毕业设计（论文）数控车床主轴组件监控系统的设计.doc

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1、 数控车床主轴组件监控系统的设计【摘要】 机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的主要标志之一，机械工业肩负着为国民经济各个部门提供技术装备和促进技术改造的重要任务，在现代化建设的进程中起着主导和决定性的的作用。因此，近些年来，数控机床被广泛的应用于我国的制造业，在国内工业发达的地区已经得到普及，由此对社会生产力的提高起着巨大的推动作用。数控车床是数控机床中基本设备之一，随着制造业高效率、高精度、高柔性发展的需要，人们对数控车床提出了越来越高的要求，而主轴是数控车床的重要组成部分，主轴的运转状态的好坏关系到加工质量，随着检测技术和计算机技术的发展，通过用传感器对数控车床主轴的主要参数的测量

2、，从而了解数控机床的运转状态，现用加速度传感器和磁电式转速传感器对数控车床主轴的振动与转速进行测量，将信号通过放大，滤波，采集等中间电路传输给转换器，通过转换器将模拟信号转换为数字信号，再将其通过单片机传输给计算机，观察计算机上的界面来了解数控车床主轴的运转状态。【关键词】 数控机床，数控车床，主轴，传感器，转换器，单片机CNC lathe spindle component monitoring system designLiu Le(Grade02,Class5,Major : Mechanical design and manufacturing and automation, Mech

3、anical engineering department, Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，Shaanxi）tutor:huang chong liAbstract: Mechanical industry production level is a national modernization level, the main mark of mechanical industry shouldering each department for national economy to provide technical equ

4、ipment and promote technological transformation is an important task in the process of modernization, plays a decisive role in leading and. Therefore, in recent years, the CNC machine is widely applied in our manufacturing, industrial developed area in China, which has gained popularity of social pr

5、oductivity improvement plays a great role in promoting. CNC lathe is one of basic CNC equipment manufacturing, with high efficiency, high precision, high flexibility to the needs of the development of CNC lathe, people put forward higher request, and CNC lathe spindle is an important part of the ope

6、ration state, good quality, with the relationship to processing and computer technology development, through the use of CNC lathe spindle sensor measurements of the main parameters, and understand the operation state, CNC using magnetoelectric sensor and the acceleration of CNC lathe spindle speed s

7、ensor measurements of vibration and rotational speed, the signal, filtering, acquisition by amplifying circuit transmission among such to the A/D converter, through the simulation signal converter will convert digital signal, the single-chip computer, transmission through observation on the computer

8、 interface to understand CNC lathe spindle operation condition.Key words： CNC machine, CNC lathe, spindle, sensor, A/D converter, SCM目 录1.前言.11.1数控机床的发展情况.11.2问题的提出及解决方案.22.数控车床.32.1数控机床的工作原理、组成.32.2数控车床的组成.42.3数控车床的工作过程.52.4数控车床的特点.62.5数控车床的主轴部件的参数.82.6测量量的选择.93.传感器选择及信号处理.113.1传感器的选择原则.113.2传感器的选择

9、.133.2.1用加速度传感器测振动.133.2.2用磁电式传感器测转速.143.2.3用扭矩传感器测量扭矩.153.2.4用电涡流位移传感器测量位移.163.3信号的处理183.3.1信号的过滤183.3.2信号的放大183.4电路的设计193.4.1用加速度传感器测振动的电路193.4.2磁电式转速传感器测转速电路213.4.3用应变式扭矩传感器测扭矩电路214.接口电路的设计234.1A/D转换器234.1.1A/D转换器的工作原理234.1.2 A/D转换器的主要技术参数244.2 A/D转换器的选择254.2.1 ADC0809的内部结构264.2.2信号引脚274.3单片机的选择2

10、84.4 MCS-51单片机与ADC0809的接口的连接284.5通讯接口的选择.295.实验测量305.1软件简介305.2测量实验305.2.1用加速度传感器测振动325.2.2用磁电式传感器测转速35总 结.38致 谢39参考文献401.前言1.1数控机床的发展情况工业技术的发展水平是衡量一个国家技术水平的重要标志之一，在一定程度上反映了该国的技术经济实力。因此，工业发达国家和地区对机电一体化技术都十分重视，从政府到企业都制定了相应的发展战略。我国对机电一体化的研究虽起步较晚，但发展速度较快，尤其是在我国加入WTO以后，面对国际市场激烈竞争的新形势，已充分认识到机电一体化对我国经济发展的

11、重要战略意义。任何事物的产生和发展，都离不开科技进步和社会需求这两大前提。科技进步是新事物产生的基础，社会需求则是其产生的诱因和发展动力。科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一。随之，数控机床成为发展的趋势。数控机床综合了当今世界上许多领域最新的技术成果，主要包括精密机械、计算机及信息处理、自动控制及伺服驱动、精密检测及传感、网络通信等技术。数控机床即是采用了数控技术的机床，或者说装备了数控系统的机床。从应用来说，数控机床就是将加工过程所需的各种操作（如主轴变速、松夹工件、进到与退刀、开车与停车、选择刀

12、具、供给冷却液等）和步骤，以及刀具与工件之间的相对位移量都用数字化的代码来表示，通过控制介质将数字信息送入专用的或通用的计算机，计算机对输入的信息进行处理与运算，发出各种指令来控制机床的伺服系统或其他执行元件，使机床自动加工出所需要的零件。数控机床与其他自动机床的显著区别在于当加工对象改变时，除了重新装夹工件和更换刀具之外，只需要更换新的控制介质，不需要对机床做任何调整。数控机床制造业是关系到国家战略地位和体现国家综合国力的基础产业，其技术水平的高低和拥有量的多少是衡量一个国家工业化的重要标志。由于数控机床的优点是现代社会发展的需要，因此，近些年来，数控机床被广泛的应用于我国的制造业，在国内工

13、业发达的地区已经得到普及，由此对社会生产力的提高起着巨大的推动作用。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。1.2问题的提出及解决方案但随着数控机床在运行一段时间后，其某些元件或机器部件难免会出现一些问题，这就对工件的加工质量有一定程度的影响，甚至不能满足生产需要，这就需要在加工过程中对机床的某些部件进行一定的监测，通过观察某些参数的变化，用来得知机床是否运转状态良好，对加工工件的质量

14、有无影响，加工出来的零件能否满足所需要求。而主轴是机床的重要组成部分，主轴运行状态的好坏关系到加工的质量。随着检测技术和计算机技术的发展，通过对机床主轴的主要参数的测量和运行状态进行描述，从而尽早的发现零部件的缺陷以及故障预测，使人们把故障消灭在故障发生前。 本次设计的目的就是利用传感器对数控车床主轴组件进行监测，将测量的信号进行处理，然后将测量的信号送入A/D转换器，经转换器将模拟信号转换为数字信号，再将信号传输给单片机，最后导入计算机进行观察所测量的信号来掌握主轴的运转状态，看机床是否运转状态良好，被加工的零件能否满足生产的要求。2.数控车床2.1数控机床的工作原理、组成数控机床是按照预先

15、编好的程序进行加工的，在加工过程中不需个人参与，故对数控机床的结构要求精密、完善且能够长时间稳定可靠的工作，以满足重复加工过程的需要。在数控机床发展的最初阶段，人们通常将传统机床装备上数控装置，或将通用机床进行局部改进后就认为是一台很好的数控机床。随着数控技术的发展，对数控机床的生产的效率，加工精度和使用寿命提出了更高的要求。因此，传统机床自身的一些弱点就越来越明显，例如结构刚性不足，抗振性差，滑动面的摩擦阻力较大以及传动元件中的间隙影响等，传统机床的某些基本结构限制了数控机床技术性能的发挥，因此，现代数控机床(如图2.1)在机械结构上许多地方与普通机床显著不同。 图2.1 数控机床数控机床加

16、工工件的工作过程如图2.2所示，首先对被加工的零件及其毛坯进行分析，根据工件图样要求，制定工件加工的工艺过程，具体包括确定有关基准、选择加工方案、选择刀具和切削用量、制定补偿方案及确定工艺指令等。然后用规定的代码和程序格式将他们编制成加工程序，并记录在信息载体上，或者外部计算机的硬盘上。加工时，由系统输入装置或直接从外部计算机将加工程序输入或调入数控装置，数控系统对信息进行处理和运算后，向伺服系统输出响应的指令信号，伺服系统便安排指令驱动运动部件按照预定的轨迹运动，从而自动加工出所要求的合格工件。图2.2 数控机床加工工件的工作过程数控机床加工零件与普通机床加工零件有所不同。普通机床加工零件是

17、操作者依据工艺规程或者工程图样的要求，不断改变刀具与工件之间的相对运动参数，使刀具对工件进行加工，加工的工作过程如图2.3所示： 图2.3 普通机床加工工件的工作过程数控机床的加工，是把刀具与工件的运动轨迹按坐标分割成一些最小的单位量，即最小位移量，由数控系统按照零件程序的要求，用这些最小位移量控制刀具运动轨迹，从而实现刀具与工件的相对运动，完成对零件的加工。数控机床由程序编制及程序载体、输入装置、数控装置（CNC）、伺服驱动及位置检测、辅助控制装置、机床本体等几部分组成。图2.4 数控机床的组成2.2数控车床的组成数控机床一般由输入输出设备、CNC装置（或称CN C单元）、 伺服单元、驱动装

18、置（或称执行机构）及电气控制装置、辅助装置、机床本体、测量反馈装置等组成。(1)机床本体数控车床由于切削用量大、连续加工发热量大等因素对加工精度有一定影响，加工中又是自动控制，不能像在普通车床那样由人工进行调整、补偿，所以其设计要求比普通机床更严格，制造要求更精密，采用了许多新结构，以加强刚性、减小热变形、提高加工精度。(2)数控装置数控装置是数控系统的核心，主要包括微处理器CPU、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与数控系统的其他组成部分联系的各种接口等。数控机床的数控系统完全由软件处理输入信息，可处理逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。(3)输入/输出设备键盘、磁盘机

19、等是数控机床的典型输入设备。除此以外，还可以用串行通信的方式输入。(4)伺服单元伺服单元是数控装置和机床本体的联系环节，它将来自数控装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据接收指令的不同，伺服单元有数字式和模拟式之分，而模拟式伺服单元按电源种类又可分为直流伺服单元和交流伺服单元。(5)驱动装置驱动装置把经放大的指令信号转变为机械运动，通过机械传动部件驱动机床主轴、刀架、工作台等精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动， 最后加工出图纸所要求的零件。和伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。伺服单元和驱动装置合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置，数控装

20、置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施。所以，伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。从某种意义上说，数控机床功能的强弱主要取决于数控装置，而数控机床性能的好坏主要取决于伺服驱动系统。2.3数控车床的工作过程数控车床的工作过程如图2.5所示。图2.5 数控车床的工作过程 （1）首先根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。（2）用规定的程序代码和格式规则编写零件加工程序单；或用自动编程软件进行CAD/CAM工作，直接生成零件的加工程序文件。（3）将加工程序的内容以代码形式完整记录在信息介质（如穿孔带或磁带）上。（4）通过阅读机把信息介质上的代码转变为电信号，并输送给数控装置。由手

21、工编写的程序，可以通过数控机床的操作面板输入程序；由编程软件生成的程序，通过计算机的串行通信接口直接传输到数控机床的数控单元（MCU）。（5）数控装置将所接受的信号进行一系列处理后，再将处理结果以脉冲信号形式向伺服系统发出执行的命令。（6）伺服系统接到执行的信息指令后，立即驱动车床进给机构严格按照指令的要求进行位移，使车床自动完成相应零件的加工。2.4数控车床的特点（1）适应性强当改变加工零件时，数控车床只需更换零件加工的NC程序，不必用凸轮、靠模、样板或其它模具等专用工艺装备，且可采用成组技术的成套夹具。因此，生产准备周期短，有利于机械产品的迅速更新换代。所以，数控机床的适应性非常强。（2）

22、适合加工复杂型面的零件由于数控机床能实现多个坐标的联动，所以数控机床能完成复杂型面的加工，特别是对于可用数学方程式和坐标点表示的形状复杂的零件，加工非常方便。（3）加工质量稳定对于同一批零件，由于使用同一机床和刀具及同一加工程序，刀具的运动轨迹完全相同， 且数控机床是根据数控程序自动进行加工，可以避免人为的误差，这就保证了零件加工的一致性好且质量稳定。（4）生产效率高 数控机床上可以采用较大的切削用量，有效地节省了机动工时。还有自动换速、自动换刀和其他辅助操作自动化等功能，使辅助时间大为缩短，而且无需工序间的检验与测量，所以，比普通机床的生产率高34倍，甚至更高。 数控机床的主轴转速及进给范围

23、都比普通机床大。目前数控机床的最高进给速度可达到100m/min以上，最小分辨率达0.01m。数控机床的加工时间利用率高达90%，而普通机床仅为30%50% 。（5）加工精度高数控机床有较高的加工精度，一般在0.0050.01mm之间。数控机床的加工精度不受零件复杂程度的影响，机床传动链的反向齿轮间隙和丝杠的螺距误差等都可以通过数控装置自动进行补偿，其定位精度比较高，同时还可以利用数控软件进行精度校正和补偿。（6）工序集中，一机多用数控机床特别是带自动换刀的数控加工中心，在一次装夹的情况下，几乎可以完成零件的全部加工工序，一台数控机床可以代替数台普通机床。这样可以减少装夹误差，节约工序之间的运

24、输、测量和装夹等辅助时间，还可以节省车间的占地面积，带来较高的经济效益。（7）减轻劳动强度在输入程序并启动后，数控机床就自动地连续加工，直至零件加工完毕。这样就简化了工人的操作，使劳动强度大大降低。（8）价格较贵且调试和维修较复杂数控机床是一种高技术的设备，机床价格较高，而且要求具有较高技术水平的人员来操作和维修，但是数控机床的优点很多，它有利于自动化生产和生产管理，使用数控机床的经济效益还是很高的。数控车床与普通车床一样，也是用来加工轴类或盘类等回转体零件。但是由于数控车床是自动完成内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、螺纹等工序的切削加工，所以数控车床特别适合加工形状复杂的轴类或盘类零件。其加

25、工零件的尺寸精度可以达到IT5-IT6,加工表面的粗糙度可以达到Ra1.6um以下。数控车床具有加工灵活、通用性强、能适应产品的品种和规格频繁变化的特点，能够满足新产品的开发和多品种、小批量、生产自动化的要求，因此被广泛用于机械制造业，例如汽车制造厂、发动机制造厂等。现在数控车床技术还在不断向前发展着。数控车床的发展趋势如下：随着数控系统、机床结构和刀具材料技术的发展，数控车床将向高速化发展，进一步提高主轴转速、刀架快速移动以及转为换到速度;工艺和工序将更加复合化和集中化；数控车床向多主轴、多刀架加工方向发展；为实现长时间无人化自动操作，数控车床想全自动化方向发展；机床的加工精度向更高方向发展

26、；数控车床向简易型发展。2.5数控车床的主轴部件的参数数控车床的主轴部件是数控车床重要部件之一，数控车床的主轴组件是由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等组成的。它带动工件或刀具按照系统指令执行机床的企鹅学运动，因此数控车床主轴部件的精度、抗震性和热变形对加工质量有直接的影响。由于数控车床在加工过程中不进行人工调整，这些影响就更为严重。主轴直接承受切削力，转速范围又很大，对主轴部件的性能有如下基本要求：(1)回转精度 主轴部件的回转精度，是指主轴的回转精度。当主轴做回转运动时，主轴回转中心线的空间位置在理想状况下应该是固定不变的。而实际上，由于受主轴主件中各种因素的影响，回转中心线的空

27、间位置在每一瞬间都是变化的，瞬时回转中心线相对于理论回转中心线在空间的位置距离，就是主轴的回转误差，回转误差的范围就是主轴的回转精度。主轴回转误差的基本形式为纯径向误差、角度误差和轴向误差，他们很少单独存在。当纯径向误差和角度误差同时存在时，构成径向跳动，而轴向误差和角度误差同时构成端面跳动。(2)刚度 主轴部件的刚度，是指受到外力作用时，主轴部件抵抗变形的能力。主轴部件的刚度越大，主轴受力的变形越小。当主轴部件的刚性不足时，在切削力和其他力的作用下，主轴将产生较大的变形，这样不仅会影响工件的加工质量，还会加速齿轮、轴承的磨损，降低运动精度，破坏正常工作条件。主轴部件的刚度与主轴的结构尺寸、支

28、撑跨距、所选用的轴承类型及配置形式、轴承间隙的调整、主轴上传动元件的位置等有关。图2.6为直流主轴电动机的速度与转矩的关系图，从图中可以看出：在低于额定转速时为恒转矩输出，高于额定转矩时为恒功率输出。使用这种电动机可实现纯电器定向，而且主轴的控制功能可以很容易与数控系统相连接并可提高启动停止的相应特性。图2.6速度与转矩的关系图(3)抗震性 主轴部件的抗震性是指切削加工时，主轴保持平稳运转而不发生震动的能力。主轴的抗震性差，工作时就容易产生振动，这不仅降低工件的加工质量，还会是刀具的耐用度下降。提高主轴抗震性必须提高主轴部件的静刚度，可采用较大阻尼比的前轴承支撑。(4)耐磨性 主轴部件必须有良

29、好的耐磨性，以便长期保持精度。主轴上易磨损的部件是安装刀柄的部位及移动式主轴的工作部位。为了提高主轴的耐磨性，上述易磨损部位应该淬硬，或者经过氮化处理，以便提高其硬度增加耐磨性。主轴部件在结构上要处理好卡盘或刀具的装卡、主轴的卸荷、主轴轴承的定位和间隙调整、主轴部件的润滑和密封等一系列问题。对于数控镗床的主轴，为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还必须设计有刀具的自动装卸。主轴定向停止和主轴孔内的切削清除等装置。（5）温升和热变形 主轴件运动时，因各相对运动处的摩擦生热，切削区的切削热等使主轴部件的温度升高，形随着社会不断的发展，数控车床在现代不断发展的社会中起着重要的作用，对它们的要求也不断提

30、高，它们运转的情况对加工工件的质量有着一定的影响。2.6测量量的选择随着社会不断的发展，数控车床在现代不断发展的社会中起着重要的作用，对它们的要求也不断提高，它们运转的情况对加工工件的质量有着一定的影响。因此，要保证工件的技术要求就必须对机床的运动状态具有相应的要求，而主轴是机床的重要部分，主轴的运转状态的好坏直接关系到工件的加工质量。随着检测技术和计算机技术的发展，通过对机床主轴的主要的参数的测量，就可以得知机床的运转状态的良好与否。例如机床在运动过程中，它的主轴由于受到各力的作用，会产生一定的振动；主轴由于长时间的运转，会产生大量的热量，这会使主轴产生变形；主轴在运转时，主轴所受到的力会使

31、自身产生一定的扭矩，在扭矩过大时会使主轴产生变形；还有机床由于长时间的运动，各个零部件的磨损会造成主轴转速未达到所需的要求等。这些都会影响到加工精度。在这里，我们选取主轴的振动、位移量、扭矩和转矩进行测量。3.传感器选择及信号处理3.1传感器的选择原则传感器能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。而敏感元件是传感器中能直接感知或响

32、应被测量的元件；转换元件是传感器中能把要敏感元件感知的或响应的被测量的信号转换成适于传输、处理或测量的电信号的部分。传感器又称换能器或变换器，有时也称为敏感元件，如把温度传感器称为热敏元件。随着科学和技术的发展，传感器向小型化、集成化和智能化方向发展。利用制作工艺的进步，特别是微/纳米加工技术的利用，传感器向小型化方向发展。同时它还向功能集成（多种传感检测功能的结合）、结构集成（把传感器同其预处理电路集成起来，甚至将A/D转换器件与发射装置等也集成在一起）和技术集成（多种技术的集成）方向发展。传感器与智能技术（人工智能）的结合，开发出硅膜片压力敏感元件同精度和漂移修正结合的智能型传感器。有的智

33、能型传感器不仅有感知功能与信号处理功能，还有识别判断能力，如美国开发的灵捷传感器（又称为灵捷器件）。现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 (1)根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和

34、传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。 在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。 (2)灵敏度的选择 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的厂扰

35、信号。 传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。 (3)频率响应特性选择 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差 (4)线性范围选择 线形范围是指输出与输入成正比的范围。以

36、理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。 (5)稳定性选择 用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使

37、用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。 在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。 （6）精度选择精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。 目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对

38、量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。 特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。3.2传感器的选择根据上述的传感器的选择原则对所要测量的量进行选取相应的传感器。3.2.1用加速度传感器测振动数控车床在运动时，由于主轴旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各种振动。振动不仅影响工件的加工质量，还会降低机器性能，破坏其正常工作，缩短使用寿命，甚至导致事故。在工程振动测试领域中，测试手段与方法多种多样，目前广泛使用的振动测量方法是电测法，将工

39、程振动的参量经传感器拾取后，转换成电信号，再经电子线路进行放大传输处理，从而得到所要测量的机械量。测量主轴可采用速度传感器和加速度传感器，现用加速度传感器对数控车床主轴进行监测。选用私服加速度传感器TA-25型作为敏感元件。TA-25的性能如下表所示。它可以测量机械、车、船、飞机的振动和倾斜。TA-25输出每g达到1-5伏的电压，输出的电压大小和加速度g成正比。其性能如表3.1所示：表3.1 私服加速度计TA-25的性能 项目性能动态范围110g分辨率线性度0.05FS输出电压15V/g频率相应（1dB）DC30Hz零点温度系数200ppm/温度范围-20+70机壳定位方向30电源电压15V2

40、0重量75g该震动测试仪要求测量振动频率为150Hzz左右的振动，最大动态范围为5g。3.2.2用磁电式传感器测转速转速的测量可用光电式传感器和磁电式传感器进行测量，磁电式传感器是把测量物理量转换为感应电动势的一种传感器，而光电传感器是将光信号转换为电信号的传感器。在本次设计中，选用磁电式传感器对数控车窗主轴进行监测。磁电式传感器是利用电磁感应原理测量转速成电信号的一种传感器，也称为电磁感应传感器。根据电磁定律，当N匝线圈在恒定场内运动时，设穿过线圈的，则线圈内产生感应电动e即可见，线圈中感应电动式的大小跟线圈的匝数和穿过线圈的磁通变化率有关，一般情况下，匝数是确定的磁通变化率与磁场强度B、磁

41、路磁阻R、线圈的运动速度V有关，故只要改变其中一个参数，就会改变线圈中的感应电动式。根据结构方式的不同，磁电式传感器通常分为动圈式和磁阻式两大类。磁电式转速传感器测量转速的原理如下（图4.1），在永久磁铁组成的此路中，如改变磁阻的大小，则磁通量随之变化。磁路通过感应线圈，当磁通量发生突变时，感应出一定幅度的脉冲电动势，该脉冲电动势的频率等于磁阻变化的频率。图3.1 测量原理图为了使气息变化，在待测轴上装一个软磁材料作成的齿盘，（通常采用60个齿）。当代测轴转动时，齿盘也跟着转动，齿盘中的齿和齿隙交替通过永久磁铁的磁场，从而不断改变磁路的磁阻，使铁心中的磁通量发生突变，在线圈内产生一个脉冲电动式

42、，其频率跟待测轴的转速成正比。线圈所产生的感应电动势的频率为式中，n-转速（r/min）； f-频率（Hz）； z-齿轮的齿数。当齿轮的齿数z=60时，则 F=n即只要测量频率f,即可得到被测转速。而只要将线圈尽量靠近外缘安放，那么，线圈产生的感应电动势就是正琁波形。选用KM110BH/32磁电式转速传感器采用磁电感应原理实现测速，当齿轮旋转时，通过传感器线圈的磁力线发生变化，在传感器线圈中产生周期性的电压，通过对该电压处理计数，就能测出齿轮的转速。该传感器的技术参数如表3.2所示：表3.2 磁电式转速传感器的技术参数参数符号单位最小典型最大直流电源电压VV-12-输出电流（低电平）ImA-7

43、-输出电流（高电平）IMa-14-工作齿频FHz10-20000磁敏距离DMm-0to4-工作温度T-40-1253.2.3用扭矩传感器测量扭矩选用扭矩是传感器YR401型应变式扭矩传感器测量主轴大的扭矩，YR401系列应变式扭矩传感器具有响应快、精度高、安装方便等特点，其技术参数如下所示：灵敏度：1.52mV/V； 非线性：0.10.3%FS； 滞 后：0.10.3%FS； 重复性：0.10.3%FS； 零点温漂：0.10.3%FS/10； 灵敏度温漂：0.10.3%FS/10； 输入阻抗：38010； 输出阻抗：35010； 零点输出：1% FS； 电源电压：515VDC； 其外形如图3.

44、3所示：图3.3 应变式扭矩传感器3.2.4用电涡流位移传感器测量位移回转轴运动误差是指在回转过程中回转轴线偏离理想位置而出现的附加运动。回转轴运动误差的测量，在机械工程的许多行业中都是很重要的。无论对于精密机床主轴的运动精确度，还是对于大型高速机组的安全运行都有重要意义。运动误差是回转轴上任何一点发生与轴线平行的移动和在垂直于轴线的平面内移动。前一种运动称为该点的端面运动误差，后一种移动称为该点的径向运动误差。WT型电涡流传感器由探头和前置器构成，前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流电涡流，当探头与被测金属面之间的距离变化时，金属表面上的电涡流所产生的磁场使探头与前置器所构成的振荡器的阻抗发生变化，从而实现了位移到电压的换。其图形如图3.4所示：图3.4用电涡流位移传感器测量位移选用WT型号的电涡流位移传感器测量位移，电涡流位移传