磁柵尺的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及應(yīng)用

0　引　言
　　機(jī)床上應(yīng)用的位移傳感器種類主要有光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵尺和磁柵尺幾種。它們各有其優(yōu)點(diǎn),又都有各自的局限性。光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器常用在有齒輪導(dǎo)軌的機(jī)床上。感應(yīng)同步器、光柵尺和磁柵尺只要把其定尺固定在機(jī)床床身上適當(dāng)位置(需檢測(cè)的位移方向上),滑尺頭固定在機(jī)床可移動(dòng)部件上,即可完成位移測(cè)量。感應(yīng)同步器定尺是分段連接的,一般標(biāo)準(zhǔn)尺長(zhǎng)是250 mm,安裝時(shí)可根據(jù)需要接長(zhǎng),但是比較繁重麻煩。光柵尺的標(biāo)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(cè)量的傳感器,在機(jī)床上安裝和維修起來(lái)方便,比較適于安裝在中小型鏜銑床上。磁柵尺適應(yīng)機(jī)床的工作環(huán)境,可靠性高、抗*力強(qiáng),可滿足精度要求,并且成本低,維修起來(lái)也很方便。

1　磁柵尺測(cè)量的工作原理^［1］
　　磁柵尺是在非導(dǎo)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(dǎo)磁性材料與樹膠相混合制成的 ,其抗拉強(qiáng)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(lái)制成的,將相等節(jié)距(常為200 μm或50 μm)周期變化的電信號(hào)以磁的方式記錄到磁性尺上,用它做為測(cè)量位移的基準(zhǔn)尺在檢測(cè)位移時(shí),用拾磁磁頭讀取記錄在磁性標(biāo)尺上的磁信號(hào),通過(guò)檢測(cè)電路將位移量用數(shù)字顯示出來(lái)或送入位置環(huán)。測(cè)量用的磁柵與普通的磁帶不同。測(cè)量用的磁柵磁性標(biāo)尺的等距錄磁的精度要高,需在高精度的錄磁設(shè)備上對(duì)磁柵標(biāo)尺進(jìn)行錄磁。當(dāng)磁尺與拾磁磁頭之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度很低或處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),也能進(jìn)行位置測(cè)量,測(cè)量只與位置有關(guān),與速度無(wú)關(guān)。
1.1　磁性標(biāo)尺
　　磁性標(biāo)尺所涂的磁膠的剩磁感應(yīng)強(qiáng)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(huán)比較大。近幾年來(lái),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(chǎng)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(jié)距的周期性磁化信號(hào),輸入到錄磁磁頭的電信號(hào)可以是來(lái)自基準(zhǔn)尺(即更高精度的磁尺),也可以來(lái)自于激光干涉儀。記錄上磁信號(hào)的磁標(biāo)尺,就可以裝在機(jī)床上應(yīng)用。通常還在磁尺表面涂一層1～2 μm厚的保護(hù)層,以防止磁頭接觸到磁尺時(shí),對(duì)磁膜產(chǎn)生磨損。
1.2　拾磁磁頭
　　采用磁通響應(yīng)型磁頭讀取磁尺上的磁信號(hào),這種磁頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示,它是利用可飽和鐵芯的磁性調(diào)制器原理構(gòu)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(chǎn)生周期性正反兩方向的磁化,當(dāng)磁頭靠近磁尺時(shí),磁力線在磁頭氣隙處進(jìn)入鐵芯閉合,被5 kHz的激磁電流所產(chǎn)生的磁通所調(diào)制,在線圈中得到該激磁電流的二次調(diào)制波電動(dòng)勢(shì)輸出,公式為:e=E₀sin(2πX/λ)sinωt

式中:E₀為系數(shù)；λ為磁尺上磁信號(hào)的節(jié)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(cè)電路
　　磁柵檢測(cè)電路包括磁頭激磁電路、讀取信號(hào)的放大、濾波及變相電路、細(xì)分的內(nèi)插電路、顯示及控制電路等幾個(gè)部分。
　　根據(jù)檢測(cè)方法的不同,有幅值檢測(cè)和相位檢測(cè)兩種,以相位檢測(cè)應(yīng)用較多,相位檢測(cè)是以*組磁頭的激磁電流移相45°,或?qū)⑺妮敵鲂盘?hào)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(jié)構(gòu)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(yīng)力繃緊在框架或支架中間,使磁性標(biāo)尺的熱膨脹系數(shù)與框架或機(jī)床的熱膨脹系數(shù)相接近。工作時(shí)磁頭與磁尺接觸,因?yàn)閹畲懦哂袕椥?允許有一定的變形。這種磁尺可以做的比較長(zhǎng),一般做到1 m以上的長(zhǎng)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(jié)構(gòu)的,它把磁尺包在中間,是一種多間隙的磁道響應(yīng)型的磁頭。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是輸出信號(hào)大,精度高,抗干擾性好,缺點(diǎn)是不易做的很長(zhǎng)(一般在1.5 m以下),熱膨脹系數(shù)較大,通常適用于小型精密機(jī)床及測(cè)量機(jī)。4　結(jié)　論
　　磁柵位移測(cè)量裝置通常做成獨(dú)立結(jié)構(gòu),有各種不同長(zhǎng)度可供選擇。安裝時(shí),只要把定尺固定在機(jī)床上的適當(dāng)?shù)奈恢?一個(gè)固定的平滑的平面上,調(diào)整好定尺與平面的平行度,把滑尺安裝在需測(cè)量位移方向的機(jī)床的部件上,調(diào)整好滑尺和定尺的平行度,調(diào)整完畢符合要求后,與匹配的數(shù)顯表連接上,就可以完成機(jī)床工作時(shí)的位置測(cè)量。磁柵尺在中小型機(jī)床上安裝方便,由于磁柵尺具有與鐵芯相似的熱膨脹系數(shù),因此,受溫度影響小,加上它又具有抗機(jī)械振動(dòng)、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(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)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(cè)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(yīng)用特點(diǎn)。
　　關(guān)鍵詞　磁性標(biāo)尺　拾磁磁頭　檢測(cè)

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(shù)；λ為磁尺上磁信號(hào)的節(jié)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(jié)構(gòu)

　　使用單磁頭輸出信號(hào)小,而且對(duì)磁尺上的磁化信號(hào)的節(jié)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(shí)將幾十個(gè)磁頭以一定方式聯(lián)接起來(lái),組成多磁頭串聯(lián)方式,如圖2所示。每個(gè)磁頭以相同間距λ/2配置,并將相鄰兩個(gè)磁頭的輸出線圈反相串聯(lián),其總的輸出電壓是每個(gè)磁頭輸出電壓的疊加。當(dāng)相鄰兩個(gè)磁頭的間距λ_m/2恰好等于磁尺上磁化信號(hào)的節(jié)距的1/2和λ/λ_m=3,5,7時(shí),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(duì)移動(dòng)的方向,通常采用兩組磁頭彼此相距(m+1/4)λ(m為正整數(shù))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(lián)

圖3　兩組磁頭的配置

　　由上式可見(jiàn),若以其中的一相作為參考信號(hào),則另一相將超前或滯后于參考信號(hào)90°,由此來(lái)確定運(yùn)動(dòng)方向。

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

將兩組磁頭信號(hào)求和,得：

e=E₀sin(ωt+2πX/λ)

　　磁柵檢測(cè)系統(tǒng)原理的方框圖如圖4所示,由脈沖發(fā)生器發(fā)出400 kHz脈沖序列,經(jīng)80分頻,得到5 kHz的激磁信號(hào),再經(jīng)帶通濾波器變成正弦波后分成兩路:一路經(jīng)功率放大器送到*組的磁頭的激磁線圈;另一路經(jīng)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(hào)(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(hào),將該信號(hào)進(jìn)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(zhǔn)相位)鑒相以細(xì)分內(nèi)插的原理,即可得到分辨率為5 μm(磁尺上的磁化信號(hào)節(jié)距200 μm)的位移測(cè)量脈沖,該脈沖可送至顯示計(jì)數(shù)器或位置檢測(cè)控制回路。

圖4　磁柵檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖

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：215000
：86-
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e₁=E₀sin(2πX/λ)cosωt
　　　e₂=E₀cos(2π/X)sinωt　　　　

將兩組磁頭信號(hào)求和,得：

e=E₀sin(ωt+2πX/λ)

　　磁柵檢測(cè)系統(tǒng)原理的方框圖如圖4所示,由脈沖發(fā)生器發(fā)出400 kHz脈沖序列,經(jīng)80分頻,得到5 kHz的激磁信號(hào),再經(jīng)帶通濾波器變成正弦波后分成兩路:一路經(jīng)功率放大器送到*組的磁頭的激磁線圈;另一路經(jīng)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(hào)(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(hào),將該信號(hào)進(jìn)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(zhǔn)相位)鑒相以細(xì)分內(nèi)插的原理,即可得到分辨率為5 μm(磁尺上的磁化信號(hào)節(jié)距200 μm)的位移測(cè)量脈沖,該脈沖可送至顯示計(jì)數(shù)器或位置檢測(cè)控制回路。

圖4　磁柵檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖

圖1　拾磁磁頭結(jié)構(gòu)

　　使用單磁頭輸出信號(hào)小,而且對(duì)磁尺上的磁化信號(hào)的節(jié)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(shí)將幾十個(gè)磁頭以一定方式聯(lián)接起來(lái),組成多磁頭串聯(lián)方式,如圖2所示。每個(gè)磁頭以相同間距λ/2配置,并將相鄰兩個(gè)磁頭的輸出線圈反相串聯(lián),其總的輸出電壓是每個(gè)磁頭輸出電壓的疊加。當(dāng)相鄰兩個(gè)磁頭的間距λ_m/2恰好等于磁尺上磁化信號(hào)的節(jié)距的1/2和λ/λ_m=3,5,7時(shí),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(duì)移動(dòng)的方向,通常采用兩組磁頭彼此相距(m+1/4)λ(m為正整數(shù))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(lián)

圖3　兩組磁頭的配置

　　由上式可見(jiàn),若以其中的一相作為參考信號(hào),則另一相將超前或滯后于參考信號(hào)90°,由此來(lái)確定運(yùn)動(dòng)方向。