חיישן מקודד מגנטי רובוט דה-מגנטיזציה בטמפרטורה גבוהה - פתרונות לפעולה רציפה

I. הבעיה: הסיכון הנסתר של כשל רובוט 'ג'וינט'.

ברובוטים תעשייתיים, רובוטים שיתופיים ומערכות סרוו מדויקות, מקודדים מגנטיים ממלאים תפקיד קריטי כ'חיישנים מפרקים' הם מזהים שינויים בשדה המגנטי של דיסק מקודד (טבעת מגנטית) ולספק משוב בזמן אמת על מהירות ומיקום המנוע. עם זאת, בעיה אחת שניתן להתעלם ממנה בקלות היא שכאשר רובוטים פועלים ברציפות בתנאי טמפרטורה גבוהה, דיסק המקודד המגנטי עלול לסבול  מדה-מגנטיזציה בטמפרטורה גבוהה , מה שמוביל לסחף של משוב מיקום, עלייה בזרם ואפילו לאובדן שלבים.

מהנדסים נתקלו בכך באיתור באגים בעולם האמיתי: כאשר המנוע פועל מעל 80 מעלות צלזיוס, משוב המיקום הופך בהדרגה לא מדויק, ולאחר בדיקות יסודיות, מקור השורש לדה-מגנטיזציה של המקודד המגנטי בטמפרטורה גבוהה. עבור רובוטים תעשייתיים שצריכים לפעול ברציפות לתקופות ארוכות, בעיה זו קריטית במיוחד - היא לא רק משפיעה על דיוק העיבוד, אלא יכולה גם לגרום לכשלים בציוד או אפילו לאירועי בטיחות.

נכון לעכשיו, שני החומרים הנפוצים ביותר עבור דיסקים מקודד מגנטי הם  פריט בהזרקה  ומגנט  גומי  (נקרא גם מגנט פריט גמיש). מדוע שני החומרים הללו מתבטלים בטמפרטורות גבוהות, וכיצד ניתן לפתור זאת? מאמר זה מספק ניתוח מעמיק מנקודות מבט של מאפייני החומר, מנגנוני דה-מגנטיזציה ופתרונות.

II. שני חומרים נפוצים ומאפייני הטמפרטורה שלהם

1. פריט בהזרקה

פריט יצוק בהזרקה מיוצר על ידי ערבוב ניילון (או שרפים תרמופלסטיים אחרים) עם אבקת תחמוצת ברזל ליצירת כדורים, אשר מעובדים לאחר מכן על ידי הזרקה. היתרונות שלו כוללים חופש צורה גבוה, דיוק ממדי מעולה והתאמה לייצור המוני. בתחום הדיסקים המקודדים המגנטיים, ניתן למגנט בצורה מדויקת טבעות פריט בהזרקה עם מספר קטבים והן נמצאות בשימוש נרחב בבקרת מנוע ומפרקי רובוט.

עם זאת, לפריט בהזרקה יש חסרון משמעותי -  רגישות גבוהה לטמפרטורה . תחת טמפרטורות גבוהות, התכונות המגנטיות שלו מתדרדרות, ויתכן דה-מגנטיזציה. בדרך כלל, טווח טמפרטורת הפעולה של פריט יצוק בהזרקה הוא בין -40 מעלות צלזיוס ל-120 מעלות צלזיוס; מעבר לטווח זה, הביצועים המגנטיים מתחילים לרדת. מדאיג יותר הוא שלפריט יצוק בהזרקה יש כושר כפייה נמוך יחסית, מה שהופך אותו לרגיש לא רק לשדות מגנטיים חיצוניים אלא גם לאובדן מגנטי בלתי הפיך בטמפרטורות גבוהות.

2. מגנט גומי (מגנט פריט גמיש)

מגנטים גומי מיוצרים על ידי מיזוג אבקת פריט מלוכדת עם גומיות סינתטיות (כגון גומי ניטריל או גומי כלורופרן) ולאחר מכן עיבוד באמצעות קלנדר, אקסטרוזיה או הזרקה. הם גמישים, אלסטיים וניתנים לחיתוך, והם נמצאים בשימוש נרחב גם במקודדים מגנטיים.

למגנטי גומי קונבנציונליים יש בדרך כלל גבול טמפרטורת פעולה עליונה של כ  -80 מעלות צלזיוס . מגנטים מגומיים רגילים מראים הנחתה מגנטית של פחות מ-3% לאחר 72 שעות ב-80 מעלות צלזיוס; עם זאת, אם הטמפרטורה עולה עוד יותר, הסיכון לדה-מגנטיזציה עולה באופן משמעותי. יש לציין שעמידות הטמפרטורה של מגנטים מגומי נקבעת בעיקר על ידי מטריצת הגומי - על ידי שימוש בגומיות עמידות לטמפרטורה גבוהה כמו גומי סיליקון, ניתן להעלות את הגבול העליון ל-150-200 מעלות צלזיוס.

III. מנגנון פיזי של דה-מגנטיזציה בטמפרטורה גבוהה: תחומים מגנטיים 'מאבדים כיוון' בתנועה תרמית

כדי להבין דה-מגנטיזציה בטמפרטורה גבוהה, יש להבין תחילה מדוע חומרים מגנטיים הם מגנטיים.

המגנטיות של חומר מקורה ביישור מסודר של אזורים מגנטיים זעירים בתוך החומר -  תחומים מגנטיים . בטמפרטורת החדר, התחומים הללו מיושרים במידה רבה לאותו כיוון, ומייצרים מגנטיות מאקרוסקופית. כאשר הטמפרטורה עולה, התנועה התרמית של האטומים בתוך התחומים מתעצמת, מה שמפריע למבנה התחום המסודר במקור וגורם לסטייה של המומנטים המגנטיים. כתוצאה מכך, הן  הרמננציה (Br)  והן  הכפייה (Hc)  של המגנט יורדות בדרגות שונות, המתבטאת בהיחלשות של עוצמת השדה המגנטי.

עבור מגנטים של פריט וגומי בהזרקה, המצב מורכב יותר: שני החומרים הם  מגנטים מלוכדים -  המורכבים מאבקה מגנטית (אבקת פריט) בשילוב עם מקשר פולימרי. טמפרטורה גבוהה לא רק משפיעה על סידור התחום המגנטי של האבקה עצמה, אלא גם משנה את תכונות הקלסר (ריכוך, התיישנות וכו'), אשר בתורה משפיעה על פיזור האבקה ועל הביצועים המגנטיים הכוללים.

חשוב להבחין בין שני סוגים של דה-מגנטיזציה בטמפרטורה גבוהה:

·  דה-מגנטיזציה הפיכה : הביצועים המגנטיים יורדים עם עליית הטמפרטורה אך מתאוששים כאשר הטמפרטורה חוזרת לנורמה.

·  דה-מגנטיזציה בלתי הפיכה : כאשר הטמפרטורה עולה על סף מסוים, מבנה התחום משתנה לצמיתות, ולא ניתן לשחזר את המאפיינים המגנטיים המקוריים גם לאחר הקירור.

עבור פעולת רובוט רציפה, החשש הקריטי ביותר הוא  דה-מגנטיזציה בלתי הפיכה -  ברגע שהיא מתרחשת, עוצמת האות המגנטי של דיסק המקודד תקטן לצמיתות, מה שפוגע ישירות בדיוק המדידה של המקודד.

IV. פתרונות שיטתיים

כדי להתמודד עם דה-מגנטיזציה בטמפרטורה גבוהה של דיסקים מקודד מגנט פריט וגומי בהזרקה, ניתן למצוא פתרונות משני מימדים: רמת החומר ורמת תכנון המערכת.

פתרון 1: אופטימיזציה ושדרוג ברמת החומר

1. בחר דרגות עמידות בטמפרטורה גבוהה של פריט יצוק בהזרקה

טמפרטורת הפעולה של פריט בהזרקה אינה קבועה. על ידי אופטימיזציה של ניסוח האבקה המגנטית ומערכת הקלסרים, ניתן לשפר משמעותית את עמידות הטמפרטורה שלה. לדוגמה, חומרי פריט המשתמשים בניילון 6 או PPS (פוליפנילן גופרתי) כחומר הקושר הראו תוצאות בדיקה משביעות רצון בסביבות 180 מעלות צלזיוס. מחקרים מצביעים על כך שהוספת כמות מתאימה של חומר סיכה TAF יכולה לשפר את יכולת זרימת הכדורים ואת התכונות המגנטיות; טיפול פני השטח של האבקה המגנטית עם סוכני צימוד יכול גם לשפר את הביצועים של מגנטים בהזרקה.

2. בחר מגנטים גומי עמידים בטמפרטורה גבוהה

למגנטים מגומיים רגילים יש גבול טמפרטורה עליון של 80 מעלות צלזיוס, אך על ידי אימוץ מערכות גומי בטמפרטורה גבוהה (למשל, החלפת גומי רגיל בגומי סיליקון), ניתן להעלות את הגבול העליון ל-150-200 מעלות צלזיוס. טכנולוגיות המוגנת בפטנט הראו שעם ניסוח נכון ואופטימיזציה של תהליך של מערכות גומי בטמפרטורה גבוהה עם אבקת פריט, טמפרטורת השירות המקסימלית של מגנטים מגומי יכולה להגיע ל-120-170 מעלות צלזיוס. מערכות גומי מעורבב כגון SR/NBR מציגות גם יציבות תרמית טובה מעל 120 מעלות צלזיוס.

בבחירה מעשית, מומלץ להתאים את דירוג הטמפרטורה של החומר לטווח טמפרטורת הפעולה של הציוד.

פתרון 2: עיצוב מערכת וניהול תרמי

1. ייעול עיצוב פיזור חום

מכיוון שדה-מגנטיזציה בטמפרטורה גבוהה נגרמת בסופו של דבר על ידי טמפרטורה מוגזמת, ניהול תרמי יעיל הוא הגישה הישירה ביותר. אמצעים ספציפיים כוללים:

·  הוספת  גופי קירור או קירור אוויר מאולץ  סביב המקודד כדי להפחית את טמפרטורת הפעולה של הטבעת המגנטית.

·  הצבת  מבני בידוד תרמי  בין פיתולי המנוע והמקודד לחסימת העברת חום.

·  אימוץ  עיצובי ז'קט מקוררים במים  כדי להשיג קירור מתמשך בתנאי טמפרטורה גבוהה.

2. שולי רזרב בעיצוב מעגל מגנטי

במהלך שלב תכנון המעגל המגנטי, ניתן לשמור  מרווח שטף מתאים  כדי לפצות על אובדן מגנטי חלקי בטמפרטורות גבוהות, מה שמבטיח ביצועים יציבים לאורך מחזור החיים של המוצר.

3. בקרת טמפרטורת תהליך תהליך הזרקה

בייצור של דיסק המקודד המגנטי, יש לשים לב לשליטה בטמפרטורת העיבוד במהלך הזרקה, הימנעות מטמפרטורות מופרזות שעלולות לפגוע בתכונות המגנטיות.

V. סיכום

דה-מגנטיזציה של דיסקים מקודד מגנט פריט וגומי בצורת הזרקה בטמפרטורות גבוהות היא בעצם תהליך פיזי שבו תנועה תרמית משבשת את מבנה התחום המגנטי המסודר, ומפחיתה את הסדר המגנטי. נושא זה בולט במיוחד בפעולת רובוט רציפה.

ניתן לגשת לפתרונות משתי רמות:  ברמת החומר , על ידי בחירת דרגות עמידות בטמפרטורה גבוהה של פריט יצוק בהזרקה או מגנטים מגומי עמידים בטמפרטורה גבוהה;  ברמת המערכת , על ידי אופטימיזציה של פיזור החום, הטמעת ניהול תרמי נכון ושמירת שולי שטף בתכנון המעגל המגנטי.

ביישומים הנדסיים אמיתיים, מומלץ להעריך ולבחור באופן מקיף את הפתרון המתאים ביותר בהתבסס על טווח הטמפרטורות הספציפי, תקציב העלות ודרישות הדיוק. אחרי הכל, עבור רובוט שצריך לפעול ביציבות לאורך תקופות ארוכות, האמינות של כל 'ג'וינט' היא קריטית להצלחה הכוללת.