Απομαγνητισμός αισθητήρα με μαγνητικό κωδικοποιητή ρομπότ σε υψηλή θερμοκρασία – Λύσεις για συνεχή λειτουργία

I. Το πρόβλημα: Ο κρυφός κίνδυνος αποτυχίας του ρομπότ 'Joint'.

Σε βιομηχανικά ρομπότ, συνεργατικά ρομπότ και σερβο συστήματα ακριβείας, οι μαγνητικοί κωδικοποιητές παίζουν κρίσιμο ρόλο ως «κοινοί αισθητήρες». Ανιχνεύουν αλλαγές στο μαγνητικό πεδίο του δίσκος κωδικοποιητή (μαγνητικός δακτύλιος) και παρέχει ανάδραση σε πραγματικό χρόνο για την ταχύτητα και τη θέση του κινητήρα. Ωστόσο, ένα θέμα που εύκολα παραβλέπεται είναι ότι όταν τα ρομπότ λειτουργούν συνεχώς υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας, ο μαγνητικός δίσκος κωδικοποιητή μπορεί να υποστεί  απομαγνητισμό υψηλής θερμοκρασίας , οδηγώντας σε μετατόπιση θέσης, αυξημένο ρεύμα και ακόμη και απώλεια βημάτων.

Οι μηχανικοί το έχουν αντιμετωπίσει στον πραγματικό εντοπισμό σφαλμάτων: όταν ο κινητήρας λειτουργεί πάνω από 80 °C, η ανάδραση θέσης γίνεται σταδιακά ανακριβής και μετά από ενδελεχείς ελέγχους, η βασική αιτία εντοπίζεται στον απομαγνητισμό του μαγνητικού κωδικοποιητή σε υψηλή θερμοκρασία. Για τα βιομηχανικά ρομπότ που πρέπει να λειτουργούν συνεχώς για μεγάλες περιόδους, αυτό το πρόβλημα είναι ιδιαίτερα κρίσιμο - δεν επηρεάζει μόνο την ακρίβεια μηχανικής κατεργασίας αλλά μπορεί επίσης να προκαλέσει αστοχίες εξοπλισμού ή ακόμα και περιστατικά ασφάλειας.

Επί του παρόντος, τα δύο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα υλικά για δίσκους μαγνητικού κωδικοποιητή είναι  ο φερρίτης με έγχυση  και  ο μαγνήτης από καουτσούκ  (ονομάζεται επίσης εύκαμπτος μαγνήτης φερρίτη). Γιατί αυτά τα δύο υλικά απομαγνητίζονται σε υψηλές θερμοκρασίες και πώς μπορεί να λυθεί αυτό; Αυτό το άρθρο παρέχει μια εις βάθος ανάλυση από την προοπτική των χαρακτηριστικών του υλικού, των μηχανισμών απομαγνητισμού και των λύσεων.

II. Δύο κοινά υλικά και τα χαρακτηριστικά θερμοκρασίας τους

1. Φερρίτης με έγχυση

Ο χυτευμένος με έγχυση φερρίτης παράγεται με ανάμιξη νάιλον (ή άλλων θερμοπλαστικών ρητινών) με σκόνη οξειδίου του σιδήρου για να σχηματιστούν σφαιρίδια, τα οποία στη συνέχεια επεξεργάζονται με χύτευση με έγχυση. Τα πλεονεκτήματά του περιλαμβάνουν υψηλή ελευθερία σχήματος, εξαιρετική ακρίβεια διαστάσεων και καταλληλότητα για μαζική παραγωγή. Στον τομέα των δίσκων μαγνητικού κωδικοποιητή, οι δακτύλιοι φερρίτη με χύτευση με έγχυση μπορούν να μαγνητιστούν με ακρίβεια με πολλαπλούς πόλους και χρησιμοποιούνται ευρέως στον έλεγχο κινητήρα και στις αρθρώσεις ρομπότ.

Ωστόσο, ο φερρίτης με έγχυση έχει ένα σημαντικό μειονέκτημα -  υψηλή ευαισθησία στη θερμοκρασία . Κάτω από υψηλές θερμοκρασίες, οι μαγνητικές του ιδιότητες υποβαθμίζονται και μπορεί να συμβεί απομαγνητισμός. Συνήθως, το εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας του χυτευμένου με έγχυση φερρίτη είναι μεταξύ -40 °C και 120 °C. πέρα από αυτό το εύρος, η μαγνητική απόδοση αρχίζει να μειώνεται. Πιο ανησυχητικό είναι ότι ο φερρίτης που έχει χυτευθεί με έγχυση έχει σχετικά χαμηλή καταναγκαστική ικανότητα, καθιστώντας τον ευαίσθητο όχι μόνο σε εξωτερικά μαγνητικά πεδία αλλά και σε μη αναστρέψιμες μαγνητικές απώλειες σε υψηλές θερμοκρασίες.

2. Μαγνήτης από καουτσούκ (Εύκαμπτος μαγνήτης φερρίτη)

Οι λαστιχένιοι μαγνήτες κατασκευάζονται με ανάμειξη κολλημένης σκόνης φερρίτη με συνθετικά καουτσούκ (όπως καουτσούκ νιτριλίου ή καουτσούκ χλωροπρενίου) και στη συνέχεια επεξεργασία μέσω καλαντέρ, εξώθησης ή χύτευσης με έγχυση. Είναι εύκαμπτα, ελαστικά και κοπτικά και χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως σε μαγνητικούς κωδικοποιητές.

Οι συμβατικοί μαγνήτες από καουτσούκ έχουν συνήθως ένα ανώτερο όριο θερμοκρασίας λειτουργίας περίπου  80 °C . Οι συνηθισμένοι μαγνήτες από καουτσούκ παρουσιάζουν μαγνητική εξασθένηση μικρότερη από 3% μετά από 72 ώρες στους 80 °C. Ωστόσο, εάν η θερμοκρασία αυξηθεί περαιτέρω, ο κίνδυνος απομαγνήτισης αυξάνεται σημαντικά. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η αντίσταση στη θερμοκρασία των μαγνητών από καουτσούκ καθορίζεται κυρίως από τη μήτρα από καουτσούκ - χρησιμοποιώντας ελαστικά ανθεκτικά σε υψηλή θερμοκρασία όπως το καουτσούκ σιλικόνης, το ανώτερο όριο μπορεί να αυξηθεί στους 150-200 °C.

III. Φυσικός Μηχανισμός Απομαγνήτισης Υψηλής Θερμοκρασίας: Μαγνητικοί Τομείς 'Χάσιμος Κατεύθυνσης' σε Θερμική Κίνηση

Για να κατανοήσουμε τον απομαγνητισμό σε υψηλή θερμοκρασία, πρέπει πρώτα να κατανοήσουμε γιατί τα μαγνητικά υλικά είναι μαγνητικά.

Ο μαγνητισμός ενός υλικού προέρχεται από τη διατεταγμένη ευθυγράμμιση των μικροσκοπικών μαγνητικών περιοχών μέσα στο υλικό -  μαγνητικές περιοχές . Σε θερμοκρασία δωματίου, αυτοί οι τομείς ευθυγραμμίζονται σε μεγάλο βαθμό προς την ίδια κατεύθυνση, παράγοντας μακροσκοπικό μαγνητισμό. Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, η θερμική κίνηση των ατόμων εντός των περιοχών εντείνεται, διαταράσσοντας την αρχικά διατεταγμένη δομή της περιοχής και προκαλώντας απόκλιση των μαγνητικών ροπών. Ως αποτέλεσμα, τόσο η  παραμονή (Br)  όσο και  η καταναγκασμός (Hc)  του μαγνήτη μειώνονται σε διάφορους βαθμούς, που εκδηλώνεται ως εξασθένηση της έντασης του μαγνητικού πεδίου.

Για τους χυτευμένους με έγχυση μαγνήτες φερρίτη και καουτσούκ, η κατάσταση είναι πιο περίπλοκη: και τα δύο υλικά είναι  συνδεδεμένοι μαγνήτες  -αποτελούμενοι από μαγνητική σκόνη (σκόνη φερρίτη) σε συνδυασμό με συνδετικό πολυμερούς. Η υψηλή θερμοκρασία όχι μόνο επηρεάζει τη διάταξη της μαγνητικής περιοχής της ίδιας της σκόνης αλλά επίσης μεταβάλλει τις ιδιότητες του συνδετικού υλικού (μαλάκωμα, γήρανση κ.λπ.), γεγονός που με τη σειρά του επηρεάζει τη διασπορά της σκόνης και τη συνολική μαγνητική απόδοση.

Είναι σημαντικό να γίνει διάκριση μεταξύ δύο τύπων απομαγνητισμού υψηλής θερμοκρασίας:

·  Αναστρέψιμος απομαγνητισμός : η μαγνητική απόδοση μειώνεται με την άνοδο της θερμοκρασίας, αλλά επανέρχεται όταν η θερμοκρασία επανέλθει στο κανονικό.

·  Μη αναστρέψιμη απομαγνήτιση : όταν η θερμοκρασία υπερβαίνει ένα ορισμένο όριο, η δομή της περιοχής αλλάζει μόνιμα και οι αρχικές μαγνητικές ιδιότητες δεν μπορούν να αποκατασταθούν ακόμη και μετά την ψύξη.

Για τη συνεχή λειτουργία του ρομπότ, η πιο κρίσιμη ανησυχία είναι  ο μη αναστρέψιμος απομαγνητισμός -  μόλις συμβεί, η ισχύς του μαγνητικού σήματος του δίσκου του κωδικοποιητή θα μειωθεί μόνιμα, θέτοντας άμεσα σε κίνδυνο την ακρίβεια μέτρησης του κωδικοποιητή.

IV. Συστηματικές Λύσεις

Για την αντιμετώπιση του απομαγνητισμού υψηλής θερμοκρασίας των δίσκων κωδικοποιητή φερρίτη και λαστιχένιων μαγνητών με έγχυση, μπορούν να αναζητηθούν λύσεις από δύο διαστάσεις: το επίπεδο υλικού και το επίπεδο σχεδιασμού συστήματος.

Λύση 1: Βελτιστοποίηση και αναβάθμιση σε επίπεδο υλικού

1. Επιλέξτε Ανθεκτικές σε Υψηλές Θερμοκρασίες Ποιότητες Χυτευμένου με Έγχυση Φερρίτη

Η θερμοκρασία λειτουργίας του χυτευμένου με έγχυση φερρίτη δεν είναι σταθερή. Με τη βελτιστοποίηση της σύνθεσης μαγνητικής σκόνης και του συστήματος συνδετικού υλικού, η αντίσταση στη θερμοκρασία μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά. Για παράδειγμα, υλικά φερρίτη που χρησιμοποιούν νάιλον 6 ή PPS (σουλφίδιο πολυφαινυλενίου) ως συνδετικό έχουν δείξει ικανοποιητικά αποτελέσματα δοκιμής στους 180 °C περίπου. Η έρευνα δείχνει ότι η προσθήκη κατάλληλης ποσότητας λιπαντικού TAF μπορεί να βελτιώσει τη ροή των σφαιριδίων και τις μαγνητικές ιδιότητες. Η επιφανειακή επεξεργασία της μαγνητικής σκόνης με παράγοντες σύζευξης μπορεί επίσης να βελτιώσει αποτελεσματικά την απόδοση των μαγνητών με χύτευση με έγχυση.

2. Επιλέξτε Μαγνήτες από καουτσούκ με αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία

Οι συμβατικοί μαγνήτες από καουτσούκ έχουν ανώτατο όριο θερμοκρασίας 80 °C, αλλά με την υιοθέτηση συστημάτων από καουτσούκ υψηλής θερμοκρασίας (π.χ. αντικαθιστώντας το συνηθισμένο καουτσούκ με καουτσούκ σιλικόνης), το ανώτερο όριο μπορεί να αυξηθεί στους 150-200 °C. Οι πατενταρισμένες τεχνολογίες έχουν δείξει ότι με τη σωστή σύνθεση και βελτιστοποίηση της διαδικασίας συστημάτων καουτσούκ υψηλής θερμοκρασίας με σκόνη φερρίτη, η μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας των μαγνητών από καουτσούκ μπορεί να φτάσει τους 120-170 °C. Τα συστήματα μικτού καουτσούκ όπως το SR/NBR παρουσιάζουν επίσης καλή θερμική σταθερότητα πάνω από 120 °C.

Στην πρακτική επιλογή, συνιστάται η αντιστοίχιση της βαθμολογίας θερμοκρασίας του υλικού με το εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας του εξοπλισμού.

Λύση 2: Σχεδιασμός Συστήματος και Θερμική Διαχείριση

1. Βελτιστοποιήστε το σχέδιο απαγωγής θερμότητας

Δεδομένου ότι ο απομαγνητισμός σε υψηλή θερμοκρασία προκαλείται τελικά από υπερβολική θερμοκρασία, η αποτελεσματική θερμική διαχείριση είναι η πιο άμεση προσέγγιση. Τα συγκεκριμένα μέτρα περιλαμβάνουν:

·  Προσθήκη  ψυκτών θερμότητας ή εξαναγκασμένης ψύξης αέρα  γύρω από τον κωδικοποιητή για μείωση της θερμοκρασίας λειτουργίας του μαγνητικού δακτυλίου.

·  Τοποθέτηση  θερμομονωτικών δομών  μεταξύ των περιελίξεων του κινητήρα και του κωδικοποιητή για να εμποδίσει τη μεταφορά θερμότητας.

·  Υιοθέτηση  σχεδίων υδρόψυκτων μπουφάν  για την επίτευξη συνεχούς ψύξης σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας.

2. Αποθεματικό περιθώριο στη σχεδίαση μαγνητικού κυκλώματος

Κατά τη φάση σχεδιασμού του μαγνητικού κυκλώματος, μπορεί να δεσμευτεί ένα κατάλληλο  περιθώριο ροής  για την αντιστάθμιση της μερικής μαγνητικής απώλειας σε υψηλές θερμοκρασίες, διασφαλίζοντας σταθερή απόδοση σε όλο τον κύκλο ζωής του προϊόντος.

3. Έλεγχος της θερμοκρασίας διαδικασίας χύτευσης με έγχυση

Κατά την κατασκευή του δίσκου μαγνητικού κωδικοποιητή, πρέπει να δοθεί προσοχή στον έλεγχο της θερμοκρασίας επεξεργασίας κατά τη χύτευση με έγχυση, αποφεύγοντας υπερβολικές θερμοκρασίες που θα μπορούσαν να βλάψουν τις μαγνητικές ιδιότητες.

V. Περίληψη

Η απομαγνήτιση δίσκων κωδικοποιητή φερρίτη και λαστιχένιου μαγνήτη με έγχυση σε υψηλές θερμοκρασίες είναι ουσιαστικά μια φυσική διαδικασία κατά την οποία η θερμική κίνηση διαταράσσει τη δομή της διατεταγμένης μαγνητικής περιοχής, μειώνοντας τη μαγνητική τάξη. Αυτό το ζήτημα είναι ιδιαίτερα εμφανές στη συνεχή λειτουργία ρομπότ.

Οι λύσεις μπορούν να προσεγγιστούν από δύο επίπεδα:  σε επίπεδο υλικού , επιλέγοντας ανθεκτικές σε υψηλή θερμοκρασία ποιότητες φερρίτη χυτευμένου με έγχυση ή ελαστικών μαγνητών ανθεκτικών σε υψηλή θερμοκρασία.  σε επίπεδο συστήματος , βελτιστοποιώντας τη διάχυση θερμότητας, εφαρμόζοντας σωστή θερμική διαχείριση και διατηρώντας περιθώρια ροής στο σχεδιασμό του μαγνητικού κυκλώματος.

Σε πραγματικές εφαρμογές μηχανικής, συνιστάται η συνολική αξιολόγηση και η επιλογή της καταλληλότερης λύσης με βάση το συγκεκριμένο εύρος θερμοκρασίας, τον προϋπολογισμό κόστους και τις απαιτήσεις ακρίβειας. Σε τελική ανάλυση, για ένα ρομπότ που χρειάζεται να λειτουργεί σταθερά για μεγάλα χρονικά διαστήματα, η αξιοπιστία κάθε 'άρθρου' είναι κρίσιμη για τη συνολική επιτυχία.