ربات مغناطیسی زدایی سنسور رمزگذار مغناطیسی در دمای بالا - راه حل هایی برای عملکرد مداوم

I. مشکل: خطر پنهان شکست ربات 'مشترک'.

در روبات‌های صنعتی، ربات‌های مشارکتی و سیستم‌های سروو دقیق، رمزگذارهای مغناطیسی نقش مهمی را به عنوان «حسگرهای مشترک» ایفا می‌کنند. آنها تغییرات میدان مغناطیسی را تشخیص می‌دهند. دیسک رمزگذار (حلقه مغناطیسی) و ارائه بازخورد در زمان واقعی در مورد سرعت و موقعیت موتور. با این حال، یکی از مسائلی که به راحتی نادیده گرفته می‌شود این است که وقتی روبات‌ها به طور مداوم تحت شرایط دمای بالا کار می‌کنند، دیسک رمزگذار مغناطیسی ممکن است دچار  مغناطیس زدایی در دمای بالا شود ، که منجر به رانش بازخورد موقعیت، افزایش جریان، و حتی از دست دادن مرحله شود.

مهندسان در اشکال زدایی در دنیای واقعی با این موضوع مواجه شده اند: وقتی موتور بالای 80 درجه سانتیگراد کار می کند، بازخورد موقعیت به تدریج نادرست می شود و پس از بررسی های کامل، علت اصلی در مغناطیس زدایی در دمای بالا رمزگذار مغناطیسی ردیابی می شود. برای ربات های صنعتی که نیاز به کار مداوم برای مدت طولانی دارند، این مشکل به ویژه بسیار مهم است - نه تنها بر دقت ماشینکاری تاثیر می گذارد، بلکه می تواند باعث خرابی تجهیزات یا حتی حوادث ایمنی شود.

در حال حاضر، دو ماده پرکاربرد برای دیسک های رمزگذار مغناطیسی  ، فریت قالب گیری تزریقی  و  آهنربای لاستیکی  (همچنین آهنربای فریت انعطاف پذیر نامیده می شود) هستند. چرا این دو ماده در دماهای بالا مغناطیس زدایی می شوند و چگونه می توان آن را حل کرد؟ این مقاله یک تجزیه و تحلیل عمیق از دیدگاه ویژگی های مواد، مکانیسم های مغناطیس زدایی و راه حل ها ارائه می دهد.

II. دو ماده متداول و ویژگی های دمایی آنها

1. فریت قالب گیری تزریقی

فریت قالب گیری تزریقی از مخلوط کردن نایلون (یا سایر رزین های ترموپلاستیک) با پودر اکسید آهن برای تشکیل گلوله ها ساخته می شود که سپس با قالب گیری تزریقی پردازش می شوند. از مزایای آن می توان به آزادی شکل بالا، دقت ابعادی عالی و مناسب بودن برای تولید انبوه اشاره کرد. در زمینه دیسک‌های رمزگذار مغناطیسی، حلقه‌های فریت قالب‌گیری شده با تزریق را می‌توان با چندین قطب با دقت مغناطیسی کرد و به طور گسترده در کنترل موتور و اتصالات ربات استفاده می‌شود.

با این حال، فریت قالب گیری تزریقی دارای یک کاستی قابل توجه است -  حساسیت بالا به دما . تحت دماهای بالا، خواص مغناطیسی آن کاهش می یابد و ممکن است مغناطیس زدایی رخ دهد. به طور معمول، محدوده دمای عملیاتی فریت قالب گیری تزریقی بین -40 درجه سانتیگراد تا 120 درجه سانتیگراد است. فراتر از این محدوده، عملکرد مغناطیسی شروع به کاهش می کند. نگران‌کننده‌تر این است که فریت قالب‌گیری شده با تزریق دارای نیروی اجباری نسبتاً کمی است، که آن را نه تنها در برابر میدان‌های مغناطیسی خارجی، بلکه در برابر تلفات مغناطیسی غیرقابل برگشت در دماهای بالا حساس می‌کند.

2. آهنربا لاستیکی (مگنت فریت انعطاف پذیر)

آهنرباهای لاستیکی با مخلوط کردن پودر فریت پیوندی با لاستیک های مصنوعی (مانند لاستیک نیتریل یا لاستیک کلروپرن) و سپس پردازش از طریق کلندرینگ، اکستروژن یا قالب گیری تزریقی ساخته می شوند. آنها انعطاف پذیر، الاستیک و قابل برش هستند و همچنین به طور گسترده در رمزگذارهای مغناطیسی استفاده می شوند.

آهنرباهای لاستیکی معمولی معمولاً دارای حداکثر دمای عملیاتی حدود  80 درجه سانتیگراد هستند . آهنرباهای لاستیکی معمولی پس از 72 ساعت در دمای 80 درجه سانتیگراد تضعیف مغناطیسی کمتر از 3٪ را نشان می دهند. با این حال، اگر دما بیشتر افزایش یابد، خطر مغناطیس زدایی به طور قابل توجهی افزایش می یابد. لازم به ذکر است که مقاومت دمایی آهنرباهای لاستیکی عمدتاً توسط ماتریس لاستیکی تعیین می شود - با استفاده از لاستیک های مقاوم در برابر درجه حرارت بالا مانند لاستیک سیلیکون می توان حد بالایی را تا 150-200 درجه سانتیگراد افزایش داد.

III. مکانیسم فیزیکی مغناطیس زدایی در دمای بالا: دامنه های مغناطیسی 'از دست دادن جهت' در حرکت حرارتی

برای درک مغناطیس زدایی در دمای بالا، ابتدا باید بفهمیم که چرا مواد مغناطیسی مغناطیسی هستند.

مغناطیس یک ماده از هم ترازی منظم نواحی مغناطیسی ریز در داخل مواد -  حوزه های مغناطیسی سرچشمه می گیرد . در دمای اتاق، این حوزه ها تا حد زیادی در یک جهت قرار می گیرند و مغناطیس ماکروسکوپی تولید می کنند. هنگامی که دما افزایش می‌یابد، حرکت حرارتی اتم‌ها در حوزه‌ها تشدید می‌شود و ساختار دامنه مرتب شده اولیه را مختل می‌کند و باعث انحراف گشتاورهای مغناطیسی می‌شود. در نتیجه، هم  ماندگاری (Br)  و  هم اجباری (Hc)  آهنربا به درجات مختلف کاهش می‌یابد که به صورت تضعیف قدرت میدان مغناطیسی ظاهر می‌شود.

برای آهنرباهای فریت و لاستیکی قالب‌گیری شده با تزریق، وضعیت پیچیده‌تر است: هر دو ماده  آهنرباهای پیوندی هستند  - از پودر مغناطیسی (پودر فریت) ترکیب شده با یک چسب پلیمری تشکیل شده‌اند. دمای بالا نه تنها بر آرایش دامنه مغناطیسی خود پودر تأثیر می گذارد، بلکه خواص چسب (نرم شدن، پیری و غیره) را نیز تغییر می دهد، که به نوبه خود بر پراکندگی پودر و عملکرد کلی مغناطیسی تأثیر می گذارد.

تمایز بین دو نوع مغناطیس زدایی در دمای بالا مهم است:

·  مغناطیس زدایی برگشت پذیر : عملکرد مغناطیسی با افزایش دما کاهش می یابد، اما زمانی که دما به حالت عادی باز می گردد، بهبود می یابد.

·  مغناطیس زدایی برگشت ناپذیر : هنگامی که دما از آستانه معینی فراتر رود، ساختار دامنه به طور دائم تغییر می کند و خواص مغناطیسی اصلی حتی پس از خنک شدن قابل بازیابی نیست.

برای عملکرد مداوم ربات، مهم ترین نگرانی،  مغناطیس زدایی غیرقابل برگشت است  - پس از وقوع، قدرت سیگنال مغناطیسی دیسک رمزگذار به طور دائم کاهش می یابد و به طور مستقیم دقت اندازه گیری رمزگذار را به خطر می اندازد.

IV. راه حل های سیستماتیک

برای رسیدگی به مغناطیس زدایی در دمای بالا از فریت قالب گیری تزریقی و دیسک های رمزگذار مغناطیسی لاستیکی، راه حل ها را می توان از دو بعد دنبال کرد: سطح مواد و سطح طراحی سیستم.

راه حل 1: بهینه سازی و ارتقا سطح مواد

1. درجات مقاوم در برابر حرارت بالا از فریت قالب گیری تزریقی را انتخاب کنید

دمای عملیاتی فریت تزریقی ثابت نیست. با بهینه سازی فرمول پودر مغناطیسی و سیستم بایندر می توان مقاومت دمایی آن را به میزان قابل توجهی افزایش داد. به عنوان مثال، مواد فریت با استفاده از نایلون 6 یا PPS (سولفید پلی فنیلن) به عنوان چسب، نتایج آزمایش رضایت بخشی را در حدود 180 درجه سانتیگراد نشان داده اند. تحقیقات نشان می دهد که افزودن مقدار مناسب روان کننده TAF می تواند جریان پذیری گلوله و خواص مغناطیسی را بهبود بخشد. عملیات سطحی پودر مغناطیسی با عوامل جفت کننده نیز می تواند به طور موثری عملکرد آهنرباهای قالب گیری تزریقی را افزایش دهد.

2. آهنرباهای لاستیکی مقاوم در برابر دمای بالا را انتخاب کنید

آهنرباهای لاستیکی معمولی دارای حد بالایی دمای 80 درجه سانتیگراد هستند، اما با اتخاذ سیستم های لاستیکی با دمای بالا (به عنوان مثال، جایگزینی لاستیک معمولی با لاستیک سیلیکونی)، می توان حد بالایی را به 150-200 درجه سانتیگراد افزایش داد. فناوری های ثبت اختراع نشان داده اند که با فرمولاسیون مناسب و بهینه سازی فرآیند سیستم های لاستیکی با دمای بالا با پودر فریت، حداکثر دمای سرویس آهنرباهای لاستیکی می تواند به 120-170 درجه سانتی گراد برسد. سیستم‌های لاستیکی ترکیبی مانند SR/NBR نیز پایداری حرارتی خوبی در دمای ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد نشان می‌دهند.

در انتخاب عملی، توصیه می شود درجه حرارت مواد را با محدوده دمای عملیاتی تجهیزات مطابقت دهید.

راه حل 2: طراحی سیستم و مدیریت حرارتی

1. طراحی اتلاف گرما را بهینه کنید

از آنجایی که مغناطیس زدایی در دمای بالا در نهایت توسط دمای بیش از حد ایجاد می شود، مدیریت حرارتی موثر مستقیم ترین رویکرد است. اقدامات خاص عبارتند از:

·  افزودن  هیت سینک یا هوای اجباری خنک کننده  در اطراف رمزگذار برای کاهش دمای کار حلقه مغناطیسی.

·  قرار دادن  ساختارهای عایق حرارتی  بین سیم پیچ های موتور و انکودر برای جلوگیری از انتقال حرارت.

·  اتخاذ  طرح های ژاکت آب خنک  برای دستیابی به خنک کننده مداوم در شرایط دمای بالا.

2. حاشیه ذخیره در طراحی مدار مغناطیسی

در طول مرحله طراحی مدار مغناطیسی، می توان یک  حاشیه شار مناسب  برای جبران تلفات مغناطیسی جزئی در دماهای بالا رزرو کرد و عملکرد پایدار را در طول چرخه عمر محصول تضمین کرد.

3. کنترل دمای فرآیند قالب گیری تزریقی

در ساخت دیسک رمزگذار مغناطیسی، باید توجه به کنترل دمای پردازش در طول قالب گیری تزریقی، اجتناب از دماهای بیش از حد که می تواند به خواص مغناطیسی آسیب برساند، توجه شود.

V. خلاصه

مغناطیس زدایی از فریت قالب گیری تزریقی و دیسک های رمزگذار مغناطیسی لاستیکی در دماهای بالا اساساً یک فرآیند فیزیکی است که در آن حرکت حرارتی ساختار دامنه مغناطیسی منظم را مختل می کند و نظم مغناطیسی را کاهش می دهد. این موضوع به ویژه در عملکرد مداوم ربات برجسته است.

راه حل ها را می توان از دو سطح نزدیک کرد:  در سطح مواد ، با انتخاب درجه های مقاوم در برابر حرارت بالا از فریت قالب گیری تزریقی یا آهنرباهای لاستیکی مقاوم در برابر درجه حرارت بالا.  در سطح سیستم ، با بهینه سازی اتلاف گرما، اجرای مدیریت حرارتی مناسب، و حفظ حاشیه شار در طراحی مدار مغناطیسی.

در کاربردهای مهندسی واقعی، ارزیابی جامع و انتخاب مناسب ترین راه حل بر اساس محدوده دمایی خاص، بودجه هزینه و الزامات دقت توصیه می شود. از این گذشته، برای رباتی که نیاز به عملکرد پایدار در دوره های طولانی دارد، قابلیت اطمینان هر 'مفصل' برای موفقیت کلی بسیار مهم است.