Csúszógyűrűk robotokhoz: Hogyan válasszuk ki a megfelelő típust a robotrendszerekhez

A robotok csúszógyűrűi elektromos csatlakozást biztosítanak egy forgó csuklón keresztül, lehetővé téve a teljesítmény, a vezérlőjelek, az érzékelő visszacsatolása vagy a digitális adatok áthaladását a robotrendszer álló és forgó részei között.

A leghasznosabbak, ha egy tengely folyamatos forgatást igényel, vagy ha az ismételt kábeltekercselés túlzott feszültséget, nagy szervizhurkokat, a közeli mechanizmusokkal való interferenciát vagy gyakori karbantartást okozna.

A robot csúszógyűrűjének kiválasztása azonban nem pusztán a vezetékek számának egyeztetésén múlik. Egy együttműködő robot csuklója, hegesztőrobotja és ellenőrző robotja egyaránt igényelhet forgó elektromos csatlakozásokat, de áram-, kommunikáció-, nyomaték-, sebesség-, mechanikai tér-, környezetvédelem- és üzemidő-igényük nagyon eltérő lehet.

A jobb kiválasztási folyamat egy kérdéssel kezdődik:

Minek kell áthaladnia a forgó csuklón, hogyan mozog az ízület, és milyen elektromos, mechanikai, kommunikációs és környezeti feltételeket kell támogatnia az interfésznek?

Mi az a robot csúszógyűrű?

A robot csúszógyűrűje egy elektromechanikus forgó interfész, amely elektromos energiát, jeleket vagy adatokat továbbít a robotrendszer álló és forgó részei között, miközben lehetővé teszi a relatív forgást.

Az alkalmazástól függően egy forgó interfész tartalmazhatja:

• Motor vagy hajtómű teljesítménye
• Szerszám teljesítmény
• Kódoló visszajelzés
• Érzékelő és vezérlő áramkörök
• Ethernet vagy egyéb ipari kommunikáció
• USB vagy videó
• Több táp- és adatfunkció együtt

A csúszógyűrűk beépíthetők robottalpokra, csuklócsuklókra, szerszámtengelyekre, forgó megfogókra, kamerafejekre, szenzorplatformokra és más olyan mechanizmusokra, ahol az elektromos folytonosságot a forgás révén fenn kell tartani.

Az alkalmazás-specifikus példát lásd a mijelcsúszógyűrűk robotokhoz, ROV-okhoz és UAV-okhoz.

Miért használnak a robotok csúszógyűrűket?

Nem minden robotcsuklóhoz van szükség csúszógyűrűre.

A korlátozott szögű tengely gyakran működhet megfelelően elvezetett rugalmas kábelekkel. A csúszógyűrű fontosabbá válik, ha a tengelynek folyamatosan forognia kell, vagy ha az ismételt kábeltekercselés és letekercselés elfogadhatatlan mechanikai korlátokat okozna.

A robottól függően a csúszógyűrű:

• Folyamatos forgás engedélyezése a rögzített vezetékek többszöri elcsavarása nélkül
• Adjon áramot forgó motorokhoz, működtetőkhöz, fűtőtestekhez, megfogókhoz vagy feldolgozószerszámokhoz
• Visszajelzés a kódolóról és az érzékelőről
• Fenntartja a kommunikációt egy forgó tengelyen keresztül
• Csökkentse a nagy külső kábelhurkok számát
• Egyszerűsítse a vezetékezést a kompakt forgó mechanizmusok körül
• Kombinálja az elektromos erőátvitelt levegővel, vákuummal vagy hidraulikus közeggel

A fontos különbség az, hogy a csúszógyűrű szükségessége az ízület mozgási és átviteli követelményeiből fakad, nem egyszerűen abból, hogy a gép egy robot.

Hol használnak csúszógyűrűt egy robotban?

Forgó robotbázis

A folyamatosan forgó robotbázis interfészt hoz létre az álló gépszerkezet és a forgó felső egység között. A motor teljesítményének, a vezérlőknek, az érzékelőknek, a biztonsággal kapcsolatos vezetékeknek és a kommunikációnak mind át kell lépniük ezt a határt.

Ha egy tengelynek, szerkezeti elemnek, pneumatikus csőnek vagy meglévő kábelkötegnek át kell haladnia a tengely közepén, aátmenő furat csúszógyűrűközponti nyílást biztosíthat a meglévő mechanizmus körül.

Robot csukló és karvégi ízület

A csukló gyakran az egyik legigényesebb hely a robotizált csúszógyűrűk számára. A hely korlátozott lehet, a kar végéhez közeli további tömeg számít, és az ízület gyakori indításokat, leállásokat, irányváltásokat és ismétlődő műveleteket tapasztalhat.

Ugyanazon kötésnek szüksége lehet a következőkre is:

• Elektromos megfogók
• Hegesztő szerszámok
• Csavarhúzók
• Fényképezőgépek
• Erő- vagy helyzetérzékelők
• Adagoló berendezés
• Ellenőrző szondák

A csukló kialakításának ezért egyensúlyban kell lennie a csomagolás méretével, az elektromos áramkörökkel, a kommunikációval, a forgási ellenállással, a kábelvezetéssel és az életciklusra vonatkozó követelményekkel, ahelyett, hogy csak egy specifikációt optimalizálna.

Forgó megfogók és feldolgozószerszámok

Egy megfogó vagy feldolgozószerszám a robotkartól függetlenül is foroghat. A szerszám áramellátást és érzékelő visszajelzést igényelhet, miközben folyamatosan forog saját tengelye körül.

Ha ehhez sűrített levegő vagy vákuum is szükséges, nincs mindig szükség külön forgó készülékekre. Ahibrid elektromos és pneumatikus csúszógyűrűkombinálhatja ezeket a szolgáltatásokat ugyanazon a forgó interfészen.

Kamera-, szkenner- és érzékelőfejek

Az ellenőrző robotok, gépi látórendszerek, szkennerek és mobil robotplatformok forgó kamerákat vagy érzékelőfejeket használhatnak.

Ezek az alkalmazások nagyobb hangsúlyt helyezhetnek a jel integritására és kommunikációjára, mint a nagy áramerősségre. Egyetlen forgó interfésznek szüksége lehet a kamera tápellátására, a kódoló visszajelzésére, az Ethernetre, az USB-re, a videóra vagy más digitális kommunikációra.

Emiatt minden nem tápellátású csatlakozás egyszerűen "jeláramkörként" leírása túl kevés információt nyújt a mérnöki kiválasztáshoz.

Mit tud továbbítani egy robot csúszógyűrűje?

Motor és szerszám teljesítmény

A robot csúszógyűrűje elektromos energiát szállíthat motorokhoz, működtetőkhöz, fűtőtestekhez, lámpákhoz, megfogókhoz, hegesztőberendezésekhez vagy más forgó szerszámokhoz.

Minden áramkört külön kell azonosítani. A kisáramú érzékelő tápellátása és a nagyáramú folyamatterhelés áthaladhat ugyanazon a szerelvényen, de eltérő követelményeket támasztanak a vezetőkkel, érintkezőkkel, vezetékekkel és hőkezeléssel szemben.

A normál áramot is meg kell különböztetni a vonatkozó indítási, bekapcsolási vagy időszakos csúcsáramtól.

Kódoló és érzékelő jelek

A robotrendszerek a kódolóktól, közelségérzékelőktől, erőérzékelőktől, hőmérséklet-érzékelőktől, végálláskapcsolóktól és egyéb műszerektől származó visszajelzésekre támaszkodnak.

Mivel ezek a jelek alacsonyabb elektromos szinten működhetnek, mint a motor- vagy fűtőáramkörök, az olyan tényezők, mint az elektromos zaj, az árnyékolás, a földelés, az áramkörök szétválasztása, a kábelek felépítése és az érintkezők stabilitása fontosabbá válhatnak.

A gyakorlatban nem pusztán a folytonosság fenntartása a cél. A teljes körútnak meg kell őriznie a mérési vagy visszacsatoló áramkör által megkövetelt jellemzőket.

További részletekért tekintse meg útmutatónkat astabil jelátvitel csúszógyűrűkön keresztül.

Ethernet és ipari kommunikáció

A modern robotrendszerekhez szükség lehet Ethernetre vagy más ipari kommunikációs interfészre egy forgó tengelyen keresztül.

Ebben a helyzetben nem elegendő csak az „adatok” megadása. A nagy sebességű kommunikáció a teljes átviteli útvonaltól függ, beleértve a vezetékek elrendezését, a kábel felépítését, az árnyékolást, a lezárást és a támogatandó kommunikációs interfészt.

IEEE 802.3meghatározza az Ethernet hálózati technológiákat a MAC és a fizikai szinten. A forgó interfész esetében ez azt jelenti, hogy az Ethernetet meghatározott kommunikációs követelményként kell kezelni, nem pedig tartalék vezetékek általános csoportjaként.

A hagyományos tápgyűrűben lévő nem használt áramkörökről nem szabad automatikusan feltételezni, hogy biztosítják a szükséges Ethernet-teljesítményt.

A termékszintű példát lásd a miGigabit Ethernet csúszógyűrű.

USB, videó és egyéb digitális interfészek

A robotkamerák, 3D szkennerek, ellenőrző platformok és gépi látóberendezések szintén igényelhetnek USB-t, digitális videót vagy más nagy sávszélességű kapcsolatot.

A vezetők száma önmagában nem határozza meg a protokoll-kompatibilitást. A tényleges interfészt és a szükséges kommunikációs teljesítményt a kiválasztás során kell meghatározni.

Egy releváns alkalmazási példa a miUSB 2.0 csúszógyűrű robotikához.

Levegő, vákuum és hidraulikus közeg

A robotszerszámokhoz gyakran több kell, mint az elektromosság. A pneumatikus megfogók sűrített levegőt igényelnek, a vákuumszerszámok vákuumpályát igényelnek, a speciális rendszerek pedig hidraulikus közeget használnak.

Ha ezek a szolgáltatások ugyanazon a tengelyen osztoznak, egy hibrid forgószerelvény integrálhatja az elektromos és a folyadékátvitelt egyetlen forgó interfészbe.

Hogyan változtatják meg a robotalkalmazások a csúszógyűrűs követelményeket

A „robotika” kifejezés nem egy teljes csúszógyűrű-specifikáció. A közös hely, a folyamat, a hasznos teher, a kommunikációs követelmény, a környezet és a mozgásprofil határozza meg, hogy mely paraméterek számítanak leginkább.

Két hasonló mozgást végző robot ezért nagyon eltérő forgó elektromos interfészt igényelhet.

Milyen típusú csúszógyűrű illik egy robothoz?

Kapszula és miniatűr csúszógyűrűk

A kapszula és a miniatűr kialakításokat általában akkor veszik figyelembe, ha a külső átmérő korlátozott, és nincs szükség nagy központi nyílásra.

Kompakt megfogókhoz, kis robotcsuklókhoz, kamerákhoz, műszerekhez és ellenőrző mechanizmusokhoz illeszkedhetnek. A csomag mérete azonban önmagában nem elegendő. Az egységnek továbbra is támogatnia kell a szükséges áramerősséget, áramköröket, jeleket, sebességet, nyomatékot, vezetékeket és élettartamot.

Lásd a mikapszula csúszógyűrűs tartománye kompakt architektúra példáihoz.

Átmenő furatú csúszógyűrűk

Egy átmenő furatú csúszógyűrű nyílást biztosít a forgó egység közepén. Ez akkor hasznos, ha egy robottengely már tartalmaz tengelyt, szerkezeti elemet, kábelköteget, pneumatikus csövet, hidraulikus vezetéket vagy más gépi szolgáltatást.

A szükséges furatot korán meg kell határozni, mert a furat átmérőjének növekedése a teljes mechanikai burkot is befolyásolja.

Palacsinta csúszógyűrűk

Palacsinta-konfiguráció akkor jöhet számításba, ha az axiális tér szorosan korlátozott, de további radiális tér áll rendelkezésre.

Ez a kapszula és a hagyományos átmenőlyuk-kialakítástól eltérő csomagolási kompromisszumot eredményez. Az axiálisan korlátozott telepítésekhez lásd a mipalacsinta csúszógyűrűs megoldások.

Adatátvitelre alkalmas és hibrid kialakítások

Ha az Ethernet, az USB, a videó, a kódoló visszacsatolása vagy más kommunikációs interfész elengedhetetlen, az adatteljesítmény kezdettől fogva befolyásolja a tervezést, ahelyett, hogy később tartalék áramkörökhöz rendelnék.

Ahol az elektromos áramnak, a jeleknek, a kommunikációnak és a levegő- vagy folyadékszolgáltatásoknak ugyanazon a tengelyen kell osztozniuk, az integrált hibrid architektúra praktikusabb lehet, mint több különálló forgóeszköz.

Hogyan válasszunk csúszógyűrűt egy robothoz

1. Kezdje a forgó csuklóval

Az illesztési geometria azonnal meghatározza, hogy mely csúszógyűrűs architektúrák a valósághűek.

Határozza meg, melyik tengely forog, hogy a mozgás folyamatos vagy korlátozott-e, foglal-e tengely vagy szervizvezeték a középpontot, hova kerül a csúszógyűrű, és mekkora sugárirányú és axiális tér áll rendelkezésre.

E döntések meghozatalakor elkerülhető, hogy olyan elektromos konfigurációt válasszunk, amely később ütközik a robot szerkezetével.

2. Készítsen áramköri ütemtervet

Egy olyan követelmény, mint a „20 vezeték” nem elég, mert nem magyarázza meg, mit kell hordozniuk ezeknek a vezetékeknek.

Minden áramkörnél jegyezze fel:

• Funkció
• Feszültség
• Normál áram
• Releváns csúcs vagy indítási áram
• Legyen szó teljesítményről, vezérlésről, mérésről vagy kommunikációról

Ez elválasztja a nagy terhelésű áramköröket az alacsony szintű visszacsatolási és kommunikációs csatornáktól a mechanikai tervezés véglegesítése előtt.

3. A jelek és a kommunikáció azonosítása funkció szerint

A "hat jelvezeték" ugyanazt a problémát okozza.

A kódoló, a hőelem, az analóg érzékelő, a CAN interfész, az Ethernet kapcsolat, az USB-csatlakozás és a videocsatorna nem egyenértékű követelmény.

Az elektromos folytonosság és a kommunikációs kompatibilitás különböző mérnöki kérdések.

A csúszógyűrűt a tényleges interfészre kell értékelni, nem pedig egyszerűen a vezető utak számára.

4. Ismertesse a mozgásprofilt, ne csak a maximális fordulatszámot

A robot tengelye folyamatosan futhat, oszcillálhat, ismételten visszafordulhat, gyorsan gyorsulhat és lassulhat, vagy csak rövid folyamatciklusok alatt működhet.

Ezek a feltételek fontosak, mert a kopás és az életciklus az érintkező felületek és a mechanikai alkatrészek időbeli működésétől függ. Ezért két, azonos maximális RPM-mel rendelkező alkalmazás eltérő szolgáltatási igényeket támaszthat.

Adja meg a normál sebességet, a maximális sebességet, a mozgás típusát, az irányváltási frekvenciát és a hozzávetőleges működési időt.

Ahol a forgási sebesség komoly korlátozást jelent, cikkünk errőlnagy sebességű csúszógyűrűs kialakítástovábbi kontextust biztosít.

5. Ellenőrizze a nyomatékot és a mechanikai integrációt együtt

A csúszógyűrű az ízület mechanikai terhelésének részévé válik. Az érintkezők, csapágyak és tömítések forgási ellenállást idézhetnek elő, ami számíthat kompakt kötéseknél, együttműködő robotoknál, könnyű szerszámoknál és precíziós pozicionáló rendszerekben.

Ha a nyomatékhatár korlátozott, különböztesse meg az indítónyomatékot a futási nyomatéktól, és hasonlítsa össze mindkettőt a rendelkezésre álló csuklómaradékkal.

Ezzel egyidejűleg ellenőrizni kell a mechanikai illeszkedést. Jegyezze fel a maximális külső átmérőt, axiális hosszt, a furatszükségletet, a rögzítési interfészt, a forgórész és az állórész tájolását, a kábelkilépési irányt és a csatlakozó helyzetét.

A lead routing szintén a tervezés része. Egy megfelelő csúszógyűrű akkor is okozhat integrációs problémákat, ha a kábelek zavarják a házat, a közelben mozgó alkatrészeket vagy a szükséges hajlítási sugarat.

6. Fordítsa le a környezetet tervezési követelményekké

A robotberendezések tiszta beltéri automatizálásban, hegesztőcellákban, mosóterületeken, kültéri ellenőrző rendszerekben, bányászati ​​környezetben vagy tengeri alkalmazásokban működhetnek.

A homályos „vízálló” vagy „ipari” kialakítás kérése helyett dokumentálja a pornak, nedvességnek, mosásnak, sónak, vegyszereknek, hőmérsékletnek, vibrációnak, ütésnek vagy tisztatér körülményeinek való tényleges kitettséget.

AIEC 60529 szabványmeghatározza az elektromos burkolatok által biztosított védelem osztályozására használt IP-kódot. A megfelelő IP-követelménynek ezért a robot valós expozíciós feltételein kell alapulnia.

Alkalmazási útmutatásért lásd magyarázatunkatcsúszógyűrű IP minősítések.

7. Fontolja meg az életciklus és a karbantartási hozzáférést

A robot csuklójába eltemetett csúszógyűrű más karbantartási problémát okoz, mint egy könnyen hozzáférhető forgóasztalra szerelt gyűrű.

Fontolja meg együtt a várható üzemórákat, a mozgási gyakoriságot, a hozzáférhetőséget, az elfogadható állásidőt és a megelőző-karbantartási stratégiát.

Az élettartam-adatokat mindig egy adott tervezési és működési körülmény összefüggésében kell értelmezni, nem pedig egyetlen univerzális forgásértékként kezelni minden robotalkalmazáshoz.

Tekintse meg útmutatónkattényezők, amelyek befolyásolják a csúszógyűrű élettartamát.

8. Döntse el, hogy a szabványos vagy az egyedi tervezés illeszkedik-e

A szabványos termék általában akkor a legjobb kiindulási pont, ha méretei, furata, áramkörei, áramerőssége, kommunikációs képessége, mozgási teljesítménye, nyomatéka és környezetvédelme már megfelel a robotnak.

A testreszabás akkor válik relevánsabbá, ha egy szabványos termék a tervezésben máshol jelentős kompromisszumot hoz létre, például túlméretezett csatlakozást, elégtelen furatot, nem támogatott kommunikációt, rossz kábelvezetést, vagy több különálló elektromos és folyékony forgóeszköz szükségességét.

Útmutatónk aszabványos vs. egyedi csúszógyűrűkrészletesebben kifejti ezt a döntést.

Szemléltető példa: Csúszógyűrű kiválasztása kompakt robotcsuklóhoz

A következő példa inkább a választék szemléltetése, nem pedig az ügyfél esete.

Tegyük fel, hogy egy robot csuklója a következő követelményekkel rendelkezik:

• Korlátozott külső átmérő
• Nincs szükség nagy központi furatra
• Motor vagy szerszám teljesítménye
• Kódoló visszajelzés
• Ethernet kommunikáció
• Folyamatos forgás gyakori irányváltásokkal
• Viszonylag szűk forgatónyomaték költségvetés

A korlátozott átmérő a kompakt kapszula-stílusú architektúra felé mutat, nem pedig egy nagy átmenő furatú egység felé. A csomag mérete azonban önmagában nem határozza meg a választ, mivel az Ethernet csatornát meghatározott kommunikációs útvonalként kell kezelni, és a nyomatékigényt össze kell hasonlítani a csatlakozás rendelkezésre álló tartalékával.

A mozgásprofil azt is jelenti, hogy a maximális RPM nem lehet az egyetlen életciklus-bemenet. Az átváltási gyakoriságot, az üzemórákat és a karbantartási hozzáférést fel kell tüntetni.

A valószínű döntési út tehát:

Kompakt mechanikai architektúra → ellenőrzött adatátviteli képesség → nyomaték-ellenőrzés → mozgás/életciklus áttekintés → standard termék, ha minden követelmény megfelel, egyedi tervezés, ha nem.

Ez a fő oka annak, hogy a robot csúszógyűrűit a teljes csatlakozási követelmény alapján kell kiválasztani, nem pedig az átmérő vagy a körszám alapján.

Robot csúszógyűrű specifikációs sablon

Mielőtt kapcsolatba lépne egy szállítóval, készítsen elő egy követelménylapot, amely leírja a teljes forgó interfészt.

Ez a formátum elegendő kontextust biztosít a szállítónak ahhoz, hogy kiértékelje a teljes forgó csuklót, ahelyett, hogy pusztán a huzalszámból tenne feltételezéseket.

Gyakori hibák a robot csúszógyűrű kiválasztásánál

Csak vezeték- vagy áramkörszám megadása

A „20 vezeték” vagy „hat jeláramkör” nem magyarázza az elektromos terhelést vagy a kommunikációs funkciót. Azonosítsa a feszültséget, az áramerősséget, a csúcsterhelést és a jelet vagy protokollt minden érintett útvonalhoz.

A csúcsáram figyelmen kívül hagyása

A motorok és a feldolgozószerszámok eltérő áramot vehetnek fel indításkor vagy bizonyos működési szakaszokban, mint az állandósult üzemmódban. A vonatkozó csúcsviszonyokat fel kell tüntetni a specifikációban.

Egyedül a maximális fordulatszám kiválasztása

A maximális sebesség nem írja le a gyorsítást, a visszafordítást, a kerékpározást, a működési időt vagy az oszcilláló mozgást. Ezeket a feltételeket figyelembe kell venni az életciklus és a mechanikai alkalmasság értékelésekor.

A nyomaték és a mechanikai illeszkedés figyelmen kívül hagyása

Előfordulhat, hogy egy kompakt egység túl nagy forgási ellenállást hoz létre egy érzékeny csatlakozáshoz, míg egy elektromosan megfelelő egység túl nagy lehet a rendelkezésre álló burkolathoz. A mechanikai integrációt és az elektromos képességet együtt kell felülvizsgálni.

Adatok kezelése tartalék vezetékként

A nagy sebességű kommunikációt tervezett átviteli útvonalként kell kezelni. A vezetők száma önmagában nem határozza meg az Ethernet, az USB, a videó vagy más protokoll teljesítményét.

Feltéve, hogy minden robottengelyhez csúszógyűrűre van szüksége

A korlátozott szögű csatlakozások gyakran alkalmazhatnak rugalmas kábelezést. A csúszógyűrű a legmegfelelőbb ott, ahol a folyamatos forgás vagy az ismétlődő kábelcsavarás valódi mérnöki követelményeket támaszt.

Mikor van szüksége egy robotnak egyedi csúszógyűrűre?

Az egyedi fejlesztés akkor válik hasznossá, ha több igényes követelmény fedi egymást ugyanazon a forgó csuklón.

A tipikus kombinációk a következők:

• Nagyon kis csomag + kódoló + Ethernet
• Nagy átmenő furat + motorteljesítmény + vezérlőjelek
• Hegesztési teljesítmény + kommunikáció
• Tápellátás + USB vagy videó + pneumatikus szerszámok
• Kemény környezeti expozíció + kamera vagy érzékelő adatok
• Alacsony nyomaték + ismétlődő nagy ciklusú mozgás
• Alkalmazás-specifikus kábel, csatlakozó vagy szerelési követelmények

A testreszabásnak meg kell oldania egy tényleges integrációs megszorítást, ahelyett, hogy egyszerűen hozna létre egy másik katalógusrészt.

Ha a szabványos termékek nem felelnek meg a teljes elektromos, kommunikációs, mechanikai és környezetvédelmi követelményeknek, tekintse át a miszemélyre szabott csúszógyűrűs megoldások.

Végső gondolatok

Slip rings for robots should be selected as part of the complete rotating-joint architecture rather than as isolated electrical components.

Kezdje az ízülettel. Határozza meg, minek kell kereszteznie, hogyan mozogjon, mennyi mechanikai hely áll rendelkezésre, milyen kommunikációs interfészek szükségesek, milyen nyomatékkorlátozások vonatkoznak, és milyen környezetet és életciklust kell támogatnia az összeállításnak.

Ha ezek a feltételek egyértelműek, sokkal strukturáltabb lesz a választás a kapszula, az átmenő lyuk, a palacsinta, az adatátvitelre alkalmas, a hibrid, a szabványos vagy az egyedi csúszógyűrű között.

Mielőtt árajánlatot kérne, készítse el a teljes forgó interfész specifikációt ahelyett, hogy csak áramkörszámot vagy teljes méreteket küldene.