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博世力士樂集成測量系統IMS-A深度解析

直線位置測量系統確定機器中運動部件的位置,將此信息提供給電機的控制單元,反饋回路實現電驅動的精確位置控制。測量系統是一臺機器的核心部件,其性能對整臺機器的表現具有重大影響。博世力士樂開發的IMS-A絕對式集成測量系統,與導軌系統完全集成(圖1)。系統得電后無需回零即可即時得到位置,同時該產品無需電池。編碼器系統為感應式原理,重復精度 ±0.25µm,刻尺精度3µm/m,測量精度可與光柵尺媲美。圖1(上) 為集成導軌的IMS-A測量系統。讀數頭牢固安裝于滑塊上并與之共同沿導軌運動。圖1 (下) 的爆炸圖中可以看到在導軌上滾道之間的側面上集成有絕對與增量刻尺,并且通過激光焊接金屬密封帶來防止污染和損壞。

 

圖2 顯示了增量感應傳感器的結構示意圖。類似于變壓器非接觸工作原理,勵磁線圈由一臺發電機提供一個高頻交流電,解析電路來記錄接收線圈中產生的感應電壓。

 

對于測量系統中的感應傳感器,在接收線圈中的感應電壓值可通過刻尺上的刻度條獲得。刻度條在刻尺上以1000 µm間距均布(見圖2)。調制深度取決于以恒定速度相對運動的刻度條在磁場回路中的位置,而后產生一個周期為1000 µm近似正弦的振幅曲線。通過兩組相互錯位1/4周期布置的接收線圈,傳感器相對于刻尺的位置和運動方向都得以確定。如圖2所示,將帶有多個接收線圈的平面線圈傳感器沿運動方向分布,可得到正弦和余弦信號。一方面,對線圈組中所有線圈的解析,提高了信號電平和信噪比。另一方面,傳感器在測量方向上的分布方式將單個信號平均處理,進一步改善了信號的質量,從而抑制并幾乎拉平了線圈范圍內的高精度刻度條的局部不規則性。

為了制造尺寸符合要求的傳感器,平面線圈的導體路徑使用特殊的制造工藝來生產,使導體路徑能夠通過結構化形成,并且允許多層組成結構。而為了確保勵磁線圈中具有相同的電流,保證線圈磁通密度的均勻和對稱性,博世力士樂設計了曲折結構形式的電感式傳感器的勵磁繞組(如圖3所示)。在傳感器中的所有區域提供完全相同的激勵電流,而不受線路電阻的波動影響。這就保證了所有接收器線圈中有非常均勻的磁場激勵,意味著在線圈組內不會出現不對稱性。

當電感式傳感器以單位刻度的恒定速度移動,則如上所述,感應信號的幅值將被調制為正弦曲線,周期為1000 µm。調制的質量非常高,一部分歸功于前述傳感器的特殊設計。由博世力士樂開發的自適應信號校正過程做支持,傳感器刻度的相對位置可以通過內插測量信號來確定,偏差小于±0.75 µm。該量度被稱為插值精度。  
由于電感式傳感器采用高頻交變磁場,所以位置確定能抵抗來自靜態磁場和電磁干擾的影響,例如直線電機可能造成的干擾。同時,材料的剩磁對電感測量原理沒有影響,這就是為什么它不像傳統的磁測量原理一樣,位置信號的的測量完全沒有滯后。

 

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