Pierścienie ślizgowe szczotki drucianej zapewniające czysty transfer sygnału

Pierścienie ślizgowe szczotek drucianych przenoszą moc, sygnały, a w wielu przypadkach dane poprzez stale obracający się interfejs. Wybiera się je, gdy system obrotowy wymaga stabilnego kontaktu w kompaktowej obudowie, bez pyłu węglowego generowanego przez tradycyjne konstrukcje szczotek węglowych. Nie są one jednak aktualizacją domyślną. W przypadku-przesyłania prądu o dużym obciążeniu, środowisk ściernych lub specjalistycznych linii RF często bardziej odpowiednia będzie inna konstrukcja styków.

Ten przewodnik został napisany z punktu widzenia inżynierii zastosowań pierścieni ślizgowych. Wyjaśnia, jak działa styk ze szczotką drucianą, gdzie zasługuje na swoje miejsce, jak wypada w porównaniu z pierścieniami ślizgowymi szczotek węglowych pod względem wymiarów, które kupujący faktycznie ważą, oraz jakich informacji potrzebuje dostawca przed wyceną. Na końcu znajduje się praktyczny przykład z realistycznymi parametrami, a także FAQ zawierające pytania, które pojawiają się najczęściej podczas selekcji.

Co to jest pierścień ślizgowy szczotki drucianej?

Pierścień ślizgowy szczotki drucianej to zespół elektromechaniczny, który utrzymuje połączenie elektryczne pomiędzy konstrukcją stacjonarną a elementem obrotowym. Funkcja jest wspólna dla wszystkichelektryczny pierścień ślizgowy; różnica polega na kontakcie.

Zamiast pojedynczego bloku węglowego dociskanego do każdego przewodzącego pierścienia, w konstrukcji szczotki drucianej zastosowano wiązkę drobnych, sprężystych drutów przewodzących. Każdy przewód jest własnym punktem styku, a kilka przewodów porusza się jednocześnie po tym samym pierścieniu. Ten wielo-punktowy styk jest źródłem większości właściwości elektrycznych i mechanicznych konstrukcji: niższych zmian rezystancji styków, niższych szumów elektrycznych na liniach sygnałowych oraz profilu zużycia, który nie powoduje przedostawania się przewodzącego pyłu węglowego do otaczającego mechanizmu.

Styk szczotki drucianej jest czasami nazywany w literaturze technicznej szczotką włóknistą lub stykiem szczotki wielo-włóknistej, zwłaszcza gdy w obwodach sygnału o niskim-poziomie używane są bardzo cienkie druty ze stopu-szlachetnych metali.

Jak faktycznie działa kontakt ze szczotką drucianą

Pierścień ślizgowy ma nieruchomą obudowę (stojan) i obracający się wał lub tuleję (wirnik). Pierścienie przewodzące znajdują się po stronie obrotowej. Bloki szczotek znajdują się po nieruchomej stronie, a każdy z nich trzyma wiązkę drutu, która dociska jeden pierścień. Gdy wirnik się obraca, prąd lub sygnał przepływa przez druty szczotek do pierścienia, a następnie z wirnika prowadzi do wszystkiego, co jest zamontowane na obracającym się sprzęcie.

Trzy szczegóły mają większe znaczenie, niż przyznaje większość katalogów:

• Liczba efektywnych kontaktów.Pojedynczy blok węglowy może mieć jedno główne miejsce styku. Wiązka przewodów może mieć od dziesięciu do kilkudziesięciu niezależnych mikrostyków-na tym samym pierścieniu. Jeśli kilka z nich zostanie na chwilę uniesionych w wyniku wibracji lub zanieczyszczenia, inne nadal przewodzą. To właśnie sprawia, że ​​styki szczotek drucianych są atrakcyjne dla czujników, koderów i linii cyfrowych niskiego-napięcia.
• Docisk stykowy na przewód.Każdy drut jest lekki. Całkowita normalna siła jest niska w porównaniu ze szczotką węglową, co zmniejsza moment tarcia i ciepło na powierzchni styku. Wadą jest to, że-żaden pojedynczy przewód nie może przepuszczać dużego prądu; obwody wysoko-prądowe są obsługiwane przez równoległe pierścienie lub szersze grupy szczotek.
• Parowanie materiałów.Druty szczotkowe to zwykle-stopy metali szlachetnych (na bazie srebra- lub złota-) stosowane w obwodach sygnałowych, podczas gdy na powierzchniach pierścieni zastosowano uzupełniające powłoki. Parowanie kontroluje stabilność rezystancji styku przez cały okres użytkowania i jest najważniejszym czynnikiem decydującym o tym, czy pierścień ślizgowy nadal spełnia wymagania specyfikacji po milionie obrotów.

Styk szczotki drucianej nadal się zużywa. Nie chodzi tu o „brak zużycia” czy „zużycie karbonowe” -. chodzi o drobne metaliczne zużycie pozostające wewnątrz obudowy w porównaniu z cząsteczkami węgla, które mogą przedostać się do otaczających mechanizmów.
 

Gdzie pierścienie ślizgowe szczotek drucianych zdobywają swoje miejsce

Konstrukcje szczotek drucianych są zwykle określane, gdy spełniony jest co najmniej jeden z poniższych warunków:

• System przesyła sygnały o niskim-napięciu, sprzężenie zwrotne z enkoderem lub linie danych, które nie tolerują poziomu szumów zużytej szczotki węglowej.
• Otaczające środowisko jest wrażliwe na cząstki stałe (systemy optyczne, obrazowanie medyczne, obsługa półprzewodników, pomieszczenia czyste).
• Przestrzeń pionowa lub promieniowa jest ciasna, a niewielka wysokość stosu ma większe znaczenie niż maksymalna obciążalność prądowa.
• Dostęp konserwacyjny jest słaby - urządzenie musi działać przez dziesiątki tysięcy godzin przed jakąkolwiek interwencją serwisową.
• Obwody mocy i obwody sygnałowe muszą mieć wspólną, kompaktową obudowę.

Konstrukcja jest słabo dopasowana, gdy dominującym wymaganiem są setki amperów na obwód, gdy środowisko jest silnie ścierne lub żrące chemicznie, lub gdy stosuje się specjalistyczne rozwiązanie, takie jakpierścień ślizgowy światłowodulub złącze obrotowe RF jest wymagane dla łącza danych.

Szczotka druciana a pierścienie ślizgowe szczotki węglowej

Obydwa style kontaktu działają. Pytanie brzmi, który z nich pasuje do ograniczeń elektrycznych, mechanicznych i serwisowych aplikacji. Tradycyjnypierścień ślizgowy szczotki węglowejpozostaje właściwą odpowiedzią w wielu-ciężkich zastosowaniach związanych z zasilaniem obrotowym; szczotka druciana wygrywa na innym terenie.

Uwaga inżynierska: gdy aplikacja łączy niewielką ilość wysoko-prądu z wieloma liniami sygnałowymi-niskiego napięcia, praktyczną decyzją jest zwykle szczotka druciana -, a rzadki obwód wysoko-prądowy jest obsługiwany przez równoległe pierścienie, a nie przez technologię styków przełączających.

Typowe zastosowania, w których szczegóły elektryczne mają znaczenie

Ogólne kategorie aplikacji można łatwo utworzyć na liście. Bardziej przydatne jest to, co następuje: typowy zestaw obwodów potrzebnych każdemu urządzeniu i to, co wpływa na specyfikację.

Automatyka Przemysłowa: Stoły indeksujące, Napełniacze obrotowe, Wieże etykietujące

Obrotowy stół indeksujący lub głowica etykietująca na linii pakującej zazwyczaj wymagają zasilania sterującego 24 V DC, kilku cyfrowych linii we/wy, jednego lub dwóch kanałów enkodera, a czasami połączenia magistrali polowej. Styk szczotki drucianej pasuje do strony sygnałowej; cykl pracy jest długi (wiele zmian dziennie), a okna konserwacyjne są krótkie. Kompaktpierścień ślizgowy z-otworemz zestawem styków ze szczotką drucianą jest powszechną konfiguracją, ponieważ centralny otwór umożliwia przejście wałów pneumatycznych lub mechanicznych.

Platformy kamer do monitoringu, EO/IR i-przechylania

Stale obracające się platformy kamer przesyłają prąd stały, linie napędowe silników, sygnały sterujące oraz łącze wideo lub Ethernet. W specyfikacji dominuje integralność sygnału: każdy szum stykowy objawia się artefaktami obrazu lub utratą pakietów. Rzadko podejmowana jest decyzja „jaki rodzaj pędzla” -, ale „jaka strategia ekranowania i separacja kanałów są wymagane”.

Robotyka, ROV, gimbale UAV i obrotowe efektory końcowe

Największe znaczenie mają tutaj kompaktowe konstrukcje o niskim-momencie obrotowym. Robotyczny nadgarstek, który nosi EOAT, nie może sobie pozwolić na ciężki pierścień ślizgowy. Decydującymi czynnikami są niski moment tarcia i mała średnica styku szczotki drucianejKanały sygnałowe USB lub Ethernetdla ładunku.

Urządzenia testowe i pomiarowe

Obrotowe uchwyty testowe, oprzyrządowane hamownie i stanowiska do testowania podzespołów samochodowych przenoszą sygnały analogowe-o niskim poziomie, wejścia termopar, a czasami-linie cyfrowe o dużej prędkości. Hałas kontaktowy jest wrogiem. Dopasowanie materiałów i ekranowanie pierścienia ślizgowego są ważniejsze niż sam kształt szczotki.

Radary dozorowania, anteny i obrotowe platformy komunikacyjne

Pozycjonery anten często łączą moc i sygnał w jednym przegubie obrotowym, czasami obok dedykowanego przegubu obrotowego RF dla ścieżki wysokich-częstotliwości. Styk szczotki drucianej dobrze radzi sobie z sygnałami o niższej-częstotliwości i zasilaniem prądem stałym.

Jak określić pierścień ślizgowy szczotki drucianej

Najszybszym sposobem uzyskania prawidłowej wyceny jest zdefiniowanie zastosowania w sześciu wymiarach przed skontaktowaniem się z producentem. Pominięcie któregokolwiek z nich jest najczęstszą przyczyną przeprojektowania po pierwszym prototypie.

1. Wypisz każdy obwód osobno

Nie podawaj dostawcy pojedynczego numeru, np. „10 obwodów”. Wyszczególniać:

• Funkcja obwodu (moc silnika, sterowanie, enkoder A/B/Z, para Ethernet, wideo itp.)
• Ciągły prąd znamionowy iprąd szczytowy/początkowy- liczba rozruchowa określa rozmiar styków na liniach silnika i elektromagnesu
• Napięcie, AC lub DC i wymagana izolacja
• Czy linia jest ekranowana i czy ekran musi obracać się wraz z kablem, czy też kończyć się na obudowie

Jeśli pomylimy prądy ciągłe i szczytowe, uzyskany projekt albo będzie się nagrzewał, albo będzie przekraczał-specyfikację, co będzie wiązało się z wyższymi kosztami niż to konieczne.

2. Dokładnie zdefiniuj typy sygnałów i danych

„Musi przenosić sygnały” nie jest specyfikacją. Określ protokół, prędkość i standard elektryczny dla każdej linii. Typowe przypadki obejmują analogowe wyjścia czujników 0–10 V lub 4–20 mA, magistralę RS-485 lub CAN, Profinet, EtherCAT, 100Base-TX, 1000Base-T, wideo (HD-SDI, analogowy kompozyt, GigE Vision) lub RF.

W szczególności Ethernet nie jest pojedynczą specyfikacją. Pierścień ślizgowy zaprojektowany dla Fast Ethernet 100 Mb/s niekoniecznie się sprawdziGigabitowy Ethernetna obrotowej ścieżce stykowej bez wewnętrznej kontroli impedancji, kontrolowanego przesłuchu między parami i odpowiedniego ekranowania. Wymagania dotyczące transmisji są określone wStandard IEEE 802.3, a pierścień ślizgowy, który nie został scharakteryzowany pod kątem tych wymagań, nie może być uznany za podtrzymujący połączenie.

Uwaga techniczna: kieruj pary Ethernet z dala od obwodów silnika i cewki, jeśli pozwala na to układ kanałów. Tam, gdzie nie da się uniknąć mieszania, kluczowym wyborem przy projektowaniu staje się strategia ekranowania. - zobacz ten praktyczny przeglądrozwiązania ekranujące do transmisji sygnału za pomocą pierścienia ślizgowego.

3. Potwierdź prędkość i cykl pracy

Pierścienie ślizgowe są zwykle przystosowane do ciągłej prędkości obrotowej, ale cykl pracy określa żywotność. Maszyna, która obraca się z prędkością 20 obr./min w sposób ciągły, 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, gromadzi więcej obrotów w ciągu roku niż system pracujący z prędkością 300 obr./min, pracujący przez godzinę dziennie. Dostarczać:

• Maksymalne i typowe obroty
• Praca ciągła a przerywana
• Kierunek (uni- lub dwukierunkowy)
• Oczekiwana łączna liczba godzin pracy lub całkowita liczba obrotów do końca okresu eksploatacji

4. Określ kopertę mechaniczną

Wymień wszystkie ograniczenia mechaniczne, jakie musi spełniać pierścień ślizgowy: średnica zewnętrzna, wysokość całkowita,-wymagany rozmiar otworu przelotowego, jeśli występuje, interfejs montażowy, kierunek i długość wyjścia kabla, preferencje złączy oraz dozwolony moment obrotowy na wirniku. Jeśli przestrzeń pionowa jest ciasna, apierścień ślizgowy naleśnikowyze szczotką drucianą może być lepszym rozwiązaniem niż konstrukcja cylindryczna ułożona w stos.

5. Opisz środowisko

Zakres temperatur pracy, wilgotność, kurz, zmywanie, wibracje, wstrząsy, wysokość nad poziomem morza i korozyjna atmosfera wpływają na dobór materiału, uszczelnienie i parowanie styków. Wymagany stopień ochrony należy podać w postaci kodu IP określonego w pktIEC 60529; kontekst dotyczący tego, co każda cyfra oznacza w praktyce, można znaleźć w tym miejscuinterpretacja wskaźników IP pierścienia ślizgowego.

6. Zdecyduj wcześniej pomiędzy standardem a niestandardem

Standardowy model katalogowy jest szybszy w dostawie i tańszy. Aniestandardowy pierścień ślizgowyjest uzasadnione, gdy obwiednia mechaniczna, mieszanka obwodów lub środowisko nie mogą być obsługiwane przez część standardową -, co często ma miejsce w przypadku kompaktowych projektów o mieszanym- i-sygnałach projektach. Kompromis-omówiono bardziej szczegółowo w tym artykule na tematstandardowe i niestandardowe pierścienie ślizgowe.

Lista kontrolna wyboru

Przed wystawieniem zapytania ofertowego potwierdź, że możesz odpowiedzieć na każdą pozycję na tej liście:

• Liczba obwodów w podziale na funkcję
• Dla każdego obwodu: prąd ciągły, prąd szczytowy/początkowy, napięcie, prąd przemienny lub stały
• Protokoły sygnału i prędkości (typ enkodera, magistrala polowa, prędkość Ethernet, standard wideo, częstotliwość RF)
• Wymagania dotyczące ekranowania i uziemienia na obwód
• Maksymalne obroty, typowe obroty, cykl pracy, kierunek
• Docelowa żywotność w godzinach lub obrotach
• Średnica zewnętrzna, długość całkowita,-rozmiar otworu przelotowego, sposób montażu
• Kierunek wyjścia kabla, długość kabla, typ złącza
• Zakres temperatur pracy
• Wymagany stopień ochrony IP zgodnie z normą IEC 60529, plus wszelkie warunki zmywania lub narażenia chemicznego
• Środowisko wibracji i wstrząsów
• Wymagania zgodności (UL, CE, wojskowe, medyczne itp.)

Przykład praktyczny: obrotowa platforma inspekcyjna z zasilaniem i Gigabit Ethernet
 

Poniższe parametry mają charakter poglądowy, - odzwierciedlają często spotykaną przez nas konfigurację, a nie jakikolwiek projekt pojedynczego klienta.

• Aplikacja:Stale obracająca się wieżyczka do inspekcji optycznej, sąsiadujące pomieszczenie-w pomieszczeniu czystym
• Ładowność wirnika:Kamera przemysłowa, lampa pierścieniowa, płyta sterująca, czujnik temperatury otoczenia
• Obwody:2 × 5 A ciągłe zasilanie DC (24 V), 1 × Gigabit Ethernet (4 skrętki), 2 × cyfrowe we/wy, 1 × wejście termopary
• obroty:Ciągła, dwukierunkowa, 60 obr./min
• Cykl pracy:22 godziny na dobę, 6 dni w tygodniu
• Koperta mechaniczna:Dostępna wysokość stosu 50 mm,-otwór przelotowy 25 mm dla linii pneumatycznej
• Środowisko:15–30 stopni, mało zapylony, bez zmywania, IP54 wystarczający
• Docelowy okres użytkowania:Minimum 8000 godzin przed jakąkolwiek interwencją serwisową

Odpowiednia konfiguracja to-przelotowy pierścień ślizgowy ze szczotką drucianą z parami Ethernet poprowadzonymi na dedykowanych, wewnętrznie ekranowanych kanałach oddzielonych od pierścieni zasilania 24 V. Linia termopary jest zgrupowana z sygnałami o niskim-poziomie po przeciwnej stronie obudowy niż pierścienie mocy. Materiał szczotki to-stop metali szlachetnych po stronie sygnału i-odporniejszy materiał na dwóch pierścieniach mocy.

Ten przykład ilustruje nie tyle, że styk ze szczotką drucianą „obsługuje Ethernet” w ogólności -, ale to, że należy zaprojektować określony układ kanałów, plan ekranowania i dobór materiałów, aby łącze działało na stale obracającym się styku.

Typowe błędy w specyfikacji

• Traktowanie liczby obwodów jako jedynej liczby.Dwa 12-obwodowe pierścienie ślizgowe mogą mieć zupełnie różną trwałość, jeśli jeden jest dostosowany do prądu rozruchowego, a drugi nie.
• Określanie „Ethernet” bez szybkości.100Base-TX i 1000Base-T mają różne wymagania dotyczące kontroli impedancji i przesłuchów w pierścieniu ślizgowym.
• Niedocenianie środowiska.Część, która działała w prototypie laboratoryjnym, może ulec awarii w ciągu kilku miesięcy po zainstalowaniu w pobliżu mgły chłodziwa lub w obudowie zewnętrznej, w której występują codzienne cykle kondensacji.
• Zakładając, że zamontuje się standardowy model.Kierunek wyjścia kabla, typ złącza i zakres momentu obrotowego często wykluczają zgodność z katalogiem.
• Domyślnie szczotka druciana dla-wysokiego prądu.W większości przypadków pojedynczy obwód-o dużym obciążeniu i natężeniu setek amperów nadal stanowi obszar działania szczotek węglowych.