Jak działa chwytak magnetyczny z przełączalnym polem

Chwytak magnetyczny podnosi detal, bo między jego powierzchnią roboczą a stalą przepływa strumień pola magnetycznego. Sam magnes to jednak tylko połowa układu. Drugą połowę stanowi sposób, w jaki pole włączamy i wyłączamy, a od niego zależy zużycie energii, bezpieczeństwo przy awarii i to, jak szybko chwytak puszcza detal.

W przemyśle spotyka się trzy rozwiązania: magnes trwały przełączalny, układ elektropermanentny oraz klasyczny elektromagnes. Różnią się one głównie tym, czy stan chwytu wymaga ciągłego zasilania.

Magnes trwały przełączalny

Wewnątrz obudowy znajdują się dwa magnesy trwałe, najczęściej z neodymu albo połączenie magnesu neodymowego z ferrytowym. Jeden jest nieruchomy, drugi obraca się albo przesuwa. Gdy bieguny układają się zgodnie, strumień wychodzi na zewnątrz przez nabiegunniki i zamyka się przez przedmiot. Gdy drugi magnes zostanie obrócony o 180 stopni, strumień zamyka się wewnątrz korpusu i na powierzchni roboczej pola praktycznie nie ma.

Przełączenie wykonuje mały siłownik pneumatyczny, silnik elektryczny albo ręczna dźwignia. Energia jest potrzebna tylko na zmianę stanu. W stanie włączonym chwytak trzyma detal bez żadnego zasilania, bo pole pochodzi z magnesów trwałych. To najprostszy sposób na to, by ładunek nie spadł po zaniku sprężonego powietrza.

Układ elektropermanentny

Tutaj również pole wytwarzają magnesy trwałe, ale przełącza je krótki impuls prądu w cewce. W układzie są zwykle dwa rodzaje magnesów: twardy (np. neodymowy), którego namagnesowanie się nie zmienia, i półtwardy (np. alnico), którego polaryzację można odwrócić impulsem. Gdy oba magnesy są spolaryzowane zgodnie, pole wychodzi na zewnątrz. Gdy polaryzacja magnesu półtwardego jest odwrócona, strumień zamyka się wewnątrz.

Impuls trwa ułamek sekundy, po nim cewka nie pobiera prądu. Stan chwytu zostaje zapamiętany. Z punktu widzenia sterowania to wygodne rozwiązanie, bo wystarczy sygnał elektryczny z PLC, bez zaworów i bez doprowadzenia powietrza.

Elektromagnes

Elektromagnes składa się z cewki nawiniętej na rdzeń ze stali miękkiej. Pole istnieje tylko wtedy, gdy płynie prąd. Ma to dwie praktyczne konsekwencje. Po pierwsze, cewka cały czas pobiera moc i się nagrzewa, a przy dłuższej pracy trzeba brać pod uwagę cykl pracy dopuszczalny dla danego modelu. Po drugie, zanik zasilania oznacza utratę siły chwytu. Magnetyzm szczątkowy rdzenia jest zwykle za słaby, by utrzymać ciężar.

Elektromagnesy mają za to jedną zaletę: siłę można płynnie regulować prądem. Dlatego bywają stosowane tam, gdzie liczy się delikatne puszczanie albo chwytanie detali o zmiennej masie.

Porównanie w skrócie

Cecha	Magnes trwały przełączalny	Elektropermanentny	Elektromagnes
Źródło pola	magnesy trwałe	magnesy trwałe	cewka z prądem
Energia w czasie chwytu	brak	brak	ciągła
Czym się przełącza	powietrze, silnik lub ręka	impuls prądu	włączenie prądu
Zanik zasilania	detal trzymany	detal trzymany	detal puszczony
Regulacja siły	ograniczona	możliwa w niektórych modelach	płynna
Nagrzewanie	brak	praktycznie brak	tak

Co się dzieje przy zaniku zasilania

To pytanie rozstrzyga o doborze, szczególnie przy pracy nad ludźmi albo nad innym wyposażeniem. W układach z magnesami trwałymi stan chwytu jest mechanicznie lub magnetycznie zapamiętany. Detal wisi na chwytaku do chwili, aż ktoś go świadomie zwolni. Ma to dobrą stronę, bo ładunek nie spada przypadkowo, ale też złą: po awarii trzeba umieć bezpiecznie rozładować chwytak, np. ręczną dźwignią albo procedurą serwisową.

W elektromagnesie jest odwrotnie. Detal puszcza w momencie zaniku prądu, więc wymaga to zasilania awaryjnego, jeśli ładunek nie może spaść. Często stosuje się wtedy zasilacz buforowy, a pod ładunkiem strefę zakazu wejścia.

Droga strumienia i dlaczego liczy się dobry styk

Siła przyciągania zależy od tego, ile strumienia przejdzie przez przedmiot. Każda szczelina powietrzna między chwytakiem a blachą jest dla pola oporem. Zgodnie z ogólną zasadą magnetyzmu siła maleje bardzo szybko wraz ze wzrostem szczeliny, więc zabrudzona, zaolejona albo pokryta zgorzeliną powierzchnia osłabia chwyt. Dotyczy to wszystkich trzech technologii.

Warto też pamiętać o grubości materiału. Cienka blacha nasyca się szybko i przepuszcza mniej strumienia niż gruba płyta, dlatego deklarowany udźwig dotyczy zwykle dostatecznie grubego stalowego elementu. Szczegółowo opisujemy to w tekście o tym, od czego zależy udźwig chwytaka magnetycznego.

Sterowanie i integracja

Na etapie integracji z robotem różnice sprowadzają się do kilku rzeczy:

• układ pneumatyczny wymaga zaworu, przewodu i filtracji powietrza, ale daje szybkie przełączanie,
• przełączanie elektryczne upraszcza instalację, bo wystarcza kabel sygnałowy,
• sygnał zwrotny o stanie chwytaka (włączony, wyłączony, detal wykryty) bywa realizowany czujnikiem położenia lub czujnikiem pola,
• przy ręcznej dźwigni przełączanie zajmuje operatora, ale nie wymaga żadnych mediów.

Samo przełączenie nie jest natychmiastowe. Czas zmiany stanu zależy od konstrukcji i trzeba go uwzględnić w cyklu, szczególnie gdy robot ma zwolnić detal na stole bez odbicia i przesunięcia. Dobór pod konkretne rozwiązanie jest łatwiejszy, gdy zna się kategorię produktów, jak porównanie chwytaka magnetycznego i podciśnieniowego.

Producenci tacy jak Rarco opisują w ofercie chwytaki z rozłączalnym polem magnetycznym z różnymi sposobami przełączania, co pokazuje, że wybór nie jest jednoznaczny i zależy od aplikacji.

Jak wybrać technologię

1. Ustal, czy detal ma pozostać zawieszony po awarii zasilania.
2. Sprawdź, jakie media są dostępne na stanowisku: powietrze, 24 V, oba.
3. Określ częstotliwość cyklu i dopuszczalny czas przełączania.
4. Oceń stan powierzchni detalu i potrzebę regulacji siły.
5. Zaplanuj procedurę awaryjnego zwolnienia chwytaka.

Najczęstsze pytania

Czy chwytak z magnesem trwałym zużywa prąd?

Nie w czasie trzymania detalu. Energia lub sprężone powietrze są potrzebne tylko do przełączenia pola, a samo pole pochodzi z magnesów trwałych.

Czy elektropermanentny chwytak trzyma bez prądu?

Tak, bo stan namagnesowania jest zapamiętany po krótkim impulsie. Cewka nie pobiera prądu w czasie chwytu.

Dlaczego elektromagnes jest rzadziej stosowany w robotyce?

Wymaga ciągłego zasilania, nagrzewa się i puszcza detal po zaniku prądu. Przy robotach zwykle wybiera się układy z magnesami trwałymi, chyba że potrzebna jest płynna regulacja siły.

Czy przełączalny magnes działa na stal nierdzewną?

Zależy od gatunku. Stale ferrytyczne i martenzytyczne są magnetyczne, a austenityczne zwykle nie lub bardzo słabo, więc trzeba to sprawdzić na próbce.