Razmagnetenje senzorja robotskega magnetnega kodirnika pri visoki temperaturi – rešitve za neprekinjeno delovanje

I. Problem: Skrito tveganje za okvaro 'sklepa' robota

V industrijskih robotih, sodelujočih robotih in natančnih servo sistemih igrajo magnetni kodirniki ključno vlogo kot 'sklepni senzorji'. Zaznavajo spremembe v magnetnem polju kodirni disk (magnetni obroč) in zagotavlja povratne informacije o hitrosti in položaju motorja v realnem času. Vendar pa je težava, ki jo zlahka spregledamo, ta, da ko roboti neprekinjeno delujejo v pogojih visoke temperature, lahko disk magnetnega kodirnika utrpi  visokotemperaturno razmagnetenje , kar vodi do premika povratne informacije o položaju, povečanega toka in celo izgube koraka.

Inženirji so na to naleteli pri odpravljanju napak v resničnem svetu: ko motor teče nad 80 °C, povratne informacije o položaju postopoma postanejo netočne in po temeljitih preverjanjih je vzrok najti v razmagnetenju magnetnega dajalnika pri visoki temperaturi. Za industrijske robote, ki morajo neprekinjeno delovati dlje časa, je ta težava še posebej kritična - ne vpliva le na natančnost obdelave, ampak lahko sproži tudi okvare opreme ali celo varnostne incidente.

Trenutno sta dva najpogosteje uporabljena materiala za diske magnetnega kodirnika  brizgani ferit  in  gumijasti magnet  (imenovan tudi upogljivi feritni magnet). Zakaj se ta dva materiala razmagnetita pri visokih temperaturah in kako je to mogoče rešiti? Ta članek ponuja poglobljeno analizo z vidika značilnosti materiala, mehanizmov razmagnetenja in rešitev.

II. Dva pogosta materiala in njune temperaturne značilnosti

1. Brizgani ferit

Brizgani ferit je izdelan z mešanjem najlona (ali drugih termoplastičnih smol) s prahom železovega oksida, da nastanejo peleti, ki se nato obdelajo z brizganjem. Njegove prednosti vključujejo veliko svobodo oblikovanja, odlično dimenzijsko natančnost in primernost za množično proizvodnjo. Na področju magnetnih kodirnih diskov je mogoče brizgane feritne obroče natančno magnetizirati z več poli in se pogosto uporabljajo v krmiljenju motorjev in robotskih spojih.

Vendar pa ima brizgani ferit pomembno pomanjkljivost -  visoko občutljivost na temperaturo . Pri povišanih temperaturah se njegove magnetne lastnosti poslabšajo in lahko pride do razmagnetenja. Običajno je delovno temperaturno območje brizganega ferita med -40 °C in 120 °C; zunaj tega območja začne magnetna zmogljivost upadati. Bolj zaskrbljujoče je, da ima brizgani ferit razmeroma nizko koercitivnost, zaradi česar je dovzeten ne le za zunanja magnetna polja, temveč tudi za nepopravljive magnetne izgube pri visokih temperaturah.

2. Gumijasti magnet (prilagodljiv feritni magnet)

Gumijasti magneti so izdelani z mešanjem vezanega feritnega prahu s sintetičnimi kavčuki (kot je nitrilni kavčuk ali kloroprenski kavčuk) in nato obdelavo s kalandriranjem, ekstrudiranjem ali brizganjem. So prožni, elastični in jih je mogoče rezati, pogosto pa se uporabljajo tudi v magnetnih kodirnikih.

Običajni gumijasti magneti imajo običajno zgornjo mejo delovne temperature približno  80 °C . Navadni gumijasti magneti kažejo magnetno oslabitev manj kot 3 % po 72 urah pri 80 °C; če pa temperatura še naraste, se nevarnost razmagnetenja znatno poveča. Upoštevati je treba, da temperaturno odpornost gumijastih magnetov v glavnem določa gumijasta matrika - z uporabo visokotemperaturno odpornih gum, kot je silikonska guma, se lahko zgornja meja dvigne na 150-200 °C.

III. Fizični mehanizem visokotemperaturne demagnetizacije: magnetne domene 'izgubijo smer' pri toplotnem gibanju

Da bi razumeli razmagnetenje pri visoki temperaturi, moramo najprej razumeti, zakaj so magnetni materiali magnetni.

Magnetizem materiala izvira iz urejene poravnave drobnih magnetnih območij znotraj materiala –  magnetnih domen . Pri sobni temperaturi so te domene večinoma poravnane v isto smer, kar povzroča makroskopski magnetizem. Ko se temperatura dvigne, se toplotno gibanje atomov znotraj domen okrepi, kar moti prvotno urejeno strukturo domene in povzroči odstopanje magnetnih momentov. Posledično se tako  remanenca (Br)  kot  koercitivnost (Hc)  magneta zmanjšata v različnih stopnjah, kar se kaže kot oslabitev jakosti magnetnega polja.

Za brizgane feritne in gumijaste magnete je situacija bolj zapletena: oba materiala sta  vezana magneta  – sestavljena iz magnetnega prahu (feritni prah), zmešanega s polimernim vezivom. Visoka temperatura ne vpliva le na razporeditev magnetne domene samega prahu, ampak tudi spremeni lastnosti veziva (mehčanje, staranje itd.), kar posledično vpliva na disperzijo prahu in celotno magnetno delovanje.

Pomembno je razlikovati med dvema vrstama visokotemperaturne demagnetizacije:

·  Reverzibilna demagnetizacija : magnetna zmogljivost se zmanjša z naraščajočo temperaturo, vendar se obnovi, ko se temperatura vrne na normalno.

·  Nepovratna demagnetizacija : ko temperatura preseže določen prag, se struktura domene trajno spremeni in prvotnih magnetnih lastnosti ni mogoče obnoviti niti po ohlajanju.

Pri neprekinjenem delovanju robota je najbolj kritična skrb  ireverzibilna demagnetizacija  – ko do nje pride, bo moč magnetnega signala diska kodirnika trajno zmanjšana, kar neposredno ogroža natančnost merjenja kodirnika.

IV. Sistematične rešitve

Za obravnavanje visokotemperaturnega razmagnetenja brizganih feritnih in gumijastih magnetnih kodirnih diskov je mogoče iskati rešitve iz dveh razsežnosti: ravni materiala in ravni zasnove sistema.

1. rešitev: Optimizacija in nadgradnja na ravni materiala

1. Izberite visokotemperaturno odporne razrede brizganega ferita

Delovna temperatura brizganega ferita ni fiksna. Z optimizacijo formulacije magnetnega prahu in vezivnega sistema je mogoče znatno povečati njegovo temperaturno odpornost. Na primer, feritni materiali, ki uporabljajo najlon 6 ali PPS (polifenilen sulfid) kot vezivo, so pokazali zadovoljive rezultate testiranja pri približno 180 °C. Raziskave kažejo, da lahko dodajanje ustrezne količine maziva TAF izboljša pretočnost peletov in magnetne lastnosti; površinska obdelava magnetnega prahu s spojnimi sredstvi lahko tudi učinkovito poveča učinkovitost brizganih magnetov.

2. Izberite na visoke temperature odporne gumijaste magnete

Običajni gumijasti magneti imajo zgornjo temperaturno mejo 80 °C, toda s sprejetjem visokotemperaturnih gumijastih sistemov (npr. zamenjava običajne gume s silikonsko gumo) se lahko zgornja meja dvigne na 150–200 °C. Patentirane tehnologije so pokazale, da lahko s pravilno formulacijo in optimizacijo procesa visokotemperaturnih gumijastih sistemov s feritnim prahom najvišja delovna temperatura gumijastih magnetov doseže 120-170 °C. Sistemi mešane gume, kot je SR/NBR, imajo tudi dobro toplotno stabilnost nad 120 °C.

Pri praktični izbiri je priporočljivo uskladiti temperaturno oceno materiala z območjem delovne temperature opreme.

Rešitev 2: Zasnova sistema in toplotno upravljanje

1. Optimizirajte zasnovo odvajanja toplote

Ker visokotemperaturno razmagnetenje končno povzroči previsoka temperatura, je učinkovito toplotno upravljanje najbolj neposreden pristop. Posebni ukrepi vključujejo:

·  Dodajanje  toplotnih odvodov ali prisilnega zračnega hlajenja  okoli kodirnika za zmanjšanje delovne temperature magnetnega obroča.

·  Namestitev  toplotnoizolacijskih struktur  med navitji motorja in dajalnikom za blokiranje prenosa toplote.

·  Sprejem  vodno hlajenih dizajnov plaščev  za doseganje neprekinjenega hlajenja pri visokih temperaturah.

2. Rezervna marža pri oblikovanju magnetnega vezja

Med fazo načrtovanja magnetnega vezja je mogoče rezervirati ustrezno  rezervo pretoka  za kompenzacijo delne magnetne izgube pri visokih temperaturah, kar zagotavlja stabilno delovanje v celotnem življenjskem ciklu izdelka.

3. Nadzor temperature procesa brizganja

Pri izdelavi diska magnetnega kodirnika je treba pozornost nameniti nadzoru temperature obdelave med brizganjem, pri čemer se izogibajte previsokim temperaturam, ki bi lahko poškodovale magnetne lastnosti.

V. Povzetek

Razmagnetenje brizganih feritnih in gumijastih magnetnih kodirnih diskov pri visokih temperaturah je v bistvu fizikalni proces, v katerem toplotno gibanje poruši strukturo urejene magnetne domene in zmanjša magnetni red. Ta težava je še posebej pomembna pri neprekinjenem delovanju robota.

Rešitvam je mogoče pristopiti na dveh ravneh:  na ravni materiala z izbiro visokotemperaturno odpornih razredov brizganega ferita ali gumijastih magnetov, odpornih na visoke temperature;  na sistemski ravni z optimiziranjem odvajanja toplote, izvajanjem ustreznega toplotnega upravljanja in rezervacijo mej pretoka v zasnovi magnetnega vezja.

V resničnih inženirskih aplikacijah je priporočljivo celovito oceniti in izbrati najprimernejšo rešitev na podlagi specifičnega temperaturnega območja, stroškovnega proračuna in zahtev glede natančnosti. Navsezadnje je za robota, ki mora dolgo časa stabilno delovati, zanesljivost vsakega 'sklepa' ključnega pomena za splošni uspeh.