譚立崗

（中國北車集團 大同電力機車有限責(zé)任公司，山西 大同 037038）

1 數(shù)控機床中應(yīng)用的開關(guān)量傳感器種類

數(shù)控系統(tǒng)作為數(shù)控機床的大腦和中樞，通常由人機界面、數(shù)字控制以及機床邏輯控制（PLC）這三個功能部件構(gòu)成。而開關(guān)量傳感器又是機床邏輯控制的組成部分，作為輸入信號傳輸給PLC，通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)機床的邏輯控制，如主軸的換檔控制、液壓系統(tǒng)控制、冷卻潤滑系統(tǒng)控制、自動換刀控制等。在數(shù)控機床中主要應(yīng)用的開關(guān)量傳感器有行程傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器。

1.1 行程傳感器的應(yīng)用

行程傳感器是一種由物體的位移來決定電路通斷的開關(guān)，又叫行程開關(guān)，可以安裝在相對靜止或運動的物體上。當(dāng)動物或靜物接近或接觸開關(guān)時，開關(guān)動作，改變原有狀態(tài)。行程傳感器在數(shù)控機床中的應(yīng)用主要有接觸式和接近式兩種。

接觸式行程傳感器有直動式和滾輪式兩種，其工作原理都是通過動物或靜物接觸傳感器的觸頭，使常開常閉觸點動作。接觸式行程傳感器價格較低，但體積較大，主要應(yīng)用在數(shù)控機床安裝較方便的地方，如各軸的參考點及超程限位、電氣柜和安全欄的門開關(guān)等。圖1 為接觸式行程傳感器在數(shù)控加工中心參考點和超程檢測功能中的應(yīng)用。

接觸式行程傳感器在數(shù)控機床使用過程中，由于其結(jié)構(gòu)原因，可能出現(xiàn)觸點卡死、進水短路和觸點腐蝕等故障。

接近式行程傳感器又叫接近開關(guān)，是利用傳感器對接近物體的敏感特性來達到控制開關(guān)通或斷的目的，常見的接近開關(guān)有渦流式、電容式、霍爾式、光電式4種。渦流式接近開關(guān)也叫電感式接近開關(guān)，它是利用導(dǎo)電物體在接近這個能產(chǎn)生電磁場的接近開關(guān)時，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個渦流反作用到接近開關(guān)，使開關(guān)內(nèi)部電路參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無導(dǎo)電物體接近，進而控制開關(guān)的通或斷。該接近開關(guān)所能檢測的物體必須是導(dǎo)電體。電容式接近開關(guān)的測量通常是構(gòu)成電容器的一個極板，而另一個極板是開關(guān)的外殼。該外殼在測量過程中通常是接地或與設(shè)備的機殼相連接。當(dāng)有物體移向接近開關(guān)時，不論它是否為導(dǎo)體，由于它的接近，總要使電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而使電容量發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，由此便可控制開關(guān)的接通或斷開。該接近開關(guān)檢測的對象不僅限于導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物等。霍爾式接近開關(guān)是利用霍爾元件做成的開關(guān)?；魻栐且环N磁敏元件，當(dāng)磁性物體移近霍爾開關(guān)時，開關(guān)檢測面上的霍爾元件因產(chǎn)生霍爾效應(yīng)而使開關(guān)內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識別附近存在磁性物體，進而控制開關(guān)的通或斷，這種接近開關(guān)的檢測對象必須是磁性物體。光電式接近開關(guān)是利用光電效應(yīng)做成的開關(guān)。將發(fā)光器件與光電器件按一定方向裝在同一個檢測頭內(nèi)，當(dāng)有反光面（被檢測物體）接近時，光電器件接收到反射光后便有信號輸出，由此便可“感知”有物體接近。

接近開關(guān)有兩線、三線之分，三線制的有PNP、NPN兩種接法，分別對應(yīng)相應(yīng)的PLC輸入點。接線時可以根據(jù)線的顏色區(qū)分，棕色或者紅色接電源正極，藍色接電源負極，黑色接輸入信號。常用的接近開關(guān)可分為4類：NPN-NO、NPN-NC、PNP-NO 與 PNPNC（三條引線，電源線L＋與L－，信號輸出線）。NPN是指當(dāng)有觸發(fā)信號時，信號輸出線動作于L＋這條高電平的電源線。對于NO型，在沒有觸發(fā)信號時，輸出線是懸空的，有觸發(fā)時則發(fā)出與L＋電源線相同的電平（實際是這兩條線連通了）。對于NC型，在沒有觸發(fā)信號時，信號輸出線與L＋電源線是連通的（同電平），當(dāng)有觸發(fā)信號后，輸出線就懸空了（相當(dāng)于與L＋電源線斷開了）。對于PNP型傳感器來說，信號輸出線是作用于L－這條低電平的電源線的，其中NO和NC型的原理與上述一致。

接近開關(guān)由于體積小、防水、耐腐蝕、安裝靈活等特點，在數(shù)控機床中應(yīng)用最多，如在自動換刀系統(tǒng)、主軸換檔、自動工作臺交換、冷卻潤滑循環(huán)系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)較緊湊部件中。圖2 為渦流式接近開關(guān)在數(shù)控加工中心自動換刀系統(tǒng)中的應(yīng)用。

圖1 接觸式行程傳感器在數(shù)控加工中心的應(yīng)用

圖2 渦流式接近開關(guān)在數(shù)控加工中心中的應(yīng)用

接近開關(guān)在數(shù)控機床使用過程中，安裝在動的部件上時，由于震動等原因容易出現(xiàn)松動撞毀開關(guān)，偶爾也出現(xiàn)內(nèi)部觸點故障需要更換開關(guān)。

1.2 壓力傳感器的應(yīng)用

開關(guān)量壓力傳感器又叫壓力開關(guān)，其工作原理是：當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)壓力高于或低于額定的安全壓力時，感應(yīng)器內(nèi)碟片瞬時發(fā)生移動，通過連接導(dǎo)桿推動開關(guān)接頭接通或斷開；當(dāng)壓力降或升至額定的恢復(fù)值時，碟片復(fù)位，開關(guān)自動復(fù)位?；蛘吆唵蔚卣f是當(dāng)被測壓力超過額定值時，彈性元件的自由端產(chǎn)生位移，直接或經(jīng)過比較后推動開關(guān)元件，改變開關(guān)元件的通斷狀態(tài)，達到控制被測壓力的目的。壓力開關(guān)采用的彈性元件有單圈彈簧管、膜片、膜盒及波紋管等。

壓力開關(guān)主要應(yīng)用在數(shù)控機床的液壓和風(fēng)壓系統(tǒng)中，起監(jiān)測保護作用，以保證數(shù)控機床各液壓或風(fēng)壓移動部件正常運行。對用蓄能器起平衡作用的數(shù)控機床，為了監(jiān)測蓄能器內(nèi)的壓力，用壓力開關(guān)檢測以保障平衡狀態(tài)。圖3 為壓力開關(guān)在數(shù)控加工中心液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1.3 溫度傳感器的應(yīng)用

開關(guān)量溫度傳感器又叫溫度開關(guān)，是一種用雙金屬片作為感溫元件，根據(jù)所要控制對象的溫度來決定通斷的開關(guān)。雙金屬片由上層的高錳合金和下層的殷鋼組成，前者的膨脹系數(shù)是后者的幾十倍，分別稱為主動層和被動層，在正常溫度下雙金屬片處于自由狀態(tài)，觸點處于閉合或斷開狀態(tài)；當(dāng)溫度升高時，主動層膨脹的比被動層多，雙金屬片彎曲，當(dāng)達到一定程度時觸點斷開或閉合；溫度降低到一定程度時雙金屬片恢復(fù)，同時觸點也恢復(fù)。

溫度開關(guān)主要應(yīng)用在數(shù)控機床的液壓冷卻系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)中。在液壓冷卻系統(tǒng)中溫度開關(guān)檢測的是液壓油或其他冷卻介質(zhì)的溫度，當(dāng)高于設(shè)定值時開關(guān)動作，系統(tǒng)報警或制冷機工作；當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定值時開關(guān)動作，系統(tǒng)報警或?qū)ζ溥M行加熱，滿足溫度后機床正常工作。在空調(diào)系統(tǒng)主要是對電氣柜內(nèi)的溫度調(diào)整，電氣柜內(nèi)電器元件工作產(chǎn)生大量的熱，而電氣柜為了防塵密封效果好，其散熱效果差，高溫會加快電器元件的老化，因此，大多數(shù)數(shù)控機床電氣柜都加有空調(diào)，但為了確保電氣柜內(nèi)的溫度，有的廠家還在電氣柜內(nèi)加設(shè)了溫度開關(guān)，當(dāng)超出設(shè)定溫度時開關(guān)動作，系統(tǒng)報警。圖4 為數(shù)控機床電氣柜內(nèi)加設(shè)的溫度開關(guān)。

圖4 數(shù)控機床電氣柜內(nèi) 加設(shè)的溫度開關(guān)

圖3 壓力開關(guān)在數(shù)控加工中心液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用

2 數(shù)控機床中開關(guān)量傳感器故障的排除

當(dāng)開關(guān)量傳感器引起系統(tǒng)報警時，有的機床廠家報警信息做的好，直接給出報警點，可直接檢查故障點排除故障。但有的廠家報警信息很模糊或只有報警號沒有報警信息，這就需要維修人員對可能引起報警的各開關(guān)進行檢查。以一臺數(shù)控加工中心系統(tǒng)報警“自動換刀故障”為例。當(dāng)看到報警時應(yīng)查看換刀動作的完成情況，檢查當(dāng)前位置的各開關(guān)狀態(tài)來判斷故障。檢查各開關(guān)的狀態(tài)不應(yīng)以開關(guān)的指示燈或觸頭狀態(tài)來判斷，應(yīng)按圖5 的流程逐步排除，最終找到故障點，避免走彎路。

圖5 檢查開關(guān)狀態(tài)的流程圖

一臺數(shù)控鏜床，配備西門子840D系統(tǒng)，故障現(xiàn)象為：開機回參考點時X軸向相反方向移動，直到超程報警。懷疑是回參考點的減速行程開關(guān)故障，人為動作開關(guān)看PLC的指示燈有反應(yīng)，因此判斷此路開關(guān)沒問題。隨后更改了X軸移動方向參數(shù)，又懷疑光柵尺，更改為半閉環(huán)還是不行，最后查圖紙找到此開關(guān)量的PLC輸入地址，在系統(tǒng)中查看開關(guān)狀態(tài)是錯誤的，判斷是PLC輸入模塊的內(nèi)部點故障，模塊更換故障排除。

3 結(jié)語

開關(guān)量傳感器在數(shù)控機床中的應(yīng)用是機床實現(xiàn)自動控制的重要組成部分，對其發(fā)揮不同作用的傳感器原理進行了解，對數(shù)控維修人員安裝調(diào)節(jié)開關(guān)、購買備件、國產(chǎn)化替代等工作有很大的幫助。對由于傳感器引起的故障，按照上述方法可以有效地判斷故障。

［1］余仲裕.數(shù)控機床維修［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2001.

［2］孫寶元，楊寶清.傳感器及其應(yīng)用手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［3］劉愛華，滿寶元.傳感器原理與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社，2007.