Robotický magnetický kodér Demagnetizace senzoru při vysoké teplotě – řešení pro nepřetržitý provoz

I. Problém: Skryté riziko selhání 'společného' robotu

V průmyslových robotech, kolaborativních robotech a přesných servosystémech hrají magnetické kodéry klíčovou roli jako 'spojené senzory'. Detekují změny v magnetickém poli disk kodéru (magnetický kroužek) a poskytují zpětnou vazbu v reálném čase o rychlosti a poloze motoru. Jedním snadno přehlédnutelným problémem však je, že když roboti pracují nepřetržitě za podmínek vysoké teploty, může disk magnetického kodéru utrpět  vysokoteplotní demagnetizaci , což vede k posunu zpětné vazby polohy, zvýšenému proudu a dokonce ke ztrátě kroku.

Inženýři se s tím setkali při ladění v reálném světě: když motor běží nad 80 °C, zpětná vazba polohy se postupně stává nepřesnou a po důkladných kontrolách je hlavní příčina vysledována ve vysokoteplotní demagnetizaci magnetického kodéru. Pro průmyslové roboty, které potřebují běžet nepřetržitě po dlouhou dobu, je tento problém obzvláště kritický – neovlivňuje pouze přesnost obrábění, ale může také způsobit selhání zařízení nebo dokonce bezpečnostní incidenty.

V současné době jsou dva nejrozšířenější materiály pro magnetické kotouče kodéru  vstřikováním lisovaný ferit  a  pryžový magnet  (také nazývaný flexibilní feritový magnet). Proč se tyto dva materiály při vysokých teplotách demagnetizují a jak to lze vyřešit? Tento článek poskytuje hloubkovou analýzu z hlediska materiálových charakteristik, demagnetizačních mechanismů a řešení.

II. Dva běžné materiály a jejich teplotní charakteristiky

1. Vstřikovaný ferit

Vstřikovaný ferit se vyrábí smícháním nylonu (nebo jiných termoplastických pryskyřic) s práškem oxidu železa za vzniku pelet, které se pak zpracovávají vstřikováním. Mezi jeho přednosti patří vysoká tvarová volnost, vynikající rozměrová přesnost a vhodnost pro sériovou výrobu. V oblasti magnetických kodérových disků mohou být vstřikované feritové kroužky přesně magnetizovány s více póly a jsou široce používány v řízení motorů a spojích robotů.

Vstřikovaný ferit má však významný nedostatek –  vysokou citlivost na teplotu . Při zvýšených teplotách se jeho magnetické vlastnosti zhoršují a může dojít k demagnetizaci. Typicky je rozsah provozních teplot vstřikovaného feritu mezi -40 °C a 120 °C; za tímto rozsahem začíná magnetický výkon klesat. Více znepokojující je, že vstřikovaný ferit má relativně nízkou koercitivitu, díky čemuž je citlivý nejen na vnější magnetická pole, ale také na nevratné magnetické ztráty při vysokých teplotách.

2. Gumový magnet (flexibilní feritový magnet)

Gumové magnety se vyrábějí smícháním vázaného feritového prášku se syntetickými kaučuky (jako je nitrilový kaučuk nebo chloroprenový kaučuk) a následným zpracováním pomocí kalandrování, vytlačování nebo vstřikování. Jsou flexibilní, elastické a řezatelné a jsou také široce používány v magnetických kodérech.

Běžné gumové magnety mají obvykle horní limit provozní teploty asi  80 °C . Běžné gumové magnety vykazují magnetický útlum menší než 3 % po 72 hodinách při 80 °C; pokud však teplota dále stoupá, riziko demagnetizace se výrazně zvyšuje. Je třeba poznamenat, že teplotní odolnost pryžových magnetů je dána hlavně pryžovou matricí - použitím pryže odolné vůči vysokým teplotám, jako je silikonová pryž, lze horní hranici zvýšit na 150-200 °C.

III. Fyzikální mechanismus vysokoteplotní demagnetizace: Magnetické domény 'ztráta směru' v tepelném pohybu

Abychom pochopili vysokoteplotní demagnetizaci, musíme nejprve pochopit, proč jsou magnetické materiály magnetické.

Magnetismus materiálu pochází z uspořádaného uspořádání malých magnetických oblastí uvnitř materiálu –  magnetických domén . Při pokojové teplotě jsou tyto domény z velké části zarovnány ve stejném směru a vytvářejí makroskopický magnetismus. Když teplota vzroste, tepelný pohyb atomů v doménách zesílí, naruší původně uspořádanou doménovou strukturu a způsobí odchylku magnetických momentů. V důsledku toho se  remanence (Br)  i  koercivita (Hc)  magnetu v různé míře snižují, což se projevuje jako oslabení síly magnetického pole.

U vstřikovaných feritových a pryžových magnetů je situace složitější: oba materiály jsou  spojené magnety -  složené z magnetického prášku (feritového prášku) smíchaného s polymerním pojivem. Vysoká teplota neovlivňuje pouze uspořádání magnetické domény samotného prášku, ale také mění vlastnosti pojiva (měknutí, stárnutí atd.), což následně ovlivňuje disperzi prášku a celkový magnetický výkon.

Je důležité rozlišovat mezi dvěma typy vysokoteplotní demagnetizace:

·  Reverzibilní demagnetizace : magnetický výkon klesá s rostoucí teplotou, ale obnovuje se, když se teplota vrátí k normálu.

·  Nevratná demagnetizace : když teplota překročí určitou hranici, struktura domény se trvale změní a původní magnetické vlastnosti nelze obnovit ani po ochlazení.

Pro nepřetržitý provoz robota je nejkritičtějším problémem  nevratná demagnetizace –  jakmile k ní dojde, síla magnetického signálu disku kodéru se trvale sníží, což přímo ohrozí přesnost měření kodéru.

IV. Systematická řešení

Pro řešení vysokoteplotní demagnetizace vstřikovaných feritových a pryžových magnetických enkodérových disků lze hledat řešení ze dvou dimenzí: na úrovni materiálu a na úrovni návrhu systému.

Řešení 1: Optimalizace a modernizace na úrovni materiálu

1. Vyberte druhy vstřikovaného feritu odolné vůči vysokým teplotám

Provozní teplota vstřikovaného feritu není pevná. Optimalizací složení magnetického prášku a pojivového systému lze výrazně zvýšit jeho teplotní odolnost. Například feritové materiály používající nylon 6 nebo PPS (polyfenylensulfid) jako pojivo vykázaly uspokojivé výsledky testů při teplotě kolem 180 °C. Výzkum ukazuje, že přidání vhodného množství TAF maziva může zlepšit tekutost pelet a magnetické vlastnosti; povrchová úprava magnetického prášku spojovacími činidly může také účinně zvýšit výkon vstřikovaných magnetů.

2. Vyberte pryžové magnety odolné proti vysoké teplotě

Běžné pryžové magnety mají horní teplotní limit 80 °C, ale použitím vysokoteplotních pryžových systémů (např. nahrazením běžné pryže silikonovou pryží) lze horní hranici zvýšit na 150-200 °C. Patentované technologie ukázaly, že při správném složení a optimalizaci procesu vysokoteplotních pryžových systémů s feritovým práškem může maximální provozní teplota pryžových magnetů dosáhnout 120-170 °C. Směsné kaučukové systémy jako SR/NBR také vykazují dobrou tepelnou stabilitu nad 120 °C.

Při praktickém výběru se doporučuje sladit teplotní třídu materiálu s rozsahem provozních teplot zařízení.

Řešení 2: Návrh systému a řízení teploty

1. Optimalizujte návrh odvodu tepla

Vzhledem k tomu, že vysokoteplotní demagnetizace je nakonec způsobena nadměrnou teplotou, efektivní tepelný management je nejpřímější přístup. Mezi konkrétní opatření patří:

·  Přidání  chladičů nebo nuceného chlazení vzduchu  kolem kodéru pro snížení provozní teploty magnetického kroužku.

·  Umístění  tepelně izolačních konstrukcí  mezi vinutí motoru a enkodér pro zablokování přenosu tepla.

·  Přijetí  vodou chlazeného pláště  pro dosažení nepřetržitého chlazení za vysokých teplot.

2. Rezervní rezerva v designu magnetického obvodu

Během fáze návrhu magnetického obvodu může být vyhrazena vhodná  rezerva toku  pro kompenzaci částečných magnetických ztrát při vysokých teplotách, což zajišťuje stabilní výkon po celou dobu životního cyklu produktu.

3. Kontrola teploty procesu vstřikování

Při výrobě magnetického kodéru je třeba věnovat pozornost řízení teploty zpracování během vstřikování a vyhnout se nadměrným teplotám, které by mohly poškodit magnetické vlastnosti.

V. Souhrn

Demagnetizace vstřikovaných feritových a pryžových magnetických enkodérových disků při vysokých teplotách je v podstatě fyzikální proces, při kterém tepelný pohyb narušuje uspořádanou strukturu magnetické domény a snižuje magnetický řád. Tento problém je zvláště významný při nepřetržitém provozu robotů.

K řešením lze přistupovat ze dvou úrovní:  na materiálové úrovni výběrem vysoce teplotně odolných jakostí vstřikovaného feritu nebo pryžových magnetů odolných vysokým teplotám;  na systémové úrovni optimalizací odvodu tepla, implementací správného tepelného managementu a rezervováním rezerv toku v návrhu magnetického obvodu.

V reálných strojírenských aplikacích je vhodné komplexně vyhodnotit a vybrat nejvhodnější řešení na základě konkrétního teplotního rozsahu, nákladového rozpočtu a požadavků na přesnost. Koneckonců, pro robota, který potřebuje pracovat stabilně po dlouhou dobu, je spolehlivost každého 'kloubu' rozhodující pro celkový úspěch.