Датчик положения контактного кольца: какой тип выбрать?

Датчик положения контактного кольца представляет собой вращающийся электрический узел, который передает мощность и сигналы посредством непрерывного вращения на 360 градусов, а также сообщает об угловом положении вращающейся конструкции в систему управления. В большинстве вращающихся машин поддержание подключения цепей — это лишь половина требования. Контроллеру также необходимо знать, где находится стрела, стол или турель, достигли ли они исходного положения и приближаются ли они к определенному пределу.

Эта комбинированная функция делает датчик положения контактного кольца основным компонентом кранов, поворотных платформ, поворотных столов, мобильного оборудования, упаковочных линий и других вращающихся систем. В зависимости от требований к точности и интеграции элементом обратной связи может быть кулачок-и-переключатель, поворотный потенциометр или встроенный энкодер, включая инкрементные, абсолютные версии, версии CANopen или SAE J1939.

В этом руководстве объясняется, как работают датчики положения контактных колец, где подходит каждый тип, как выбрать один из них для вашего оборудования и что необходимо подготовить, прежде чем запрашивать индивидуальное предложение.

Что такое датчик положения контактного кольца?

A стандартное контактное кольцопередает электроэнергию, сигналы управления или данные между неподвижной рамой и вращающейся частью, предотвращая перекручивание кабелей во время непрерывного вращения. Датчик положения контактного кольца делает еще один шаг вперед: он интегрирует угловую обратную связь в тот же вращающийся узел.

Комбинированный блок дает системе управления сразу три вещи:

• Непрерывное электрическое соединение через вращающийся интерфейс.
• Данные углового положения относительно оси вращения
• Единая механическая опора, которая экономит место в центре поворота

На практике контактное кольцо управляет цепями, а встроенный датчик сообщает исходный импульс, сигнал ограничения, аналоговый угол или цифровое абсолютное положение, в зависимости от конструкции.

Контактное кольцо и датчик положения контактного кольца: в чем разница?

Обычное контактное кольцо несет в себе только электрические цепи. Он может передавать мощность переменного или постоянного тока, низковольтную проводку управления, аналоговые сигналы, Ethernet, шину CAN или смешанные силовые-и-сигнальные линии. Он не осознает углового положения.

Датчик положения контактного кольца сочетает в себе ту же электрическую передачу с элементом обратной связи, поэтому вращающаяся сторона машины сообщает контроллеру свой угол. Это важно, когда неконтролируемое вращение может привести к технологическим ошибкам, риску столкновения или повреждению оборудования. Кран должен знать угол поворота стрелы. Индексирующий стол должен остановиться на определенной станции. Мобильная платформа должна замедлиться, прежде чем достигнет запретной зоны. Ни одну из этих задач не решить простым контактным кольцом.

Когда вам нужна обратная связь по положению при вращении на 360 градусов?

Обратная связь по положению оправдана, когда машине требуется нечто большее, чем постоянное электрическое соединение. Три сценария охватывают большинство приложений.

Определение безопасных рабочих зон

В кранах, автовышках и мобильных машинах обратная связь по положению поддерживает функции системы управления,-которые предупреждают оператора, снижают скорость или прекращают вращение, когда машина приближается к ограниченной зоне, например зданию, линии электропередачи или границе, предотвращающей-столкновения. Обратная связь по положению поддерживает эти функции управления, но не заменяет полную систему безопасности машины. Остановки с номинальной безопасностью-, контролируемые пределы и аварийные функции должны быть разработаны в соответствии с применимыми стандартами безопасности машинного оборудования.

Повторяемый контроль процесса

Индексирующие столы, упаковочные машины, заправочные станции и намоточные линии часто должны останавливаться под точными углами или запускать действие в определенной точке вращения. Простой домашний переключатель обрабатывает одно положение. Инкрементальный или абсолютный энкодер необходим, когда задействованы несколько станций, программируемые заданные значения или синхронизированное движение.

Обратная связь с оператором и ЧМИ

Данные о местоположении также выводятся на дисплеи оператора. Отображение реального угла стрелы, положения стола или курса револьверной головки уменьшает необходимость догадок, сокращает время цикла и помогает оператору избежать процедурных ошибок во время длительных смен.

Как работает датчик положения контактного кольца

Сборка выполняет две функции на одном и том же вращающемся интерфейсе.

Первый – электрический перенос. Щетки, контактные кольца или оптоволоконные пути передают ток и сигналы между статором и ротором. Набор каналов зависит от приложения и может включать в себя силовой-силовой ток, логику низкого-напряжения, линии аналоговых датчиков, пары Ethernet или шину CAN. Правильныйпроектирование и изоляция каналовимеют решающее значение при объединении силовых и чувствительных сигнальных цепей в одном корпусе.

Вторая функция — определение угла. Элемент обратной связи механически привязан к оси вращения, поэтому его выходной сигнал представляет истинный угол вращающейся конструкции. Принцип чувствительности определяет тип выхода:

• Кулачковая пластина срабатывает на один или несколько переключателей под фиксированными углами, выдавая сигналы включения/выключения.
• Потенциометр изменяет сопротивление или напряжение пропорционально углу вала, создавая аналоговый сигнал, например 0–10 В, 4–20 мА или логометрическое сопротивление.
• Энкодер преобразует вращение в цифровые импульсы (инкрементные) или закодированное угловое значение (абсолютное) и может выводить данные через RS-485, CANopen, SAE J1939 или другие промышленные протоколы.

Основные типы датчиков положения контактных колец

Кулачковая пластина и обратная связь переключателя

В самой простой конструкции используется фигурный кулачок, который вращается вместе с узлом и приводит в действие один или несколько механических или бесконтактных переключателей под заданными углами. Выходной сигнал представляет собой дискретный сигнал включения/выключения.

Выбирайте этот вариант, если:

• Машине требуется только обнаружение дома,-конца-поездки или зоны.
• Контроллер имеет цифровые входы и не требует непрерывной передачи данных об угле.
• Бюджет и простота перевешивают разрешение

Не выбирайте эту опцию, если контроллеру необходимы угловые данные где-либо за пределами точек срабатывания переключателя или когда для ввода в эксплуатацию требуются перепрограммируемые заданные значения. После обрезания кулачка угол срабатывания фиксируется, если кулачок не обрабатывается повторно.

Обратная связь на основе потенциометра-

Поворотный потенциометр обеспечивает непрерывную аналоговую обратную связь в определенном угловом диапазоне. Выходной сигнал обычно представляет собой сигнал напряжения, сопротивления или токового контура, который большинство ПЛК и контроллеров машин могут считывать непосредственно через модуль аналогового ввода.

Обратная связь потенциометра подходит для таких приложений, как базовое отображение поворота крана, индикация угла поворота оператора, оборудование в виде джойстика-, а также недорогая-угловая обратная связь в сухих помещениях. Многие конструкции охватывают ограниченный диапазон (часто менее 360 градусов), поэтому перед определением подтвердите полезный угловой диапазон.

Помните о трех-компромиссах. Контакты стеклоочистителя со временем изнашиваются, особенно при большом количестве циклов. Длительные аналоговые прокладки в средах с электрическими помехами требуют экранированного кабеля и тщательного заземления, чтобы обеспечить чистоту показаний. Калибровка необходима для сопоставления необработанных выходных данных с инженерными единицами. Для наружного мобильного оборудования, подверженного вибрации, влаге и электромагнитным помехам, энкодер обычно является более надежным выбором.

Отзывы на основе кодировщиков-

Энкодер преобразует вращение в цифровые данные. Это правильный выбор, когда контроллеру необходимы повторяемые угловые значения, программируемые пределы или сетевая связь. Энкодеры делятся на два основных семейства:

• Инкрементальные энкодерывыходные импульсы (индекс A, B и часто Z) при вращении вала. Они обеспечивают относительное движение и требуют выполнения домашних действий после каждого включения-для установления абсолютной точки отсчета. Подходит для определения скорости, синхронизации движения и приложений, которые возвращаются при запуске.
• Абсолютные энкодерывыводить уникальное цифровое значение для каждого углового положения, сохраняемое при включении и выключении питания. Версии с одним-поворотом охватывают диапазон от 0 до 360 градусов; многооборотные версии также учитывают полные обороты. Выбирайте абсолютное значение, если оборудование должно знать свое положение сразу после-включения питания, что часто встречается в кранах, телескопических стрелах и передвижных машинах, работающих на открытом воздухе.

Для мобильного и автомобильного оборудования-используется абсолютный энкодер сCANopenилиСАЭ Дж1939выходные данные полностью интегрируются в существующую сеть транспортных средств. CANopen более распространен в промышленной автоматизации, а J1939 доминирует в мобильной-мощной мобильной технике, сельскохозяйственной технике и строительной технике. Выбор неправильного протокола не только усложнит интеграцию; это может привести к замене контроллера.

Общие применения датчиков положения контактных колец

Краны и подъемное оборудование

Краны — одно из самых объемных-применений, поскольку вращающаяся надстройка требует как непрерывной передачи мощности, так и обратной связи по углу поворота. Контактное кольцо со встроенным абсолютным энкодером обычно располагается в центре поворотного кольца и имеет одну и ту же вертикальную ось. Сигнал положения подается на индикатор грузового момента, в зоны предотвращения-столкновений и на ЧМИ оператора. посвященныйконтактное кольцо крана с обратной связью по положениюобычно сочетает в себе силовые цепи с высоким-силовым током, управление низким-напряжением и выход энкодера в одном корпусе. Установка на открытом воздухе, вибрация, колебания температуры и направление выхода кабеля — все это влияет на конструкцию.

Поворотные столы, индексирующие и сборочные ячейки

Поворотные платформы индексации требуют точных положений остановки. Кулачкового переключателя может быть достаточно для грубого исходного импульса, но абсолютный энкодер является практичным выбором для столов с несколькими-станциями, где контроллеру необходимо подтвердить активную станцию ​​перед выполнением операций прессования, сварки или захвата-и-последовательности.Надежная работа контактных колец на автоматизированных производственных линияхзависит как от целостности сигнала, так и от самого выбора кодера.

Подъемные платформы, телескопические погрузчики и строительное оборудование

Стрелы, корзины и револьверные-навесные приспособления на мобильных машинах обычно работают на основе архитектуры управления на базе CAN-. Встроенное контактное кольцо с абсолютным энкодером J1939 естественным образом вписывается в сеть автомобиля, обеспечивает расчет безопасного рабочего диапазона и сообщает об ориентации на дисплее оператора. Многоконтактные кольца для подъема рабочих платформименно по этой причине используются многооборотные абсолютные энкодеры.

Линии упаковки, намотки и розлива

Синхронизация с циклами резки, наполнения, маркировки или упаковки требует повторяющихся угловых привязок. Инкрементные энкодеры работают хорошо, когда линия при запуске фиксируется; абсолютные энкодеры позволяют избежать процедуры возврата в исходное положение и быстрее восстанавливаются после остановки.

Морское, морское и наружное коммунальное оборудование

Солевой туман, промывка, воздействие ультрафиолета и постоянная вибрация затрудняют выбор конструкции: более высокий класс защиты IP, герметичные разъемы, коррозионно--коррозионностойкие корпуса и технология обратной связи по положению, которая не зависит от протирания контактов. Обратитесь кСтандарт IP IECпри соответствии уровня защиты корпуса реальной рабочей среде.

Как правильно выбрать датчик положения контактного кольца

1. Определите, что должен знать контролер

Начните с логики управления, а не с каталога датчиков. Спросите: нужно ли машине только знать, что она достигла исходного положения, или ей нужен угол в любом месте вращения? Нужно ли ему знать местоположение сразу после-включения питания? Поддерживает ли функция зону безопасности или только дисплей оператора? Ответ указывает на переключатель, потенциометр, инкрементальный или абсолютный энкодер, прежде чем обсуждать любой другой параметр.

2. Сопоставьте выход с контроллером.

Элемент обратной связи должен говорить на языке контроллера. Подтверждать:

• Уровень напряжения и тип сигнала (цифровой вход, аналоговый вход, счетчик энкодера, порт полевой шины)
• Протокол (CANopen, J1939, SSI, Modbus, EtherCAT) в цифровом режиме
• Разрешение, включая количество битов на оборот и количество оборотов для абсолютного много-оборота.
• Тип кабеля, экранирование и максимальная длина

3. Укажите точность, разрешение и повторяемость.

Точность – это то, насколько показания близки к истинному углу. Разрешение — это наименьшее приращение, которое может представлять выходной сигнал. Повторяемость – это то, дает ли один и тот же физический угол одинаковые показания после многих циклов. Для мониторинга нагрузки, предотвращения-коллизий и индексации повторяемость важнее, чем абсолютная точность. Для основного углового дисплея приемлемо более низкое разрешение.

4. Подтвердите механический корпус и монтаж.

Элемент обратной связи изменяет контур сборки. Подтверждать:

• Доступная высота, внешний диаметр и сквозное-отверстие
• Размер вала или полого-отверстия и соосность оси поворота
• Направление выхода кабеля или разъема (осевое, радиальное)
• Максимальная скорость вращения в об/мин
• Уровни вибрации и ударов в месте установки
• Сервисный доступ для проверки и замены

Плохое выравнивание по оси вращения является частой причиной преждевременного износа и шумовых сигналов, особенно в модернизированных установках.

5. Соответствуйте операционной среде

Экологические требования определяют выбор корпуса, уплотнений и материалов. Учитывайте пыль, масляный туман, брызги гидравлической жидкости, солевые брызги, давление промывки, диапазон температур окружающей среды, конденсацию, воздействие ультрафиолета и вибрацию. Внутренняя конструкция со степенью защиты IP54 не выдержит установку наружного крана; морская среда обычно требует степени защиты не ниже IP66, герметичных разъемов и коррозионно--стойких креплений.

6. Планирование технического обслуживания и срока службы.

Щеточные-контактные контактные кольца и потенциометры типа дворника-имеют характеристики износа, которые зависят от циклов и силы тока. Бесконтактные энкодеры обычно нуждаются только в периодической проверке. Для машин, простои которых обходятся дорого, отдавайте предпочтение конструкциям, обеспечивающим быструю замену щеток, доступные разъемы и предсказуемые периоды обслуживания.

Распространенные ошибки, которых следует избегать

Выбор датчика до требования контроля

Многие спецификации начинаются со слов «нам нужен кодировщик» еще до того, как кто-либо подтвердит, что контроллер будет делать с данными. Сначала определите функцию управления; следует тип датчика.

Игнорирование совместимости протоколов

Абсолютный энкодер с неправильным протоколом бесполезен до тех пор, пока не будет заменен энкодер или контроллер. CANopen в автомобильной сети J1939 требует шлюза. Всегда проверяйте протокол, скорость передачи данных, диапазоны адресов и терминацию.

Недооценка окружающей среды

Передвижное оборудование для установки вне помещений, морские краны и моечное оборудование для пищевой промышленности – все они с самого начала нуждаются в защите окружающей среды. Добавление уплотнений или вторичного корпуса постфактум редко соответствует надежности правильно герметизированного узла. Выбор междустандартные и нестандартные контактные кольцачасто сводится к тому, превышают ли экологические требования рейтинг каталога.

Относитесь к обратной связи по положению как к второстепенной мысли

Если контактное кольцо и датчик положения поставляются отдельно и собираются позже, часто страдают монтажные допуски, прокладка кабеля и изоляция цепи. Интегрированная конструкция позволяет избежать проблем соосного выравнивания и сокращает спецификацию.

Оптимизация только по цене за единицу

Самый дешевый метод обратной связи редко приводит к самым низким общим затратам. Потенциометр, который изнашивается каждые 18 месяцев при непрерывном использовании вне помещений, требует больше времени простоя и замены, чем герметичный абсолютный энкодер, рассчитанный на полный срок службы оборудования.

Когда вам нужен специальный датчик положения контактного кольца?

A специальное контактное кольцо со встроенным датчиком положенияобычно оправдано, когда применимо одно или несколько из следующих условий:

• Место для установки ограничено, и стандартная площадь, указанная в каталоге, не поместится в центре поворота.
• В одном корпусе необходимы смешанные схемы: силовой-силовой ток, низкое-управление напряжением, Ethernet и CAN в одной сборке.
• Для системы управления требуется определенный протокол (CANopen, J1939, EtherCAT) или не-стандартное разрешение.
• Условия эксплуатации превышают номинальные значения каталога (высокий IP, солевой туман, класс вибрации, экстремальные температуры)
• Механический интерфейс не-стандартный (специальный фланец, размер отверстия, вал, разъем или выход кабеля)
• Обратная связь по положению поддерживает функцию безопасности машины или зонного-управления с документированными требованиями.

Заключение

Датчик положения контактного кольца позволяет вращающемуся оборудованию выполнять две задачи через один вращающийся интерфейс: поддерживать соединение цепей и сообщать, где находится вращающаяся конструкция. Выбор правильной конструкции начинается с функции управления, а не с типа датчика.

Если контроллеру нужен только исходный или ограничительный сигнал, кулачковая пластина и переключатель являются подходящим инструментом. Если для дисплея оператора требуется непрерывный, но нетребовательный угол, подойдет потенциометр. Если требуются повторяемые угловые данные,-готовые к работе в сети и учитывающие-включение-питания, особенно в наружном или мобильном оборудовании, практическим выбором является абсолютный энкодер, часто через CANopen или J1939.

Прежде чем завершить разработку спецификации, подтвердите интерфейс контроллера, механическую оболочку в центре поворота и полный профиль окружающей среды. Если стандартные варианты каталога не соответствуют конкретному применению, встроенная индивидуальная сборка обычно оказывается быстрее и надежнее, чем прикручивание отдельного датчика к существующему контактному кольцу. Следующим шагом будет рассмотрение вашего списка цепей, интерфейса контроллера и монтажного чертежа с командой инженеров контактных колец и преобразование требований в работоспособную конструкцию.