Robot khử từ cảm biến mã hóa từ tính ở nhiệt độ cao – Giải pháp cho hoạt động liên tục

I. Vấn đề: Rủi ro tiềm ẩn khi robot bị hỏng 'khớp'

Trong rô-bốt công nghiệp, rô-bốt cộng tác và hệ thống trợ động chính xác, bộ mã hóa từ đóng vai trò quan trọng như 'cảm biến khớp'. Chúng phát hiện những thay đổi trong từ trường của đĩa mã hóa (vòng từ) và cung cấp phản hồi thời gian thực về tốc độ và vị trí động cơ. Tuy nhiên, một vấn đề dễ bị bỏ qua là khi robot hoạt động liên tục trong điều kiện nhiệt độ cao, đĩa mã hóa từ có thể bị  khử từ ở nhiệt độ cao , dẫn đến hiện tượng lệch phản hồi vị trí, tăng dòng điện và thậm chí mất bước.

Các kỹ sư đã gặp phải điều này khi gỡ lỗi trong thế giới thực: khi động cơ chạy trên 80 °C, phản hồi vị trí dần trở nên không chính xác và sau khi kiểm tra kỹ lưỡng, nguyên nhân gốc rễ được bắt nguồn từ quá trình khử từ ở nhiệt độ cao của bộ mã hóa từ tính. Đối với các robot công nghiệp cần chạy liên tục trong thời gian dài, vấn đề này đặc biệt nghiêm trọng - nó không chỉ ảnh hưởng đến độ chính xác gia công mà còn có thể gây ra lỗi thiết bị hoặc thậm chí là sự cố an toàn.

Hiện nay, hai vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất cho đĩa mã hóa từ tính là  ferrite đúc phun  và  nam châm cao su  (còn gọi là nam châm ferrite linh hoạt). Tại sao hai vật liệu này lại khử từ ở nhiệt độ cao và cách giải quyết vấn đề này như thế nào? Bài viết này cung cấp những phân tích chuyên sâu từ góc độ đặc tính vật liệu, cơ chế khử từ và giải pháp.

II. Hai vật liệu phổ biến và đặc tính nhiệt độ của chúng

1. Ferrite đúc phun

Ferrite đúc phun được tạo ra bằng cách trộn nylon (hoặc các loại nhựa nhiệt dẻo khác) với bột oxit sắt để tạo thành các viên, sau đó được xử lý bằng phương pháp ép phun. Ưu điểm của nó bao gồm sự tự do về hình dạng cao, độ chính xác kích thước tuyệt vời và sự phù hợp cho sản xuất hàng loạt. Trong lĩnh vực đĩa mã hóa từ tính, các vòng ferrite đúc phun có thể được từ hóa chính xác với nhiều cực và được sử dụng rộng rãi trong điều khiển động cơ và khớp nối robot.

Tuy nhiên, ferit đúc phun có một nhược điểm đáng kể -  độ nhạy cao với nhiệt độ . Dưới nhiệt độ cao, tính chất từ ​​tính của nó bị suy giảm và quá trình khử từ có thể xảy ra. Thông thường, phạm vi nhiệt độ hoạt động của ferrite đúc phun là từ -40 °C đến 120 °C; ngoài phạm vi này, hiệu suất từ ​​tính bắt đầu giảm. Điều đáng lo ngại hơn là ferrite đúc phun có độ kháng từ tương đối thấp, khiến nó không chỉ nhạy cảm với từ trường bên ngoài mà còn bị mất từ ​​tính không thể đảo ngược ở nhiệt độ cao.

2. Nam châm cao su (Nam châm Ferrite dẻo)

Nam châm cao su được tạo ra bằng cách trộn bột ferrite liên kết với cao su tổng hợp (chẳng hạn như cao su nitrile hoặc cao su chloroprene) và sau đó xử lý thông qua cán, ép đùn hoặc ép phun. Chúng linh hoạt, đàn hồi và có thể cắt được, đồng thời cũng được sử dụng rộng rãi trong các bộ mã hóa từ tính.

Nam châm cao su thông thường thường có giới hạn nhiệt độ hoạt động trên khoảng  80 ° C. Nam châm cao su thông thường cho thấy độ suy giảm từ tính dưới 3% sau 72 giờ ở 80 ° C; tuy nhiên, nếu nhiệt độ tăng cao hơn nữa thì nguy cơ khử từ sẽ tăng lên đáng kể. Cần lưu ý rằng khả năng chịu nhiệt độ của nam châm cao su chủ yếu được xác định bởi ma trận cao su - bằng cách sử dụng cao su chịu nhiệt độ cao như cao su silicone, giới hạn trên có thể tăng lên 150-200 ° C.

III. Cơ chế vật lý của quá trình khử từ ở nhiệt độ cao: Các miền từ 'Mất phương' trong chuyển động nhiệt

Để hiểu quá trình khử từ ở nhiệt độ cao, trước tiên người ta phải hiểu tại sao vật liệu từ tính lại có từ tính.

Từ tính của vật liệu bắt nguồn từ sự sắp xếp có trật tự của các vùng từ tính nhỏ bên trong  miền vật liệu – từ tính . Ở nhiệt độ phòng, các miền này phần lớn được sắp xếp theo cùng một hướng, tạo ra từ tính vĩ mô. Khi nhiệt độ tăng lên, chuyển động nhiệt của các nguyên tử trong các miền tăng cường, làm xáo trộn cấu trúc miền có trật tự ban đầu và làm cho mômen từ bị lệch. Kết quả là cả  độ dư (Br)  và  độ kháng từ (Hc)  của nam châm đều giảm ở các mức độ khác nhau, biểu hiện là cường độ từ trường suy yếu.

Đối với nam châm ferrite và cao su đúc phun, tình huống phức tạp hơn: cả hai vật liệu đều là  nam châm liên kết -  bao gồm bột từ tính (bột ferrite) được kết hợp với chất kết dính polymer. Nhiệt độ cao không chỉ ảnh hưởng đến sự sắp xếp miền từ của bột mà còn làm thay đổi tính chất kết dính (làm mềm, lão hóa, v.v.), từ đó ảnh hưởng đến sự phân tán của bột và hiệu suất từ ​​tính tổng thể.

Điều quan trọng là phải phân biệt giữa hai loại khử từ ở nhiệt độ cao:

·  Khử từ có thể đảo ngược : hiệu suất từ ​​tính giảm khi nhiệt độ tăng nhưng phục hồi khi nhiệt độ trở lại bình thường.

·  Khử từ không thể đảo ngược : khi nhiệt độ vượt quá một ngưỡng nhất định, cấu trúc miền sẽ thay đổi vĩnh viễn và các đặc tính từ tính ban đầu không thể được khôi phục ngay cả sau khi làm mát.

Đối với hoạt động liên tục của robot, mối quan tâm quan trọng nhất là  quá trình khử từ không thể đảo ngược -  một khi nó xảy ra, cường độ tín hiệu từ của đĩa mã hóa sẽ giảm vĩnh viễn, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của phép đo của bộ mã hóa.

IV. Giải pháp có hệ thống

Để giải quyết vấn đề khử từ ở nhiệt độ cao của đĩa mã hóa nam châm cao su và ferrite đúc phun, có thể theo đuổi các giải pháp từ hai chiều: cấp độ vật liệu và cấp độ thiết kế hệ thống.

Giải pháp 1: Tối ưu hóa và nâng cấp cấp độ vật liệu

1. Chọn loại Ferrite đúc phun có khả năng chịu nhiệt độ cao

Nhiệt độ hoạt động của ferrite đúc phun không cố định. Bằng cách tối ưu hóa công thức bột từ tính và hệ thống chất kết dính, khả năng chịu nhiệt độ của nó có thể được tăng cường đáng kể. Ví dụ, vật liệu ferit sử dụng nylon 6 hoặc PPS (polyphenylene sulfide) làm chất kết dính đã cho kết quả thử nghiệm đạt yêu cầu ở khoảng 180°C. Nghiên cứu chỉ ra rằng việc bổ sung một lượng chất bôi trơn TAF thích hợp có thể cải thiện khả năng chảy của viên và tính chất từ ​​tính; xử lý bề mặt của bột từ tính bằng các chất ghép cũng có thể nâng cao hiệu quả hiệu suất của nam châm đúc phun.

2. Chọn nam châm cao su chịu nhiệt độ cao

Nam châm cao su thông thường có giới hạn nhiệt độ trên là 80 ° C, nhưng bằng cách sử dụng hệ thống cao su nhiệt độ cao (ví dụ: thay thế cao su thông thường bằng cao su silicon), giới hạn trên có thể tăng lên 150-200 ° C. Các công nghệ được cấp bằng sáng chế đã chỉ ra rằng với công thức thích hợp và tối ưu hóa quy trình của hệ thống cao su nhiệt độ cao bằng bột ferit, nhiệt độ sử dụng tối đa của nam châm cao su có thể đạt tới 120-170 ° C. Các hệ thống cao su hỗn hợp như SR/NBR cũng có độ ổn định nhiệt tốt ở nhiệt độ trên 120°C.

Trong lựa chọn thực tế, nên kết hợp định mức nhiệt độ của vật liệu với phạm vi nhiệt độ vận hành của thiết bị.

Giải pháp 2: Thiết kế hệ thống và quản lý nhiệt

1. Tối ưu hóa thiết kế tản nhiệt

Vì quá trình khử từ ở nhiệt độ cao cuối cùng là do nhiệt độ quá cao gây ra nên quản lý nhiệt hiệu quả là cách tiếp cận trực tiếp nhất. Các biện pháp cụ thể bao gồm:

·  Bổ sung thêm  tản nhiệt hoặc làm mát không khí cưỡng bức  xung quanh bộ mã hóa để giảm nhiệt độ hoạt động của vòng từ.

·  Đặt  các kết cấu cách nhiệt  giữa cuộn dây động cơ và bộ mã hóa để chặn quá trình truyền nhiệt.

·  Áp dụng  thiết kế áo khoác làm mát bằng nước  để đạt được khả năng làm mát liên tục trong điều kiện nhiệt độ cao.

2. Dự trữ trong thiết kế mạch từ

Trong giai đoạn thiết kế mạch từ, có thể dự trữ một  lượng từ thông thích hợp  để bù cho sự mất từ ​​tính một phần ở nhiệt độ cao, đảm bảo hiệu suất ổn định trong suốt vòng đời của sản phẩm.

3. Kiểm soát nhiệt độ quá trình ép phun

Trong quá trình sản xuất đĩa mã hóa từ tính, cần chú ý kiểm soát nhiệt độ xử lý trong quá trình ép phun, tránh nhiệt độ quá cao có thể làm hỏng đặc tính từ tính.

V. Tóm tắt

Quá trình khử từ của các đĩa mã hóa nam châm cao su và ferrite đúc phun ở nhiệt độ cao về cơ bản là một quá trình vật lý trong đó chuyển động nhiệt phá vỡ cấu trúc miền từ tính có trật tự, làm giảm trật tự từ tính. Vấn đề này đặc biệt nổi bật khi robot hoạt động liên tục.

Các giải pháp có thể được tiếp cận từ hai cấp độ:  ở cấp độ vật liệu , bằng cách chọn các loại nam châm ferrite đúc phun hoặc nam châm cao su chịu nhiệt độ cao;  ở cấp độ hệ thống , bằng cách tối ưu hóa khả năng tản nhiệt, thực hiện quản lý nhiệt thích hợp và dự trữ biên độ từ thông trong thiết kế mạch từ.

Trong các ứng dụng kỹ thuật thực tế, nên đánh giá toàn diện và chọn giải pháp phù hợp nhất dựa trên phạm vi nhiệt độ cụ thể, ngân sách chi phí và yêu cầu về độ chính xác. Xét cho cùng, đối với một robot cần hoạt động ổn định trong thời gian dài, độ tin cậy của từng 'khớp' là rất quan trọng đối với thành công chung.