Skluzné kroužky drátěného kartáče pro čistý přenos signálu

Skluzné kroužky drátěného kartáče přenášejí energii, signály a v mnoha případech data přes plynule rotující rozhraní. Jsou vybrány, když rotační systém potřebuje stabilní kontakt v kompaktním balení, bez uhlíkového prachu vytvářeného tradičními konstrukcemi uhlíkových kartáčů. Nejedná se však o výchozí upgrade. Pro vysoce-proudové přenosy, abrazivní prostředí nebo specializované RF linky bude často vhodnější jiný design kontaktu.

Tato příručka je napsána z pohledu inženýrství aplikace sběracích kroužků. Vysvětluje, jak funguje kontakt s drátěným kartáčem, kde si zasluhuje své místo, jak se srovnává se sběracími kroužky uhlíkových kartáčů o rozměrech, které kupující skutečně váží, a jaké informace potřebuje váš dodavatel před uvedením cenové nabídky. Na konci je uveden zpracovaný příklad s realistickými parametry spolu s FAQ na otázky, které se při výběru objevují nejčastěji.

Co je kroužek s drátěným kartáčem?

Skluzný kroužek drátěného kartáče je elektromechanická sestava, která udržuje elektrické spojení mezi stacionární konstrukcí a rotující součástí. Funkce je sdílena všemielektrický sběrací kroužek; rozdíl je v kontaktu.

Namísto jediného uhlíkového bloku přitisknutého ke každému vodivému kroužku používá konstrukce drátěného kartáče svazek jemných, pružných vodivých drátů. Každý drát je svým vlastním kontaktním bodem a několik drátů jezdí na stejném prstenci současně. Tento více-bodový kontakt je zdrojem většiny elektrických a mechanických vlastností konstrukce: nižší kolísání kontaktního odporu, nižší elektrický šum na signálních vedeních a profil opotřebení, který neuvolňuje vodivý uhlíkový prach do okolního mechanismu.

Kontakt s drátěným kartáčem se v technické literatuře někdy nazývá vláknitý kartáč nebo více{0}}vláknový kartáčový kontakt, zvláště když se pro obvody nízkého signálu používají velmi jemné dráty z drahých-kovových slitin.

Jak vlastně funguje kontakt s drátěným kartáčem

Sběrný kroužek má stacionární pouzdro (stator) a rotující hřídel nebo pouzdro (rotor). Na otočné straně jsou umístěny vodivé kroužky. Bloky kartáčů jsou umístěny na pevné straně, každý drží svazek drátů, který tlačí na jeden kroužek. Jak se rotor otáčí, proud nebo signál prochází kartáčovými dráty do prstence a ven z rotoru vede k čemukoli, co je namontováno na rotujícím zařízení.

Tři detaily jsou důležitější, než většina katalogů připouští:

• Počet efektivních kontaktů.Jeden uhlíkový blok může mít jednu hlavní kontaktní plochu. Svazek vodičů může mít deset až několik desítek nezávislých mikro-kontaktů na stejném kroužku. Pokud je několik na okamžik zvednuto vibracemi nebo znečištěním, ostatní stále vedou. Díky tomu je kontakt s drátěným kartáčem atraktivní pro senzory, kodéry a nízkonapěťové digitální linky.
• Kontaktní tlak na drát.Každý drát je lehký. Celková normálová síla je ve srovnání s uhlíkovým kartáčem nízká, což snižuje třecí moment a teplo na kontaktním povrchu. Kompromis-je v tom, že žádný jednotlivý drát nemůže projít silným proudem; vysokoproudé obvody jsou řešeny paralelními kroužky nebo širšími skupinami kartáčů.
• Materiálové párování.Kartáčové dráty jsou běžně slitiny drahých -kovů (na bázi stříbra- nebo zlata-) pro signálové obvody, zatímco povrchy prstenců používají doplňkové pokovování. Párování kontroluje stabilitu kontaktního odporu po celou dobu životnosti a je to jediný největší faktor v tom, zda sběrací kroužek stále splňuje specifikace po milionu otáček.

Kontakt drátěného kartáče se stále opotřebovává. Nejedná se o „žádné opotřebení“ versus „uhlíkové opotřebení“ -, jde o jemné kovové opotřebení, které zůstává uvnitř krytu, versus uhlíkové částice, které mohou unikat do okolních mechanismů.
 

Kde si prsteny drátěného kartáče získávají své místo

Návrhy drátěných kartáčů se obvykle zadávají, když platí alespoň jedna z následujících podmínek:

• Systém přenáší nízkonapěťové signály, zpětnou vazbu kodéru nebo datové linky, které nesnesou hlučnost opotřebovaného uhlíkového kartáče.
• Okolní prostředí je citlivé na částice (optické systémy, lékařské zobrazování, manipulace s polovodiči, čisté prostory).
• Vertikální nebo radiální prostor je těsný a krátká výška zásobníku záleží více než maximální proudová kapacita.
• Přístup k údržbě je špatný - jednotka musí před jakýmkoli servisním zásahem běžet desítky tisíc hodin.
• Silové obvody a signálové obvody musí sdílet jeden kompaktní kryt.

Konstrukce nevyhovuje, když dominantním požadavkem jsou stovky ampérů na obvod, když je prostředí silně abrazivní nebo chemicky korozivní, nebo když se používá specializované řešení, jako je např.kroužek z optických vlákennebo RF rotační kloub je vyžadován pro datové spojení.

Drátěný kartáč vs skluzné kroužky uhlíkového kartáče

Oba styly kontaktu fungují. Otázkou je, který z nich vyhovuje elektrickým, mechanickým a servisním omezením aplikace. Tradičníkluzný kroužek uhlíkového kartáčezůstává správnou odpovědí v mnoha{0}}těžkých aplikacích s rotačním napájením; drátěný kartáč vítězí na různém terénu.

Technická poznámka: Když aplikace kombinuje malé množství vysoko{0}}proudého výkonu s mnoha nízkonapěťovými{1}}signálními linkami, praktickým rozhodnutím je obvykle drátěný kartáč - a vzácný vysokoproudý- obvod je řešen paralelními kroužky, nikoli technologií přepínání kontaktů.

Běžné aplikace s elektrickými detaily, na kterých záleží

Obecné kategorie aplikací lze snadno vypsat. Užitečnější je to, co následuje: typická kombinace obvodů, které každé zařízení potřebuje, a to, co má tendenci řídit specifikaci.

Průmyslová automatizace: indexovací stoly, rotační plničky, etiketovací věžičky

Otočný indexovací stůl nebo štítkovací hlavice v balicí lince obvykle potřebuje 24 V DC řídicí napájení, několik digitálních I/O linek, jeden nebo dva kanály kodéru a někdy připojení fieldbus. Kontakt s drátěným kartáčem vyhovuje signální straně; pracovní cyklus je vysoký (více směn za den) a intervaly údržby jsou krátké. Kompaktskrz-kroužek s otvorems kontaktní sadou drátěného kartáče je běžná konfigurace, protože středový otvor umožňuje průchod pneumatických nebo mechanických hřídelí.

Platformy pro sledování, EO/IR a -naklápěcí kamery

Neustále se otáčející kamerové platformy přenášejí stejnosměrný proud, vedení motoru, řídicí signály a video nebo ethernetové spojení. Ve specifikaci dominuje integrita signálu: jakýkoli kontaktní šum se projevuje jako artefakty obrazu nebo ztráta paketů. Rozhodnutí je zřídkakdy "jaký typ kartáče" -, je to "jaká strategie stínění a oddělení kanálů jsou vyžadovány."

Robotika, ROV, UAV Gimbals a rotační koncové efektory

Zde záleží nejvíce na kompaktním provedení s-nízkým kroutícím momentem. Robotické zápěstí, které nese EOAT, si nemůže dovolit těžký sběrací kroužek. Nízký třecí moment kontaktu s drátěným kartáčem a malá obálka jsou rozhodujícími faktory spolu s kombinacíSignálové kanály USB nebo Ethernetpro užitečné zatížení.

Testovací a měřicí přípravky

Rotující testovací přípravky, přístrojové dynamometry a testovací zařízení pro automobilové komponenty přenášejí analogové signály nízké{0}}úrovně, termočlánkové vstupy a někdy i vysokorychlostní digitální linky. Kontaktní hluk je nepřítel. Párování materiálů a stínění uvnitř sběrného kroužku jsou důležitější než samotný tvarový faktor kartáče.

Dohledové radary, antény a rotační komunikační platformy

Anténní polohovadla často kombinují napájení a signál v jediném otočném kloubu, někdy vedle vyhrazeného RF otočného kloubu pro vysokofrekvenční -cestu. Kontakt s drátěným kartáčem zpracovává signály nižší-frekvence a stejnosměrné napájení čistě.

Jak určit kroužek pro drátěný kartáč

Nejrychlejší cestou ke správné cenové nabídce je definovat aplikaci napříč šesti rozměry, než se obrátíte na výrobce. Vynechání kteréhokoli z nich je nejčastější příčinou přepracování po prvním prototypu.

1. Uveďte každý okruh samostatně

Nedávejte dodavateli jediné číslo jako „10 okruhů“. Rozdělit:

• Funkce obvodu (napájení motoru, ovládání, kodér A/B/Z, pár Ethernet, video atd.)
• Průběžné hodnocení proudu ašpičkový/náběhový proud- údaj o náběhu určuje velikost kontaktů na vedení motoru a elektromagnetu
• Napětí, AC nebo DC a požadovaná izolace
• Zda je vedení stíněné a zda se stínění musí otáčet s kabelem nebo končit na krytu

If continuous and peak currents are confused, the resulting design will either run hot or be over-specified at a higher cost than necessary.

2. Přesně definujte typy signálů a dat

"Potřebuje přenášet signály" není specifikace. Identifikujte protokol, rychlost a elektrický standard pro každou linku. Mezi běžné případy patří analogové senzorové výstupy 0–10 V nebo 4–20 mA, sběrnice RS-485 nebo CAN, Profinet, EtherCAT, 100Base{10}}TX, 1000Base-T, video (HD-SDI, analogové kompozitní, GigE Vision) nebo RF.

Zejména Ethernet není jediná specifikace. Skluzný kroužek navržený pro 100 Mbps Fast Ethernet nemusí nutně vyhovovatGigabit Ethernetna rotační kontaktní dráze bez vnitřního řízení impedance, řízeného přeslechu mezi páry a adekvátního stínění. Požadavky na přenos jsou definovány vstandard IEEE 802.3a sběrací kroužek, který nebyl charakterizován podle těchto požadavků, nelze předpokládat, že podpírá článek.

Technická poznámka: směrujte ethernetové páry pryč od motorových a solenoidových obvodů, kdykoli to uspořádání kanálů umožňuje. Tam, kde je míchání nevyhnutelné, se strategie stínění stává kritickou volbou návrhu - viz tento praktický přehledřešení stínění pro přenos signálu sběracích kroužků.

3. Potvrďte rychlost a pracovní cyklus

Skluzné kroužky jsou obvykle dimenzovány na nepřetržité otáčky, ale životnost určuje pracovní cyklus. Stroj, který se otáčí rychlostí 20 otáček za minutu nepřetržitě, 24 hodin denně, 7 dní v týdnu, nashromáždí více otáček za rok než systém s 300 otáčkami za minutu, který běží hodinu denně. Poskytnout:

• Maximální a typické otáčky
• Nepřetržitý vs přerušovaný provoz
• Směr (jednosměrný{0}} nebo obousměrný)
• Očekávané celkové provozní hodiny nebo celkové otáčky do konce životnosti

4. Zadejte Mechanical Envelope

Uveďte všechna mechanická omezení, která musí sběrací kroužek respektovat: vnější průměr, celkovou výšku, požadovaný průchozí-velikost otvoru, pokud existuje, montážní rozhraní, směr a délku výstupu kabelu, preference konektorů a povolený krouticí moment na rotoru. Pokud je vertikální prostor těsný, apalačinkový kroužeks drátěným kartáčem může být vhodnější než stohovaný válcový design.

5. Popište prostředí

Rozsah provozních teplot, vlhkost, prach, oplachování, vibrace, otřesy, nadmořská výška a korozivní atmosféra ovlivňují výběr materiálu, těsnění a párování kontaktů. Požadovaná ochrana proti vniknutí by měla být uvedena jako IP kód definovaný podIEC 60529; pro kontext toho, co každá číslice znamená v praxi, viz totointerpretace IP hodnocení sběracího kroužku.

6. Rozhodněte se mezi standardní a vlastní brzy

Standardní katalogový model je rychlejší a levnější. Akroužek na míruje opodstatněné, když mechanický obal, mix obvodů nebo prostředí nelze obsloužit základním dílem -, což je často případ kompaktních, smíšených výkonových-a-designů signálů. Tento kompromis je podrobněji popsán-v tomto článkustandardní vs vlastní sběrací kroužky.

Kontrolní seznam pro výběr

Před vystavením RFQ potvrďte, že můžete odpovědět na každou položku v tomto seznamu:

• Počet obvodů v členění podle funkce
• Pro každý okruh: trvalý proud, špičkový/náběhový proud, napětí, AC nebo DC
• Signální protokoly a rychlosti (typ kodéru, fieldbus, rychlost Ethernetu, video standard, RF frekvence)
• Požadavky na stínění a uzemnění na okruh
• Maximální otáčky za minutu, typické otáčky za minutu, pracovní cyklus, směr
• Cílová životnost v hodinách nebo otáčkách
• Vnější průměr, celková délka, průchozí-velikost otvoru, způsob montáže
• Směr výstupu kabelu, délka kabelu, typ konektoru
• Rozsah provozních teplot
• Požadované krytí IP podle IEC 60529 plus jakékoli mytí nebo vystavení chemikáliím
• Vibrační a šokové prostředí
• Požadavky na shodu (UL, CE, vojenské, lékařské atd.)

Pracovní příklad: Rotační inspekční platforma s napájením a gigabitovým Ethernetem
 

Níže uvedené parametry jsou ilustrativní -, odrážejí konfiguraci, se kterou se setkáváme často, a nikoli projekt jednoho zákazníka.

• Aplikace:Nepřetržitě se otáčející optická inspekční věž, vnitřní čistý prostor-přilehlý prostor
• Užitečné zatížení rotoru:Průmyslová kamera, kruhové světlo, ovládací panel, senzor okolní teploty
• Obvody:2 × 5 A trvalé stejnosměrné napájení (24 V), 1 × Gigabit Ethernet (4 kroucené páry), 2 × digitální I/O, 1 × vstup pro termočlánky
• RPM:60 RPM kontinuálně, obousměrně
• Pracovní cyklus:22 hodin denně, 6 dní v týdnu
• Mechanická obálka:50 mm dostupná výška stohu, 25 mm průchozí-vývrt pro pneumatické vedení
• Prostředí:15–30 stupňů, nízká prašnost, žádné mytí, dostatečné IP54
• Cílová životnost:Minimálně 8 000 hodin před jakýmkoli servisním zásahem

Konfigurace, která se hodí, je průchozí-kroužek s drátěným kartáčem s ethernetovými páry vedenými na vyhrazených, vnitřně stíněných kanálech oddělených od 24V napájecích kroužků. Vedení termočlánku je seskupeno se signály nízké-úrovně na opačné straně krytu, než jsou napájecí kroužky. Materiál kartáčku je vzácná-kovová slitina na straně signálu a těžší{6}}dvojice na dvou napájecích kroužcích.

Tento příklad ilustruje, že kontakt drátěného kartáče „podporuje Ethernet“ obecně -, ale je nutné navrhnout konkrétní uspořádání kanálu, plán stínění a párování materiálů, aby propojení fungovalo přes neustále se otáčející kontakt.

Běžné chyby ve specifikaci

• Ošetřující obvod počítání jako jediné číslo.Dva 12obvodové sběrací kroužky mohou mít zcela odlišnou životnost, pokud je jeden dimenzován na zapínací proud a druhý nikoli.
• Zadání "Ethernet" bez rychlosti.100Base-TX a 1000Base-T mají různé požadavky na řízení impedance a přeslechy uvnitř sběrného kroužku.
• Podcenění prostředí.Součást, která fungovala ve stolním prototypu, může po instalaci v blízkosti chladicí mlhy nebo ve venkovním prostoru s denními cykly kondenzace selhat během měsíců.
• Za předpokladu, že se namontuje standardní model.Směr výstupu kabelu, typ konektoru a obal krouticího momentu často vylučují zjevnou shodu v katalogu.
• Výchozí nastavení je drátěný kartáč pro-vysoký proud.Těžký-jednotný obvod se stovkami ampérů je ve většině případů stále územím uhlíkových kartáčů.