إزالة مغناطيسية مستشعر التشفير المغناطيسي للروبوت عند درجة حرارة عالية - حلول للتشغيل المستمر

I. المشكلة: الخطر الخفي لفشل الروبوت 'المشترك'.

في الروبوتات الصناعية، والروبوتات التعاونية، وأنظمة المؤازرة الدقيقة، تلعب أجهزة التشفير المغناطيسي دورًا حاسمًا باعتبارها 'أجهزة استشعار مشتركة'. فهي تكتشف التغيرات في المجال المغناطيسي للروبوتات. قرص التشفير (الحلقة المغناطيسية) وتقديم تعليقات في الوقت الحقيقي حول سرعة المحرك وموضعه. ومع ذلك، إحدى المشكلات التي يتم التغاضي عنها بسهولة هي أنه عندما تعمل الروبوتات بشكل مستمر في ظل ظروف درجة حرارة عالية، قد يعاني قرص التشفير المغناطيسي  من إزالة المغناطيسية عند درجة حرارة عالية ، مما يؤدي إلى انجراف ردود الفعل الموضعية، وزيادة التيار، وحتى فقدان الخطوات.

لقد واجه المهندسون هذا في تصحيح الأخطاء في العالم الحقيقي: عندما يعمل المحرك فوق 80 درجة مئوية، تصبح ردود الفعل الموضعية غير دقيقة تدريجيًا، وبعد فحوصات شاملة، يتم إرجاع السبب الجذري إلى إزالة مغناطيسية درجة الحرارة العالية للمشفر المغناطيسي. بالنسبة للروبوتات الصناعية التي تحتاج إلى العمل بشكل مستمر لفترات طويلة، تعتبر هذه المشكلة حرجة بشكل خاص - فهي لا تؤثر فقط على دقة التصنيع، ولكنها يمكن أن تؤدي أيضًا إلى فشل المعدات أو حتى حوادث تتعلق بالسلامة.

حاليًا، المادتان الأكثر استخدامًا على نطاق واسع لأقراص التشفير المغناطيسي هما  الفريت المصبوب بالحقن  والمغناطيس  المطاطي  (يُسمى أيضًا مغناطيس الفريت المرن). لماذا تزول مغناطيسية هاتين المادتين عند درجات حرارة عالية، وكيف يمكن حل هذه المشكلة؟ توفر هذه المقالة تحليلاً متعمقًا من منظور خصائص المواد وآليات إزالة المغناطيسية والحلول.

ثانيا. مادتان شائعتان وخصائص درجة الحرارة الخاصة بهما

1. الفريت المصبوب بالحقن

يتم تصنيع الفريت المقولب بالحقن عن طريق خلط النايلون (أو راتنجات اللدائن الحرارية الأخرى) مع مسحوق أكسيد الحديد لتشكيل الكريات، والتي تتم معالجتها بعد ذلك عن طريق القولبة بالحقن. وتشمل مزاياها حرية الشكل العالية، ودقة الأبعاد الممتازة، والملاءمة للإنتاج الضخم. في مجال أقراص التشفير المغناطيسي، يمكن مغنطة حلقات الفريت المصبوبة بالحقن بدقة باستخدام أقطاب متعددة، وتستخدم على نطاق واسع في التحكم في المحركات ومفاصل الروبوت.

ومع ذلك، فإن الفريت المصبوب بالحقن لديه عيب كبير -  حساسية عالية لدرجة الحرارة . في درجات الحرارة المرتفعة، تتدهور خصائصه المغناطيسية، وقد تحدث إزالة المغناطيسية. عادةً، يتراوح نطاق درجة حرارة التشغيل للفريت المصبوب بالحقن بين -40 درجة مئوية و120 درجة مئوية؛ وبعد هذا النطاق، يبدأ الأداء المغناطيسي في الانخفاض. والأمر الأكثر إثارة للقلق هو أن الفريت المصبوب بالحقن لديه قوة قسرية منخفضة نسبيًا، مما يجعله عرضة ليس فقط للمجالات المغناطيسية الخارجية، ولكن أيضًا لفقد مغناطيسي لا رجعة فيه في درجات حرارة عالية.

2. المغناطيس المطاطي (مغناطيس الفريت المرن)

يتم تصنيع المغناطيس المطاطي عن طريق مزج مسحوق الفريت المرتبط بالمطاط الصناعي (مثل مطاط النتريل أو مطاط الكلوروبرين) ثم معالجته عن طريق الصقل أو البثق أو القولبة بالحقن. فهي مرنة، ومرنة، وقابلة للقطع، وتستخدم أيضًا على نطاق واسع في أجهزة التشفير المغناطيسية.

عادةً ما يكون للمغناطيس المطاطي التقليدي حد أعلى لدرجة حرارة التشغيل يبلغ حوالي  80 درجة مئوية . تُظهر المغناطيسات المطاطية العادية توهينًا مغناطيسيًا أقل من 3% بعد 72 ساعة عند 80 درجة مئوية؛ ومع ذلك، إذا ارتفعت درجة الحرارة أكثر، فإن خطر إزالة المغناطيسية يزيد بشكل كبير. تجدر الإشارة إلى أن مقاومة درجة الحرارة للمغناطيس المطاطي يتم تحديدها بشكل أساسي من خلال المصفوفة المطاطية - باستخدام مطاط مقاوم لدرجة الحرارة العالية مثل مطاط السيليكون، يمكن رفع الحد الأعلى إلى 150-200 درجة مئوية.

ثالثا. الآلية الفيزيائية لإزالة المغناطيسية عند درجات الحرارة العالية: المجالات المغناطيسية 'تفقد الاتجاه' في الحركة الحرارية

لفهم إزالة المغناطيسية عند درجات الحرارة العالية، يجب على المرء أولاً أن يفهم سبب كون المواد المغناطيسية ممغنطة.

تنشأ مغناطيسية المادة من المحاذاة المنتظمة للمناطق المغناطيسية الصغيرة داخل المادة -  المجالات المغناطيسية . في درجة حرارة الغرفة، تصطف هذه المجالات إلى حد كبير في نفس الاتجاه، مما ينتج عنه مغناطيسية مجهرية. عندما ترتفع درجة الحرارة، تتكثف الحركة الحرارية للذرات داخل المجالات، مما يؤدي إلى إزعاج بنية المجال المطلوبة أصلاً ويتسبب في انحراف العزوم المغناطيسية. ونتيجة لذلك،  (Br)  وإكراهه  (Hc) بدرجات متفاوتة، مما يظهر على شكل ضعف في شدة المجال المغناطيسي. يتناقص كل من بقاء المغناطيس

بالنسبة للمغناطيسات المصنوعة من الفريت والمطاط المصبوبة بالحقن، يكون الوضع أكثر تعقيدًا: فكلتا المادتين عبارة عن  مغناطيسات مرتبطة  - مكونة من مسحوق مغناطيسي (مسحوق الفريت) مركب مع مادة رابطة بوليمر. لا تؤثر درجة الحرارة المرتفعة على ترتيب المجال المغناطيسي للمسحوق نفسه فحسب، بل تغير أيضًا خصائص الرابط (التليين، والشيخوخة، وما إلى ذلك)، مما يؤثر بدوره على تشتت المسحوق والأداء المغناطيسي العام.

من المهم التمييز بين نوعين من إزالة المغناطيسية عند درجة الحرارة العالية:

·  إزالة المغناطيسية العكسية : يتناقص الأداء المغناطيسي مع ارتفاع درجة الحرارة ولكنه يتعافى عندما تعود درجة الحرارة إلى وضعها الطبيعي.

·  إزالة المغناطيسية بشكل لا رجعة فيه : عندما تتجاوز درجة الحرارة عتبة معينة، يتغير هيكل المجال بشكل دائم، ولا يمكن استعادة الخصائص المغناطيسية الأصلية حتى بعد التبريد.

بالنسبة للتشغيل المستمر للروبوت، فإن الاهتمام الأكثر أهمية هو  إزالة المغناطيسية التي لا رجعة فيها -  بمجرد حدوثها، ستنخفض قوة الإشارة المغناطيسية لقرص التشفير بشكل دائم، مما يعرض دقة القياس لجهاز التشفير للخطر بشكل مباشر.

رابعا. الحلول المنهجية

لمعالجة إزالة المغناطيسية عند درجات الحرارة العالية لأقراص تشفير الفريت والمغناطيس المطاطي المصبوبة بالحقن، يمكن متابعة الحلول من بعدين: مستوى المادة ومستوى تصميم النظام.

الحل 1: تحسين مستوى المواد والارتقاء به

1. حدد درجات مقاومة درجات الحرارة العالية من الفريت المصبوب بالحقن

درجة حرارة التشغيل للفريت المصبوب بالحقن غير ثابتة. من خلال تحسين تركيبة المسحوق المغناطيسي ونظام الربط، يمكن تعزيز مقاومته لدرجة الحرارة بشكل كبير. على سبيل المثال، أظهرت مواد الفريت التي تستخدم النايلون 6 أو PPS (كبريتيد البوليفينيلين) كمادة رابطة نتائج اختبار مرضية عند حوالي 180 درجة مئوية. تشير الأبحاث إلى أن إضافة كمية مناسبة من زيوت التشحيم TAF يمكن أن يحسن سيولة الحبيبات والخصائص المغناطيسية؛ يمكن للمعالجة السطحية للمسحوق المغناطيسي باستخدام عوامل التوصيل أن تعزز بشكل فعال أداء المغناطيس المقولب بالحقن.

2. حدد مغناطيسات مطاطية مقاومة لدرجات الحرارة العالية

تمتلك المغناطيسات المطاطية التقليدية حدًا أعلى لدرجة الحرارة يبلغ 80 درجة مئوية، ولكن من خلال اعتماد أنظمة مطاطية ذات درجة حرارة عالية (على سبيل المثال، استبدال المطاط العادي بمطاط السيليكون)، يمكن رفع الحد الأعلى إلى 150-200 درجة مئوية. أظهرت التقنيات الحاصلة على براءة اختراع أنه من خلال الصياغة المناسبة وتحسين عملية الأنظمة المطاطية ذات درجة الحرارة العالية بمسحوق الفريت، يمكن أن تصل درجة حرارة الخدمة القصوى للمغناطيس المطاطي إلى 120-170 درجة مئوية. تتميز أنظمة المطاط المخلوطة مثل SR/NBR أيضًا بثبات حراري جيد فوق 120 درجة مئوية.

في الاختيار العملي، يوصى بمطابقة تصنيف درجة حرارة المادة مع نطاق درجة حرارة تشغيل المعدات.

الحل 2: تصميم النظام والإدارة الحرارية

1. تحسين تصميم تبديد الحرارة

نظرًا لأن إزالة المغناطيسية في درجات الحرارة المرتفعة تنتج في النهاية عن درجة الحرارة المفرطة، فإن الإدارة الحرارية الفعالة هي النهج الأكثر مباشرة. وتشمل التدابير المحددة ما يلي:

·  إضافة  المشتتات الحرارية أو تبريد الهواء القسري  حول جهاز التشفير لتقليل درجة حرارة تشغيل الحلقة المغناطيسية.

·  وضع  هياكل عازلة للحرارة  بين ملفات المحرك والمشفر لمنع انتقال الحرارة.

·  اعتماد  تصميمات السترات المبردة بالماء  لتحقيق التبريد المستمر في ظل ظروف درجات الحرارة المرتفعة.

2. الهامش الاحتياطي في تصميم الدوائر المغناطيسية

أثناء مرحلة تصميم الدائرة المغناطيسية، يمكن حجز  هامش تدفق مناسب  للتعويض عن الفقد المغناطيسي الجزئي عند درجات الحرارة المرتفعة، مما يضمن أداءً مستقرًا طوال دورة حياة المنتج.

3. التحكم في درجة حرارة عملية حقن صب

في تصنيع قرص التشفير المغناطيسي، ينبغي الاهتمام بالتحكم في درجة حرارة المعالجة أثناء عملية القولبة بالحقن، وتجنب درجات الحرارة المفرطة التي قد تلحق الضرر بالخصائص المغناطيسية.

خامسا ملخص

إن إزالة مغنطة أقراص تشفير الفريت والمغناطيس المطاطي المصبوبة بالحقن عند درجات حرارة عالية هي في الأساس عملية فيزيائية تؤدي فيها الحركة الحرارية إلى تعطيل بنية المجال المغناطيسي المرتب، مما يقلل الترتيب المغناطيسي. هذه المشكلة بارزة بشكل خاص في تشغيل الروبوت المستمر.

يمكن تناول الحلول من مستويين:  على المستوى المادي ، عن طريق اختيار درجات مقاومة للحرارة العالية من الفريت المصبوب بالحقن أو المغناطيس المطاطي المقاوم للحرارة العالية؛  على مستوى النظام ، من خلال تحسين تبديد الحرارة، وتنفيذ الإدارة الحرارية المناسبة، والحفاظ على هوامش التدفق في تصميم الدوائر المغناطيسية.

في التطبيقات الهندسية الحقيقية، يُنصح بإجراء تقييم شامل واختيار الحل الأنسب استنادًا إلى نطاق درجة الحرارة المحدد وميزانية التكلفة ومتطلبات الدقة. بعد كل شيء، بالنسبة للروبوت الذي يحتاج إلى العمل بثبات على مدى فترات طويلة، فإن موثوقية كل 'مفصل' أمر بالغ الأهمية لتحقيق النجاح الشامل.