Ковзаючі кільця дротяної щітки для чистої передачі сигналу

Кільця для дротяної щітки передають живлення, сигнали та, у багатьох випадках, дані через безперервно обертовий інтерфейс. Їх обирають, коли обертовій системі потрібен стабільний контакт у компактному корпусі без вугільного пилу, який створює традиційна конструкція вугільних щіток. Однак вони не є оновленням за замовчуванням. Для важких -передачі струму, абразивних середовищ або спеціалізованих радіочастотних ліній часто більш доцільною буде інша конструкція контактів.

Цей посібник написано з точки зору інженерної точки зору застосування контактних кілець. У ньому пояснюється, як працює контакт із дротяною щіткою, де він займає своє місце, як він порівнюється з контактними кільцями з вугільною щіткою за розмірами, які фактично зважують покупці, і яка інформація потрібна вашому постачальнику, перш ніж виставити пропозицію. Опрацьований приклад із реалістичними параметрами включено в кінці разом із поширеними запитаннями щодо питань, які найчастіше виникають під час вибору.

Що таке контактне кільце для дротяної щітки?

Контактне кільце дротяної щітки – це електромеханічний вузол, який підтримує електричний зв’язок між нерухомою конструкцією та обертовим компонентом. Функція спільна для кожногоелектричне контактне кільце; різниця полягає в контакті.

Замість одного вуглецевого блоку, притиснутого до кожного провідного кільця, у конструкції дротяної щітки використовується пучок тонких пружних провідних дротів. Кожен дріт є окремою точкою контакту, і кілька проводів проходять по одному кільцю одночасно. Цей багато{2}}точковий контакт є джерелом більшості електричних і механічних характеристик конструкції: менша зміна контактного опору, менший електричний шум на сигнальних лініях і профіль зносу, який не розкидає провідний вуглецевий пил у навколишній механізм.

У технічній літературі контакт із дротяною щіткою іноді називають волоконною щіткою або контактом із багато-волоконною щіткою, особливо коли дуже тонкі дроти з дорогоцінних-металевих сплавів використовуються-для ланцюгів низького рівня сигналу.

Як насправді працює дротяна щітка

Контактне кільце має нерухомий корпус (статор) і обертовий вал або втулку (ротор). Струмопровідні кільця розташовані на обертовій стороні. Блоки щіток розташовані на нерухомій стороні, кожен утримує пучок дроту, який притискається до одного кільця. Коли ротор обертається, струм або сигнал проходить через щіткові дроти в кільце, а ротор веде до того, що встановлено на обертовому обладнанні.

Три деталі важливіші, ніж визнають більшість каталогів:

• Кількість ефективних контактів.Один карбоновий блок може мати одну головну контактну ділянку. Пучок проводів може мати від десяти до кількох десятків незалежних мікро-контактів на одному кільці. Якщо деякі миттєво піднімаються через вібрацію або забруднення, інші все ще проводять. Саме це робить контакт дротяної щітки привабливим для датчиків, кодерів і низько{4}}цифрових ліній напруги.
• Контактний тиск на провід.Кожен дріт світлий. Загальна нормальна сила низька порівняно з вугільною щіткою, що зменшує момент тертя та тепло на контактній поверхні. Компроміс-у тому, що будь-який окремий дріт не може пропускати сильний струм; ланцюги високого -струму обробляються паралельними кільцями або більш широкими групами щіток.
• Поєднання матеріалів.Щіткові дроти зазвичай складаються зі сплавів дорогоцінних-металів (на основі- або золота-) для сигнальних ланцюгів, тоді як на поверхнях кільця використовуються додаткові покриття. Сполучення контролює стабільність контактного опору протягом усього терміну служби, і це є найбільшим фактором того, чи контактне кільце все ще відповідає специфікаціям після мільйона обертів.

Контакт дротяної щітки все ще зношується. Торгівля полягає не в «відсутності зносу» проти «вуглецевого зносу» -, це дрібний металевий знос, який залишається всередині корпусу, а не частинки вуглецю, які можуть вийти в навколишні механізми.
 

Де дротяні щіткові контактні кільця займають своє місце

Конструкції дротяних щіток зазвичай вказуються, якщо виконується принаймні одне з наведеного нижче:

• Система передає сигнали низької-напруги, зворотний зв’язок кодера або лінії даних, які не витримують рівня шуму зношеної вугільної щітки.
• Навколишнє середовище чутливе до частинок (оптичні системи, медичні візуалізації, обробка напівпровідників, чисті приміщення).
• Вертикальний або радіальний простір обмежений, і мала висота стека має більше значення, ніж максимальна поточна ємність.
• Доступ для технічного обслуговування поганий - пристрій повинен працювати десятки тисяч годин перед будь-яким втручанням служби.
• Силові ланцюги та сигнальні ланцюги повинні мати єдиний компактний корпус.

Конструкція погано підходить, коли домінуючою вимогою є сотні ампер на ланцюг, коли середовище є сильно абразивним або хімічно агресивним, або коли спеціальне рішення, таке якволоконно-оптичне контактне кільцеабо радіочастотний поворотний шарнір необхідний для передачі даних.

Дротяна щітка проти вугільних щіток

Обидва стилі контакту працюють. Питання полягає в тому, який з них відповідає електричним, механічним і службовим обмеженням програми. Традиційнийвугільна щітказалишається правильною відповіддю в багатьох-важких системах обертання; дротяна щітка виграє на різних рельєфах.

Інженерна примітка: коли програма поєднує невелику потужність-силового струму з багатьма сигнальними лініями-низької напруги, практичним рішенням зазвичай є дротяна щітка -, а ланцюг із рідкісним високим-струмом обробляється паралельними кільцями, а не технологією комутаційних контактів.

Звичайні програми з електричними деталями, які важливі

Загальні категорії програм легко перерахувати. Наступне є більш корисним: типове поєднання схем, необхідних кожному пристрою, і те, що, як правило, керує специфікацією.

Промислова автоматизація: індексні столи, ротаційні наповнювачі, баштові маркування

Поворотний індексуючий стіл або турель для маркування на пакувальній лінії зазвичай потребують живлення 24 В постійного струму, декількох цифрових ліній вводу/виводу, одного або двох каналів кодера, а іноді й підключення до польової шини. Контакт дротяної щітки підходить для сторони сигналу; робочий цикл високий (кілька змін на день), а вікна обслуговування короткі. Компактнийкільце ковзання через-отвіріз контактним набором дротяної щітки є звичайною конфігурацією, оскільки центральний отвір дозволяє проходити пневматичні або механічні вали.

Платформи камер відеоспостереження, EO/IR і Pan-Tilt

Безперервно обертові платформи камери передають живлення постійного струму, лінії приводу двигуна, сигнали керування та відео або Ethernet-зв’язок. Цілісність сигналу домінує в специфікації: будь-який контактний шум відображається як артефакти зображення або втрата пакетів. Рішення рідко залежить від того, «який тип пензля» - це «яка стратегія екранування та розділення каналів потрібні».

Робототехніка, ROV, кардани БПЛА та обертові кінцеві ефектори

Компактні конструкції з низьким{0}}крутним моментом тут важливіші. Роботизоване зап'ястя, яке несе EOAT, не може дозволити собі важке контактне кільце. Низький крутний момент тертя контакту з дротяною щіткою та малий конверт є вирішальними факторами, поряд із поєднаннямКанали сигналу USB або Ethernetдля корисного навантаження.

Прилади для тестування та вимірювання

Обертові випробувальні пристрої, приладові динамометри та випробувальні стенди автомобільних компонентів передають аналогові сигнали низького-рівня, вхідні сигнали термопар, а іноді й високошвидкісні цифрові лінії. Контактний шум – ворог. Поєднання матеріалів і екранування всередині контактного кільця важливіші, ніж сама форма щітки.

Радари спостереження, антени та обертові платформи зв’язку

Позиціонери антени часто поєднують потужність і сигнал в одному обертовому з’єднанні, іноді поряд із спеціальним поворотним радіочастотним з’єднанням для високо-частотного тракту. Контакт із дротяною щіткою чітко обробляє сигнали нижчої-частоти та живлення постійного струму.

Як визначити контактне кільце дротяної щітки

Найшвидший спосіб отримати правильну цінову пропозицію – це визначити програму в шести вимірах перед тим, як зв’язатися з виробником. Пропуск будь-якого з них є найпоширенішою причиною редизайну після першого прототипу.

1. Перерахуйте кожен контур окремо

Не давайте постачальнику одну цифру, як-от "10 контурів". Деталізуйте:

• Функція схеми (живлення двигуна, керування, кодер A/B/Z, пара Ethernet, відео тощо)
• Постійний номінальний струм іпіковий/пусковий струм- пусковий показник визначає розмір контакту на лініях двигуна та електромагніту
• Напруга змінного або постійного струму та необхідна ізоляція
• Чи екранована лінія, і чи повинен екран обертатися разом з кабелем або закінчуватися на корпусі

Якщо сплутати безперервні та пікові струми, кінцева конструкція буде або перегріватися, або матиме-зазначені параметри з вищою ціною, ніж необхідно.

2. Точне визначення типів сигналів і даних

"Він повинен передавати сигнали" - це не специфікація. Визначте протокол, швидкість та електричний стандарт для кожної лінії. Звичайні випадки включають аналогові виходи датчиків 0–10 В або 4–20 мА, шину RS-485 або CAN, Profinet, EtherCAT, 100Base-TX, 1000Base-T, відео (HD-SDI, аналоговий композитний, GigE Vision) або РЧ.

Зокрема, Ethernet не є єдиною специфікацією. Контактне кільце, розроблене для 100 Мбіт/с Fast Ethernet, не обов’язково пройдеГігабітний Ethernetна траєкторії обертового контакту без внутрішнього контролю імпедансу, контрольованих перехресних перешкод між парами та відповідного екранування. Вимоги до передачі визначені вСтандарт IEEE 802.3, а контактне кільце, яке не було охарактеризовано відповідно до цих вимог, не може вважатися таким, що підтримує зв’язок.

Технічна примітка: направляйте пари Ethernet подалі від ланцюгів двигуна та соленоїда, якщо це дозволяє схема каналу. Там, де змішування неминуче, стратегія екранування стає критично важливим вибором дизайну - перегляньте цей практичний оглядрішення для екранування для передачі сигналу контактного кільця.

3. Підтвердьте швидкість і робочий цикл

Контактні кільця зазвичай розраховані на безперервну кількість обертів за хвилину, але робочий цикл визначає термін служби. Машина, яка безперервно обертається зі швидкістю 20 об/хв, 24/7, накопичує більше обертів за рік, ніж система з 300 об/хв, яка працює годину на день. Надати:

• Максимальні та типові оберти
• Безперервна або періодична робота
• Напрямок (односпрямований- або двонаправлений)
• Очікувана загальна кількість годин роботи або загальна кількість обертів до кінця терміну служби

4. Укажіть механічний конверт

Перелічіть усі механічні обмеження, яких має дотримуватися контактне кільце: зовнішній діаметр, загальна висота, необхідний наскрізний-розмір отвору, якщо такий є, монтажний інтерфейс, напрямок і довжина виходу кабелю, параметри роз’єму та дозволений крутний момент на роторі. Якщо вертикальний простір обмежений, aкільце для млинцівз контактом дротяної щітки може бути кращим, ніж циліндрична конструкція.

5. Опишіть середовище

Діапазон робочих температур, вологість, пил, змивання, вібрація, удари, висота над рівнем моря та корозійна атмосфера – все це впливає на вибір матеріалу, ущільнення та сполучення контактів. Необхідний захист від проникнення має бути вказано як IP-код, визначений уIEC 60529; для контексту того, що кожна цифра означає на практиці, дивінтерпретація рейтингів IP контактного кільця.

6. Завчасно вибирайте між стандартним і індивідуальним

Стандартна каталожна модель швидше доставляється та дешевша. Аспеціальне кільце ковзанняє виправданим, коли механічна оболонка, суміш схем або середовище не можуть обслуговуватися стандартною частиною -, що часто буває для компактних, змішаних систем живлення-і-сигналу. Компроміс-розглядається докладніше в цій статтістандартні чи спеціальні контактні кільця.

Контрольний список вибору

Перш ніж надсилати запит пропозицій, переконайтеся, що ви можете відповісти на кожен пункт у цьому списку:

• Кількість ланцюгів у розподілі за функціями
• Для кожного кола: безперервний струм, піковий/пусковий струм, напруга, змінний або постійний струм
• Протоколи сигналу та швидкості (тип кодера, польова шина, швидкість Ethernet, стандарт відео, радіочастота)
• Вимоги до екранування та заземлення для кожного контуру
• Максимальні оберти, типові оберти, робочий цикл, напрямок
• Цільовий термін служби в годинах або оборотах
• Зовнішній діаметр, загальна довжина, наскрізний{0}}розмір отвору, спосіб кріплення
• Напрямок виходу кабелю, довжина кабелю, тип роз'єму
• Діапазон робочих температур
• Необхідний рейтинг IP згідно з IEC 60529, а також будь-яке змивання або хімічний вплив
• Вібраційне та ударне середовище
• Вимоги відповідності (UL, CE, військові, медичні тощо)

Працюючий приклад: обертова інспекційна платформа з живленням і Gigabit Ethernet
 

Наведені нижче параметри є ілюстративними - вони відображають конфігурацію, яку ми часто бачимо, а не проект окремого клієнта.

• застосування:Безперервно обертова турель для оптичного огляду, прилегла-чиста кімната в приміщенні
• Корисне навантаження ротора:Промислова камера, кільце, плата управління, датчик температури навколишнього середовища
• Схеми:2 × 5 A безперервного живлення постійного струму (24 В), 1 × Gigabit Ethernet (4 виті пари), 2 × цифровий вхід/вихід, 1 × вхід для термопари
• RPM:60 обертів за хвилину безперервно, двонаправлено
• Робочий цикл:22 години на добу, 6 днів на тиждень
• Механічний конверт:Доступна висота стека 50 мм, наскрізний-отвір для пневматичної лінії 25 мм
• Середовище:15–30 градусів, низький рівень пилу, без змивання, достатньо IP54
• Цільовий термін служби:Мінімум 8000 годин перед будь-яким сервісним втручанням

Конфігурація, яка підходить, — це контактне кільце з дротяною щіткою з наскрізним отвором із парами Ethernet, спрямованими за спеціальними внутрішніми екранованими каналами, відокремленими від кілець живлення 24 В. Лінія термопари згрупована з сигналами низького -рівня на протилежній стороні корпусу від кілець живлення. Матеріал щітки – це дорогоцінний-сплав металу на стороні сигналу та більш важка-пара на двох кільцях живлення.

Цей приклад показує не те, що дротяна щітка загалом «підтримує Ethernet» -, а те, що певне розташування каналу, план екранування та поєднання матеріалів повинні бути розроблені, щоб з’єднання працювало через безперервно обертовий контакт.

Поширені помилки специфікації

• Обробка схеми як єдине число.Два 12-контурних контактних кільця можуть мати абсолютно різні терміни служби, якщо одне має розмір пускового струму, а інше – ні.
• Вказівка ​​«Ethernet» без швидкості.100Base-TX і 1000Base-T мають різні вимоги до контролю імпедансу та перехресних перешкод у контактному кільці.
• Недооцінка середовища.Деталь, яка працювала в стаціонарному прототипі, може вийти з ладу через кілька місяців після встановлення поблизу туману охолоджуючої рідини або у зовнішньому корпусі з щоденними циклами конденсації.
• Припустимо, що буде встановлено стандартну модель.Напрямок виходу кабелю, тип роз’єму та обертальний момент часто виключають явну відповідність каталогу.
• За замовчуванням дротяна щітка для-великої потужності струму.Важкий-одиночний контур на сотні ампер все ще залишається територією вугільних щіток у більшості випадків.