Клизни прстенови за напајање и сигнал: Избегните ЕМИ и губитак сигнала

Клизни прстен за напајање и сигнал, такође назван хибридни клизни прстен или клизни прстен за напајање и податке, преноси електричну снагу и комуникационе сигнале између стационарног оквира и ротирајућег дела у једном склопу. Омогућава да се машина непрекидно ротира без увртања каблова, ограничавања кретања или ослањања на компликовано управљање кабловима.

Један клизни прстен може носити и снагу и сигнале у исто време. Теже питање је да ли ће то поуздано радити годинама. Електрична кола, посебно са вишим -напоном или већом- струјом, стварају електрични шум. Комуникациони кругови као што су Етернет, повратна информација енкодера, ЦАН магистрала и РС485 зависе од заштите, контролисаног рутирања и физичког раздвајања унутар прстена. Током правог прегледа дизајна, прво питање је ретко "колико кола?" То је "колико је сваки сигнал осетљив и шта се налази поред њега?"

Овај водич објашњава како да комбинујете снагу и комуникацију у једном клизном прстену, који детаљи дизајна су заправо битни, шта има тенденцију да крене по злу и тачно које информације треба припремити пре него што затражите прилагођену монтажу.

Може ли један клизни прстен носити и снагу и сигнале?

Да. Један клизни прстен се може конструисати да преноси снагу, контролне сигнале и комуникационе податке заједно. У зависности од примене и комбинације кола, исти производ се описује као клизни прстен за напајање и сигнал, клизни прстен за напајање и податке, хибридни клизни прстен или клизни прстен за напајање и комуникацију.

Хибридни клизни прстен може комбиновати било шта од следећег у једном телу:

• Електрични кругови за моторе, грејаче, осветљење, алате или ротирајућу опрему
• Нисконапонска{0}}управљачка кола
• Дигитални или аналогни сигнали сензора
• Повратне информације енкодера или резолвера
• Етхернет или индустријска фиелдбус комуникација
• Видео, РФ или високо{0}}канали у специјализованом дизајну

Важна ствар је да ова кола не треба једноставно да буду спакована заједно. Поуздан дизајн мора да одмери тренутно оптерећење, ниво напона, осетљивост на сигнал, заштиту кабла, унутрашњи распоред, брзину ротације, изложеност околини и очекивани радни век. Исправите их и један склоп може да замени сплет одвојених ротационих конектора.

Шта је струјни и сигнални клизни прстен?

Клизни прстен за напајање и сигнал је електромеханички ротациони конектор који преноси електричну енергију и информације преко ротационог интерфејса. Једна страна машине је фиксирана, а друга се ротира; без клизног прстена, жице између њих би се уврнуле, замориле и на крају пукле. Клизни прстен одржава континуирани електрични пут кроз проводне прстенове и четке, тако да коло остаје нетакнуто док се машина окреће. Када стандардне величине каталога не одговарају мешавини кола, априлагођени клизни прстенје изграђен око стварне машине уместо обрнуто.

Електрична кола

Електрична кола носе енергију која покреће опрему на ротирајућој страни. Одређени су напоном, струјом, бројем кола, радним оптерећењем и сигурносном маргином. Типични примери су снага мотора, контролна снага од 24 ВДЦ, снага грејача, осветљење, снага алата и серво или погонска кола. Већа струја и већи напон захтевају веће проводнике, шири размак изолације, боље управљање топлотом и конзервативније сигурносне маргине.

Сигнална и комуникациона кола

Сигнална кола носе информације, а не масовно напајање: он/офф контрола, излази аналогних сензора, повратна информација енкодера, серијске везе, подаци сабирнице поља и Етхернет. Уобичајени типови укључују Етхернет, ЦАН магистралу, РС485/РС422, ПРОФИБУС, ПРОФИНЕТ, ЕтхерЦАТ, Модбус, повратне информације енкодера, термопарове и температурне сигнале, сензоре ограничења и близине, и камере или видео сигнале у специјализованим системима. Ова кола су далеко осетљивија на електрични шум, варијације контакта{4}}отпорности, неподударање импедансе и лошу заштиту од обичне далековода.

Зашто је за комбиновање снаге и комуникације потребан пажљив инжењеринг

Изазов није у томе да ли снага и сигнали могу физички да деле једно тело. Они могу. Изазов је одржавати комуникацију чистом док се -кола велике струје пребацују на неколико милиметара.

Електромагнетне сметње

-Кола велике струје и прекидачка струјна кола зраче електромагнетним шумом, а индустријска окружења са променљивим-променљивим фреквентним погонима, серво моторима и честим пребацивањем тешких индуктивних оптерећења су управо услови који међународнистандарди електромагнетне компатибилностииздвојити као тешку. Ако се тај шум споји са комуникационом линијом унутар клизног прстена, симптоми су конкретни: испуштени Етхернет пакети, погрешно пребројане ивице енкодера, померајућа аналогна очитавања и повремене грешке које избезумљују праћење. Ризик расте са брзином пребацивања, струјом и дужином кабла.

Преслушавање између кола

Преслушавање је енергија из једног кола које се спаја у друго кроз блиско унутрашње усмеравање, неоклопљене водове или прстенове груписане без довољног раздвајања. Ниско{1}}аналогни сигнали ниског нивоа и-брзи подаци су први који пате од тога, док отпорни суви-кола за контролу контакта то одбацују. Први корак је мапирање који канали могу толерисати шум, а који неспречавање преслушавања између канала.

Контактни шум и интегритет сигнала

Клизни прстен преноси преко покретних контаката. У добро-израђеном производу тај интерфејс је стабилан, али контактни материјал, дизајн четкице, брзина, вибрације, завршна обрада површине и контаминација утичу на дугорочно- понашање. За податке велике{4}}брзине ово је најважније: гигабитној путањи је потребна контролисана импеданса, минимална рефлексија и мали губитак уметања. Ови захтеви су стварни за етернет, коаксијални видео и РФ, и углавном ирелевантни за гранични прекидач од 24 В, због чега ова два не би требало да се специфицирају на исти начин.

Просторна ограничења

Већина купаца жели један компактни склоп који носи све: струју, Етхернет, сензоре, понекад ваздух или течност, плус карактеристике за монтажу. У роботици, машинама за паковање, системима камера и ротирајућим платформама је мало простора. Компактан дизајн је остварив, али мањи није аутоматски бољи. Ако скупљање каросерије жртвује одвајање, изолацију, заштиту или употребљивост, мења се добитком паковања за губитак поузданости.

Инжењерска напомена: процените хибридни клизни прстен према његовом најслабијем сигналу, а не по броју кола. Један неоклопљени пар енкодера распоређен поред кола прекидачког мотора може да изазове више застоја него десет додатних прстенова напајања икада.

Типичне конфигурације хибридног клизног прстена

Принципе је лакше применити на конкретним примерима. Комбинације у наставку представљају уобичајене захтеве, а не један фиксни каталог, и показују како мешавина сигнала, а не број кола у наслову, покреће дизајн:

• Купола за паковање:24 ВДЦ контрола + 2 к 10 А снага мотора + отприлике 8 малих-дигиталних улаза/излаза + 1 к 100 Мбпс Етхернет. Етернет путања поставља стратегију унутрашњег раздвајања иако је струјна и И/О кола бројчано надмашују.
• Серво{0}}окретни сто:снага мотора + повратна спрега диференцијалног енкодера (А/Б/З). Интегритет енкодера дефинише тачност машине, тако да парови повратних информација добијају најчистију, најзаштићенију путању у прстену.
• Инструментациона платформа:24 ВДЦ + РС485 (Модбус) + неколико аналогних сензорских канала. Овде су аналогне линије и диференцијална серијска магистрала осетљиви елементи, а дисциплина уземљења је важнија од сирове величине.

Које сигнале може да носи хибридни клизни прстен?

Многи типови сигнала се могу интегрисати са напајањем, али сваки носи различите захтеве, а њихово третирање као заменљиве је најчешћа грешка у дизајну.

Контролни сигнали{0} мале брзине

Једноставна контрола, крајњи прекидачи, релеји и основни дигитални И/О су најлакши за пренос. И даље им је потребан адекватан квалитет контакта и исправне вредности напона и струје, али добро подносе буку.

Аналогни сензорски сигнали

Аналогни излази сензора температуре, притиска или напрезања су осетљиви на шум и пад напона, а што је нижи ниво сигнала, то више заштите, уземљења и рутирања одлучује да ли је очитавање употребљиво.

Енкодер и сигнали повратне спреге

Сигнали енкодера затварају петљу у контроли кретања, тако да се погоршани квалитет показује као грешка у позицији, нестабилно кретање или неочекивани прекид рада. Изаберите клизни прстен око типа енкодера, формата сигнала, брзине и дужине кабла, а не само броја канала. За ротирајуће руке и крајње ефекторе, асигнални клизни прстен направљен за роботикувећ узима у обзир ове путеве повратних информација.

Етернет и индустријска комуникација

Етхернет заслужује више пажње него било који контролни сигнал. Путања мора да подржава потребну брзину преноса података и да сачува електричне карактеристике везе. Путања за брзи етернет од 100 Мбпс и гигабитна путања нису заменљиве: увртање пара, континуитет штита и интерна рута се заоштравају како брзина расте, тачка која је укорењена у правилима физичког-слојаИЕЕЕ 802.3 Етхернет стандарди. Индустријски протоколи-у реалном времену као што су ПРОФИНЕТ, ЕтхерНет/ИП и ЕтхерЦАТ, који

ЕтхерЦАТ Тецхнологи Гроупдефинише на врху стандардног Етхернет хардвера, требало би да иде путем пројектованом за тај протокол, а не генеричким конектором. У овоме живи дубљи третман

водич за Етхернет клизне прстенове.

Видео и високо{0}}сигнали

Видео, РФ и други високофреквентни сигнали{0}}могу да захтевају специјализован дизајн контаката, коаксијалне путање, контролисану импедансу или алтернативну технологију. Одлучите се за њих рано, јер њихово накнадно уградњу у готов дизајн ретко је чисто.

Како смањити сметње и заштитити сигнале унутар клизног прстена

Поуздан клизни прстен за напајање и сигнал обично се ослања на неколико од следећих метода које раде заједно.

1. Одвојите одељак за напајање и сигнал

Осетљиве комуникационе канале држите даље од високо-напонских и високострујних-кола тако што ћете им доделити сопствени хардвер: два физички одвојена језгра наслагана у једном кућишту, различите групе прстенова или наменске унутрашње зоне. Ово је једина најефикаснија мера када прстен носи Етернет, повратне информације од кодера или друге сигнале{3}}осетљиве на шум.

2. Користите преградне плоче и изолационе баријере

Не-разделник између секција напајања и сигнала додаје физичку баријеру и побољшава изолацију. Детаљи зависе од величине прстена, броја кола, напона и структуре, а тамо где су стаза пузања, класа изолације или диелектрична отпорност важни, баријеру треба специфицирати у односу на релевантни безбедносни размак, а не додавати на око. Разделне плоче саме по себи нису комплетно решење, али заслужују своје место унутар шире стратегије изолације.

3. Дајте комуникацијама сопствени запечаћени под-склоп у великим- дизајнима

У склоповима великих{0}}отвора и јаких{1}}струјних склопова, најјача изолација је изградња комуникационих канала као самосталног-модула, често мањег-клизног прстена са отвором, монтираног унутар главног кућишта и затвореног од околног енергетског дела. Путања података тада добија најширу могућу физичку удаљеност од великих енергетских проводника плус сопствено заштићено кућиште, заштићено од топлоте и остатака који се стварају на страни напајања. Ово одговара ротационим спојевима велике снаге{6} где би једно заједничко језгро приморало осетљиве етернет канале или канале кодера да буду непријатно близу јаке струје. Он додаје трошкове делова и монтаже у поређењу са преградном плочом, али у захтевним дизајнима често је оно што одваја маргиналну комуникацију од поуздане комуникације.

4. Користите оклопљени кабл и правилно завршите екран

Комуникационим круговима који се налазе у близини електричних инсталација потребан је оклопљени кабл. За Етернет и друге брзе{1}} сигнале се рачунају тип кабла, конектор, увртање пара, завршетак штита и уземљење. Штит се мора пронети кроз склоп и залепити и на ротирајућу и на стационарну страну, а не оставити да лебди на једном крају. Најчешћа грешка је навођење заштићеног кабла, а затим игнорисање начина на који се екран завршава; лоше завршени штит поништава остатак дизајна. Ово је срце делотворногоклоп за поуздан пренос сигнала.

5. Проведите ожичење напајања и сигнала на одвојеним путевима

Чак и унутар једног склопа, планирајте ожичење. Немојте спајати каблове за напајање и сигнале осим ако распоред није проверен за буку и безбедност. Тамо где простор дозвољава, проведите комуникационе жице кроз посебан унутрашњи канал, често централну цев, док струјни проводници прате другу руту. Циљ је доследно одвајање са стационарне на ротирајућу страну.

6. Користите наменски модул података када то захтева протокол

Не одговара сваки клизни прстен за велике{0}}брзине преноса података. Етернет, индустријски етернет, видео-видео високе{2}}или други високо{3}}сигнали могу да захтевају наменски модул података пројектован за тај протокол. Пре него што препоручи дизајн, произвођач треба да зна брзину преноса података, протокол, тип кабла и конектора и прихватљиву стопу грешке.

Клизни прстен за напајање и сигнал у односу на друге опције

Хибридни клизни прстен није увек решење. Прави избор зависи од захтева за подацима, нивоа снаге, простора, цене и циља поузданости. Користите доњу табелу као помоћ при доношењу одлука, а не као листу функција.

За већину индустријских машина које мешају умерену снагу са сензорима, контролом и комуникацијом, прилагођени хибридни клизни прстен даје најбољу равнотежу, али тек након што је мешавина сигнала мапирана и осетљиви канали заштићени. Када брзина преноса података или ЕМИ окружење гура бакар до своје границе, аротациони зглоб са оптичким влакнимаје поштенији избор, јер његова отпорност на буку долази од ношења светлости уместо струје.

Једноставан ток одлуке о дизајну

Када пројекат почне, прођите кроз захтеве овим редоследом. Прави тип производа обично постаје очигледан у последњем кораку.

• Корак 1: Дефинишите оптерећење снаге.Кругови, напон, струја, АЦ или ДЦ, и рад. Ово поставља величину прстена, попречни пресек-проводника, размак изолације и пораст топлоте.
• Корак 2: рангирање осетљивости сигнала.Одвојите робусну контролу од осетљивих аналогних, енкодерских и брзих{0}} података. Најосетљивији сигнал покреће унутрашњи распоред, а не најбројнији.
• Корак 3: Одредите брзину података и протокол.Брзи етернет и гигабит нису исти посао, а сабирница поља има своја електрична очекивања.
• Корак 4: Ускладите окружење и простор.ИП оцена, температура, вибрације, -величина отвора и излаз кабла.
• Корак 5: Одлучите се за стандардно, прилагођено или влакно.Тек сада се -размишљање између основног дела, прилагођеног хибрида и оптичке путање јасно решава.

Када је прстен за напајање и сигнал прави избор?

Стандардни клизни прстен је довољан када апликација има једноставна струјна кола, мале{0}}сигнале брзине, умерену брзину и чисто окружење. Прилагођени клизни прстен за напајање и сигнал је бољи избор када је неколико од ових тачних:

• Снага и комуникација морају бити интегрисани у један склоп
• Потребна је Етхернет или фиелдбус комуникација
• Простор је ограничен
• Апликација ради са великом струјом или високим напоном
• Окружење је сурово
• Потребни су посебни конектори, излази за каблове или пролазни{0}}отвор
• Квалитет сигнала је кључан за перформансе машине
• Машини је потребна дугорочна{0}}поузданост са минималним застојима

Обичај не значи непотребно сложен. Чешће је то најсигурнији начин да се клизни прстен угради на праву машину уместо да се машина гура око залиха производа.

Како одредити клизни прстен за напајање и сигнал

Што је потпунија спецификација, то је тачнији дизајн. „Потребна нам је струја и етернет“ није довољно да се цитира. Радите кроз четири области испод; свака ставка је тражена јер мења дизајн.

Електрични захтеви

• Број струјних кола и напон и струја за сваки
• АЦ или ДЦ, и континуирани или повремени рад
• Вршна струја где је релевантно
• Уземљење, изолација и све потребе за сертификацијом

Електрична кола дефинишу већи део величине прстена, дизајна проводника, размака изолације, пораста топлоте и сигурносне маргине.

Захтеви за сигнал и комуникацију

• Тип сигнала или протокол и брзина преноса података
• Тип кабла, тип конектора и број канала
• Захтеви за заштиту и максималну дужину кабла
• Прихватљива стопа грешке и да ли је сигнал аналогни, дигитални, диференцијални или високофреквентни

За Етернет или индустријски Етернет наведите тачан протокол и брзину преноса података. Прстен који управља сигналом мале{1}}брзине може бити погрешан за-брзину комуникацију.

Механички захтеви

• Преко{0}}ограничења величине отвора, спољног пречника и дужине
• Начин монтаже, брзина и правац ротације
• Непрекидна или повремена ротација
• Смер излаза кабла, локација конектора и околни простор

Механичка ограничења често одлучују да ли се стандардни модел уклапа или је потребна прилагођена конструкција. Када дизајн мора да прође осовине, жице или медије кроз центар, акроз-клизни прстен са отворомобично је почетна тачка.

Еколошки захтеви

• Употреба у затвореном или на отвореном, распон температуре и влажност
• Изложеност прашини, уљу или води и вибрацијама или ударима
• Корозивни услови и захтевана ИП оцена
• Приступ за одржавање и очекивани радни век

Животна средина покреће избор материјала, заптивање и ниво заштите. Захтевана ИП оцена посебно прати двоцифрени систем- дефинисан уИЕЦ 60529, где прва цифра покрива чврсте материје, а друга воду, тако да именовање циља као што је ИП54 или ИП65 говори произвођачу тачно какво заптивање конструкција мора да постигне.

Уобичајене грешке које треба избегавати

Третирање свих кола на исти начин

Снага, аналогна, повратна информација енкодера и Етхернет имају различите потребе. Груписање без мерења буке, заштите и дизајна контаката ствара проблеме поузданости које се могу избећи.

Коришћење стандардног клизног прстена за{0}}брзине преноса података

Основни прстен управља једноставним напајањем и сигналима мале{0}}брзине, али за комуникацију велике{1}}брзине је потребан дизајн усклађен са протоколом. Етернет, видео и прецизне повратне информације треба експлицитно назвати.

Игнорисање заштите и уземљења

Заштита функционише само када је правилно пројектована и завршена. Лоше уземљење производи буку чак и са оклопљеним каблом на месту.

Бирање само по броју кола

Број кола је неопходан, али није довољан. Напон, струја, брзина преноса података, изолација, брзина, величина, окружење и радни век деле одлуку.

Остављање прегледа дизајна прекасно

Клизни прстенови седе у механички препуним местима. Касно изабрано, можда неће остати простора за правилно ожичење, раздвајање, конекторе или приступ сервису. Рано укључите добављача клизних прстенова, посебно када напајање и комуникација деле један склоп.

Примери сценарија примене

Ротирајућа машина за паковање

Купола за паковање ће можда требати 24 ВДЦ напајање, сигнале сензора и Етхернет на ротирајућој глави. Компактни хибридни клизни прстен уклања увртање кабла и подржава континуирани рад, са брзином ротације, изложеношћу прању, усмеравањем каблова и стабилним Етхернетом као главним проблемима.

Роботски крај-о-алат за руке

Крајњем ефектору робота потребна је струја за алате, повратна информација сензора и веза са контролером, често у веома малој коверти. Прстен мора да остане компактан док и даље одваја сигнале од напајања, са тежином, вибрацијама и интеграцијом конектора у фокусу.

Камера или платформа за инспекцију

Ротирајућа платформа камере носи снагу, контролу и видео или податке. Квалитет сигнала је критичан јер нестабилни подаци оштећују снимање слике и резултате прегледа, тако да су високе{1}}перформансе, заштита и глатка ротација предњаче у дизајну.

Ветар или тешка{0}}ротирајућа опрема

Великим ротирајућим машинама је потребна већа снага, повратна информација о контроли, заптивање и дуг животни век. Прилагођени склоп обично је бољи од малог прстена залихе овде, са тренутном оценом, нивоом заштите, температурним опсегом, вибрацијама и могућностима одржавања који покрећу конструкцију.

Закључак

Клизни прстен за напајање и сигнал поједностављује дизајн машине преносећи електричну енергију, контролу и комуникацију у једном ротирајућем склопу. Исплата долази од инжењеринга: одвојено напајање и комуникација колико дизајн дозвољава, штит тамо где се рачуна, намерно рутирање и специфицирање у односу на стварни протокол, напон, струју, брзину и окружење.

Ако ваша машина мора да се стално ротира док носи напајање, етернет, сензоре или повратне информације од енкодера, припремите спецификацију на једној-страници која покрива напоне и струје, протокол и брзину података, брзину ротације и величину отвора, окружење и ИП оцену и режим појединачног квара који не можете толерисати. Рано га поделите са произвођачем клизних прстенова, а прави дизајн ће смањити кварове каблова, побољшати поузданост и олакшати интеграцију целог ротационог система.