Napajalni in signalni drsni obroči: Izogibajte se EMI in izgubi signala

Drsni obroč za napajanje in signal, imenovan tudi hibridni drsni obroč ali drsni obroč za napajanje in podatke, prenaša električno energijo in komunikacijske signale med stacionarnim okvirjem in vrtljivim delom v enem samem sklopu. Omogoča neprekinjeno vrtenje stroja brez zvijanja kablov, omejevanja gibanja ali zanašanja na zapleteno upravljanje kablov.

En drsni obroč lahko hkrati prenaša moč in signale. Težje vprašanje je, ali bo tako zanesljivo deloval še leta. Električna vezja, zlasti višja{2}}napetost ali višji{3}}tok, ustvarjajo električni šum. Komunikacijska vezja, kot so Ethernet, povratna informacija kodirnika, vodilo CAN in RS485, so odvisna od zaščite, nadzorovanega usmerjanja in fizične ločitve znotraj obroča. Med resničnim pregledom načrta je prvo vprašanje redko "koliko vezij?" To je "kako občutljiv je vsak signal in kaj sedi zraven njega?"

V tem priročniku je razloženo, kako združiti moč in komunikacijo v enem drsnem obroču, katere podrobnosti zasnove so dejansko pomembne, kaj gre ponavadi narobe in katere informacije je treba pripraviti, preden zahtevate sestav po meri.

Ali lahko en drsni obroč prenaša moč in signale?

ja En sam drsni obroč je mogoče oblikovati tako, da skupaj prenaša moč, krmilne signale in komunikacijske podatke. Odvisno od uporabe in kombinacije vezij je isti izdelek opisan kot drsni obroč za napajanje in signal, drsni obroč za napajanje in podatke, hibridni drsni obroč ali drsni obroč za napajanje in komunikacijo.

Hibridni drsni obroč lahko združuje kar koli od naslednjega v enem telesu:

• Močnostni tokokrogi za motorje, grelnike, razsvetljavo, orodje ali vrtljivo opremo
• Nizko{0}}napetostna krmilna vezja
• Digitalni ali analogni senzorski signali
• Povratne informacije kodirnika ali razreševalnika
• Ethernet ali industrijska komunikacija fieldbus
• Video, RF ali visoko{0}}frekvenčni kanali v specializiranih oblikah

Pomembno je, da ta vezja ne bi smela biti preprosto zapakirana skupaj. Zanesljiva zasnova mora pretehtati trenutno obremenitev, nivo napetosti, občutljivost signala, oklop kabla, notranjo postavitev, hitrost vrtenja, izpostavljenost okolju in pričakovano življenjsko dobo. Poskrbite za to in en sklop lahko nadomesti preplet ločenih vrtljivih konektorjev.

Kaj je napajalni in signalni drsni obroč?

Napajalni in signalni drsni obroč je elektromehanski rotacijski konektor, ki prenaša električno energijo in informacije preko vrtljivega vmesnika. Ena stran stroja je fiksna, druga pa se vrti; brez drsnega obroča bi se žice med njimi zvijale, utrudile in sčasoma zlomile. Drsni obroč ohranja neprekinjeno električno pot skozi prevodne obroče in ščetke, tako da tokokrog ostane nedotaknjen, medtem ko se stroj vrti. Če se standardne velikosti kataloga ne ujemajo z mešanico vezij, adrsni obroč po merije zgrajen okoli dejanskega stroja namesto obratno.

Močnostni tokokrogi

Močnostni tokokrogi prenašajo energijo, ki poganja opremo na vrteči se strani. Določeni so z napetostjo, tokom, številom tokokrogov, obratovalno dolžino in varnostno rezervo. Tipični primeri so moč motorja, krmilna moč 24 VDC, moč grelnika, osvetlitev, moč orodja in servo ali pogonska vezja. Višji tok in višja napetost zahtevata večje prevodnike, širši izolacijski razmik, boljše toplotno upravljanje in bolj konzervativne varnostne rezerve.

Signalna in komunikacijska vezja

Signalna vezja prenašajo informacije in ne množično napajanje: nadzor vklopa/izklopa, analogni senzorski izhodi, povratne informacije kodirnika, serijske povezave, podatki fieldbus in Ethernet. Pogosti tipi vključujejo Ethernet, vodilo CAN, RS485/RS422, PROFIBUS, PROFINET, EtherCAT, Modbus, povratne informacije kodirnika, termočlene in temperaturne signale, mejne in bližinske senzorje ter kamere ali video signale v specializiranih sistemih. Ta vezja so veliko bolj občutljiva na električni šum, spremembe kontaktnega-upora, neusklajenost impedance in slabo zaščito kot preprost daljnovod.

Zakaj združevanje moči in komunikacije zahteva skrbno načrtovanje

Izziv ni, ali lahko moč in signali fizično delijo eno telo. Lahko. Izziv je ohraniti komunikacijo čisto, medtem ko-visokotokovna vezja preklapljajo nekaj milimetrov stran.

Elektromagnetne motnje

Visok{0}}tokovna in preklopna močnostna vezja oddajajo elektromagnetni šum, industrijska okolja s-frekvenčnimi pogoni, servo motorji in pogostimi preklapljanji težkih induktivnih bremen pa so natanko pogoji, ki jih mednarodnastandardi elektromagnetne združljivostiizpostaviti kot hudo. Če se ta šum poveže s komunikacijsko linijo znotraj drsnega obroča, so simptomi konkretni: izpadli ethernetni paketi, napačno prešteti robovi kodirnika, letajoči analogni odčitki in občasne napake, ki jih je noro izslediti. Tveganje narašča s hitrostjo preklopa, tokom in dolžino kabla.

Preslušavanje med vezji

Navzkrižni presluh je energija iz enega vezja, ki se spaja v drugo prek tesne notranje napeljave, nezaščitenih vodnikov ali obročev, združenih brez zadostne ločitve. Nizko{1}}analogni signali in visoko{2}}hitrostni podatki so prvi na udaru, medtem ko se robustna suha{3}}kontaktna krmilna vezja tega izognejo. Prvi korak je preslikava, kateri kanali lahko prenašajo hrup in kateri nepreprečevanje preslušavanja med kanali.

Kontaktni šum in celovitost signala

Drsni obroč prenaša skozi gibljive kontakte. Pri dobro-zgrajenem izdelku je ta vmesnik stabilen, vendar kontaktni material, oblika ščetke, hitrost, vibracije, površinska obdelava in kontaminacija oblikujejo dolgoročno-vedenje. Za visoko{4}}hitrost podatkov je to najpomembnejše: gigabitna pot potrebuje nadzorovano impedanco, minimalen odboj in nizko vstavljeno izgubo. Te zahteve so resnične za Ethernet, koaksialni video in RF ter v veliki meri nepomembne za 24-voltno končno stikalo, zaradi česar teh dveh ne bi smeli določiti na enak način.

Prostorske omejitve

Večina kupcev želi en kompakten sklop za prenos vsega: napajanje, ethernet, senzorje, včasih zrak ali tekočino, plus funkcije za namestitev. V robotiki, pakirnih strojih, sistemih kamer in vrtljivih platformah je malo prostora. Kompaktna zasnova je dosegljiva, vendar manjši ne pomeni samodejno boljši. Če krčenje ohišja žrtvuje ločitev, izolacijo, zaščito ali uporabnost, zamenja zmago na embalaži za izgubo zanesljivosti.

Inženirska opomba: hibridni drsni obroč sodite po najšibkejšem signalu, ne po številu tokokrogov. En nezaščiten par dajalnikov, ki je speljan poleg tokokroga preklopnega motorja, lahko povzroči več izpadov kot deset dodatnih napajalnih obročev.

Tipične konfiguracije hibridnih drsnih obročev

Načela je lažje uporabiti na konkretnih primerih. Spodnje kombinacije so reprezentativne za običajne zahteve in ne za en sam fiksni katalog ter prikazujejo, kako mešanica signalov, ne število naslovnih vezij, poganja zasnovo:

• Pakiranje stolpa:Krmiljenje 24 VDC + 2 x 10 A moči motorja + približno 8 nizko{5}}hitrostnih digitalnih V/I + 1 x 100 Mbps Ethernet. Ethernetna pot določa strategijo notranjega ločevanja, čeprav je napajalna in V/I vezja številčnejša.
• Servo{0}}gnana vrtljiva miza:moč motorja + povratna informacija diferenčnega dajalnika (A/B/Z). Integriteta kodirnika določa natančnost stroja, tako da povratni pari dobijo najčistejšo in najbolj zaščiteno pot v obroču.
• Instrumentacijska platforma:24 VDC + RS485 (Modbus) + več analognih senzorskih kanalov. Tukaj so analogne linije in diferencialno serijsko vodilo občutljivi elementi, disciplina ozemljitve pa je pomembnejša od surovega obsega.

Kakšne signale lahko prenaša hibridni drsni obroč?

Številne vrste signalov je mogoče integrirati z napajanjem, vendar ima vsak drugačne zahteve in obravnavanje kot zamenljivih je najpogostejša napaka pri načrtovanju.

Kontrolni-signali nizke hitrosti

Preprost nadzor, končna stikala, releji in osnovni digitalni V/I so najlažji za prenos. Še vedno potrebujejo ustrezno kakovost kontaktov in pravilne vrednosti napetosti in toka, vendar dobro prenašajo hrup.

Analogni senzorski signali

Analogni izhodi temperaturnih, tlačnih ali deformacijskih senzorjev so občutljivi na hrup in padec napetosti in nižja kot je raven signala, več zaščite, ozemljitve in napeljave odloča o tem, ali je odčitek uporaben.

Kodirnik in povratni signali

Signali kodirnika zaprejo zanko pri nadzoru gibanja, zato se poslabšana kakovost pokaže kot napaka položaja, nestabilno gibanje ali nepričakovani izpadi. Izberite drsni obroč glede na vrsto kodirnika, format signala, hitrost in dolžino kabla, ne le glede na število kanalov. Za vrtljive roke in končne efektorje, asignalni drsni obroč, izdelan za robotikože upošteva te povratne poti.

Ethernet in industrijske komunikacije

Ethernet si zasluži več pozornosti kot kateri koli krmilni signal. Pot mora podpirati zahtevano hitrost prenosa podatkov in ohranjati električne lastnosti povezave. Pot hitrega etherneta 100 Mb/s in gigabitna pot nista zamenljivi: zvijanje parov, kontinuiteta oklopa in notranja pot se zaostrujejo, ko hitrost narašča, kar je zakoreninjeno v pravilih fizične-plastiStandardi IEEE 802.3 Ethernet. Industrijski protokoli-v realnem času, kot so PROFINET, EtherNet/IP in EtherCAT, ki

Tehnološka skupina EtherCATdefinira poleg standardne strojne opreme Ethernet, bi moral voziti po poti, zasnovani za ta protokol, namesto splošnega priključka. V tem živi globlja obravnava

vodnik za drsne obroče Ethernet.

Video in visoko{0}}frekvenčni signali

Video, RF in drugi visoko{0}}frekvenčni signali lahko zahtevajo posebno zasnovo kontaktov, koaksialne poti, nadzorovano impedanco ali povsem alternativno tehnologijo. Za te se odločite zgodaj, saj je njihova naknadna vgradnja v dokončan dizajn le redko čista.

Kako zmanjšati motnje in zaščititi signale znotraj drsnega obroča

Zanesljiv napajalni in signalni drsni obroč se običajno zanaša na več naslednjih metod, ki delujejo skupaj.

1. Ločite napajalni in signalni del

Občutljive komunikacijske kanale hranite proč od visoko-napetostnih in-tokovnih tokokrogov tako, da jim dodelite lastno strojno opremo: dve fizično ločeni jedri, zloženi v enem ohišju, ločene obročne skupine ali namenska notranja območja. To je edini najučinkovitejši ukrep, ko obroč prenaša ethernet, povratne informacije kodirnika ali druge-občutljive signale za hrup.

2. Uporabite ločilne plošče in izolacijske pregrade

Ne{0}}prevodni delilnik med napajalnimi in signalnimi deli doda fizično oviro in izboljša izolacijo. Podrobnosti so odvisne od velikosti obroča, števila tokokrogov, napetosti in strukture, in kjer so pomembni plazilna pot, razred izolacije ali dielektrična odpornost, je treba pregrado določiti glede na ustrezno varnostno razdaljo in ne dodati na oko. Ločilne plošče same po sebi niso popolna rešitev, vendar si zaslužijo svoje mesto v širši izolacijski strategiji.

3. Dajte komunikacijam lasten zaprt pod-sestav v izvedbah z{-veliko izvrtino

V sestavih z velikim-premerom in-tokom je najmočnejša izolacija izdelava komunikacijskih kanalov kot samostojnega-modula, pogosto manjšega{3}}drsnega obroča z izvrtino, nameščenega znotraj glavnega ohišja in zatesnjenega od okoliškega napajalnega dela. Podatkovna pot nato dobi največjo možno fizično razdaljo od napajalnih vodnikov in lastno zaščiteno ohišje, ki je zaščiteno pred toploto in smeti, ki nastanejo na napajalni strani. To ustreza-zmogljivim rotacijskim spojem, kjer bi eno samo jedro v skupni rabi prisililo občutljive ethernetne kanale ali kanale kodirnika v neprijetno bližino močnega toka. Doda dele in stroške sestavljanja v primerjavi z razdelilno ploščo, vendar je pri zahtevnih oblikah pogosto tisto, kar loči obrobno komunikacijo od zanesljive komunikacije.

4. Uporabite oklopljen kabel in pravilno zaključite oklop

Komunikacijska vezja, speljana v bližini napajalne napeljave, potrebujejo oklopljen kabel. Za ethernet in druge-hitrostne signale štejejo vrsta kabla, konektor, zvijanje para, zaključek oklopa in ozemljitev. Ščit je treba prenašati skozi sklop in ga pritrditi tako na vrtljivi kot na stacionarni strani, namesto da bi pustili lebdeti na enem koncu. Najpogostejša napaka je določitev oklopljenega kabla in nato ignoriranje načina zaključka oklopa; slabo zaključen ščit razveljavi preostali del zasnove. To je srce učinkovitegaoklop za zanesljiv prenos signala.

5. Napajalno in signalno ožičenje napeljite po ločenih poteh

Tudi znotraj enega sklopa načrtujte ožičenje. Napajalnih in signalnih vodnikov ne povezujte v snope, razen če je postavitev preverjena glede hrupa in varnosti. Kjer prostor dopušča, napeljite komunikacijsko ožičenje skozi ločen notranji kanal, pogosto centralno cev, medtem ko električni vodniki sledijo drugi poti. Cilj je dosledno ločevanje od mirujoče strani do vrtljive strani.

6. Uporabite namenski podatkovni modul, kadar to zahteva protokol

Ni vsak drsni obroč primeren za-hitre podatke. Ethernet, industrijski ethernet, video z visoko-ločljivostjo ali drugi visoko{3}}frekvenčni signali lahko zahtevajo namenski podatkovni modul, zasnovan za ta protokol. Preden proizvajalec priporoči zasnovo, mora poznati hitrost prenosa podatkov, protokol, vrsto kabla in konektorja ter sprejemljivo stopnjo napak.

Napajalni in signalni drsni obroč v primerjavi z drugimi možnostmi

Hibridni drsni obroč ni vedno rešitev. Prava izbira je odvisna od zahtevanih podatkov, ravni moči, prostora, stroškov in ciljne zanesljivosti. Uporabite spodnjo tabelo kot pomoč pri odločanju in ne kot seznam funkcij.

Za večino industrijskih strojev, ki mešajo zmerno moč s senzorji, krmiljenjem in komunikacijo, hibridni drsni obroč po meri zagotavlja najboljše ravnovesje, vendar šele potem, ko je mešanica signala preslikana in občutljivi kanali zaščiteni. Ko hitrost prenosa podatkov ali okolje EMI potisne baker do svoje meje, arotacijski spoj z optičnimi vlaknije bolj poštena izbira, saj njegova odpornost na hrup izvira iz prenašanja svetlobe namesto toka.

Preprost potek oblikovalskih odločitev

Ko se projekt začne, obdelajte zahteve v tem vrstnem redu. Pravi tip izdelka običajno postane očiten v zadnjem koraku.

• 1. korak: Določite moč obremenitve.Tokokrogi, napetost, tok, AC ali DC in dolžnost. To nastavi velikost obroča, presek-prevodnika, izolacijski razmik in dvig toplote.
• 2. korak: Razvrstite občutljivost signala.Ločite robusten nadzor od občutljivih analognih podatkov, kodirnikov in podatkov visoke-hitrosti. Najobčutljivejši signal poganja notranjo postavitev, ne najštevilčnejši.
• 3. korak: določite hitrost prenosa podatkov in protokol.Hitri ethernet in gigabit nista ista naloga in fieldbus ima svoja električna pričakovanja.
• 4. korak: Uskladite okolje in prostor.Ocena IP, temperatura, vibracije,-velikost skoznje izvrtine in izhod kabla.
• 5. korak: Odločite se za standardno, po meri ali iz vlaken.Šele zdaj je kompromis-med standardnim delom, prilagojenim hibridom in optično potjo čist razrešen.

Kdaj je drsni obroč za napajanje in signal prava izbira?

Standardni drsni obroč je dovolj, če ima aplikacija enostavna napajalna vezja, signale nizke-hitrosti, zmerno hitrost in čisto okolje. Napajalni in signalni drsni obroč po meri je boljša izbira, če je nekaj od tega res:

• Moč in komunikacija morata biti integrirana v enem sklopu
• Potrebna je komunikacija Ethernet ali fieldbus
• Prostor je omejen
• Aplikacija deluje z visokim tokom ali visoko napetostjo
• Okolje je surovo
• Potrebni so posebni priključki, izhodi za kable ali skoznja{0}}vrtina
• Kakovost signala je ključnega pomena za delovanje stroja
• Stroj potrebuje dolgoročno-zanesljivost z minimalnimi izpadi

Po meri ne pomeni nepotrebno zapleteno. Pogosteje je najvarnejši način za pritrditev drsnega obroča na pravi stroj, namesto da stroj sili okoli izdelka iz zaloge.

Kako določiti drsni obroč za napajanje in signal

Bolj ko je specifikacija popolna, bolj natančna je zasnova. "Potrebujemo napajanje in Ethernet" ni dovolj za citiranje. Preizkusite spodnja štiri področja; vsak element je zahtevan, ker spremeni dizajn.

Električne zahteve

• Število napajalnih tokokrogov ter napetost in tok za vsakega
• AC ali DC in neprekinjeno ali občasno delovanje
• Najvišji tok, kjer je relevantno
• Ozemljitev, izolacija in morebitne potrebe po certificiranju

Močnostni tokokrogi določajo velik del velikosti obroča, zasnovo prevodnika, izolacijski razmik, dvig toplote in varnostno mejo.

Signalne in komunikacijske zahteve

• Vrsta signala ali protokol in hitrost prenosa podatkov
• Vrsta kabla, vrsta priključka in število kanalov
• Zahteve glede oklopa in največja dolžina kabla
• Sprejemljiva stopnja napak in ali je signal analogni, digitalni, diferencialni ali visokofrekvenčni

Za Ethernet ali industrijski Ethernet navedite točen protokol in hitrost prenosa podatkov. Zvonjenje, ki obravnava signal z nizko-hitrostjo, je morda napačen za-komunikacijo z visoko hitrostjo.

Mehanske zahteve

• Skozi-velikost izvrtine, zunanji premer in omejitve dolžine
• Način namestitve, hitrost in smer vrtenja
• Neprekinjeno ali občasno vrtenje
• Smer izhoda kabla, lokacija konektorja in okolica

Mehanske omejitve pogosto odločajo o tem, ali standardni model ustreza ali je potrebna izdelava po meri. Kadar mora konstrukcija prenesti gredi, ožičenje ali medij skozi sredino, askozi-drsni obroč izvrtineje običajno izhodišče.

Okoljske zahteve

• Notranja ali zunanja uporaba, temperaturno območje in vlažnost
• Izpostavljenost prahu, olju ali vodi ter vibracijam ali udarcem
• Korozivni pogoji in zahtevana ocena IP
• Dostop do vzdrževanja in pričakovana življenjska doba

Okolje poganja izbiro materiala, tesnjenje in raven zaščite. Zahtevana ocena IP zlasti sledi dvo-mestnemu sistemu, opredeljenemu vIEC 60529, kjer prva številka pokriva trdne snovi, druga pa vodo, tako da poimenovanje cilja, kot je IP54 ali IP65, proizvajalcu natančno pove, kakšno tesnjenje mora doseči zgradba.

Pogoste napake, ki se jim je treba izogibati

Enako obravnavanje vseh vezij

Napajanje, analogni, povratne informacije kodirnika in ethernet imajo različne potrebe. Njihovo združevanje brez tehtanja hrupa, oklopa in oblikovanja kontaktov povzroča težave z zanesljivostjo, ki se jim je mogoče izogniti.

Uporaba standardnega drsnega obroča za-hitre podatke

Osnovni obroč obravnava preprosto napajanje in signale nizke-hitrosti, vendar-komunikacija visoke hitrosti potrebuje zasnovo, ki je usklajena s protokolom. Ethernet, video in precizne povratne informacije je treba izrecno poklicati.

Ignoriranje zaščite in ozemljitve

Zaščita deluje le, če je pravilno zasnovana in zaključena. Slaba ozemljitev povzroča hrup tudi z nameščenim oklopljenim kablom.

Izbira samo po številu krogov

Število krogov je potrebno, vendar ne zadostuje. Napetost, tok, hitrost prenosa podatkov, izolacija, hitrost, velikost, okolje in življenjska doba - vse skupaj odloča o odločitvi.

Prepozno zapustiti pregled oblikovanja

Drsni obroči se nahajajo na mehansko natrpanih območjih. Če ste izbrali pozno, morda ne bo več prostora za ustrezno ožičenje, ločitev, priključke ali dostop do storitev. Zgodaj vključite dobavitelja drsnih obročev, zlasti ko si napajanje in komunikacija delita en sklop.

Primeri aplikacijskih scenarijev

Rotacijski pakirni stroj

Pakirna kupola morda potrebuje 24 VDC napajanje, senzorske signale in Ethernet na vrtljivi glavi. Kompakten hibridni drsni obroč odstrani zvijanje kabla in podpira neprekinjeno delovanje, pri čemer so glavni pomisleki hitrost vrtenja, izpostavljenost izpiranju, napeljava kabla in stabilen Ethernet.

Robotski konec--orodja za roke

Končni efektor robota potrebuje moč za orodja, povratne informacije senzorjev in povezavo nazaj do krmilnika, pogosto v zelo majhnem ovoju. Obroč mora ostati kompakten, medtem ko še vedno ločuje signale od napajanja, pri čemer je v ospredju teža, vibracije in integracija konektorja.

Kamera ali inšpekcijska ploščad

Vrtljiva platforma kamere prenaša moč, nadzor in video ali podatke. Kakovost signala je ključnega pomena, ker nestabilni podatki pokvarijo zajem slike in rezultate pregleda, zato so visoko{1}}zmogljivost visoke frekvence, zaščita in gladko vrtenje vodilni pri oblikovanju.

Rotirajoča oprema za-veter ali težka dela

Veliki rotacijski stroji potrebujejo večjo moč, krmilno povratno informacijo, tesnjenje in dolgo življenjsko dobo. Sklop po meri je tukaj običajno boljši od majhnega zalogovnika, pri čemer so trenutna ocena, stopnja zaščite, temperaturno območje, vibracije in vzdržljivost glavni dejavniki gradnje.

Zaključek

Drsni obroč za napajanje in signal poenostavlja zasnovo stroja s prenašanjem električne energije, nadzora in komunikacije v enem vrtljivem sklopu. Izplačilo prihaja iz inženiringa: ločeno napajanje in komunikacijo, kolikor to omogoča zasnova, ščit, kjer je pomembno, premišljena usmeritev in določitev glede na dejanski protokol, napetost, tok, hitrost in okolje.

Če se mora vaša naprava nenehno vrteti, medtem ko prenaša napajanje, ethernet, senzorje ali povratne informacije kodirnika, pripravite-enostransko specifikacijo, ki zajema napetosti in tokove, protokol in hitrost prenosa podatkov, hitrost vrtenja in velikost izvrtine, okolje in oceno IP ter način ene napake, ki ga ne morete tolerirati. Zgodaj ga delite s proizvajalcem drsnih obročev in prava zasnova bo zmanjšala okvare kablov, izboljšala zanesljivost in olajšala integracijo celotnega vrtljivega sistema.