Roboti magnetkodeerija anduri demagnetiseerimine kõrgel temperatuuril – lahendused pidevaks tööks

I. Probleem: Roboti 'Ühise' rikke varjatud oht

Tööstusrobotites, koostöörobotites ja täppisservosüsteemides mängivad magnetkodeerijad 'liigeseanduritena' kriitilist rolli. Nad tuvastavad muutusi seadmete magnetväljas. kodeerija ketas (magnetrõngas) ja annab reaalajas tagasisidet mootori kiiruse ja asukoha kohta. Üks kergesti tähelepanuta jäetav probleem on aga see, et kui robotid töötavad pidevalt kõrge temperatuuri tingimustes, võib magnetkooderi ketas kannatada  kõrge temperatuuriga demagnetiseerumise all , mis toob kaasa positsiooni tagasiside triivi, voolu suurenemise ja isegi sammukadu.

Insenerid on sellega kokku puutunud reaalses silumises: kui mootor töötab üle 80 °C, muutub asendi tagasiside järk-järgult ebatäpseks ja pärast põhjalikku kontrolli leitakse algpõhjus magnetkodeerija demagnetiseerimisel kõrgel temperatuuril. Tööstusrobotite puhul, mis peavad pidevalt töötama pikka aega, on see probleem eriti kriitiline – see ei mõjuta ainult töötluse täpsust, vaid võib põhjustada ka seadmete rikkeid või isegi ohutusjuhtumeid.

Praegu on magnetilise kodeerija ketaste kaks kõige laialdasemalt kasutatavat materjali  survevalu ferriit  ja  kummimagnet  (nimetatakse ka painduvaks ferriitmagnetiks). Miks need kaks materjali kõrgel temperatuuril demagnetiseeruvad ja kuidas seda lahendada? See artikkel annab põhjaliku analüüsi materjali omaduste, demagnetiseerimismehhanismide ja lahenduste vaatenurgast.

II. Kaks levinumat materjali ja nende temperatuuriomadused

1. Injektsioonvormitud ferriit

Injektsioonvormitud ferriit valmistatakse nailoni (või muude termoplastsete vaikude) segamisel raudoksiidi pulbriga, et moodustada graanulid, mida seejärel töödeldakse survevalu abil. Selle eelisteks on suur kujuvabadus, suurepärane mõõtmete täpsus ja sobivus masstootmiseks. Magnetkodeerijate ketaste valdkonnas saab survevaluvormitud ferriitrõngaid täppismagnetiseerida mitme poolusega ning neid kasutatakse laialdaselt mootori juhtimises ja roboti liigendites.

Injektsioonvormitud ferriidil on aga oluline puudus –  kõrge temperatuuritundlikkus . Kõrgematel temperatuuridel selle magnetilised omadused halvenevad ja võib toimuda demagnetiseerumine. Tavaliselt on survevalu ferriidi töötemperatuuri vahemik -40 °C kuni 120 °C; väljaspool seda vahemikku hakkab magnetiline jõudlus langema. Veelgi murettekitavam on see, et survevalu ferriidil on suhteliselt madal koertsitiivsus, mis muudab selle vastuvõtlikuks mitte ainult välistele magnetväljadele, vaid ka pöördumatutele magnetkadudele kõrgetel temperatuuridel.

2. Kummist magnet (painduv ferriitmagnet)

Kummist magnetid valmistatakse ferriidipulbri segamisel sünteetiliste kummidega (nagu nitriilkummi või kloropreenkummi) ja seejärel töötlemisel kalandreerimise, ekstrusiooni või survevalu abil. Need on paindlikud, elastsed ja lõigatavad ning neid kasutatakse laialdaselt ka magnetkodeerijates.

Tavaliste kummimagnetite töötemperatuuri ülempiir on tavaliselt umbes  80 °C . Tavaliste kummimagnetite magnetiline sumbumine on pärast 72 tundi 80 °C juures alla 3%; kui aga temperatuur veelgi tõuseb, suureneb demagnetiseerumise oht oluliselt. Tuleb märkida, et kummimagnetite temperatuuritaluvuse määrab peamiselt kummimaatriks - kasutades kõrgele temperatuurile vastupidavaid kumme nagu silikoonkummi, saab ülemist piiri tõsta 150-200 °C-ni.

III. Kõrgtemperatuurilise demagnetiseerimise füüsikaline mehhanism: magnetpiirkonnad 'kaovad' soojusliikumises

Kõrgtemperatuurse demagnetiseerimise mõistmiseks tuleb kõigepealt mõista, miks magnetilised materjalid on magnetilised.

Materjali magnetism tuleneb materjali sees olevate pisikeste magnetpiirkondade –  magnetdomeenide – järjestatud joondamisest . Toatemperatuuril on need domeenid suures osas joondatud samas suunas, tekitades makroskoopilise magnetismi. Kui temperatuur tõuseb, intensiivistub aatomite termiline liikumine domeenides, mis häirib algselt järjestatud domeenistruktuuri ja põhjustab magnetmomentide hälbimist. Selle tulemusena vähenevad nii magneti  remanents (Br)  kui ka  koertsitiivsus (Hc)  erineval määral, mis avaldub magnetvälja tugevuse nõrgenemisena.

Injektsioonvormitud ferriit- ja kummimagnetite puhul on olukord keerulisem: mõlemad materjalid on  ühendatud magnetid,  mis koosnevad magnetpulbrist (ferriidipulbrist), mis on segatud polümeerse sideainega. Kõrge temperatuur ei mõjuta mitte ainult pulbri enda magnetdomeeni paigutust, vaid muudab ka sideaine omadusi (pehmenemine, vananemine jne), mis omakorda mõjutab pulbri dispersiooni ja üldist magnetilist jõudlust.

Oluline on eristada kahte tüüpi kõrgtemperatuurilist demagnetiseerimist:

·  Pööratav demagnetiseerimine : magnetiline jõudlus väheneb temperatuuri tõustes, kuid taastub, kui temperatuur normaliseerub.

·  Pöördumatu demagnetiseerimine : kui temperatuur ületab teatud läve, muutub domeeni struktuur püsivalt ja esialgseid magnetilisi omadusi ei saa taastada isegi pärast jahutamist.

Roboti pideva töötamise puhul on kõige olulisem probleem  pöördumatu demagnetiseerimine  – kui see juhtub, väheneb kodeerija ketta magnetsignaali tugevus püsivalt, mis kahjustab otseselt kodeerija mõõtmistäpsust.

IV. Süstemaatilised lahendused

Injektsioonvormitud ferriit- ja kummimagnetitega kodeerijate ketaste kõrgtemperatuurse demagnetiseerimisega tegelemiseks võib lahendusi otsida kahest mõõtmest: materjalitasemest ja süsteemi disainitasemest.

Lahendus 1: materjalitaseme optimeerimine ja täiendamine

1. Valige kõrgtemperatuurikindlad pritsevormitud ferriidi klassid

Survevalu ferriidi töötemperatuur ei ole fikseeritud. Magnetilise pulbri koostise ja sideainesüsteemi optimeerimisega saab selle temperatuuritaluvust oluliselt suurendada. Näiteks ferriitmaterjalid, mis kasutavad sideainena nailon 6 või PPS (polüfenüleensulfiid), on andnud rahuldavaid katsetulemusi umbes 180 °C juures. Uuringud näitavad, et sobiva koguse TAF-määrdeaine lisamine võib parandada graanulite voolavust ja magnetilisi omadusi; Magnetpulbri pinnatöötlus sideainetega võib samuti tõhusalt parandada survevalumagnetite jõudlust.

2. Valige kõrge temperatuuriga kummimagnetid

Tavaliste kummimagnetite temperatuuri ülempiir on 80 °C, kuid kõrgtemperatuursete kummisüsteemide kasutuselevõtuga (nt tavalise kummi asendamine silikoonkummiga) saab ülemist piiri tõsta 150-200 °C-ni. Patenteeritud tehnoloogiad on näidanud, et ferriidipulbriga kõrgtemperatuursete kummisüsteemide õige koostise ja protsessi optimeerimise korral võib kummimagnetite maksimaalne kasutustemperatuur ulatuda 120-170 °C-ni. Segukummisüsteemidel, nagu SR/NBR, on ka hea termiline stabiilsus temperatuuril üle 120 °C.

Praktilisel valikul on soovitatav sobitada materjali temperatuurireiting seadme töötemperatuuri vahemikuga.

Lahendus 2: süsteemi projekteerimine ja soojusjuhtimine

1. Optimeerige soojuse hajumise disain

Kuna kõrgtemperatuurilist demagnetiseerimist põhjustab lõppkokkuvõttes liigne temperatuur, on tõhus soojusjuhtimine kõige otsesem lähenemine. Konkreetsed meetmed hõlmavad järgmist:

·  lisamine  Jahutusradiaatorite või sundõhujahutuse  kodeerija ümber, et vähendada magnetrõnga töötemperatuuri.

·  paigutamine  Soojusisolatsioonikonstruktsioonide  mootori mähiste ja anduri vahele soojusülekande blokeerimiseks.

·  kasutuselevõtt  Vesijahutusega jope disainilahenduste  , et saavutada pidev jahutamine kõrge temperatuuri tingimustes.

2. Reservvaru magnetahela disainis

Magnetahela projekteerimisetapis saab reserveerida sobiva  voovaru  , et kompenseerida osalist magnetkadu kõrgetel temperatuuridel, tagades toote stabiilse jõudluse kogu toote elutsükli jooksul.

3. Kontrollige survevalu protsessi temperatuuri

Magnetkodeerija ketta valmistamisel tuleks tähelepanu pöörata töötlemistemperatuuri kontrollimisele survevalu ajal, vältides ülemääraseid temperatuure, mis võivad magnetilisi omadusi kahjustada.

V. Kokkuvõte

Injektsioonvormitud ferriidist ja kummist magnetkooderi ketaste demagnetiseerimine kõrgel temperatuuril on sisuliselt füüsiline protsess, mille käigus soojusliikumine häirib korrastatud magnetpiirkonna struktuuri, vähendades magnetilist järjestust. See probleem on eriti oluline pideva roboti töötamise korral.

Lahendustele saab läheneda kahel tasandil:  materjali tasandil , valides kõrgtemperatuurikindlad survevaluferriidi klassid või kõrge temperatuurikindlad kummimagnetid;  süsteemi tasandil , optimeerides soojuse hajumist, rakendades õiget soojusjuhtimist ja reserveerides magnetahela konstruktsioonis voovarud.

Tõeliste insenerirakenduste puhul on soovitatav igakülgselt hinnata ja valida sobivaim lahendus, lähtudes konkreetsest temperatuurivahemikust, kulueelarvest ja täpsusnõuetest. Lõppude lõpuks on roboti jaoks, mis peab pikka aega stabiilselt töötama, iga 'liigese' usaldusväärsus üldise edu jaoks ülioluline.