Smagnetizzazione del sensore dell'encoder magnetico del robot ad alta temperatura: soluzioni per il funzionamento continuo

I. Il problema: il rischio nascosto di guasto del 'giunto' del robot

Nei robot industriali, nei robot collaborativi e nei servosistemi di precisione, gli encoder magnetici svolgono un ruolo fondamentale come 'sensori articolari'. Rilevano i cambiamenti nel campo magnetico del disco encoder (anello magnetico) e fornisce feedback in tempo reale sulla velocità e sulla posizione del motore. Tuttavia, un problema facilmente trascurato è che quando i robot funzionano continuamente in condizioni di alta temperatura, il disco dell'encoder magnetico può subire  una smagnetizzazione ad alta temperatura , con conseguente deriva del feedback di posizione, aumento di corrente e persino perdita di passo.

Gli ingegneri lo hanno riscontrato nel debugging nel mondo reale: quando il motore funziona a temperature superiori a 80 °C, il feedback della posizione diventa gradualmente impreciso e, dopo controlli approfonditi, la causa principale viene ricondotta alla smagnetizzazione ad alta temperatura dell'encoder magnetico. Per i robot industriali che devono funzionare ininterrottamente per lunghi periodi, questo problema è particolarmente critico: non solo influisce sulla precisione della lavorazione, ma può anche provocare guasti alle apparecchiature o addirittura incidenti di sicurezza.

Attualmente, i due materiali più utilizzati per i dischi degli encoder magnetici sono  la ferrite stampata a iniezione  e  il magnete in gomma  (chiamato anche magnete in ferrite flessibile). Perché questi due materiali si smagnetiscono alle alte temperature e come si può risolvere questo problema? Questo articolo fornisce un'analisi approfondita dal punto di vista delle caratteristiche dei materiali, dei meccanismi di smagnetizzazione e delle soluzioni.

II. Due materiali comuni e le loro caratteristiche di temperatura

1. Ferrite stampata ad iniezione

La ferrite stampata ad iniezione viene prodotta mescolando nylon (o altre resine termoplastiche) con polvere di ossido di ferro per formare pellet, che vengono poi lavorati mediante stampaggio ad iniezione. I suoi vantaggi includono elevata libertà di forma, eccellente precisione dimensionale e idoneità alla produzione di massa. Nel campo dei dischi encoder magnetici, gli anelli di ferrite stampati ad iniezione possono essere magnetizzati con precisione con più poli e sono ampiamente utilizzati nel controllo dei motori e nei giunti dei robot.

Tuttavia, la ferrite stampata ad iniezione presenta un grave difetto:  l’elevata sensibilità alla temperatura . A temperature elevate, le sue proprietà magnetiche si degradano e può verificarsi smagnetizzazione. Tipicamente, l'intervallo di temperatura operativa della ferrite stampata ad iniezione è compreso tra -40 °C e 120 °C; oltre questo intervallo, le prestazioni magnetiche iniziano a diminuire. Ancora più preoccupante è che la ferrite stampata a iniezione ha una coercività relativamente bassa, che la rende suscettibile non solo ai campi magnetici esterni ma anche alla perdita magnetica irreversibile alle alte temperature.

2. Magnete in gomma (magnete in ferrite flessibile)

I magneti in gomma sono realizzati miscelando polvere di ferrite legata con gomme sintetiche (come gomma nitrilica o gomma cloroprene) e quindi lavorati tramite calandratura, estrusione o stampaggio a iniezione. Sono flessibili, elastici e tagliabili e sono ampiamente utilizzati anche negli encoder magnetici.

I magneti in gomma convenzionali hanno tipicamente un limite di temperatura operativa superiore di circa  80 °C . I normali magneti in gomma mostrano un'attenuazione magnetica inferiore al 3% dopo 72 ore a 80 °C; tuttavia, se la temperatura aumenta ulteriormente, il rischio di smagnetizzazione aumenta notevolmente. Va notato che la resistenza alla temperatura dei magneti in gomma è determinata principalmente dalla matrice di gomma: utilizzando gomme resistenti alle alte temperature come la gomma siliconica, il limite superiore può essere aumentato a 150-200 °C.

III. Meccanismo fisico di smagnetizzazione ad alta temperatura: domini magnetici 'perdono direzione' nel movimento termico

Per comprendere la smagnetizzazione ad alta temperatura, bisogna prima capire perché i materiali magnetici sono magnetici.

Il magnetismo di un materiale ha origine dall'allineamento ordinato di minuscole regioni magnetiche all'interno del materiale –  domini magnetici . A temperatura ambiente, questi domini sono in gran parte allineati nella stessa direzione, producendo magnetismo macroscopico. Quando la temperatura aumenta, il movimento termico degli atomi all'interno dei domini si intensifica, disturbando la struttura dei domini originariamente ordinata e provocando una deviazione dei momenti magnetici. Di conseguenza, sia la  rimanenza (Br)  che  la coercività (Hc)  del magnete diminuiscono a vari livelli, manifestandosi come un indebolimento dell’intensità del campo magnetico.

Per i magneti in ferrite e gomma stampati ad iniezione, la situazione è più complessa: entrambi i materiali sono  magneti legati  , composti da polvere magnetica (polvere di ferrite) combinata con un legante polimerico. L'alta temperatura non influisce solo sulla disposizione dei domini magnetici della polvere stessa, ma altera anche le proprietà del legante (ammorbidimento, invecchiamento, ecc.), che a loro volta influenzano la dispersione della polvere e le prestazioni magnetiche complessive.

È importante distinguere tra due tipi di smagnetizzazione ad alta temperatura:

·  Smagnetizzazione reversibile : la prestazione magnetica diminuisce con l'aumentare della temperatura ma si ripristina quando la temperatura ritorna alla normalità.

·  Smagnetizzazione irreversibile : quando la temperatura supera una certa soglia, la struttura del dominio cambia permanentemente e le proprietà magnetiche originali non possono essere ripristinate nemmeno dopo il raffreddamento.

Per il funzionamento continuo del robot, la preoccupazione più critica è  la smagnetizzazione irreversibile:  una volta che si verifica, la potenza del segnale magnetico del disco dell'encoder verrà ridotta in modo permanente, compromettendo direttamente la precisione di misurazione dell'encoder.

IV. Soluzioni sistematiche

Per affrontare la smagnetizzazione ad alta temperatura dei dischi codificatori magnetici in ferrite e gomma stampati a iniezione, è possibile perseguire soluzioni da due dimensioni: il livello del materiale e il livello di progettazione del sistema.

Soluzione 1: ottimizzazione e aggiornamento a livello di materiale

1. Selezionare gradi di ferrite stampata a iniezione resistenti alle alte temperature

La temperatura operativa della ferrite stampata ad iniezione non è fissa. Ottimizzando la formulazione della polvere magnetica e il sistema legante, la sua resistenza alla temperatura può essere notevolmente migliorata. Ad esempio, i materiali in ferrite che utilizzano nylon 6 o PPS (polifenilene solfuro) come legante hanno mostrato risultati soddisfacenti nei test a circa 180 °C. La ricerca indica che l'aggiunta di una quantità adeguata di lubrificante TAF può migliorare la fluidità del pellet e le proprietà magnetiche; il trattamento superficiale della polvere magnetica con agenti di accoppiamento può anche migliorare efficacemente le prestazioni dei magneti stampati a iniezione.

2. Seleziona magneti in gomma resistenti alle alte temperature

I magneti in gomma convenzionali hanno un limite di temperatura superiore di 80 °C, ma adottando sistemi di gomma ad alta temperatura (ad esempio, sostituendo la gomma ordinaria con gomma siliconica), il limite superiore può essere aumentato a 150-200 °C. Le tecnologie brevettate hanno dimostrato che con una corretta formulazione e ottimizzazione del processo di sistemi in gomma ad alta temperatura con polvere di ferrite, la temperatura massima di servizio dei magneti in gomma può raggiungere 120-170 °C. Anche i sistemi di gomma mista come SR/NBR mostrano una buona stabilità termica sopra i 120 °C.

Nella scelta pratica, si consiglia di far corrispondere la temperatura nominale del materiale con l'intervallo di temperatura operativa dell'apparecchiatura.

Soluzione 2: progettazione del sistema e gestione termica

1. Ottimizzare la progettazione della dissipazione del calore

Poiché la smagnetizzazione ad alta temperatura è in definitiva causata da una temperatura eccessiva, una gestione termica efficace rappresenta l’approccio più diretto. Le misure specifiche includono:

·  Aggiunta di  dissipatori di calore o raffreddamento ad aria forzata  attorno all'encoder per ridurre la temperatura operativa dell'anello magnetico.

·  Posizionamento  di strutture di isolamento termico  tra gli avvolgimenti del motore e l'encoder per bloccare il trasferimento di calore.

·  Adozione  di design con camicia raffreddata ad acqua  per ottenere un raffreddamento continuo in condizioni di alta temperatura.

2. Margine di riserva nella progettazione di circuiti magnetici

Durante la fase di progettazione del circuito magnetico, è possibile riservare un  margine di flusso adeguato  per compensare la perdita magnetica parziale alle alte temperature, garantendo prestazioni stabili durante tutto il ciclo di vita del prodotto.

3. Controllare la temperatura del processo di stampaggio a iniezione

Nella produzione del disco dell'encoder magnetico, è necessario prestare attenzione al controllo della temperatura di lavorazione durante lo stampaggio ad iniezione, evitando temperature eccessive che potrebbero danneggiare le proprietà magnetiche.

V. Riepilogo

La smagnetizzazione dei dischi codificatori magnetici in ferrite e gomma stampati ad iniezione ad alte temperature è essenzialmente un processo fisico in cui il movimento termico interrompe la struttura ordinata del dominio magnetico, riducendo l'ordine magnetico. Questo problema è particolarmente evidente nel funzionamento continuo del robot.

È possibile affrontare le soluzioni da due livelli:  a livello dei materiali , selezionando gradi di ferrite stampata a iniezione resistenti alle alte temperature o magneti in gomma resistenti alle alte temperature;  a livello di sistema , ottimizzando la dissipazione del calore, implementando una corretta gestione termica e riservando margini di flusso nella progettazione del circuito magnetico.

Nelle applicazioni ingegneristiche reali, è consigliabile valutare in modo completo e scegliere la soluzione più adatta in base all'intervallo di temperatura specifico, al budget di costo e ai requisiti di precisione. Dopotutto, per un robot che deve funzionare stabilmente per lunghi periodi, l'affidabilità di ogni 'giunto' è fondamentale per il successo complessivo.