Czujnik położenia pierścienia ślizgowego: jaki typ wybrać?

Czujnik położenia pierścienia ślizgowego to obrotowy zespół elektryczny, który przenosi moc i sygnały poprzez ciągły obrót o 360 stopni, jednocześnie zgłaszając położenie kątowe konstrukcji obrotowej do systemu sterowania. W większości maszyn wirujących utrzymanie połączenia obwodów to tylko połowa wymagań. Sterownik musi także wiedzieć, gdzie znajduje się wysięgnik, stół lub wieża, czy osiągnął pozycję wyjściową i czy zbliża się do określonego limitu.

Ta połączona funkcja sprawia, że ​​czujnik położenia pierścienia ślizgowego jest podstawowym elementem żurawi, platform obrotowych, obrotowych stołów indeksujących, sprzętu mobilnego, linii pakujących i innych systemów obrotowych. W zależności od wymagań dotyczących precyzji i integracji elementem sprzężenia zwrotnego może być układ krzywki-i-przełącznika, potencjometr obrotowy lub zintegrowany enkoder, w tym wersje inkrementalne, absolutne, CANopen lub SAE J1939.

W tym przewodniku wyjaśniono, jak działają czujniki położenia pierścienia ślizgowego, gdzie pasuje każdy typ, jak wybrać czujnik dla swojego sprzętu i co przygotować przed złożeniem zamówienia na niestandardową wycenę.

Co to jest czujnik położenia pierścienia ślizgowego?

A standardowy pierścień ślizgowyprzenosi energię elektryczną, sygnały sterujące lub dane pomiędzy nieruchomą ramą a częścią obrotową, zapobiegając skręcaniu się kabli podczas ciągłego obrotu. Czujnik położenia pierścienia ślizgowego idzie o krok dalej: integruje sprzężenie zwrotne kątowe w tym samym zespole obrotowym.

Połączona jednostka zapewnia systemowi sterowania trzy rzeczy jednocześnie:

• Ciągłe połączenie elektryczne poprzez obrotowy interfejs
• Dane pozycji kątowej w odniesieniu do osi obrotu
• Pojedynczy mechaniczny ślad, który oszczędza miejsce w środku obrotu

W praktyce pierścień ślizgowy obsługuje obwody, podczas gdy zintegrowany czujnik zgłasza impuls początkowy, sygnał graniczny, kąt analogowy lub cyfrową pozycję absolutną, w zależności od konstrukcji.

Pierścień ślizgowy a czujnik położenia pierścienia ślizgowego: jaka jest różnica?

Zwykły pierścień ślizgowy przenosi tylko obwody. Może przesyłać zasilanie prądem zmiennym lub stałym, przewody sterujące niskiego-napięcia, sygnały analogowe, Ethernet, magistralę CAN lub mieszane linie- i-sygnałowe. Nie ma świadomości położenia kątowego.

Czujnik położenia pierścienia ślizgowego łączy tę samą przekładnię elektryczną z elementem sprzężenia zwrotnego, dzięki czemu obracająca się strona maszyny zgłasza swój kąt sterownikowi. Ma to znaczenie, gdy niekontrolowany obrót może spowodować błędy procesu, ryzyko kolizji lub uszkodzenie sprzętu. Żuraw musi znać kąt obrotu wysięgnika. Stół indeksujący musi zatrzymać się na precyzyjnej stacji. Platforma mobilna musi zwolnić, zanim dotrze do strefy zamkniętej. Żadnego z tych zadań nie da się rozwiązać za pomocą zwykłego pierścienia ślizgowego.

Kiedy potrzebujesz informacji zwrotnej o pozycji w obrocie o 360 stopni?

Sygnał zwrotny dotyczący położenia jest uzasadniony, gdy maszyna potrzebuje czegoś więcej niż tylko ciągłego podłączenia elektrycznego. Trzy scenariusze obejmują większość zastosowań.

Definiowanie bezpiecznych stref pracy

W żurawiach, platformach powietrznych i maszynach mobilnych sprzężenie zwrotne dotyczące położenia wspiera funkcje systemu-sterowania, które ostrzegają operatora, zmniejszają prędkość lub zatrzymują obroty, gdy maszyna zbliża się do obszaru o ograniczonym dostępie, takiego jak budynek, linia energetyczna lub-granica antykolizyjna. Sygnał zwrotny położenia obsługuje te funkcje sterujące, ale nie zastępuje kompletnego systemu bezpieczeństwa maszyny. Zatrzymania-bezpieczeństwa, monitorowane wartości graniczne i funkcje awaryjne muszą być zaprojektowane zgodnie z obowiązującymi normami bezpieczeństwa maszyn.

Powtarzalna kontrola procesu

Stoły indeksujące, maszyny pakujące, stacje napełniania i linie nawijające często muszą zatrzymywać się pod dokładnym kątem lub uruchamiać działanie w określonym punkcie obrotu. Prosty przełącznik domowy obsługuje jedną pozycję. Enkoder inkrementalny lub absolutny jest wymagany, gdy w grę wchodzi wiele stacji, programowalne wartości zadane lub zsynchronizowany ruch.

Informacje zwrotne dla operatora i HMI

Dane o pozycji są także wykorzystywane na wyświetlaczach operatora. Pokazywanie rzeczywistego kąta wysięgnika, pozycji stołu lub kursu wieży ogranicza domysły, skraca czas cyklu i pomaga operatorowi uniknąć błędów proceduralnych podczas długich zmian.

Jak działa czujnik położenia pierścienia ślizgowego

Zespół spełnia dwie funkcje na tym samym obrotowym interfejsie.

Pierwszym z nich jest transfer elektryczny. Szczotki, pierścienie kontaktowe lub ścieżki światłowodowe przenoszą prąd i sygnały pomiędzy stojanem a wirnikiem. Mieszanka kanałów zależy od zastosowania i może obejmować wysoko-moc prądową, logikę niskiego-napięcia, analogowe linie czujników, pary Ethernet lub magistralę CAN. Właściwyprojektowanie i izolacja kanałówsą krytyczne przy mieszaniu obwodów mocy i czułych obwodów sygnałowych w jednej obudowie.

Drugą funkcją jest wykrywanie kąta. Element sprzężenia zwrotnego jest mechanicznie odniesiony do osi obrotu, zatem jego sygnał wyjściowy reprezentuje rzeczywisty kąt obracającej się konstrukcji. Zasada wykrywania określa typ wyjścia:

• Płytka krzywkowa uruchamia jeden lub więcej przełączników pod stałym kątem, wytwarzając sygnały włączenia/wyłączenia
• Potencjometr zmienia rezystancję lub napięcie proporcjonalnie do kąta wału, wytwarzając sygnał analogowy, taki jak 0–10 V, 4–20 mA lub rezystancję proporcjonalną
• Enkoder przetwarza obrót na impulsy cyfrowe (przyrostowe) lub zakodowaną wartość kątową (absolutną) i może wysyłać dane wyjściowe przez RS-485, CANopen, SAE J1939 lub inne protokoły przemysłowe

Główne typy czujników położenia pierścienia ślizgowego

Płyta krzywkowa i sprzężenie zwrotne przełącznika

Najprostsza konstrukcja wykorzystuje ukształtowaną krzywkę, która obraca się wraz z zespołem i uruchamia jeden lub więcej przełączników mechanicznych lub zbliżeniowych pod określonym kątem. Sygnał wyjściowy to dyskretny sygnał włączenia/wyłączenia.

Wybierz tę opcję, gdy:

• Maszyna wymaga jedynie wykrycia położenia początkowego,-końca-podróży lub strefy
• Sterownik posiada wejścia cyfrowe i nie wymaga ciągłego podawania danych o kącie
• Budżet i prostota przewyższają rozdzielczość

Nie wybieraj tej opcji, jeśli sterownik potrzebuje danych kątowych w dowolnym miejscu poza punktami wyłączenia przełącznika lub gdy uruchomienie wymaga reprogramowalnych wartości zadanych. Po przecięciu krzywki kąt wyzwalania jest stały, chyba że krzywka zostanie ponownie obrobiona.

Informacje zwrotne na podstawie potencjometru-

Potencjometr obrotowy zapewnia ciągłe analogowe sprzężenie zwrotne w określonym zakresie kątowym. Sygnał wyjściowy to zazwyczaj sygnał napięcia, rezystancji lub pętli prądowej, który większość sterowników PLC i sterowników maszyn może odczytać bezpośrednio przez analogowy moduł wejściowy.

Sprzężenie zwrotne potencjometru pasuje do takich zastosowań, jak podstawowy wyświetlacz obrotu dźwigu, wskazanie kąta operatora, wyposażenie w stylu joysticka- oraz niedrogie-sprzężenie zwrotne kąta w suchych pomieszczeniach. Wiele projektów obejmuje ograniczony zakres (często mniejszy niż 360 stopni), dlatego przed określeniem należy sprawdzić użyteczny zakres kątowy.

Należy pamiętać o trzech-kompromisach. Styki wycieraczek zużywają się z biegiem czasu, zwłaszcza przy dużej liczbie cykli. Długie przebiegi analogowe w środowiskach z zakłóceniami elektrycznymi wymagają ekranowanego kabla i starannego uziemienia, aby utrzymać czysty odczyt. Aby odwzorować surowe dane wyjściowe na jednostki inżynieryjne, wymagana jest kalibracja. W przypadku urządzeń mobilnych na zewnątrz, narażonych na wibracje, wilgoć i zakłócenia elektromagnetyczne, enkoder jest zwykle trwalszym wyborem.

Koder-Na podstawie opinii

Koder przekształca obrót w dane cyfrowe. Jest to właściwy wybór, gdy sterownik potrzebuje powtarzalnych wartości kątowych, programowalnych limitów lub komunikacji sieciowej. Enkodery dzielą się na dwie główne rodziny:

• Enkodery przyrostoweimpulsy wyjściowe (indeks A, B i często Z), gdy wał się obraca. Dają względny ruch i wymagają wykonywania procedury domowej po każdym-zwiększeniu mocy, aby ustalić absolutne odniesienie. Dobry do wykrywania prędkości, synchronizacji ruchu i aplikacji, które uruchamiają się po uruchomieniu.
• Enkodery absolutnegeneruje unikalną wartość cyfrową dla każdej pozycji kątowej, zachowywaną podczas cykli zasilania. Wersje jedno-obrotowe obejmują zakres 0–360 stopni; Wersje wielo-obrotowe również liczą pełne obroty. Wybierz opcję bezwzględną, gdy sprzęt musi znać swoje położenie natychmiast po- włączeniu zasilania, co jest powszechne w przypadku żurawi, wysięgników teleskopowych i maszyn mobilnych do użytku na zewnątrz.

W przypadku urządzeń mobilnych i pojazdów-koder absolutny zCANopenLubSAE J1939wyjście integruje się w prosty sposób z istniejącą siecią pojazdów. CANopen jest bardziej powszechny w automatyce przemysłowej, podczas gdy J1939 dominuje w-ciężkim sprzęcie mobilnym, maszynach rolniczych i pojazdach budowlanych. Wybranie niewłaściwego protokołu nie tylko skomplikuje integrację; może to wymusić wymianę kontrolera.

Typowe zastosowania czujników położenia pierścienia ślizgowego

Dźwigi i sprzęt dźwigowy

Żurawie to jedne z zastosowań o największej-objętości, ponieważ obrotowa nadbudowa wymaga zarówno ciągłego przenoszenia mocy, jak i sprzężenia zwrotnego dotyczącego kąta obrotu. Pierścień ślizgowy ze zintegrowanym enkoderem absolutnym zwykle znajduje się pośrodku pierścienia obrotowego i ma tę samą oś pionową. Sygnał położenia zasila wskaźnik momentu obciążenia,-strefy antykolizyjne i interfejs HMI operatora. Dedykowanypierścień ślizgowy dźwigu ze sprzężeniem zwrotnym położeniazwykle łączy wysoko-obwody mocy, sterowanie niskim-napięciem i wyjście enkodera w jednej obudowie. Instalacja na zewnątrz, wibracje, wahania temperatury i kierunek wyjścia kabla mają wpływ na projekt.

Stoły obrotowe, komórki indeksujące i montażowe

Obrotowe platformy indeksujące wymagają dokładnych pozycji zatrzymania. Przełącznik krzywkowy może wystarczyć do uzyskania zgrubnego impulsu początkowego, ale enkoder absolutny jest praktycznym wyborem w przypadku stołów z wieloma-stanowiskami, gdzie sterownik musi potwierdzić aktywną sekcję przed uruchomieniem sekwencji prasowania, spawania lub wybierania-i umieszczania.Niezawodne działanie pierścieni ślizgowych w zautomatyzowanych liniach produkcyjnychzależy w równym stopniu od integralności sygnału, jak i od samego wyboru kodera.

Podnośniki ruchome, ładowarki teleskopowe i sprzęt budowlany

Wysięgniki, kosze i osprzęt montowany na wieży-w maszynach mobilnych zazwyczaj działają w oparciu o architekturę sterowania-opartą na magistrali CAN. Zintegrowany pierścień ślizgowy z enkoderem absolutnym J1939 w naturalny sposób pasuje do sieci pojazdu, umożliwia obliczenia bezpiecznego obszaru roboczego i raportuje orientację na wyświetlaczu operatora. Wielepierścienie ślizgowe do podnoszenia platform roboczychwłaśnie z tego powodu są stosowane w wieloobrotowych enkoderach absolutnych-.

Linie pakujące, nawijające i rozlewnicze

Synchronizacja z cyklami cięcia, napełniania, etykietowania lub owijania wymaga powtarzalnych odniesień kątowych. Enkodery przyrostowe działają dobrze, gdy linia zostaje zatrzymana przy uruchomieniu; Enkodery absolutne unikają procedury bazowania i szybciej odzyskują siły po zatrzymaniu.

Sprzęt do zastosowań morskich, offshore i zewnętrznych

Mgła solna, zmywanie, narażenie na promieniowanie UV i ciągłe wibracje powodują trudniejsze wybory projektowe: wyższy stopień ochrony IP, uszczelnione złącza, obudowy odporne na korozję-i technologia sprzężenia zwrotnego położenia niezależna od wycierania styków. PatrzNorma oceny IP IECprzy dopasowywaniu poziomu ochrony obudowy do rzeczywistego środowiska pracy.

Jak wybrać odpowiedni czujnik położenia pierścienia ślizgowego

1. Zdefiniuj, co musi wiedzieć administrator

Zacznij od logiki sterowania, a nie od katalogu czujników. Zapytaj: czy maszyna musi tylko wiedzieć, że dotarła do punktu wyjścia, czy też potrzebuje kąta w dowolnym miejscu obrotu? Czy musi znać pozycję natychmiast po-włączeniu zasilania? Czy funkcja obsługuje strefę bezpieczeństwa, czy tylko wyświetlacz operatora? Odpowiedź wskazuje na przełącznik, potencjometr, enkoder inkrementalny lub enkoder absolutny, zanim omówione zostaną jakiekolwiek inne parametry.

2. Dopasuj wyjście do sterownika

Element sprzężenia zwrotnego musi mówić w języku sterownika. Potwierdzać:

• Poziom napięcia i typ sygnału (wejście cyfrowe, wejście analogowe, licznik enkodera, port magistrali obiektowej)
• Protokół (CANopen, J1939, SSI, Modbus, EtherCAT) w wersji cyfrowej
• Rozdzielczość, w tym liczba bitów na obrót i liczba zwojów dla absolutnych wielo-obrótów
• Typ kabla, ekranowanie i maksymalna długość

3. Określ dokładność, rozdzielczość i powtarzalność

Dokładność to stopień, w jakim odczyt jest zbliżony do prawdziwego kąta. Rozdzielczość to najmniejszy przyrost, jaki może reprezentować sygnał wyjściowy. Powtarzalność oznacza, czy ten sam kąt fizyczny daje ten sam odczyt po wielu cyklach. W przypadku monitorowania obciążenia, zapobiegania-kolizjom i indeksowania powtarzalność ma większe znaczenie niż absolutna dokładność. W przypadku podstawowego wyświetlacza kątowego akceptowalna jest niższa rozdzielczość.

4. Potwierdź kopertę mechaniczną i montaż

Element sprzężenia zwrotnego zmienia powierzchnię montażową. Potwierdzać:

• Dostępna wysokość, średnica zewnętrzna i{0}}otwór przelotowy
• Rozmiar wału lub otworu- i koncentryczność względem osi obrotu
• Kierunek wyjścia kabla lub złącza (osiowy, promieniowy)
• Maksymalna prędkość obrotowa w obr./min
• Poziom wibracji i wstrząsów w miejscu montażu
• Dostęp serwisowy w celu kontroli i wymiany

Złe ustawienie względem osi obrotu jest częstą przyczyną przedwczesnego zużycia i zakłócania sygnałów, szczególnie w instalacjach modernizowanych.

5. Dopasuj środowisko operacyjne

Specyfikacje środowiskowe wpływają na wybór obudowy, uszczelnienia i materiału. Weź pod uwagę kurz, mgłę olejową, rozpryski płynu hydraulicznego, mgłę solną, ciśnienie spłukiwania, zakres temperatur otoczenia, kondensację, ekspozycję na promieniowanie UV i wibracje. Konstrukcja wewnętrzna IP54 nie przetrwa instalacji dźwigu na zewnątrz; środowisko morskie zwykle wymaga co najmniej stopnia ochrony IP66, uszczelnionych złączy i-odpornych na korozję elementów złącznych.

6. Plan konserwacji i okresu użytkowania

Pierścienie ślizgowe-szczotek i potencjometry-z wycieraczką charakteryzują się charakterystyką zużycia zależną od cykli i prądu. Enkodery bezdotykowe zazwyczaj wymagają jedynie okresowej kontroli. W przypadku maszyn, w których przestoje są kosztowne, preferuj konstrukcje umożliwiające szybką wymianę szczotek, dostępne złącza i przewidywalne okresy konserwacji.

Typowe błędy, których należy unikać

Wybór czujnika przed wymogiem kontroli

Wiele specyfikacji zaczyna się od stwierdzenia „potrzebujemy kodera”, zanim ktokolwiek potwierdzi, co administrator zrobi z danymi. Najpierw zdefiniuj funkcję sterowania; następuje typ czujnika.

Ignorowanie zgodności protokołu

Enkoder absolutny z niewłaściwym protokołem jest bezużyteczny do czasu wymiany enkodera lub sterownika. CANopen w sieci samochodowej J1939 wymaga bramki. Zawsze sprawdzaj protokół, szybkość transmisji, zakresy adresów i terminację.

Niedocenianie środowiska

Sprzęt mobilny do użytku na zewnątrz, żurawie morskie i maszyny do mycia żywności – wszystkie te elementy wymagają ochrony środowiska zaprojektowanej od samego początku. Dodanie uszczelek lub dodatkowej obudowy po fakcie rzadko odpowiada niezawodności prawidłowo uszczelnionego zespołu. Wybór pomiędzystandardowe i niestandardowe pierścienie ślizgoweczęsto sprowadza się do tego, czy wymagania środowiskowe przekraczają ocenę katalogową.

Traktowanie informacji zwrotnej o pozycji jako refleksja

Jeśli pierścień ślizgowy i czujnik położenia są kupowane oddzielnie i montowane później, często pogarszają się tolerancje montażowe, prowadzenie kabli i izolacja obwodów. Zintegrowana konstrukcja pozwala uniknąć problemów z ustawieniem współosiowym i skraca BOM.

Optymalizacja wyłącznie pod kątem ceny jednostkowej

Najtańsza metoda uzyskania informacji zwrotnej rzadko wiąże się z najniższym kosztem całkowitym. Potencjometr, który zużywa się co 18 miesięcy przy ciągłej pracy na zewnątrz, kosztuje więcej w przypadku przestojów i wymiany niż uszczelniony enkoder absolutny, którego parametry znamionowe obejmują cały okres eksploatacji sprzętu.

Kiedy potrzebny jest niestandardowy czujnik położenia pierścienia ślizgowego?

A niestandardowy pierścień ślizgowy ze zintegrowanym czujnikiem położeniajest zwykle uzasadnione, gdy ma zastosowanie jeden lub więcej z poniższych warunków:

• Przestrzeń montażowa jest ciasna i standardowy wymiar katalogowy nie zmieści się w środku obrotu
• W jednej obudowie potrzebne są obwody mieszane: wysoko-zasilanie prądowe, sterowanie niskim-napięciem, Ethernet i CAN w tym samym zespole
• System sterowania wymaga określonego protokołu (CANopen, J1939, EtherCAT) lub-niestandardowej rozdzielczości
• Środowisko pracy przekracza parametry katalogowe (wysoki stopień ochrony IP, mgła solna, klasa wibracji, ekstremalna temperatura)
• Interfejs mechaniczny jest-niestandardowy (specjalny kołnierz, rozmiar otworu, wał, złącze lub wyjście kabla)
• Sygnał zwrotny dotyczący położenia obsługuje funkcję bezpieczeństwa maszyny lub kontrolę-strefy z udokumentowanymi wymaganiami

Wniosek

Czujnik położenia pierścienia ślizgowego umożliwia sprzętowi obrotowemu wykonywanie dwóch zadań za pośrednictwem jednego obrotowego interfejsu: utrzymywanie połączenia obwodów i raportowanie, gdzie znajduje się obracająca się konstrukcja. Wybór odpowiedniego projektu rozpoczyna się od funkcji sterowania, a nie od typu czujnika.

Jeśli sterownik potrzebuje tylko sygnału wyjściowego lub granicznego, płytka krzywkowa i przełącznik są właściwym narzędziem. Jeśli potrzebny jest ciągły, ale niewymagający kąt dla wyświetlacza operatora, potencjometr może się sprawdzić. Jeśli potrzebne są powtarzalne,-gotowe do pracy w sieci,-włączone-dane kątowe, szczególnie w sprzęcie zewnętrznym lub mobilnym, praktycznym wyborem będzie enkoder absolutny, często poprzez CANopen lub J1939.

Przed sfinalizowaniem specyfikacji należy sprawdzić interfejs sterownika, mechaniczną obwiednię w środku obrotu i pełny profil środowiskowy. Gdy standardowe opcje katalogowe nie odpowiadają aplikacji, zintegrowany, niestandardowy montaż jest zwykle szybszy i bardziej niezawodny niż przykręcenie oddzielnego czujnika do istniejącego pierścienia ślizgowego. Następnym krokiem jest przejrzenie listy obwodów, interfejsu sterownika i rysunku montażowego z zespołem inżynierów zajmujących się pierścieniami ślizgowymi i przekształcenie wymagań w wykonalny projekt.