构主要包括光电二极管与彩色滤光器。其工作原理是，通过彩色滤光器将所测得的颜色分解成RGB值，然后通过光电二极管分别检测各色的强度。由于颜色传感器具有颜色识别功能，所以设备厂商可以将其运用到各种各样的应用中，包括机械制造行业。只要是与颜色相关的行业，都可以考虑使用颜色传感器。对于设备商来说，这一情况也意味着他们拥有更多的机会。只要运用得当，就有可能生产出匪夷所思的产品。甚至，只需设备商的一个构想，颜色传感器就有可能成为产品差异化的关键所在。

图4、机床加工用的颜色传感器

除了颜色传感器外，视觉传感器是应用较多的一种，图5所示为机床加工应用中的视觉传感器。

图5、工作中的视觉传感器

从原理上来说，视觉传感器具有从一整幅图像捕获光线的数以千计的像素，其图像的清晰和细腻程度通常用分辨率来衡量，以像素数量表示，比如Banner工程公司提供的部分视觉传感器能够捕获130万像素。因此，无论距离目标数米或数厘米远，传感器都能“看到”十分细腻的目标图像。

在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。例如，若视觉传感器被设定为辨别正确地插有八颗螺栓的机器部件，则传感器知道应该拒收只有七颗螺栓的部件，或者螺栓未对准的部件。此外，无论该机器部件位于视场中的哪个位置，无论该部件是否在360度范围内旋转，视觉传感器都能做出判断。

在机械制造中，复杂的视觉系统是一项成熟的技术，它可执行细致的自动检验。与光电传感器相比，视觉传感器赋予机器设计者更大的灵活性。以往需要多个光电传感器的应用，现在可以用一个视觉传感器来检验多项特征。视觉传感器能够检验大得多的面积，并实现了机械制造中更佳的目标位置和方向灵活性，这使视觉传感器在某些原先只有依靠光电传感器才能解决的应用中受到广泛欢迎。在传统上，这些应用还需要昂贵的配件，以及能够确保目标物体始终以同一位置和姿态出现的精确运动控制。

刀具或砂轮的检测传感

切削与磨削过程是重要的材料切除过程。刀具与砂轮磨损到一定限度（按磨钝标准判定）或出现破损（破损、崩刃、烧伤、塑变或卷刀的总称），使它们失去切磨削能力或无法保证加工精度和加工表面完整性时，称为刀具/砂轮失效。工业统计证明，刀具失效是引起机床故障停机的首要因素，由其引起的停机时间占NC类机床的总停机时间的1/5至1/3。此外，它还可能引发设备或人身安全事故，甚至是重大事故。

以某刀具传感器及其应用系统为例，切削加工过程中刀具所受的负载与很多因素有关，根据在线检测的要求，仅考虑几个较大的影响因素，即主轴转速、进给速度、切削深度、加工材料的切削性能等多个因素，通过刀具负载的模型即可测算出该刀具的寿命及磨损程度。