Магнитные измерительные системы

Магнитные системы измерения перемещений (магнитные линейки) - одно из наиболее продвинутых решений в области точных измерений расстояний и углов и точного позиционирования.

Магнитная измерительная система состоит из гибкой магнитной линейки, жестко устанавливаемой на измеряемую поверхность, например, станину или направляющую, и подвижной сенсорной головки, которая крепится к подвижному узлу машины или станка и служит для определения местоположения этого узла относительно неподвижной части станка или механизма.

Магнитные системы применяются и для измерения поворотных перемещений и угловых скоростей, например, в поворотных двигателях прямого привода, поворотных платформах и делительных столах большого диаметра, когда применение традиционных средств точных измерений, таких как дисковые энкодеры, попросту невозможно из-за отсутствия в конструкции вала - поворотные столы перемещаются на кольцевых опорных подшипниках или по специальным рельсовым системам. Установка энкодера на вал привода здесь как правило не оправдана из-за потери точности, связанной с невозможностью компенсации периферийных рассогласований и сложностью подавления резонансных колебаний, особенно в системах обратной связи с широкой полосой пропускания.

В этом случае как нельзя более оправдано применение магнитных измерительных систем. Гибкая магнитная линейка крепится на обод поворотного стола или ротор поворотного двигателя, а магнитный датчик устанавливается неподвижно на станине или статорном основании. Аналогично магнитные измерительные системы установлены в кольцевых и сегментных двигателях прямого привода.

Устройство и принцип работы магнитной измерительной системы

Принцип работы магнитной измерительной системы заключается в определении местоположения магнитного датчика относительно нулевой отметки магнитной линейки путем определения направления и величины (напряженности) магнитного поля.

Магнитная линейка представляет собой многослойную ленту, состоящую из подложки с нанесенным на нее магнитным слоем и защитного покрытия. С изнаночной стороны на магнитную линейку наносится адгезивный (клеящий) слой, защищенный воздухонепроницаемой пленкой.

Магнитный слой определяет характеристики магнитного поля линейки - оно зависит от количества магнитных полюсов (масштабных штрихов) в магнитном слое и расстояния между ними.

Расстояние между полюсами магнитов напрямую влияет на скорость считывания данных магнитным сенсором и определяет быстродействие системы и ее номинальные рабочие скорости. Разрешающую способность, т. е. абсолютную точность измерений*, обеспечивает чувствительность магнитного датчика. Зависимость разрешающей способности от скорости обычно приводится в технических описаниях изделий (каталогах производителя).

Скорость поворотных перемещений определяется, соответственно, как скорость сдвига магнитных полюсов относительно считывающей головки.

*Угловое перемещение может измеряться в угловых минутах или секундах. 1 угловой секунде соответствует условно линейное перемещение в 1 мкм по дуге окружности с радиусом 206,25 мм.

Отличительные преимущества

Основные преимущества магнитной системы измерения:

• простота конструкции;
• большие допуски на погрешности при монтаже;
• легкость монтажа (магнитную линейку можно просто приклеить на рельс, станину, поворотный стол);
• простота эксплуатации и ТО;
• высокая точность измерений (до 0,025 мм и выше);
• высокое разрешение (до 0,005 мм и выше);
• высокие рабочие скорости (до 25 м/с и выше);
• защищенность от внешних воздействий (класс защиты IP 67 по DIN 40050);
• адекватная цена.

Выбор измерительной системы

Выбор измерительной системы определяют несколько факторов. В первую очередь, это назначение (характер применения) машины или механизма и предъявляемые в соответствии с этим назначением технические требования к отдельным компонентам системы. Как и в случае с любой другой высокотехнологичной продукцией, здесь практически невозможно добиться одновременного сочетания в одном изделии таких свойств, как высокое качество, высокая надежность и низкая цена.

В случае с измерительными системами качество изделия подразумевает такие показатели как скорость и точность измерения расстояния или угла, точность позиционирования, повторяемость, скорость передачи данных.

Надежность и цена магнитных измерительных систем сравнивается с аналогичными характеристиками продукции других производителей или характеристиками измерительных систем с иным принципом работы (дисковых энкодеров или лазерных датчиков расстояний).

Повторяемость. Высокие показатели повторяемости (многократный точный останов в позиции по сигналу энкодера) требуются в автоматизированных сборочных системах, промышленных роботах и манипуляторах.

Скорость. Быстрое считывание сигнала позиции необходимо в высокодинамичных производствах, таких, как скоростная конвейерная обработка, а так же для операций подвода/отвода инструмента (заготовки), захвата, подачи или транспортировки.

Точность. В некоторых применениях, таких как перемещение антенны или телескопа, целенаведение, телеметрическое сопровождение медленно двигающегося объекта и т. д. точное определение угла поворота важнее скорости передачи данных.

Скорость обмена данными. Этот показатель напрямую влияет на качество обратной связи и определяется техническим уровнем системы управления (ЧПУ), операционной системой, применяемыми протоколами, рабочей частотой и пр., и является критическим для ряда применений, требующих синхронизации разнесенных по месту процессов, таких как сопровождение цели и точное наведение на цель, или для одновременного контроля нескольких взаимозависимых операций. В отдельных случаях, например, на опасном производстве, высокая скорость передачи данных в системах блокировки или аварийного отключения играет решающую роль.

Цена, сроки и условия поставки, требования по техническому обслуживанию и т. д. тоже важны, но в данном случае представляются второстепенными по отношению к вышеперечисленным характеристикам.

Методы повышения точности измерений

Использование нескольких (обычно 3 или 4) равноразнесенных считывающих магнитных головок позволяет компенсировать геометрические искажения (эксцентриситет) измеряемой окружности и нечетные составляющие регулярной ошибки, связанные, в том числе, с радиальными биениями системы. В этом случае не требуется выполнять сложную и долгую, требующую привлечения высококвалифицированных специалистов, калибровку. Применение большего количества головок (более 4) теоретически может еще больше повысить точность измерений, однако в этом случае экономически более оправдано изменение самой механической конструкции, например, установка более точных подшипников (кольцевых направляющих, рельсовых систем).

Калибровка системы с составлением новых таблиц компенсации так же повышает точность измерений, однако не позволяет полностью избавиться от ошибок, связанных с вторичными гармоническими искажениями и ошибок, вызываемых радиальными биениями ротора (которые зависят от режима нагрузки и могут меняться нелинейным образом), деформациями узлов, износом движущихся частей и некоторыми другими.

Более подробно вопросы выбора измерительной системы и расчета точности, способы компенсации ошибок в системе, варианты монтажа и некоторые другие описаны в статье специалистов компании Renishaw.

Компания Сервотехника является единственным официально подтвержденным представителем (дистрибьютором) Kubler (Kuebler) - Fritz Kübler GmbH в России.

Официальный партнер Kubler на территории России - компания Сервотехника >>