工业机器人的关节要做精准运动电机转子的角度和转速必须实时掌握。承担这个任务的器件叫编码器。目前主流有两类光电式和磁电式。磁编码器现在越来越占优势。它不怕油污、不怕振动使用寿命长成本也比光电编码器低。中高端机器人市场上磁编码器已经占据了超过六成的份额。原理上磁编码器做的一件事就是读磁场在电机轴上装一块磁环上面有特定的磁化图案——不是简单的南北极而是精细的多极阵列。磁环跟着轴一起转电路板上的磁敏芯片实时检测磁场角度的变化换算成旋转角度和角速度。理解了磁编码器怎么工作下一个问题就是磁环本身怎么造这就绕不开充磁这道工序。充磁精度不够的磁环编码器信号就有偏差最终影响的是整台机器人的运动精度。机器人磁编码器充磁工艺关键参数与核心流程解析很多人印象里充磁就是把磁铁放进一个大线圈里充一下就有了磁性。这个理解对一般的工业磁铁没啥问题但对编码器磁环来说就太粗糙了。日常用的磁铁一个N极一个S极就搞定。编码器磁环需要的是多极充磁——同一块磁环上N极和S极交替排列密密麻麻。有些高端产品极数能干到400极以上相邻磁极之间的距离精度是决定编码器角度分辨率的硬指标。差几个微米输出可能就偏了。充磁方法分两种。一种是恒流充磁低压大电容放电线圈里产生恒定磁场。这个方法适合铁氧体这类矫顽力不高的材料。另一种是脉冲充磁高压小电容放电瞬间电流能到几万安培产生极短的超强磁场。钕铁硼这种矫顽力很高的材料只有脉冲充磁才能搞定。编码器磁环用的多极充磁主流就是走脉冲路线。脉冲充磁的工作逻辑先把电容器充上直流高压然后接一个电阻极小的线圈放电。瞬间大电流在线圈内造出一个强磁场放在线圈里的磁环就被永久磁化了。整个过程毫秒级别就结束。决定充磁质量的四个参数充磁方向外加磁场施加在磁环上的方向三种常见轴向磁场沿轴线、径向磁场沿半径方向、平面磁场在面内分布。编码器磁环通常走径向多极充磁磁极分布在外圆或内圆表面磁敏芯片置于磁环侧方读取磁场变化。选哪种方向取决于磁路怎么设计。充磁极数磁环上有多少个磁极会直接决定编码器输出信号的周期数。极数越多转一圈产生的信号周期就越多角度分辨率的理论上限就更高。以常见的旋转磁编码器为例不同极数方案对应的分辨率与转速如下极对数分辨率bit最高转速RPM16182400032191200064206000极数越高分辨率越好但最高转速会相应降低——这是磁编码器设计中需要权衡的一对关系。特殊定制的磁环可以干到400极以上。极数一上去对充磁设备和工装的精度要求就是另一个量级。磁场强度充磁后磁环表面的磁场强度关系到磁敏芯片输出信号的强度。太弱了信号信噪比不够太强了又可能让磁敏元件饱和。不同材料的磁性能差异很大以下三种工业常见磁环材料的参数可供参考材料最小厚度(mm)Br (T)Hcj (kA/m)αΔB/ΔT (%/K)温度范围(°C)注塑铁氧体0.70.28203-0.19-40~130橡胶磁0.50.24200-0.19-40~85粘接钕铁硼0.70.62607-0.11-40~160粘接钕铁硼剩磁和矫顽力最高温度系数也最小适合高精度、宽温域场景。但高矫顽力意味着充磁需要更强的能量。充磁能量充磁机能输出多大能量决定了能不能把磁环充到饱和。一般要求充磁工装中心的磁场达到磁体矫顽力的三到五倍——这是行业经验公式具体数值需要根据材料特性和工装设计来确定。能量不够磁体的剩磁和矫顽力上不去能量过大设备成本和工艺风险都跟着涨没什么必要。从毛坯到成品充磁流程编码器磁环的充磁是一套完整的工序不是插上电按一下开关那么简单。原料准备。按编码器设计要求选好磁性材料做成磁环坯料。不同材料的矫顽力和磁能积差异很大对应的充磁参数要逐个匹配。工装设计。充磁工装也叫充磁治具是实现精确多极充磁的核心部件。工装里面嵌了按目标磁极图案排列的线圈组通过控制各个线圈的电流方向和大小在磁环上刻出想要的磁极分布。工装的精度直接决定了最终磁极间距的精度可以说是整个流程里技术含量最高的环节。充磁执行。坯料放进工装脉冲放电毫秒级完成。现代设备已经做到全流程自动化自动上料、自动定位、自动充磁、自动排料PLC或工控机统一控制充磁电压和电流全程监控有异常自动报警停机。表磁检测。充磁完不等于就合格了。还要用磁场分布测试仪扫一遍磁环表面看磁场波形是不是规则的正弦波或近似正弦波相邻磁极的峰值是不是一致极间距有没有跑偏。这些数据直接对应编码器的最终精度。退磁防护。充过磁的磁环不能不管。永磁材料在高温或者强反向磁场下会退磁编码器精度跟着就掉了。机器人关节环境温度不低设计时需留足退磁裕度。高温工况下可选用钐钴磁体但其成本和磁能积需与工况权衡。工艺好坏直接写进编码器指标里磁环充磁做得怎么样会直接落到编码器的几个核心指标上角度精度——磁极间距的均匀性决定了定位准不准。间距偏差越大角度误差越大。信号质量——磁场强度的一致性影响磁敏芯片输出的信噪比。信号质量不行高速旋转时就容易丢数据。温度稳定性——充磁饱和程度越高磁体对抗温度变化的能力越强。充磁不充分的磁环温度一高剩磁就往下掉编码器输出跟着漂。成熟的磁编码器方案磁编码器充磁这个事门槛不低。前面涉及电磁场理论磁路设计、工装设计后面要求精密制造高稳电源、自动化装夹中间还要懂材料和工艺的匹配。对大多数机器人企业来说更实际的做法是找到一家在这几个环节都有积累的方案提供商。CANMAG旋转磁编码器方案图CANMAG旋转磁编码器支持16-64对极、18-20bit分辨率宁波兴隆磁性技术有限公司CANMAG Technology是一家专业从事磁编码器及磁测量设备研发制造的企业在磁编码器磁环设计、多极充磁工艺和编码器整机方案方面有多年积累。其产品方案包括•旋转磁编码器非接触式设计支持ABZ增量输出兼容T485、BiSS、UART、SPI、PWM、SSI等多种接口。极对数16-64可选分辨率18-20bit最高转速24000RPM工作温度-40°C至95°C供电DC 5V波特率2.5MHz•直线磁编码器橡胶磁方案最薄0.5mm。支持单轨/双轨/三轨游标编码极宽1mm/2mm/5mm可选分辨率0.122~12.5µm最大速度0.91~93.3m/s磁条最长可定制到6m•磁环/磁条定制支持注塑铁氧体、橡胶磁、粘接钕铁硼等多种材料可按需求定制极宽、极对数、磁极组合方案•配套设备公司同时提供充磁设备、磁通计、高斯计、亥姆霍兹线圈等磁测量仪器可为客户提供从充磁到检测的全套解决方案应用场景涵盖关节机器人、协作机器人、工业自动化产线、伺服电机、精密加工机床、新能源汽车驱动电机、汽车转向/变速箱/油门踏板、电梯、VR设备等。眼下工业机器人、协作机器人、人形机器人都在快速增长高精度磁编码器的需求量持续往上走。国产企业正在一步一步突破多极精密充磁的核心工艺配合更高分辨率的TMR磁敏芯片和自适应校准算法跟进口品牌之间的差距缩得很快。像宁波兴隆这样的企业正在用扎实的工艺积累把国产磁编码器推向更高的精度等级。了解更多磁编码器及充磁方案www.canmag.cn | infocanmag.cn
