Desmagnetización del sensor del codificador magnético del robot a alta temperatura: soluciones para el funcionamiento continuo

I. El problema: el riesgo oculto del fallo de las 'articulaciones' del robot

En los robots industriales, los robots colaborativos y los servosistemas de precisión, los codificadores magnéticos desempeñan un papel fundamental como 'sensores conjuntos'. Detectan cambios en el campo magnético de la disco codificador (anillo magnético) y proporciona información en tiempo real sobre la velocidad y posición del motor. Sin embargo, un problema que fácilmente se pasa por alto es que cuando los robots funcionan continuamente en condiciones de alta temperatura, el disco codificador magnético puede sufrir  una desmagnetización a alta temperatura , lo que provoca una desviación de la retroalimentación de posición, un aumento de corriente e incluso una pérdida de paso.

Los ingenieros se han encontrado con esto en la depuración del mundo real: cuando el motor funciona a más de 80 °C, la retroalimentación de posición gradualmente se vuelve inexacta y, después de comprobaciones exhaustivas, la causa principal se remonta a la desmagnetización a alta temperatura del codificador magnético. Para los robots industriales que necesitan funcionar continuamente durante largos períodos, este problema es especialmente crítico: no sólo afecta la precisión del mecanizado sino que también puede provocar fallas en los equipos o incluso incidentes de seguridad.

Actualmente, los dos materiales más utilizados para los discos codificadores magnéticos son  la ferrita moldeada por inyección  y  el imán de caucho  (también llamado imán de ferrita flexible). ¿Por qué estos dos materiales se desmagnetizan a altas temperaturas y cómo se puede solucionar? Este artículo proporciona un análisis en profundidad desde la perspectiva de las características de los materiales, los mecanismos de desmagnetización y las soluciones.

II. Dos materiales comunes y sus características de temperatura

1. Ferrita moldeada por inyección

La ferrita moldeada por inyección se fabrica mezclando nailon (u otras resinas termoplásticas) con polvo de óxido de hierro para formar gránulos, que luego se procesan mediante moldeo por inyección. Sus ventajas incluyen una gran libertad de forma, excelente precisión dimensional e idoneidad para la producción en masa. En el campo de los discos codificadores magnéticos, los anillos de ferrita moldeados por inyección pueden magnetizarse con precisión con múltiples polos y se utilizan ampliamente en el control de motores y articulaciones de robots.

Sin embargo, la ferrita moldeada por inyección tiene un inconveniente importante:  una alta sensibilidad a la temperatura . A temperaturas elevadas, sus propiedades magnéticas se degradan y puede producirse desmagnetización. Normalmente, el rango de temperatura de funcionamiento de la ferrita moldeada por inyección está entre -40 °C y 120 °C; más allá de este rango, el rendimiento magnético comienza a disminuir. Más preocupante es que la ferrita moldeada por inyección tiene una coercitividad relativamente baja, lo que la hace susceptible no sólo a campos magnéticos externos sino también a pérdidas magnéticas irreversibles a altas temperaturas.

2. Imán de goma (imán de ferrita flexible)

Los imanes de caucho se fabrican mezclando polvo de ferrita unido con cauchos sintéticos (como caucho de nitrilo o caucho de cloropreno) y luego se procesan mediante calandrado, extrusión o moldeo por inyección. Son flexibles, elásticos y cortables, y también se utilizan ampliamente en codificadores magnéticos.

Los imanes de caucho convencionales suelen tener un límite superior de temperatura de funcionamiento de aproximadamente  80 °C . Los imanes de goma ordinarios muestran una atenuación magnética de menos del 3% después de 72 horas a 80 °C; sin embargo, si la temperatura aumenta aún más, el riesgo de desmagnetización aumenta significativamente. Cabe señalar que la resistencia a la temperatura de los imanes de caucho está determinada principalmente por la matriz de caucho; mediante el uso de cauchos resistentes a altas temperaturas, como el caucho de silicona, el límite superior se puede elevar a 150-200 °C.

III. Mecanismo físico de desmagnetización a alta temperatura: dominios magnéticos 'pierden dirección' en el movimiento térmico

Para comprender la desmagnetización a alta temperatura, primero hay que comprender por qué los materiales magnéticos son magnéticos.

El magnetismo de un material se origina a partir de la alineación ordenada de pequeñas regiones magnéticas dentro del material:  dominios magnéticos . A temperatura ambiente, estos dominios están alineados en gran medida en la misma dirección, produciendo magnetismo macroscópico. Cuando la temperatura aumenta, el movimiento térmico de los átomos dentro de los dominios se intensifica, alterando la estructura de dominio originalmente ordenada y provocando que los momentos magnéticos se desvíen. Como resultado, tanto la  remanencia (Br)  como  la coercitividad (Hc)  del imán disminuyen en diversos grados, manifestándose como un debilitamiento de la intensidad del campo magnético.

Para los imanes de ferrita y caucho moldeados por inyección, la situación es más compleja: ambos materiales son  imanes unidos  , compuestos de polvo magnético (polvo de ferrita) combinado con un aglutinante polimérico. La alta temperatura no sólo afecta la disposición del dominio magnético del polvo en sí, sino que también altera las propiedades del aglutinante (ablandamiento, envejecimiento, etc.), lo que a su vez afecta la dispersión del polvo y el rendimiento magnético general.

Es importante distinguir entre dos tipos de desmagnetización a alta temperatura:

·  Desmagnetización reversible : el rendimiento magnético disminuye con el aumento de la temperatura pero se recupera cuando la temperatura vuelve a la normalidad.

·  Desmagnetización irreversible : cuando la temperatura excede un cierto umbral, la estructura del dominio cambia permanentemente y las propiedades magnéticas originales no se pueden restaurar incluso después del enfriamiento.

Para el funcionamiento continuo del robot, la preocupación más crítica es  la desmagnetización irreversible:  una vez que ocurre, la intensidad de la señal magnética del disco codificador se reducirá permanentemente, comprometiendo directamente la precisión de la medición del codificador.

IV. Soluciones sistemáticas

Para abordar la desmagnetización a alta temperatura de discos codificadores magnéticos de caucho y ferrita moldeados por inyección, se pueden buscar soluciones desde dos dimensiones: el nivel del material y el nivel de diseño del sistema.

Solución 1: optimización y actualización a nivel de material

1. Seleccione grados de ferrita moldeada por inyección resistentes a altas temperaturas

La temperatura de funcionamiento de la ferrita moldeada por inyección no es fija. Al optimizar la formulación del polvo magnético y el sistema aglutinante, se puede mejorar significativamente su resistencia a la temperatura. Por ejemplo, los materiales de ferrita que utilizan nailon 6 o PPS (sulfuro de polifenileno) como aglutinante han mostrado resultados de prueba satisfactorios a alrededor de 180 °C. Las investigaciones indican que agregar una cantidad adecuada de lubricante TAF puede mejorar la fluidez de los gránulos y las propiedades magnéticas; El tratamiento superficial del polvo magnético con agentes de acoplamiento también puede mejorar eficazmente el rendimiento de los imanes moldeados por inyección.

2. Seleccione imanes de goma resistentes a altas temperaturas

Los imanes de caucho convencionales tienen un límite de temperatura superior de 80 °C, pero al adoptar sistemas de caucho de alta temperatura (por ejemplo, reemplazando el caucho ordinario por caucho de silicona), el límite superior se puede elevar a 150-200 °C. Las tecnologías patentadas han demostrado que con una formulación adecuada y la optimización del proceso de sistemas de caucho de alta temperatura con polvo de ferrita, la temperatura máxima de servicio de los imanes de caucho puede alcanzar los 120-170 °C. Los sistemas de caucho mezclados como SR/NBR también presentan una buena estabilidad térmica por encima de 120 °C.

En la selección práctica, se recomienda hacer coincidir la clasificación de temperatura del material con el rango de temperatura de funcionamiento del equipo.

Solución 2: Diseño del sistema y gestión térmica

1. Optimice el diseño de disipación de calor

Dado que la desmagnetización a alta temperatura es causada en última instancia por una temperatura excesiva, la gestión térmica eficaz es el enfoque más directo. Las medidas específicas incluyen:

·  Agregar  disipadores de calor o enfriamiento por aire forzado  alrededor del codificador para reducir la temperatura de funcionamiento del anillo magnético.

·  Colocar  estructuras de aislamiento térmico  entre los devanados del motor y el codificador para bloquear la transferencia de calor.

·  Adopción  de diseños de chaquetas refrigeradas por agua  para lograr un enfriamiento continuo en condiciones de alta temperatura.

2. Margen de reserva en el diseño de circuitos magnéticos

Durante la fase de diseño del circuito magnético, se puede reservar un  margen de flujo adecuado  para compensar la pérdida magnética parcial a altas temperaturas, asegurando un rendimiento estable durante todo el ciclo de vida del producto.

3. Controlar la temperatura del proceso de moldeo por inyección

En la fabricación del disco codificador magnético se debe prestar atención al control de la temperatura de procesamiento durante el moldeo por inyección, evitando temperaturas excesivas que puedan dañar las propiedades magnéticas.

V. Resumen

La desmagnetización de discos codificadores magnéticos de caucho y ferrita moldeados por inyección a altas temperaturas es esencialmente un proceso físico en el que el movimiento térmico altera la estructura ordenada del dominio magnético, reduciendo el orden magnético. Este problema es particularmente importante en el funcionamiento continuo del robot.

Las soluciones pueden abordarse desde dos niveles:  a nivel de materiales , seleccionando grados de ferrita moldeada por inyección resistentes a altas temperaturas o imanes de caucho resistentes a altas temperaturas;  a nivel de sistema , optimizando la disipación de calor, implementando una gestión térmica adecuada y reservando márgenes de flujo en el diseño del circuito magnético.

En aplicaciones de ingeniería reales, es recomendable evaluar exhaustivamente y elegir la solución más adecuada en función del rango de temperatura específico, el presupuesto de costos y los requisitos de precisión. Después de todo, para un robot que necesita funcionar de manera estable durante largos períodos, la confiabilidad de cada 'articulación' es fundamental para el éxito general.