磁柵尺的結構、特點及應用

0　引　言
　　機床上應用的位移傳感器種類主要有光電編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、光柵尺和磁柵尺幾種。它們各有其優點,又都有各自的局限性。光電編碼器和旋轉變壓器常用在有齒輪導軌的機床上。感應同步器、光柵尺和磁柵尺只要把其定尺固定在機床床身上適當位置(需檢測的位移方向上),滑尺頭固定在機床可移動部件上,即可完成位移測量。感應同步器定尺是分段連接的,一般標準尺長是250 mm,安裝時可根據需要接長,但是比較繁重麻煩。光柵尺的標尺光柵和指示光柵都是由窄的矩形不透明的線紋和其等寬的透明間隔所組成,一旦被灰塵遮蓋或油漬浸泡,就影響使用。而磁柵尺是一種全封閉位移測量的傳感器,在機床上安裝和維修起來方便,比較適于安裝在中小型鏜銑床上。磁柵尺適應機床的工作環境,可靠性高、抗*力強,可滿足精度要求,并且成本低,維修起來也很方便。

1　磁柵尺測量的工作原理^［1］
　　磁柵尺是在非導磁材料上涂一層10～20 μm的磁膠 。這種磁膠多是鎳-鈷合金高導磁性材料與樹膠相混合制成的 ,其抗拉強度要高一些,不易變形。然后在這條磁性帶上記錄磁極,N極和S極相間變化 ,在磁帶上錄成N極和S極是用錄磁磁頭來制成的,將相等節距(常為200 μm或50 μm)周期變化的電信號以磁的方式記錄到磁性尺上,用它做為測量位移的基準尺在檢測位移時,用拾磁磁頭讀取記錄在磁性標尺上的磁信號,通過檢測電路將位移量用數字顯示出來或送入位置環。測量用的磁柵與普通的磁帶不同。測量用的磁柵磁性標尺的等距錄磁的精度要高,需在高精度的錄磁設備上對磁柵標尺進行錄磁。當磁尺與拾磁磁頭之間的相對運動速度很低或處于靜止狀態時,也能進行位置測量,測量只與位置有關,與速度無關。
1.1　磁性標尺
　　磁性標尺所涂的磁膠的剩磁感應強度B_r,矯頑磁力H_c都比較大,也就是這種材料的磁滯回環比較大。近幾年來,隨著磁性材料的研究,有很多適合這種性能的材料,這種材料不易受到外界溫度電磁場的干擾。磁性膜制好后,用錄磁磁頭在磁性尺上記錄上相等節距的周期性磁化信號,輸入到錄磁磁頭的電信號可以是來自基準尺(即更高精度的磁尺),也可以來自于激光干涉儀。記錄上磁信號的磁標尺,就可以裝在機床上應用。通常還在磁尺表面涂一層1～2 μm厚的保護層,以防止磁頭接觸到磁尺時,對磁膜產生磨損。
1.2　拾磁磁頭
　　采用磁通響應型磁頭讀取磁尺上的磁信號,這種磁頭的結構如圖1所示,它是利用可飽和鐵芯的磁性調制器原理構成的,在普通錄音磁頭上加有激磁線圈的可飽和鐵芯,用5 kHz的激磁電流給該線圈激磁,產生周期性正反兩方向的磁化,當磁頭靠近磁尺時,磁力線在磁頭氣隙處進入鐵芯閉合,被5 kHz的激磁電流所產生的磁通所調制,在線圈中得到該激磁電流的二次調制波電動勢輸出,公式為:e=E₀sin(2πX/λ)sinωt

式中:E₀為系數；λ為磁尺上磁信號的節距；X為磁頭在磁尺上的位移量；ω為激磁電流的倍頻。

2　檢測電路
　　磁柵檢測電路包括磁頭激磁電路、讀取信號的放大、濾波及變相電路、細分的內插電路、顯示及控制電路等幾個部分。
　　根據檢測方法的不同,有幅值檢測和相位檢測兩種,以相位檢測應用較多,相位檢測是以*組磁頭的激磁電流移相45°,或將它的輸出信號移相90°,得下式:

3　磁柵尺的類型
　　磁柵尺分平面型直線磁尺和同軸型線狀磁尺兩種。
3.1　平面型直線磁尺
　　這種磁尺有一種與金屬刻線尺的結構相似,一種與鋼帶光圈相似。帶狀磁尺是用的金屬框架安裝。金屬支架將帶狀磁尺以一定的予應力繃緊在框架或支架中間,使磁性標尺的熱膨脹系數與框架或機床的熱膨脹系數相接近。工作時磁頭與磁尺接觸,因為帶狀磁尺有彈性,允許有一定的變形。這種磁尺可以做的比較長,一般做到1 m以上的長度。
3.2　同軸型線狀磁尺
　　這是一根由直徑2 mm的圓棍做成的磁尺,磁頭也是特殊結構的,它把磁尺包在中間,是一種多間隙的磁道響應型的磁頭。這種結構的優點是輸出信號大,精度高,抗干擾性好,缺點是不易做的很長(一般在1.5 m以下),熱膨脹系數較大,通常適用于小型精密機床及測量機。4　結　論
　　磁柵位移測量裝置通常做成獨立結構,有各種不同長度可供選擇。安裝時,只要把定尺固定在機床上的適當的位置,一個固定的平滑的平面上,調整好定尺與平面的平行度,把滑尺安裝在需測量位移方向的機床的部件上,調整好滑尺和定尺的平行度,調整完畢符合要求后,與匹配的數顯表連接上,就可以完成機床工作時的位置測量。磁柵尺在中小型機床上安裝方便,由于磁柵尺具有與鐵芯相似的熱膨脹系數,因此,受溫度影響小,加上它又具有抗機械振動、鐵屑和油污染,并可以屏蔽外界磁干擾,能保證精度要求,便于維修等優點,可廣泛應用在中小型鏜銑床上,是目前中小型鏜銑床上使用的*的位置測量傳感器。

　　摘　要　介紹了磁柵尺的工作原理及其在中小型鏜銑床上的應用特點。
　　關鍵詞　磁性標尺　拾磁磁頭　檢測

Structure,Character and Application of Magnetic Railings Ruler
 

　　Abstract　Work principle of magnetic railings ruler and application small machine character is introduced.
　　Key Words　Magnetic ruler　Pick magnetic head　Measure

 

e=E₀sin(2πX/λ)sinωt

式中:E₀為系數；λ為磁尺上磁信號的節距；X為磁頭在磁尺上的位移量；ω為激磁電流的倍頻。

圖1　拾磁磁頭結構

　　使用單磁頭輸出信號小,而且對磁尺上的磁化信號的節距和波形精度要求高,因此不能采用飽和錄磁,為此,在使用時將幾十個磁頭以一定方式聯接起來,組成多磁頭串聯方式,如圖2所示。每個磁頭以相同間距λ/2配置,并將相鄰兩個磁頭的輸出線圈反相串聯,其總的輸出電壓是每個磁頭輸出電壓的疊加。當相鄰兩個磁頭的間距λ_m/2恰好等于磁尺上磁化信號的節距的1/2和λ/λ_m=3,5,7時,總的輸出就是zui大。其它情況下總的輸出zui小。為了辨別磁頭與磁尺相對移動的方向,通常采用兩組磁頭彼此相距(m+1/4)λ(m為正整數)的配置,如圖3所示,它的輸出電壓分別為:

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

圖2　多磁頭串聯

圖3　兩組磁頭的配置

　　由上式可見,若以其中的一相作為參考信號,則另一相將超前或滯后于參考信號90°,由此來確定運動方向。

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

將兩組磁頭信號求和,得：

e=E₀sin(ωt+2πX/λ)

　　磁柵檢測系統原理的方框圖如圖4所示,由脈沖發生器發出400 kHz脈沖序列,經80分頻,得到5 kHz的激磁信號,再經帶通濾波器變成正弦波后分成兩路:一路經功率放大器送到*組的磁頭的激磁線圈;另一路經45°移相,后由功率放大器送到第二組的激磁線圈,從兩組磁頭讀出信號(e₁,e₂),由求和電路去求和,即可得到相位隨位移X而變化的合成信號,將該信號進行放大、濾波、整形后變成10 kHz的方波,再與一相激磁電流(基準相位)鑒相以細分內插的原理,即可得到分辨率為5 μm(磁尺上的磁化信號節距200 μm)的位移測量脈沖,該脈沖可送至顯示計數器或位置檢測控制回路。

圖4　磁柵檢測系統原理框圖

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

將兩組磁頭信號求和,得：

e=E₀sin(ωt+2πX/λ)

　　磁柵檢測系統原理的方框圖如圖4所示,由脈沖發生器發出400 kHz脈沖序列,經80分頻,得到5 kHz的激磁信號,再經帶通濾波器變成正弦波后分成兩路:一路經功率放大器送到*組的磁頭的激磁線圈;另一路經45°移相,后由功率放大器送到第二組的激磁線圈,從兩組磁頭讀出信號(e₁,e₂),由求和電路去求和,即可得到相位隨位移X而變化的合成信號,將該信號進行放大、濾波、整形后變成10 kHz的方波,再與一相激磁電流(基準相位)鑒相以細分內插的原理,即可得到分辨率為5 μm(磁尺上的磁化信號節距200 μm)的位移測量脈沖,該脈沖可送至顯示計數器或位置檢測控制回路。

圖4　磁柵檢測系統原理框圖

圖1　拾磁磁頭結構

　　使用單磁頭輸出信號小,而且對磁尺上的磁化信號的節距和波形精度要求高,因此不能采用飽和錄磁,為此,在使用時將幾十個磁頭以一定方式聯接起來,組成多磁頭串聯方式,如圖2所示。每個磁頭以相同間距λ/2配置,并將相鄰兩個磁頭的輸出線圈反相串聯,其總的輸出電壓是每個磁頭輸出電壓的疊加。當相鄰兩個磁頭的間距λ_m/2恰好等于磁尺上磁化信號的節距的1/2和λ/λ_m=3,5,7時,總的輸出就是zui大。其它情況下總的輸出zui小。為了辨別磁頭與磁尺相對移動的方向,通常采用兩組磁頭彼此相距(m+1/4)λ(m為正整數)的配置,如圖3所示,它的輸出電壓分別為:

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

圖2　多磁頭串聯

圖3　兩組磁頭的配置

　　由上式可見,若以其中的一相作為參考信號,則另一相將超前或滯后于參考信號90°,由此來確定運動方向。