Demagnetizarea senzorului de codificator magnetic al robotului la temperatură ridicată – Soluții pentru funcționare continuă

I. Problema: Riscul ascuns al eșecului 'articulației' a robotului

În roboții industriali, roboții colaborativi și sistemele servo de precizie, codificatoarele magnetice joacă un rol esențial ca „senzori articulați”. Aceștia detectează modificări în câmpul magnetic al disc codificator (inel magnetic) și oferă feedback în timp real asupra vitezei și poziției motorului. Cu toate acestea, o problemă ușor de trecut cu vederea este că, atunci când roboții funcționează continuu în condiții de temperatură ridicată, discul codificatorului magnetic poate suferi  demagnetizare la temperatură înaltă , ceea ce duce la o deplasare a feedback-ului de poziție, la creșterea curentului și chiar la pierderea în trepte.

Inginerii au întâlnit acest lucru în depanarea din lumea reală: atunci când motorul funcționează peste 80 °C, feedback-ul de poziție devine treptat inexact și, după verificări amănunțite, cauza principală este demagnetizată la temperatură ridicată a codificatorului magnetic. Pentru roboții industriali care trebuie să funcționeze continuu pentru perioade lungi, această problemă este deosebit de critică - nu numai că afectează precizia prelucrării, ci poate declanșa și defecțiuni ale echipamentelor sau chiar incidente de siguranță.

În prezent, cele mai utilizate materiale pentru discurile codificatoare magnetice sunt  ferita turnată prin injecție  și  magnetul din cauciuc  (numit și magnet flexibil de ferită). De ce aceste două materiale se demagnetizează la temperaturi ridicate și cum se poate rezolva acest lucru? Acest articol oferă o analiză aprofundată din perspectiva caracteristicilor materialelor, mecanismelor de demagnetizare și soluțiilor.

II. Două materiale comune și caracteristicile lor de temperatură

1. Ferită turnată prin injecție

Ferita turnată prin injecție este realizată prin amestecarea nailonului (sau a altor rășini termoplastice) cu pulbere de oxid de fier pentru a forma pelete, care sunt apoi prelucrate prin turnare prin injecție. Avantajele sale includ libertate mare de formă, precizie dimensională excelentă și adecvare pentru producția de masă. În domeniul discurilor codificatoare magnetice, inelele de ferită turnate prin injecție pot fi magnetizate cu precizie cu poli multipli și sunt utilizate pe scară largă în controlul motoarelor și articulațiile robotului.

Cu toate acestea, ferita turnată prin injecție are un dezavantaj semnificativ -  sensibilitate ridicată la temperatură . La temperaturi ridicate, proprietățile sale magnetice se degradează și poate apărea demagnetizarea. De obicei, intervalul de temperatură de funcționare a feritei turnate prin injecție este între -40 °C și 120 °C; dincolo de acest interval, performanța magnetică începe să scadă. Mai îngrijorător este faptul că ferita turnată prin injecție are o coercivitate relativ scăzută, făcând-o susceptibilă nu numai la câmpurile magnetice externe, ci și la pierderi magnetice ireversibile la temperaturi ridicate.

2. Magnet din cauciuc (Magnet de ferită flexibil)

Magneții din cauciuc sunt fabricați prin amestecarea pulberii de ferită lipită cu cauciucuri sintetice (cum ar fi cauciucul nitrilic sau cauciucul cloropren) și apoi prelucrarea prin calandrare, extrudare sau turnare prin injecție. Sunt flexibile, elastice și se pot tăia și sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în codificatoarele magnetice.

Magneții convenționali din cauciuc au de obicei o limită superioară a temperaturii de funcționare de aproximativ  80 °C . Magneții obișnuiți din cauciuc prezintă o atenuare magnetică mai mică de 3% după 72 de ore la 80 °C; cu toate acestea, dacă temperatura crește în continuare, riscul demagnetizării crește semnificativ. Trebuie remarcat faptul că rezistența la temperatură a magneților din cauciuc este determinată în principal de matricea de cauciuc - prin utilizarea cauciucurilor rezistente la temperaturi ridicate, cum ar fi cauciucul siliconic, limita superioară poate fi ridicată la 150-200 °C.

III. Mecanismul fizic al demagnetizării la temperatură înaltă: domeniile magnetice „pierde direcția” în mișcarea termică

Pentru a înțelege demagnetizarea la temperatură înaltă, trebuie mai întâi să înțelegem de ce materialele magnetice sunt magnetice.

Magnetismul unui material provine din alinierea ordonată a regiunilor magnetice minuscule din interiorul materialului -  domenii magnetice . La temperatura camerei, aceste domenii sunt în mare măsură aliniate în aceeași direcție, producând magnetism macroscopic. Când temperatura crește, mișcarea termică a atomilor din cadrul domeniilor se intensifică, perturbând structura domeniului ordonată inițial și provocând devierea momentelor magnetice. Ca urmare, atât  remanența (Br)  cât și  coercitatea (Hc)  magnetului scad în grade diferite, manifestându-se ca o slăbire a intensității câmpului magnetic.

Pentru magneții de ferită și cauciuc turnați prin injecție, situația este mai complexă: ambele materiale sunt  magneți lipiți  -compuși din pulbere magnetică (pulbere de ferită) combinată cu un liant polimeric. Temperatura ridicată nu afectează doar aranjamentul domeniului magnetic al pulberii în sine, ci modifică și proprietățile liantului (înmuiere, îmbătrânire etc.), care la rândul lor afectează dispersia pulberii și performanța magnetică generală.

Este important să se facă distincția între două tipuri de demagnetizare la temperatură ridicată:

·  Demagnetizare reversibilă : performanța magnetică scade odată cu creșterea temperaturii, dar își revine când temperatura revine la normal.

·  Demagnetizare ireversibilă : când temperatura depășește un anumit prag, structura domeniului se modifică permanent, iar proprietățile magnetice originale nu pot fi restabilite nici după răcire.

Pentru funcționarea continuă a robotului, preocuparea cea mai critică este  demagnetizarea ireversibilă  - odată ce aceasta apare, puterea semnalului magnetic al discului codificatorului va fi permanent redusă, compromițând direct acuratețea de măsurare a encoderului.

IV. Soluții sistematice

Pentru a aborda demagnetizarea la temperatură înaltă a discurilor codificatoare cu magneți din cauciuc și ferită turnate prin injecție, pot fi urmărite soluții din două dimensiuni: nivelul materialului și nivelul proiectării sistemului.

Soluția 1: Optimizarea și modernizarea la nivel de material

1. Selectați grade rezistente la temperaturi ridicate de ferită turnată prin injecție

Temperatura de funcționare a feritei turnate prin injecție nu este fixă. Prin optimizarea formulei de pulbere magnetică și a sistemului de liant, rezistența sa la temperatură poate fi îmbunătățită semnificativ. De exemplu, materialele de ferită care utilizează nailon 6 sau PPS (sulfură de polifenilen) ca liant au arătat rezultate satisfăcătoare ale testului la aproximativ 180 °C. Cercetările indică faptul că adăugarea unei cantități adecvate de lubrifiant TAF poate îmbunătăți curgerea peletelor și proprietățile magnetice; tratarea suprafeței pulberii magnetice cu agenți de cuplare poate, de asemenea, îmbunătăți eficient performanța magneților turnați prin injecție.

2. Selectați Magneți din cauciuc rezistenți la temperaturi ridicate

Magneții convenționali din cauciuc au o limită superioară de temperatură de 80 °C, dar prin adoptarea sistemelor de cauciuc de înaltă temperatură (de exemplu, înlocuirea cauciucului obișnuit cu cauciuc siliconic), limita superioară poate fi ridicată la 150-200 °C. Tehnologiile brevetate au arătat că, cu formularea adecvată și optimizarea procesului de sisteme de cauciuc de înaltă temperatură cu pulbere de ferită, temperatura maximă de serviciu a magneților din cauciuc poate ajunge la 120-170 °C. Sistemele de cauciuc amestecate precum SR/NBR prezintă, de asemenea, o bună stabilitate termică peste 120 °C.

În selecția practică, se recomandă să se potrivească temperatura nominală a materialului cu intervalul de temperatură de funcționare al echipamentului.

Soluția 2: Proiectarea sistemului și managementul termic

1. Optimizați proiectarea disipării căldurii

Deoarece demagnetizarea la temperatură ridicată este cauzată în cele din urmă de o temperatură excesivă, managementul termic eficient este abordarea cea mai directă. Măsurile specifice includ:

·  Adăugarea  de radiatoare sau răcire forțată cu aer  în jurul codificatorului pentru a reduce temperatura de funcționare a inelului magnetic.

·  Plasarea  structurilor termoizolante  între înfășurările motorului și encoder pentru a bloca transferul de căldură.

·  Adoptarea  modelelor de jachete răcite cu apă  pentru a obține o răcire continuă în condiții de temperatură ridicată.

2. Marja de rezervă în proiectarea circuitelor magnetice

În timpul fazei de proiectare a circuitului magnetic, o  marjă de flux adecvată  poate fi rezervată pentru a compensa pierderile magnetice parțiale la temperaturi ridicate, asigurând o performanță stabilă pe tot parcursul ciclului de viață al produsului.

3. Controlați temperatura procesului de turnare prin injecție

La fabricarea discului codificator magnetic, trebuie acordată atenție controlului temperaturii de procesare în timpul turnării prin injecție, evitând temperaturile excesive care ar putea deteriora proprietățile magnetice.

V. Rezumat

Demagnetizarea discurilor codificatoare de ferită și magnet din cauciuc turnate prin injecție la temperaturi ridicate este în esență un proces fizic în care mișcarea termică perturbă structura ordonată a domeniului magnetic, reducând ordinea magnetică. Această problemă este deosebit de importantă în funcționarea continuă a robotului.

Soluțiile pot fi abordate de la două niveluri:  la nivel de material , prin selectarea calităților rezistente la temperaturi ridicate de ferită turnată prin injecție sau magneți din cauciuc rezistenti la temperaturi ridicate;  la nivel de sistem , prin optimizarea disipării căldurii, implementarea unui management termic adecvat și rezervarea marjelor de flux în proiectarea circuitului magnetic.

În aplicațiile de inginerie reale, este recomandabil să se evalueze cuprinzător și să se aleagă soluția cea mai potrivită pe baza intervalului de temperatură specific, bugetului de cost și cerințelor de precizie. La urma urmei, pentru un robot care trebuie să funcționeze stabil pe perioade lungi, fiabilitatea fiecărei „articulații” este esențială pentru succesul general.