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磁栅尺的结构、特点及应用

2014-4-21 23:19:50      点击:

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,需在高精度的专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Br,矫顽磁力Hc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λm/2恰好等于磁尺上磁化信号的节距的1/2和λ/λm=3,5,7时,总的输出就是最大。其它情况下总的输出最小。为了辨别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,则另一相将超前或滞后于参考信号90°,由此来确定运动方向。

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,相位检测是以第一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第一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第二组的激磁线圈,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,该脉冲可送至显示计数器或位置检测控制回路。

 

图4 磁栅检测系统原理框图

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。带状磁尺是用专用的金属框架安装。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。

4 结 论
  磁栅位移测量装置通常做成独立结构,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最佳的位置测量传感器。