Плъзгащи пръстени за захранване и сигнал: Избягвайте EMI ​​и загуба на сигнал

Плъзгащ пръстен за захранване и сигнал, наричан още хибриден плъзгащ пръстен или плъзгащ пръстен за захранване и данни, прехвърля електрическо захранване и комуникационни сигнали между неподвижна рамка и въртяща се част в един комплект. Той позволява на машината да се върти непрекъснато, без да усуква кабели, да ограничава движението или да разчита на сложно управление на кабелите.

Един контактен пръстен може да пренася както захранване, така и сигнали едновременно. По-трудният въпрос е дали ще продължи да работи така надеждно години наред. Захранващите вериги, особено тези с по-високо-напрежение или по-висок{3}}ток, генерират електрически шум. Комуникационни вериги като Ethernet, обратна връзка на енкодера, CAN шина и RS485 зависят от екраниране, контролирано маршрутизиране и физическо разделяне вътре в пръстена. По време на истински преглед на дизайна, първият въпрос рядко е "колко вериги?" Това е "колко чувствителен е всеки сигнал и какво се намира до него?"

Това ръководство обяснява как да комбинирате захранване и комуникация в един контактен пръстен, кои детайли на дизайна всъщност имат значение, какво има тенденция да се обърка и точно каква информация да подготвите, преди да поискате персонализиран монтаж.

Може ли един плъзгащ се пръстен да носи едновременно мощност и сигнали?

да Един контактен пръстен може да бъде конструиран да пренася мощност, контролни сигнали и комуникационни данни заедно. В зависимост от приложението и комбинацията от вериги, един и същи продукт се описва като плъзгащ пръстен за захранване и сигнал, плъзгащ пръстен за захранване и данни, хибриден плъзгащ пръстен или плъзгащ пръстен за захранване и комуникация.

Хибридният плъзгащ пръстен може да комбинира всяко от следните в едно тяло:

• Захранващи вериги за двигатели, нагреватели, осветление, инструменти или въртящо се оборудване
• Вериги за управление на ниско{0}}напрежение
• Цифрови или аналогови сензорни сигнали
• Обратна връзка от енкодера или резолвера
• Ethernet или индустриална полева комуникация
• Видео, RF или високо{0}}честотни канали в специализиран дизайн

Важното е, че тези вериги не трябва просто да бъдат опаковани заедно. Надеждният дизайн трябва да прецени текущото натоварване, нивото на напрежението, чувствителността на сигнала, екранирането на кабела, вътрешното оформление, скоростта на въртене, излагането на околната среда и очаквания експлоатационен живот. Вземете ги правилно и един комплект може да замени плетеница от отделни въртящи се конектори.

Какво представлява плъзгащият пръстен за захранване и сигнал?

Плъзгащият пръстен за захранване и сигнал е електромеханичен въртящ се съединител, който предава електрическа енергия и информация през въртящ се интерфейс. Едната страна на машината е фиксирана, а другата се върти; без контактен пръстен, проводниците между тях ще се усукат, уморят и в крайна сметка ще се счупят. Плъзгащият пръстен поддържа непрекъснат електрически път през проводими пръстени и четки, така че веригата остава непокътната, докато машината се върти. Когато стандартните каталожни размери не съответстват на микса на веригата, aплъзгащ се пръстен по поръчкае изграден около действителната машина, вместо обратното.

Силови вериги

Силовите вериги пренасят енергията, която управлява оборудването от въртящата се страна. Те са определени по напрежение, ток, брой вериги, работно натоварване и граница на безопасност. Типични примери са мощност на двигателя, 24 VDC управляваща мощност, мощност на нагревателя, осветление, мощност на инструмента и серво или задвижващи вериги. По-високият ток и по-високото напрежение изискват по-големи проводници, по-широко разстояние между изолациите, по-добро термично управление и по-консервативни граници на безопасност.

Сигнални и комуникационни вериги

Сигналните вериги носят информация, а не масово захранване: управление на включване/изключване, аналогови изходи на сензори, обратна връзка на енкодера, серийни връзки, данни по полева шина и Ethernet. Често срещаните типове включват Ethernet, CAN шина, RS485/RS422, PROFIBUS, PROFINET, EtherCAT, Modbus, обратна връзка с енкодер, термодвойки и температурни сигнали, сензори за граници и близост и камери или видео сигнали в специализирани системи. Тези вериги са много по-чувствителни към електрически шум, промени в контактното-съпротивление, несъответствие на импеданса и лошо екраниране, отколкото обикновената захранваща линия.

Защо комбинирането на мощност и комуникация се нуждае от внимателно проектиране

Предизвикателството не е дали силата и сигналите могат физически да споделят едно тяло. Те могат. Предизвикателството е комуникацията да се поддържа чиста, докато веригите с висок{2}}ток се превключват на няколко милиметра.

Електромагнитни смущения

Силовите-вериги с висок ток и превключване излъчват електромагнитен шум, а промишлените среди с-задвижвания с променлива честота, серво мотори и честото превключване на тежки индуктивни товари са точно условията, които международнистандарти за електромагнитна съвместимостопределят като тежки. Ако този шум се свърже с комуникационна линия вътре в контактния пръстен, симптомите са конкретни: изпуснати Ethernet пакети, грешно преброени краища на енкодера, отклонение на аналоговите показания и периодични грешки, които са обезумяващи за проследяване. Рискът нараства със скоростта на превключване, тока и дължината на кабела.

Слушане между веригите

Взаимосмущаването е енергия от една верига, свързваща се с друга чрез тясно вътрешно насочване, неекранирани проводници или пръстени, групирани без достатъчно разделение. Ниско{1}}аналоговите сигнали и високо-скоростните данни са първите, които страдат, докато здравите сухи{3}}контактни контролни вериги го пренебрегват. Картографирането кои канали могат да понасят шум и кои не е първата стъпкапредотвратяване на пресичане между каналите.

Контактен шум и цялост на сигнала

Плъзгащ пръстен предава чрез движещи се контакти. В добре-изграден продукт този интерфейс е стабилен, но контактният материал, дизайнът на четката, скоростта, вибрациите, повърхностното покритие и замърсяването определят дългосрочното-поведение. За високо{4}}скоростни данни това е от най-голямо значение: гигабитовият път се нуждае от контролиран импеданс, минимално отражение и ниска загуба на вмъкване. Тези изисквания са реални за Ethernet, коаксиално видео и RF и до голяма степен не са от значение за 24 V краен превключвател, поради което двете не трябва да се определят по същия начин.

Пространски ограничения

Повечето купувачи искат един компактен модул, който да носи всичко: захранване, Ethernet, сензори, понякога въздух или течност, плюс функциите за монтаж. Мястото е малко в роботиката, опаковъчните машини, камерните системи и въртящите се платформи. Компактният дизайн е постижим, но по-малкият не означава автоматично по-добър. Ако свиването на корпуса жертва разделянето, изолацията, екранирането или възможността за обслужване, то разменя печалбата от опаковката за загуба на надеждност.

Инженерна бележка: съдете за хибриден контактен пръстен по най-слабия му сигнал, а не по броя на веригата. Една двойка неекранирани енкодери, насочена до верига на превключващ двигател, може да причини повече прекъсване, отколкото десет допълнителни захранващи пръстена.

Типични конфигурации на хибридни хлъзгащи пръстени

Принципите се прилагат по-лесно срещу конкретни примери. Комбинациите по-долу са представителни за често срещани заявки, а не за единичен фиксиран каталог, и показват как смесването на сигнала, а не броят на заглавните вериги, управлява дизайна:

• Опаковъчна кула:24 VDC управление + 2 x 10 A мощност на двигателя + приблизително 8 ниско-скоростни цифрови I/O + 1 x 100 Mbps Ethernet. Ethernet пътят определя вътрешната стратегия за разделяне, въпреки че захранващите и I/O вериги го превъзхождат.
• Серво{0}}въртяща се маса:мощност на двигателя + обратна връзка на диференциалния енкодер (A/B/Z). Целостта на енкодера определя точността на машината, така че двойките за обратна връзка получават най-чистия и най-екраниран път в пръстена.
• Инструментална платформа:24 VDC + RS485 (Modbus) + няколко аналогови сензорни канала. Тук аналоговите линии и диференциалната серийна шина са чувствителните елементи и дисциплината на заземяването има повече значение от необработения размер.

Какви сигнали може да носи хибриден плъзгащ се пръстен?

Много типове сигнали могат да бъдат интегрирани със захранване, но всеки носи различни изисквания и третирането им като взаимозаменяеми е най-честата грешка при проектирането.

Контролни сигнали-за ниска скорост

Простото управление, крайните превключватели, релетата и основните цифрови I/O са най-лесните за предаване. Те все още се нуждаят от подходящо качество на контакта и правилно напрежение и ток, но понасят добре шума.

Аналогови сензорни сигнали

Аналоговите изходи от сензори за температура, налягане или напрежение са чувствителни към шум и спад на напрежението и колкото по-ниско е нивото на сигнала, толкова повече екраниране, заземяване и маршрутизиране решават дали отчитането е използваемо.

Енкодер и сигнали за обратна връзка

Сигналите на енкодера затварят цикъла в управлението на движението, така че влошеното качество се показва като грешка в позицията, нестабилно движение или неочакван престой. Изберете плъзгащия пръстен около типа енкодер, формата на сигнала, скоростта и дължината на кабела, а не само броя на каналите. За въртящи се рамена и крайни изпълнители, aсигнален плъзгащ пръстен, създаден за роботикатавече отчита тези пътища за обратна връзка.

Ethernet и индустриална комуникация

Ethernet заслужава повече внимание от всеки контролен сигнал. Пътят трябва да поддържа необходимата скорост на данни и да запазва електрическите характеристики на връзката. 100 Mbps бърз Ethernet път и гигабитов път не са взаимозаменяеми: усукване на двойки, непрекъснатост на екрана и вътрешният маршрут се стягат с нарастване на скоростта, точка, вкоренена в правилата на физическия -слой наIEEE 802.3 Ethernet стандарти. Индустриални-протоколи в реално време като PROFINET, EtherNet/IP и EtherCAT, които

Технологична група EtherCATдефинира върху стандартен Ethernet хардуер, трябва да се движи по път, проектиран за този протокол, а не към общ конектор. В това живее по-дълбоко лечение

ръководство за Ethernet контактни пръстени.

Видео и високо{0}}честотни сигнали

Видео, RF и други високо{0}}честотни сигнали може да изискват специализиран контактен дизайн, коаксиални пътища, контролиран импеданс или алтернативна технология като цяло. Решете ги рано, защото преоборудването им в завършен дизайн рядко е чисто.

Как да намалим смущенията и да защитим сигналите вътре в контактния пръстен

Надеждният контактен пръстен за захранване и сигнал обикновено разчита на няколко от следните методи, работещи заедно.

1. Разделете захранващата и сигналната секции

Пазете чувствителните комуникационни канали далеч от вериги за високо-напрежение и висок{1}}ток, като им присвоите собствен хардуер: две физически отделни ядра, подредени в един корпус, отделни пръстенови групи или специални вътрешни зони. Това е единствената най-ефективна мярка, когато пръстенът носи Ethernet, обратна връзка от енкодера или други чувствителни към шум-сигнали.

2. Използвайте разделителни плочи и изолационни бариери

Не{0}}проводимият разделител между захранващата и сигналната секции добавя физическа бариера и подобрява изолацията. Подробностите зависят от размера на пръстена, броя на веригата, напрежението и структурата и когато разстоянието на пълзене, класът на изолация или издръжливостта на диелектрика са от значение, бариерата трябва да бъде определена спрямо съответното безопасно разстояние, вместо да се добавя на око. Разделителните плочи не са цялостно решение сами по себе си, но те печелят своето място в една по-широка стратегия за изолация.

3. Осигурете на комуникациите техен собствен запечатан под-възел в конструкции с големи-отвори

При възли с голям-диаметър и висок{1}}ток най-силната изолация е да се изградят комуникационните канали като самостоятелен-модул, често по-малък -плъзгащ пръстен с отвор, монтиран вътре в основния корпус и изолиран от околната захранваща секция. След това пътят на данните получава възможно най-голямото физическо разстояние от масовите захранващи проводници плюс собствен защитен корпус, държан далеч от топлината и отломките, генерирани от страната на захранването. Това е подходящо за високо{6}}мощни въртящи се съединения, където едно споделено ядро ​​би принудило чувствителните Ethernet или енкодерни канали да се намират неудобно близо до силен ток. Той добавя части и разходи за сглобяване в сравнение с разделителната плоча, но при взискателни проекти често е това, което разделя маргиналната комуникация от надеждната комуникация.

4. Използвайте екраниран кабел и завършете правилно екрана

Комуникационните вериги, насочени близо до захранващи кабели, се нуждаят от екраниран кабел. За Ethernet и други високо{1}}скоростни сигнали, типът на кабела, съединителят, усукването на двойката, завършването на екрана и заземяването са от значение. Щитът трябва да бъде пренесен през модула и залепен както от въртящата се, така и от неподвижната страна, вместо да бъде оставен да плава в единия край. Най-честата грешка е да се посочи екраниран кабел и след това да се игнорира как е завършен екранът; лошо завършен щит отменя останалата част от дизайна. Това е сърцето на ефективнотоекраниране за надеждно предаване на сигнала.

5. Прокарайте захранващите и сигналните кабели по отделни пътища

Дори вътре в един монтаж, планирайте окабеляването. Не свързвайте захранващи и сигнални проводници, освен ако оформлението не е проверено за шум и безопасност. Където пространството позволява, прекарайте комуникационното окабеляване през отделен вътрешен канал, често централна тръба, докато захранващите проводници следват друг маршрут. Целта е последователно отделяне от неподвижната към въртящата се страна.

6. Използвайте специален модул за данни, когато протоколът го изисква

Не всеки контактен пръстен е подходящ-за високоскоростни данни. Ethernet, индустриален Ethernet, видео с висока-резолюция или други високо{3}}честотни сигнали може да изискват специален модул за данни, проектиран за този протокол. Преди да препоръча дизайн, производителят трябва да знае скоростта на предаване на данни, протокола, типа на кабела и конектора и приемливия процент грешки.

Плъзгащ пръстен за захранване и сигнал срещу други опции

Хибридният контактен пръстен не винаги е отговорът. Правилният избор зависи от изискването за данни, ниво на мощност, пространство, цена и цел за надеждност. Използвайте таблицата по-долу като помощ при вземане на решения, а не като списък с функции.

За повечето промишлени машини, които смесват умерена мощност със сензори, управление и комуникация, персонализираният хибриден контактен пръстен дава най-добрия баланс, но само след като смесването на сигнала е картографирано и чувствителните канали са защитени. Когато скоростта на предаване на данни или EMI среда тласка медта до своя предел, aвъртяща се връзка с оптични влакнае по-честният избор, тъй като неговата устойчивост на шум идва от пренасяне на светлина вместо ток.

Прост процес на вземане на решение за проектиране

Когато стартира проект, работете с изискванията в този ред. Правилният тип продукт обикновено става очевиден на последната стъпка.

• Стъпка 1: Определете натоварването на мощността.Вериги, напрежение, ток, AC или DC и режим. Това задава размера на пръстена, напречното-сечение на проводника, изолационното разстояние и повишаването на топлината.
• Стъпка 2: Ранг на чувствителността на сигнала.Отделете здравото управление от чувствителни аналогови, енкодерни и високо{0}}скоростни данни. Най-чувствителният сигнал управлява вътрешното оформление, а не най-многобройният.
• Стъпка 3: Определете скоростта на данни и протокола.Бързият Ethernet и Gigabit не са една и съща работа и полевата шина има свои собствени електрически очаквания.
• Стъпка 4: Съчетайте средата и пространството.IP рейтинг, температура, вибрации,-размер на отвора и изход на кабела.
• Стъпка 5: Изберете стандартен, персонализиран или оптичен.Едва сега компромисът-между стандартна част, персонализиран хибрид и оптичен път се решава ясно.

Кога плъзгащият пръстен за захранване и сигнал е правилният избор?

Стандартен контактен пръстен е достатъчен, когато приложението има прости захранващи вериги, сигнали с ниска-скорост, умерена скорост и чиста среда. Персонализиран пръстен за захранване и сигнал е по-добрият избор, когато няколко от тях са верни:

• Захранването и комуникацията трябва да бъдат интегрирани в един модул
• Необходима е Ethernet или полева комуникация
• Мястото е ограничено
• Приложението работи с висок ток или високо напрежение
• Средата е сурова
• Необходими са специални конектори, кабелни изходи или проходен{0}}отвор
• Качеството на сигнала е от решаващо значение за работата на машината
• Машината се нуждае от-дългосрочна надеждност с минимално време на престой

Персонализирано не означава ненужно сложно. По-често това е най-безопасният начин да монтирате плъзгащия пръстен към истинската машина, вместо да принуждавате машината да работи със стоков продукт.

Как да определите пръстен за захранване и сигнал

Колкото по-пълна е спецификацията, толкова по-точен е дизайнът. „Имаме нужда от захранване и Ethernet“ не е достатъчно, за да се цитира срещу. Работете през четирите области по-долу; всеки елемент е поискан, защото променя дизайна.

Електрически изисквания

• Брой силови вериги и напрежение и ток за всяка
• Променлив или постоянен ток и непрекъснат или периодичен режим
• Пиков ток, където е приложимо
• Заземяване, изолация и всякакви нужди от сертифициране

Силовите вериги определят голяма част от размера на пръстена, дизайна на проводника, изолационното разстояние, повишаването на топлината и границата на безопасност.

Изисквания за сигнал и комуникация

• Тип сигнал или протокол и скорост на предаване на данни
• Тип кабел, тип конектор и брой канали
• Изисквания за екраниране и максимална дължина на кабела
• Допустим процент грешки и дали сигналът е аналогов, цифров, диференциален или високочестотен

За Ethernet или индустриален Ethernet, посочете точния протокол и скорост на данни. Пръстен, който обработва сигнал с ниска-скорост, може да не е подходящ за високо{2}}комуникация.

Механични изисквания

• Чрез-ограничения за размер на отвора, външен диаметър и дължина
• Метод на монтаж, скорост и посока на въртене
• Непрекъснато или периодично въртене
• Посоката на изхода на кабела, местоположението на конектора и околното пространство

Механичните ограничения често решават дали стандартният модел пасва или е необходима персонализирана компилация. Когато конструкцията трябва да прекара валове, кабели или среда през центъра, aчрез -плъзгащ пръстен на отвораобикновено е началната точка.

Екологични изисквания

• Използване на закрито или на открито, температурен диапазон и влажност
• Излагане на прах, масло или вода и вибрации или удар
• Корозивни условия и необходим IP рейтинг
• Достъп за поддръжка и очакван експлоатационен живот

Околната среда определя избора на материал, уплътнението и нивото на защита. Необходимият IP рейтинг по-специално следва дву-цифрената система, дефинирана вIEC 60529, където първата цифра обхваща твърди вещества, а втората покрива вода, така че назоваването на цел като IP54 или IP65 казва на производителя какво точно уплътняване трябва да постигне конструкцията.

Често срещани грешки, които трябва да избягвате

Третиране на всички вериги еднакво

Захранването, аналоговата връзка, обратната връзка на енкодера и Ethernet имат различни нужди. Групирането им без претегляне на шума, екранирането и дизайна на контактите създава проблеми с надеждността, които могат да бъдат избегнати.

Използване на стандартен контактен пръстен за високо{0}}скоростни данни

Основният пръстен обработва просто захранване и ниско{0}}скоростни сигнали, но високо-скоростната комуникация се нуждае от дизайн, съответстващ на протокола. Ethernet, видео и прецизна обратна връзка трябва да се извикат изрично.

Пренебрегване на екраниране и заземяване

Екранирането работи само когато е проектирано и завършено правилно. Лошото заземяване създава шум дори при поставен екраниран кабел.

Избор само по броя на веригата

Броят на вериги е необходим, но не достатъчен. Напрежението, токът, скоростта на предаване на данни, изолацията, скоростта, размерът, околната среда и експлоатационният живот споделят решението.

Твърде късно напускане на прегледа на дизайна

Плъзгащите пръстени се намират в механично претъпкани зони. Избрано късно, може да няма място за правилно окабеляване, разделяне, конектори или достъп до услугите. Включете доставчика на контактни пръстени отрано, особено когато захранването и комуникацията споделят един модул.

Примерни сценарии за приложение

Въртяща се опаковъчна машина

Кулата за опаковане може да се нуждае от 24 VDC захранване, сигнали от сензори и Ethernet на въртяща се глава. Компактният хибриден плъзгащ се пръстен премахва усукването на кабела и поддържа непрекъсната работа, като основната грижа е скоростта на въртене, излагането на измиване, насочването на кабела и стабилния Ethernet.

Роботизиран край-на-инструменти за ръка

Крайният ефектор на робота се нуждае от захранване за инструменти, обратна връзка от сензора и обратна връзка към контролера, често в много малка обвивка. Пръстенът трябва да остане компактен, като същевременно разделя сигналите от захранването, с тегло, вибрации и интегриране на конектора на фокус.

Камера или платформа за проверка

Платформа с въртяща се камера носи мощност, контрол и видео или данни. Качеството на сигнала е от решаващо значение, тъй като нестабилните данни развалят заснемането на изображението и резултатите от проверката, така че високата{1}}честота, екранирането и плавното въртене са водещи при дизайна.

Вятърно или тежко{0}}въртящо се оборудване

Големите въртящи се машини се нуждаят от по-висока мощност, контролна обратна връзка, запечатване и дълъг живот. Персонализираното сглобяване обикновено побеждава малък стоков пръстен тук, с ток, ниво на защита, температурен диапазон, вибрации и поддръжка, водещи до изграждането.

Заключение

Плъзгащият пръстен за захранване и сигнал опростява дизайна на машината, като пренася електрическо захранване, управление и комуникация в един въртящ се модул. Печалбата идва от инженерството: отделете захранването и комуникацията, доколкото дизайнът позволява, екранирайте там, където е важно, маршрутизирайте съзнателно и уточнете спрямо действителния протокол, напрежение, ток, скорост и среда.

Ако вашата машина трябва да се върти непрекъснато, докато носи захранване, Ethernet, сензори или обратна връзка от енкодера, подгответе спецификация от една-страница, обхващаща напрежения и токове, протокол и скорост на данни, скорост на въртене и размер на отвора, среда и IP рейтинг, както и режима на единична повреда, който не можете да толерирате. Споделете го с производител на плъзгащи пръстени по-рано и правилният дизайн ще намали отказите на кабела, ще подобри надеждността и ще направи цялата въртяща се система по-лесна за интегриране.