Výber teplotného hodnotenia pre disky magnetického kódovača v podmienkach vysokej/nízkej teploty: Vstrekovaný ferit vs. Gumový magnet – nepozerajte sa len na slovo 'Ferrit'

Keď kolaboratívny robot beží nepretržite niekoľko hodín, spätná väzba jeho polohy sa začne pomaly posúvať. Keď sa spoj rozoberie, Disk magnetického kódovača vyzerá neporušene a jeho magnetizácia nevykazuje žiadne zjavné abnormality, ale keď sa znova otestuje pri izbovej teplote, uhlová chyba sa nevráti na pôvodnú hodnotu. Problém často nespočíva v čipe kódovača, ale v tom, že sa podcenilo správanie sa materiálu disku pri vysokej teplote.

Pri výbere materiálu pre magnetické kotúčové snímače sú dve najčastejšie porovnávané možnosti vstrekovaný ferit a gumový magnet. Bežný nesprávny úsudok je: oba sa nazývajú „feritové magnety“, takže ich teplotná odolnosť by mala byť podobná. Realita je presne opačná – to, čo určuje ich teplotné hodnotenie, nie je hlavne feritový magnetický prášok, ale 'spojivo', ktoré drží magnetický prášok pohromade . Curieova teplota samotného feritového magnetického prášku môže byť až 450–470 °C, ale maximálna teplota, pri ktorej môže kódovací disk pracovať dlhodobo, závisí takmer výlučne od toho, ako vysoko znesú matricové materiály – nylon, PPS, nitrilový kaučuk alebo hydrogenovaný nitrilový kaučuk.

1. 'Teplotná pravda' dvoch materiálov: magnetický prášok nastavuje podlahu, spojivo nastavuje strop

Vstrekovaný ferit sa vyrába zmiešaním feritového magnetického prášku s termoplastickou živicou (nylon, PPS atď.) a jeho vstrekovaním. Jeho teplotný strop je určený živicou, nie feritom:

• Matrica Nylon 12 (PA12): maximálna pracovná teplota približne  120°C;

• Matrica Nylon 6 (PA6): približne  150 °C;

• Polyfenylénsulfidová (PPS) matrica: môže dosiahnuť približne  180 °C.

Gumový magnet je flexibilný magnet vyrobený plnením nitrilovej gumy (NBR), hydrogenovanej nitrilovej gumy (HNBR) alebo iných elastomérov feritovým magnetickým práškom. Jeho teplotnej odolnosti tiež dominuje zloženie gumy a rozptyl je väčší, ako si mnohí ľudia predstavujú:

• Bežné formulácie NBR na diskoch kódovačov sú zvyčajne hodnotené ako horná hranica dlhodobej pracovnej teploty okolo  80 °C . Krátkodobá expozícia pri 80 °C môže udržať magnetický rozpad na relatívne nízkej úrovni, ale ďalšie zahrievanie výrazne zvyšuje riziko nevratnej demagnetizácie;

• Prípravky NBR pre priemyselné kódovače môžu dosiahnuť  140–150 °C a formulácie HNBR môžu ďalej dosiahnuť  160–180 °C;

• Prostredníctvom vysokoteplotných matríc, ako je silikónová guma alebo špeciálna magnetická prášková modifikácia, môže byť krátkodobý tolerančný strop gumových magnetov ešte vyšší, ale takéto formulácie platia cenu v rozmerovej stabilite, module a cene.

• Inými slovami, obe tvrdenia – 'gumené magnety môžu dosiahnuť iba 80 °C' a 'gumové magnety môžu dosiahnuť aj teplotu nad 150 °C' — môžu byť pravdivé. Rozdiel spočíva vo formulácii, nie v širokom názve kategórie „gumový magnet“. Ak sa pri výbere uvádza iba „gumový magnet“ bez uzamknutia kvality gumy a skutočnej dlhodobej teplotnej krivky dodávateľa, riziká pri vysokoteplotných podmienkach nemožno zastaviť prichádzajúcou kontrolou.

2. Deliaca čiara jadra pri výbere vysokej/nízkej teploty: Nie 'Či sa dá použiť', ale 'Či je demagnetizácia reverzibilná'

Účinky teploty na magnetické kódovacie disky spadajú do dvoch kategórií. Ich spájanie je najčastejším zdrojom nesprávneho úsudku pri validácii pri vysokej teplote.

Reverzibilná demagnetizácia  znamená, že so stúpajúcou teplotou sa remanencia a koercivita dočasne znižujú v závislosti od teplotného koeficientu a keď sa teplota obnoví, v podstate sa obnoví aj magnetický výkon. Teplotný koeficient remanencie vstrekovaného feritu je rádovo  -0,18 %/°C až -0,20 %/°C . To znamená, že od 25 °C do 100 °C je pokles remanencie spôsobený výlučne teplotným koeficientom viac ako desať percentuálnych bodov. Tento pokles sám osebe nemusí nutne znamenať, že disk je 'zlý', ale pri vysokej teplote sa efektívna amplitúda signálu, ktorú senzor vidí, zmenšuje a rovnaký šum, excentricita a vonkajšie magnetické rušenie sa vo výpočte uhla viac zosilnia, čo sa prejavuje ako uhlové chvenie, drift nulovej polohy alebo poruchy rýchlosti pri vysokých teplotách.

Ireverzibilná demagnetizácia  znamená, že keď teplota prekročí určitú hranicu, štruktúra magnetickej domény podlieha trvalej zmene a magnetický výkon sa po návrate na izbovú teplotu stále nezotaví. V prípade vstrekovaného feritu je koercivita relatívne nízka a riziko prekročenia kolena pracovného bodu pri vysokej teplote je vyššie; pri gumových magnetoch zmäkčenie alebo starnutie spojiva pri vysokej teplote mení disperzný stav častíc magnetického prášku, ktorý môže tiež stuhnúť dočasný pokles až do trvalej straty.

Skutočným kritériom pre výber vysokej/nízkej teploty preto  nie je 'aké nominálne teplotné hodnotenie má materiál', ale 'či pri maximálnej pracovnej teplote zostávajú uhlová chyba a reziduálne magnetické pole po návrate na izbovú teplotu v povolenom rozsahu.' '  demagnetizácia' len podľa toho, o koľko klesne amplitúda magnetického poľa pri vysokoteplotnom počte materiálu, alebo podľa výberu maximálnej teploty materiálu jedného dodávateľa TDS, nepostačuje na pokrytie skutočných rizík kódovacieho systému.

3. Výber podľa pásma prevádzkovej teploty: Akčný rámec rozhodovania

Namiesto toho, aby ste sa pýtali, „ktorý má lepšiu teplotnú odolnosť, vstrekovaný feritový alebo gumový magnet“, je lepšie použiť maximálnu prevádzkovú teplotu ako prvý rez a možnosť overenia ako druhý rez.

≤ 80°C okolia/rozsah nízkych teplôt : Obidva sú použiteľné. Vstrekovaný ferit má výhody v magnetickom výkone, rozmerovej presnosti a konzistencii viacpólovej magnetizácie; Flexibilita gumových magnetov pomáha s odolnosťou proti nárazom a prispôsobením sa nepravidelnej montáži a cena je relatívne priateľská. V tomto bode by sa výber mal zamerať skôr na rozlíšenie, rozstup pólov a požiadavky na štrukturálnu integráciu, než na teplotnú odolnosť. Treba poznamenať, že gumové magnety môžu stvrdnúť pri veľmi nízkych teplotách (napr. -40°C). Ak aplikácia zahŕňa spúšťanie pri nízkej teplote alebo tepelný šok, malo by sa potvrdiť zachovanie pružnosti prípravku pri nízkej teplote, nielen označenie 'odolné voči nízkym teplotám'.

80–120 °C, stredne vysoký teplotný rozsah : Toto je interval, v ktorom sa tieto dva materiály líšia. Bežné formulácie gumových magnetov už vstúpili do zóny vyžadujúcej starostlivé vyhodnotenie v tomto rozsahu; matrica PA12 vstrekovaného feritu má nominálnu hornú hranicu asi 120 °C, ale pri použití ako kódovací disk sa odporúča nepovažovať 'hornú hranicu materiálu' priamo za 'pracovný bod návrhu.' Ak je prevádzková špička blízka 120 °C, vstrekovaný ferit na báze PA6 (približne nezvratná) by mala zabezpečiť väčšiu a potvrdenú stratu 150 °C. zvyšok po teplotnom cykle po návrate na izbovú teplotu.

120–150 °C : Vstrekovaný ferit na báze PA6 je prirodzeným kandidátom pre toto teplotné pásmo, zatiaľ čo gumové magnety vyžadujú explicitný výber vysokoteplotnej formulácie NBR alebo HNBR a vyžiadanie si údajov dodávateľa o dlhodobom starnutí pri cieľovej teplote, namiesto spoliehania sa iba na krátkodobé hodnoty okamžitej tolerancie. V tomto pásme je tiež najzreteľnejšie, že 'zloženie robí všetok rozdiel': pre ten istý 'gumový magnet' sa konvenčné formulácie NBR a vysokoteplotné formulácie NBR/HNBR pre kódovače môžu správať úplne inak pri dlhodobom správaní blízko 150 °C.

> 150 °C : Vstrekovaný ferit na báze PPS (približne 180 °C) je realistickejšou možnosťou spomedzi týchto dvoch typov materiálov. Gumové magnety nie sú absolútne nepoužiteľné, ale vyžadujú si vysokoteplotnú gumovú matricu alebo špeciálne upravené zloženie a kompromisy medzi flexibilitou, rozmerovou stabilitou a cenou sú čoraz výraznejšie. Ak prevádzkové podmienky dlhodobo prekračujú 180 °C, oba typy magnetov s organickým spojivom sa začnú približovať k hraniciam materiálového systému a diskusia o výbere by sa mala presunúť na iné magnetické systémy alebo tepelné riadenie na úrovni systému, než pokračovať v dolaďovaní medzi 'vstrekovaným feritovým alebo gumeným magnetom'.

Nízkoteplotný koniec tiež nemožno posudzovať iba podľa 'minimálnej teploty'. Teplotný koeficient koercitivity feritu sa v smere líši od koeficientu teploty remanencie a niektoré druhy feritu majú mechanizmus nevratnej nízkoteplotnej demagnetizácie pri nízkych teplotách; nízkoteplotné riziko gumových magnetov sa viac sústreďuje na tvrdnutie a krehnutie gumovej matrice. Pri striedaní podmienok vysokej/nízkej teploty odráža  stabilita uhlovej nulovej polohy po teplotnom cykle  použiteľnosť disku v skutočných prevádzkových podmienkach lepšie ako magnetický výkon v jednom teplotnom bode.

4. Najľahšie vynechaný krok pri overovaní

Vysokoteplotná validácia magnetických kódovačov má 'zdanlivo správnu' pascu: amplitúda magnetického poľa po zahriatí klesne, po ochladení sa úplne neobnoví a potom sa posúdi ako nevratná demagnetizácia. Zvyšková amplitúda však môže pochádzať z magnetu alebo z uvoľnenia napätia v zostave, zmien vzduchovej medzery spôsobených štrukturálnou tepelnou rozťažnosťou alebo posunom predného konca snímača. Naopak, dočasný pokles amplitúdy pri vysokej teplote, ktorý sa po ochladení obnoví, neznamená, že systém je nevyhnutne bezpečný počas obdobia vysokej teploty – keď sa efektívny signál zníži, uhlová chyba už mohla presiahnuť limit počas procesu pri vysokej teplote a po ochladení to iba 'vyzerá dobre'.

Robustnejší prístup je:  pred a po teplotnom cykle použite uhlovú chybu a posun nulovej polohy ako primárne kritérium a amplitúdu magnetického poľa ako pomocnú diagnostickú veličinu . Ak sa uhlová chyba a nulová poloha po návrate na izbovú teplotu nevrátia na základnú čiaru, potom zistite, či ide o nevratnú stratu magnetu, starnutie spojiva alebo zmenu stavu zostavy. V prípade lepených magnetov, ako je vstrekovaný ferit a gumový magnet, sa zmeny stavu spojiva po vystavení vysokej teplote často neprejavia ako 'magnet náhle zmizne', ale ako pomalá degradácia uhlového signálu, ktorá sa ľahko prehliadne pri rutinných kontrolách 'magnetizácia OK, vzhľad OK'.

Záver

Za podmienok vysokej/nízkej teploty nie je výber diskov magnetického kódovača v podstate binárnou voľbou medzi 'vstrekovaným feritovým verzus gumovým magnetom', ale dvoma následnými otázkami:  maximálna prevádzková teplota a režim cyklovania určujú spojivový systém kandidátskych materiálov; validačné údaje – najmä uhlový zvyšok po návrate na izbovú teplotu – určujú, či kandidátsky materiál môže skutočne vstúpiť do dizajnu . Teplotný strop vstrekovaného feritu je napísaný v triede živice, teplotný strop gumového magnetu je napísaný v kaučukovej formulácii a spoľahlivosť kódovača je zapísaná v uhlovej chybe po teplotnom cykle. Iba ak tieto tri vrstvy oddelíte, výber sa nezastaví pri príliš drsnom dojme, že 'ferit je odolný voči vysokým teplotám.'

Kontrolný zoznam rýchleho výberu

• Najprv uzamknite  maximálnu prevádzkovú teplotu  a  počet cyklov ; nepoužívajte priemernú teplotu namiesto maximálnej teploty.

• V prípade vstrekovaného feritu sa jasne opýtajte na  živicovú matricu : PA12 ≈ 120 °C, PA6 ≈ 150 °C, PPS ≈ 180 °C; ako autoritu použite dlhodobú teplotnú krivku dodávateľa.

• Pri gumovom magnete sa jasne opýtajte na  kvalitu gumy : dlhodobé horné limity konvenčných formulácií NBR a vysokoteplotných formulácií NBR/HNBR sa môžu líšiť o desiatky stupňov Celzia; nepíšte len 'gumený magnet.'

• Požadujte od dodávateľa, aby poskytol  po starnutí zvyškovú uhlovú chybu/magnetické pole po návrate na izbovú teplotu pri cieľovej teplote , nielen okamžitý magnetický tok pri vysokej teplote.

• Pre podmienky pri nízkych teplotách tiež potvrďte  riziko krehnutia gumovej matrice pri nízkych teplotách  a  tendenciu feritu k ireverzibilnej demagnetizácii pri nízkych teplotách.