传感器在数控机床大数据感知技术的应用

健康生活 2025年08月15日 20:27 1 admin

数控机床的状态数据能够真正地反映数控机床的加工特征，是实现数控机床智能化的关键支撑数据，包括位置、振动、速度、加速度、电流、功率、声音、温度等。这些状态数据有一部分直接来自于数控系统内部，与数控机床本身的控制过程息息相关，比如位置、速度、电流、切削力等。有些状态数据需要借助于外部传感器间接获取，包括振动、温度等数据。还有一些数据依赖于专业的测量设备，主要是对数控机床加工质量及其相关精度进行描述，如定位精度、几何精度等。

传感器可将从数控机床获取的变量转换为可测量的信号，并提供给测控系统，是获取数控机床外部数据的有效手段。数控机床外接传感器存在安装复杂、成本高、防护等级要求高等缺点，导致其在工业应用中存在一定的局限性。但是，因为传感器具有信号敏感、数据品质高等优势，使其一方面在学术研究中具有重要且不可替代的地位，另一方面在工业应用中也是数控系统内部电控数据的良好补充。外接传感器在数控机床中的安装和使用必须要满足以下条件：
（1）不影响数控机床正常加工；（2）与被测量点尽可能靠近；（3）不影响机床的静态及动态刚度；（4）容易更换、维修和成本低廉；（5）具备防尘、防切削液、防切屑、防电磁干扰及防热特性。

1）温度传感器

在数控机床运行过程中，丝杠轴承、主轴、进给轴等部件会发生不同程度的热变形。机床本身无法在线检测部件热变形的分布特点，不能实时掌握机床工况的时变规律，无法针对工况温度变化即时决策而实现制造装备的自律运行，从而影响机床的加工精度，并且引发质量一致性难以保证等问题。

为检测数控机床的热变形信号，需要在机床的相应位置安装温度传感器。温度传感器（图1）能够感受温度并转换成可用输出信号，是温度测量仪表的核心部分，主要工作原理为：通过接触或非接触的方式将温度测量出来，并将温度高低转变为电阻值大小或其他电信号进行传输。温度传感器类型繁多，常见的有以铂/铜为主的热电阻传感器、以半导体材料为主的热敏电阻传感器和热电偶传感器等。

图1 温度传感器

在实际应用中，一般采取在适当位置打孔并封入温度传感器的直接测量手段。基于机床关键部件（如螺母副、电机等）的温度变化数据，可实现数控机床的过热保护或温度补偿，从而提高加工安全性，降低热变形对加工精度的影响。例如，华中科技大学李国民教授团队在刀具内部嵌入温度传感器，实时、精确地测量切削区域的温度，并基于有限、非均匀分布传感器温度信息在线重构刀具切削区域温度场，开发出了智能刀具工况温度在线监测系统，为数控机床的过热保护和温度补偿提供温度数据参考。

2）振动传感器

数控机床在运行过程中不可避免地会发生不同程度的振动，处于正常状态的机床具有典型的振动频谱，但是当机床磨损、基础下沉或部位变形时，机床原有的振动特征将发生变化，并通过机床振动频谱正确地反映出来。因此，振动数据是反映零件加工精度的重要因素，振动信号的分析在数控机床状态监测与故障诊断中有着重要的作用。振动传感器（图2）是通过检测冲击力或加速度实现机床振动信号检测的设备，检测方法包括机械式测量、光学式测量和电测量。其中，电测量是应用最为广泛的方式，是将机械振动的参量转换成电信号，再经放大后进行测量和记录，最终实现振动信号的采集。

图2 振动传感器

为了检测机床振动的幅度和频率，需要在机床关键零部件处安装振动传感器，包括机床箱体、主轴、刀具等位置。振动传感器已被广泛应用于切削稳定性监测、刀具破损监测、进给系统波动分析、主轴健康监测与故障诊断等场景。

3）低噪声应变加速度传感器

材料或结构存在微观性的不均匀和缺陷，在应力作用下会导致局部产生应力集中，产生对应的应变加速度。低噪声应变加速度传感器（图3）负责将被传输到传感器表面的应变加速度转换为电信号，并传输至信号处理器完成电信号处理。在数据采集系统中，低噪声应变加速度传感器是系统的核心部分，常用的有谐振式传感器和宽频带响应传感器等。低噪声应变加速度传感器对环境要求低，抗干扰能力强，是一种实时、动态的信号监测方式。

图3低噪声应变加速度传感器

低噪声应变加速度传感器凭借其宽量程、高频响、宽温域、钛合金壳体及低噪声等特性，广泛应用于高精度振动与冲击测量领域。它特别适用于：工业设备（如电机、泵机、风机）的状态监测与故障诊断；交通运输领域（汽车悬挂测试、轨道检测、航空航天发动机监测）；结构工程（桥梁、建筑模态分析与地震监测）；军工装备（武器冲击测试、装甲车辆振动分析）；能源机械（风机叶片、涡轮机动态负载监测）以及爆破工程等高冲击场景。其高可靠性、优异的环境适应性（耐腐蚀、抗干扰）和宽动态范围，使其成为高端工业测控、国防科技及重大装备健康管理的核心传感元件。