磁栅尺的结构、特点及应用

磁栅尺的结构、特点及应用
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0　引　言
　　机床上应用的位移传感器种类主要有光电编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅尺和磁栅尺几种。它们各有其优点,又都有各自的局*性。光电编码器和旋转变压器常用在有齿轮导轨的机床上。感应同步器、光栅尺和磁栅尺只要把其定尺固定在机床床身上适当位置(需检测的位移方向上),滑尺头固定在机床可移动部件上,即可完成��移测量。直流高压发生器感应同步器定尺是分段连接的,一般标准尺长是250 mm,安装时可根据需要接长,但是比较繁重麻烦。光栅尺的标尺光栅和指示光栅都是由窄的矩形不透明的线纹和其等宽的透明间隔所组成,一旦被灰尘遮盖或油渍浸泡,就影响使用。而磁栅尺是一种全封闭位移测量的传感器,在机床上安装和维修起来方便,比较适于安装在中小型镗铣床上。磁栅尺适应机床的工作环境,可靠性高、抗干扰能力强,可满足精度要求,并且成本低,维修起来也很方便。

磁栅尺的结构、特点及应用
1　磁栅尺测量的工作原理^［1］
　　磁栅尺是在非导磁材料上涂一层10～20 μm的磁胶 。这种磁胶多是镍-钴合金高导磁性材料与树胶相混合制成的 ,其抗拉强度要高一些,不易变形。然后在这条磁性带上记录磁极,N极和S极相间变化 ,在磁带上录成N极和S极是用录磁磁头来制成的,将相等节距(常为200 μm或50 μm)周期变化的电信号以磁的方式记录到磁性尺上,用它做为测量位移的基准尺在检测位移时,用拾磁磁头读取记录在磁性标尺上的磁信号,通过检测电路将位移量用数字显示出来或送入位置环。测量用的磁栅与普通的磁带不同。测量用的磁栅磁性标尺的等距录磁的精度要高,需在高精度的* 用录磁设备上对磁栅标尺进行录磁。当磁尺与拾磁磁头之间的相对运动速度很低或处于静止状态时,也能进行位置测量,测量只与位置有关,与速度无关。
1.1　磁性标尺
　　磁性标尺所涂的磁胶的剩磁感应强度B_r,矫顽磁力H_c都比较大,也就是这种材料的磁滞回环比较大。近几年来,随着磁性材料的研究,有很多适合这种性能的材料,这种材料不易受到外界温度电磁场的干扰。磁性膜制好后,用录磁磁头在磁性尺上记录上相等节距的周期性磁化信号,输入到录磁磁头的电信号可以是来自基准尺(即更高精度的磁尺),也可以来自于激光干涉仪。记录上磁信号的磁标尺,就可以装在机床上应用。通常还在磁尺表面涂一层1～2 μm厚的保护层,以防止磁头接触到磁尺时,对磁膜产生磨损。
1.2　拾磁磁头
　　采用磁通响应型磁头读取磁尺上的磁信号,这种磁头的结构如图1所示,它是利用可饱和铁芯的磁性调制器原理构成的,在普通录音磁头上加有激磁线圈的可饱和铁芯,用5 kHz的激磁电流给该线圈激磁,产生周期性正反两方向的磁化,当磁头靠近磁尺时,磁力线在磁头气隙处进入铁芯闭合,被5 kHz的激磁电流所产生的磁通所调制,在线圈中得到该激磁电流的二次调制波电动势输出,公式为:

e=E₀sin(2πX/λ)sinωt

式中:E₀为系数；λ为磁尺上磁信号的节距；X为磁头在磁尺上的位移量；ω为激磁电流的倍频。

图1　拾磁磁头结构

　　使用单磁头输出信号小,而且对磁尺上的磁化信号的节距和波形精度要求高,因此不能采用饱和录磁,为此,在使用时将几十个磁头以一定方式联接起来,组成多磁头串联方式,如图2所示。每个磁头以相同间距λ/2配置,并将相邻两个磁头的输出线圈反相串联,其总的输出电压是每个磁头输出电压的叠加。当相邻两个磁头的间距λ_m/2恰好等于磁尺上磁化信号的节距的1/2和λ/λ_m=3,5,7时,总的输出就是* 大。其它情况下总的输出* 小。为了辨别直流高压发生器磁头与磁尺相对移动的方向,通常采用两组磁头彼此相距(m+1/4)λ(m为正整数)的配置,如图3所示,它的输出电压分别为:

e₁=E₀sin(2π/λ)sinωt
e₂=E₀cos(2π/λ)sinωt

 图2　多磁头串联

图4　磁栅检测系统原理框图

磁栅尺的结构、特点及应用
3　磁栅尺的类型
　　磁栅尺分平面型直线磁尺和同轴型线状磁尺两种。
3.1　平面型直线磁尺
　　这种磁尺有一种与金属刻线尺的结构相似,一种与钢带光圈相似。带状磁尺是用* 用的金属框架安装。金属支架将带状磁尺以一定的予应力绷紧在框架或支架中间,使磁性标尺的热膨胀系数与框架或机床的热膨胀系数相接近。工作时磁头与磁尺接触,因为带状磁尺有弹性,允许有一定的变形。这种磁尺可以做的比较长,一般做到1 m以上的长度。
3.2　同轴型线状磁尺
　　这是一根由直径2 mm的圆棍做成的磁尺,磁头也是特殊结构的,它把磁尺包在中间,是一种多间隙的磁道响应型的磁头。这种结构的优点是输出信号大,精度高,抗干扰性好,缺点是不易做的很长(一般在1.5 m以下),热膨胀系数较大,通常适用于小型精密机床及测量机。

磁栅尺的结构、特点及应用
4　结　论
　　磁栅位移测量装置通常做成* 立结构,有各种不同长度可供选择。安装时,只要把定尺固定在机床上的适当的位置,一个固定的平滑的平面上,调整好定尺与平面的平行度,把滑尺安装在需测量位移方向的机床的部件上,调整好滑尺和定尺的平行度,调整完毕符合要求后,与匹配的数显表连接上,就可以完成机床工作时的位置测量。磁栅尺在中小型机床上安装方便,由于磁栅尺具有与铁芯相似的热膨胀系数,因此,受温度影响小,加上它又具有抗机械振动、铁屑和油污染,并可以屏蔽外界磁干扰,能保证精度要求,便于维修等优点,可广泛应用在中小型镗铣床上,是目前中小型镗铣床上使用的* 佳的位置测量传感器。

图3　两组磁头的配置

　　由上式可见,若以其中的一相作为参考信号,则另一相将* 前或滞后于参考信号90°,由此来确定运动方向。

磁栅尺的结构、特点及应用
2　检测电路
　　磁栅检测电路包括磁头激磁电路、读取信号的放大、滤波及变相电路、细分的内插电路、显示及控制电路等几个部分。
　　根据检测方法的不同,有幅值检测和相位检测两种,以相位检测应用较多,相位检测是以* 组磁头的激磁电流移相45°,或将它的输出信号移相90°,得下式:

e₁=E₀sin(2πX/λ)cosωt
　　　e₂=E₀cos(2π/X)sinωt　　　　

将两组磁头信号求和,得：

e=E₀sin(ωt+2πX/λ)

　　磁栅检测系统原理的方框图如图4所示,由脉冲发生器发出400 kHz脉冲序列,经80分频,得到5 kHz的激磁信号,再经带通滤波器变成正弦波后分成两路:一路经功率放大器送到* 组的磁头的激磁线圈;另一路经45°移相,后由功率放大器送到**组的激磁线圈,从两组磁头读出信号(e₁,e₂),由求和电路去求和,即可得到相位随位移X而变化的合成信号,将该信号进行放大、滤波、整形后变成10 kHz的方波,再与一相激磁电流(基准相位)鉴相以细分内插的原理,即可得到分辨率为5 μm(磁尺上的磁化信号节距200 μm)的位移测量脉冲,该脉冲可送* 显示计数器或位置检测控制回路。

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