Demagnetizacija senzora robotskog magnetskog enkodera na visokoj temperaturi – rješenja za kontinuirani rad

I. Problem: Skriveni rizik od kvara 'zgloba' robota

U industrijskim robotima, kolaborativnim robotima i preciznim servo sustavima, magnetski enkoderi igraju ključnu ulogu kao 'zajednički senzori'. Oni otkrivaju promjene u magnetskom polju disk kodera (magnetski prsten) i daju povratnu informaciju o brzini i položaju motora u stvarnom vremenu. Međutim, jedan problem koji se lako previdi je taj da kada roboti kontinuirano rade u uvjetima visoke temperature, disk magnetskog kodera može pretrpjeti  demagnetizaciju na visokoj temperaturi , što dovodi do pomaka povratne informacije o položaju, povećane struje, pa čak i gubitka koraka.

Inženjeri su se susreli s ovime u stvarnom otklanjanju pogrešaka: kada motor radi iznad 80 °C, povratna informacija o položaju postupno postaje netočna, a nakon temeljitih provjera glavni uzrok se otkriva u demagnetizaciji magnetskog enkodera na visokoj temperaturi. Za industrijske robote koji trebaju neprekidno raditi dulje vrijeme, ovaj problem je posebno kritičan - ne samo da utječe na točnost strojne obrade, već također može izazvati kvarove opreme ili čak sigurnosne incidente.

Trenutno su dva najčešće korištena materijala za diskove magnetskog enkodera  brizgani ferit  i  gumeni magnet  (koji se naziva i fleksibilni feritni magnet). Zašto se ova dva materijala demagnetiziraju na visokim temperaturama i kako se to može riješiti? Ovaj članak daje detaljnu analizu iz perspektive karakteristika materijala, mehanizama demagnetizacije i rješenja.

II. Dva uobičajena materijala i njihove temperaturne karakteristike

1. Injekcijski lijevani ferit

Injekcijski lijevani ferit nastaje miješanjem najlona (ili drugih termoplastičnih smola) s prahom željeznog oksida u obliku kuglica, koje se zatim obrađuju injekcijskim prešanjem. Njegove prednosti uključuju veliku slobodu oblika, izvrsnu točnost dimenzija i prikladnost za masovnu proizvodnju. U području diskova magnetskog kodera, feritni prstenovi lijevani injekcijskim prešanjem mogu se precizno magnetizirati s više polova i naširoko se koriste u upravljanju motorom i zglobovima robota.

Međutim, injekcijski prešani ferit ima značajan nedostatak -  visoku osjetljivost na temperaturu . Pod povišenim temperaturama njegova magnetska svojstva degradiraju i može doći do demagnetizacije. Tipično, radni temperaturni raspon ferita lijevanog injekcijom je između -40 °C i 120 °C; izvan tog raspona, magnetska učinkovitost počinje opadati. Više zabrinjava činjenica da ferit lijevan injekcijom ima relativno nisku koercitivnost, što ga čini osjetljivim ne samo na vanjska magnetska polja, već i na nepovratne magnetske gubitke na visokim temperaturama.

2. Gumeni magnet (savitljivi feritni magnet)

Gumeni magneti izrađuju se miješanjem vezanog feritnog praha sa sintetskom gumom (kao što je nitrilna guma ili kloroprenska guma) i zatim obradom kalandriranjem, ekstruzijom ili injekcijskim prešanjem. Fleksibilni su, elastični i mogu se rezati, a naširoko se koriste u magnetskim koderima.

Konvencionalni gumeni magneti obično imaju gornju granicu radne temperature od oko  80 °C . Obični gumeni magneti pokazuju magnetsko slabljenje manje od 3% nakon 72 sata na 80 °C; međutim, ako temperatura dalje raste, rizik od demagnetizacije se značajno povećava. Treba napomenuti da je temperaturna otpornost gumenih magneta uglavnom određena gumenom matricom - upotrebom gume otporne na visoke temperature kao što je silikonska guma, gornja granica može se podići na 150-200 °C.

III. Fizički mehanizam visokotemperaturne demagnetizacije: magnetske domene 'gube smjer' u toplinskom gibanju

Da bismo razumjeli visokotemperaturnu demagnetizaciju, prvo moramo razumjeti zašto su magnetski materijali magnetični.

Magnetizam materijala proizlazi iz uređenog rasporeda sićušnih magnetskih područja unutar materijala –  magnetskih domena . Na sobnoj temperaturi te su domene uglavnom poredane u istom smjeru, stvarajući makroskopski magnetizam. Kada temperatura poraste, toplinsko gibanje atoma unutar domena se pojačava, remeteći izvorno uređenu strukturu domene i uzrokujući odstupanje magnetskih momenata. Kao rezultat toga, i  remanencija (Br)  i  koercitivnost (Hc)  magneta smanjuju se u različitim stupnjevima, što se očituje kao slabljenje jakosti magnetskog polja.

Za brizgane feritne i gumene magnete, situacija je složenija: oba materijala su  vezani magneti -  sastavljeni od magnetskog praha (feritni prah) pomiješanog s polimernim vezivom. Visoka temperatura ne utječe samo na raspored magnetske domene samog praha, već također mijenja svojstva veziva (omekšavanje, starenje, itd.), što zauzvrat utječe na disperziju praha i cjelokupnu magnetsku izvedbu.

Važno je razlikovati dvije vrste visokotemperaturne demagnetizacije:

·  Reverzibilna demagnetizacija : magnetska učinkovitost opada s porastom temperature, ali se oporavlja kada se temperatura vrati na normalu.

·  Nepovratna demagnetizacija : kada temperatura prijeđe određeni prag, struktura domene se trajno mijenja, a izvorna magnetska svojstva ne mogu se vratiti čak ni nakon hlađenja.

Za kontinuirani rad robota, najkritičnija briga je  ireverzibilna demagnetizacija -  kada se jednom dogodi, jačina magnetskog signala diska kodera bit će trajno smanjena, izravno ugrožavajući točnost mjerenja kodera.

IV. Sustavna rješenja

Za rješavanje visokotemperaturne demagnetizacije brizganih feritnih i gumenih magnetnih diskova kodera, rješenja se mogu tražiti iz dvije dimenzije: razine materijala i razine dizajna sustava.

Rješenje 1: Optimizacija i nadogradnja na razini materijala

1. Odaberite stupnjeve brizganog ferita otpornog na visoke temperature

Radna temperatura injekcijski prešanog ferita nije fiksna. Optimiziranjem formulacije magnetskog praha i sustava veziva, njegova otpornost na temperaturu može se značajno povećati. Na primjer, feritni materijali koji koriste najlon 6 ili PPS (polifenilen sulfid) kao vezivo pokazali su zadovoljavajuće rezultate ispitivanja na oko 180 °C. Istraživanja pokazuju da dodavanje odgovarajuće količine TAF lubrikanta može poboljšati protok peleta i magnetska svojstva; površinska obrada magnetskog praha pomoću sredstava za spajanje također može učinkovito poboljšati performanse magneta lijevanih injekcijom.

2. Odaberite gumene magnete otporne na visoke temperature

Konvencionalni gumeni magneti imaju gornju temperaturnu granicu od 80 °C, ali usvajanjem visokotemperaturnih gumenih sustava (npr. zamjenom obične gume silikonskom), gornja granica može se podići na 150-200 °C. Patentirane tehnologije pokazale su da uz pravilnu formulaciju i optimizaciju procesa visokotemperaturnih gumenih sustava s feritnim prahom, maksimalna radna temperatura gumenih magneta može doseći 120-170 °C. Sustavi miješane gume kao što je SR/NBR također pokazuju dobru toplinsku stabilnost iznad 120 °C.

U praktičnom odabiru, preporuča se uskladiti nazivnu temperaturu materijala s rasponom radne temperature opreme.

Rješenje 2: Dizajn sustava i upravljanje toplinom

1. Optimizirajte dizajn rasipanja topline

Budući da je visokotemperaturna demagnetizacija u konačnici uzrokovana prekomjernom temperaturom, učinkovito upravljanje toplinom je najizravniji pristup. Specifične mjere uključuju:

·  Dodavanje  hladnjaka ili prisilnog zračnog hlađenja  oko kodera kako bi se smanjila radna temperatura magnetskog prstena.

·  Postavljanje  toplinske izolacije  između namota motora i kodera za blokiranje prijenosa topline.

·  Usvajanje  dizajna plašta s vodenim hlađenjem  za postizanje kontinuiranog hlađenja u uvjetima visoke temperature.

2. Rezervna margina u dizajnu magnetskog kruga

Tijekom faze projektiranja magnetskog kruga, odgovarajuća  margina toka  može se rezervirati za kompenzaciju djelomičnog magnetskog gubitka na visokim temperaturama, osiguravajući stabilne performanse tijekom životnog ciklusa proizvoda.

3. Kontrolirajte temperaturu procesa injekcijskog prešanja

U proizvodnji diska magnetskog kodera potrebno je obratiti pozornost na kontrolu temperature obrade tijekom injekcijskog prešanja, izbjegavajući previsoke temperature koje bi mogle oštetiti magnetska svojstva.

V. Sažetak

Demagnetizacija feritnih i gumenih magnetskih diskova kodera na visokim temperaturama u biti je fizički proces u kojem toplinsko gibanje remeti strukturu uređene magnetske domene, smanjujući magnetski red. Ovaj problem je posebno izražen u kontinuiranom radu robota.

Rješenjima se može pristupiti s dvije razine:  na razini materijala , odabirom vrsta ferita lijevanih injekcijskim prešanjem ili gumenih magneta otpornih na visoke temperature;  na razini sustava , optimizacijom rasipanja topline, implementacijom odgovarajućeg upravljanja toplinom i rezerviranjem margina toka u dizajnu magnetskog kruga.

U stvarnim inženjerskim primjenama, preporučljivo je sveobuhvatno procijeniti i odabrati najprikladnije rješenje na temelju specifičnog temperaturnog raspona, proračuna troškova i zahtjeva točnosti. Uostalom, za robota koji treba stabilno raditi tijekom dugih razdoblja, pouzdanost svakog 'zgloba' ključna je za ukupni uspjeh.