Klizni prstenovi za robote: Kako odabrati pravi tip za robotske sisteme

Klizni prstenovi za robote pružaju električnu vezu preko rotacionog zgloba, omogućavajući snazi, kontrolnim signalima, povratnim informacijama senzora ili digitalnim podacima da prolaze između stacionarnih i rotirajućih dijelova robotskog sistema.

Oni su najkorisniji kada os zahtijeva kontinuiranu rotaciju ili kada bi ponovljeno namotavanje kabela stvorilo pretjerano naprezanje, velike servisne petlje, smetnje u obližnjim mehanizmima ili često održavanje.

Odabir kliznog prstena za robota, međutim, nije samo pitanje podudaranja broja žica. Zajednički robotski zglob, robot za zavarivanje i robot za inspekciju mogu svi trebati rotacione električne veze, ali njihovi zahtjevi za struju, komunikaciju, moment, brzinu, mehanički prostor, zaštitu okoliša i radni vijek mogu biti vrlo različiti.

Bolji proces odabira počinje jednim pitanjem:

Šta mora proći kroz rotirajući zglob, kako se zglob pomiče i koje električne, mehaničke, komunikacijske i uvjete okoline mora podržavati interfejs?

Šta je robotski klizni prsten?

Robotski klizni prsten je elektromehaničko rotaciono sučelje koje prenosi električnu snagu, signale ili podatke između stacionarnih i rotirajućih sekcija robotskog sistema dok dozvoljava relativnu rotaciju.

Ovisno o primjeni, jedno okretno sučelje može nositi:

• Snaga motora ili aktuatora
• Snaga alata
• Povratna informacija kodera
• Senzorski i upravljački krugovi
• Ethernet ili druga industrijska komunikacija
• USB ili video
• Nekoliko funkcija napajanja i podataka zajedno

Klizni prstenovi se mogu ugraditi u baze robota, zglobove zglobova, osovine alata, rotirajuće hvataljke, glave kamera, senzorske platforme i druge mehanizme gdje se električni kontinuitet mora održavati rotacijom.

Za primjer specifičan za aplikaciju, pogledajte našusignalni klizni prstenovi za robote, ROV i UAV.

Zašto roboti koriste klizne prstenove?

Nije za svaki zglob robota potreban klizni prsten.

Os ograničenog kuta često može raditi s pravilno postavljenim fleksibilnim kablovima. Klizni prsten postaje relevantniji kada se os mora kontinuirano rotirati ili kada bi ponovljeno namotavanje i odmotavanje kabela stvorilo neprihvatljivo mehaničko ograničenje.

U zavisnosti od robota, klizni prsten može:

• Omogućite kontinuiranu rotaciju bez stalnog uvrtanja fiksnog ožičenja
• Isporučujte snagu rotirajućim motorima, aktuatorima, grijačima, hvataljkama ili procesnim alatima
• Povratni enkoder i povratna informacija senzora
• Održavajte komunikaciju preko rotirajuće ose
• Smanjite velike vanjske kablovske petlje
• Pojednostavite ožičenje oko kompaktnih rotirajućih mehanizama
• Kombinirajte električni prijenos sa zračnim, vakuumskim ili hidrauličnim medijima

Važna razlika je da potreba za kliznim prstenom proizlazi iz zahtjeva za kretanjem i prijenosom zgloba, a ne samo iz činjenice da je mašina robot.

Gdje se klizni prsten koristi u robotu?

Rotirajuća robotska baza

Kontinuirano rotirajuća baza robota stvara sučelje između stacionarne strojne strukture i rotirajućeg gornjeg sklopa. Snaga motora, kontrole, senzori, sigurnosno ožičenje i komunikacija će možda morati prijeći ovu granicu.

Ako osovina, konstrukcijski element, pneumatska cijev ili postojeći snop kablova moraju proći kroz središte ose,klizni prsten kroz rupumože obezbijediti centralni otvor oko postojećeg mehanizma.

Robotski zglob i zglob na kraju ruke

Zglob je često jedna od najzahtjevnijih lokacija za robotski klizni prsten. Prostor može biti ograničen, dodatna masa blizu kraja ruke je važna, a zglob može doživjeti česta pokretanja, zaustavljanja, promjene smjera i ponavljajuće operacije.

Isti spoj će možda trebati isporučiti:

• Električne hvataljke
• Alati za zavarivanje
• Odvijači
• Kamere
• Senzori sile ili položaja
• Oprema za doziranje
• Inspekcijske sonde

Dizajn ručnog zgloba stoga mora uravnotežiti veličinu paketa, električne krugove, komunikaciju, otpor rotacije, usmjeravanje kablova i zahtjeve životnog ciklusa, umjesto da optimizira samo jednu specifikaciju.

Rotirajuće hvataljke i procesni alati

Hvatalo ili procesni alat može se rotirati nezavisno od ruke robota. Alat može zahtijevati snagu i povratnu informaciju senzora dok se neprekidno okreće oko svoje ose.

Ako takođe zahteva komprimovani vazduh ili vakuum, odvojeni rotacioni uređaji nisu uvek potrebni. Ahibridni električni i pneumatski klizni prstenmože kombinovati ove usluge na istom rotirajućem interfejsu.

Kamera, skener i senzorske glave

Inspekcijski roboti, sistemi mašinskog vida, skeneri i mobilne robotske platforme mogu koristiti rotirajuće kamere ili senzorske glave.

Ove aplikacije mogu staviti veći naglasak na integritet signala i komunikaciju nego na veliku struju. Jedno rotirajuće sučelje možda će trebati prenositi napajanje kamere, povratnu informaciju enkodera, Ethernet, USB, video ili drugu digitalnu komunikaciju.

Iz tog razloga, opisivanje svake veze bez napajanja jednostavno kao "signalni krug" daje premalo informacija za inženjerski odabir.

Šta može prenijeti robotski klizni prsten?

Snaga motora i alata

Robotski klizni prsten može isporučivati ​​električnu energiju motorima, aktuatorima, grijačima, svjetlima, hvataljkama, opremi za zavarivanje ili drugim rotirajućim alatima.

Svaki strujni krug treba posebno identificirati. Napajanje senzora niske struje i procesno opterećenje visoke struje mogu proći kroz isti sklop, ali stvaraju različite zahtjeve za provodnike, kontakte, ožičenje i upravljanje toplinom.

Normalnu struju također treba razlikovati od relevantne struje pokretanja, naleta ili povremene vršne struje.

Signali enkodera i senzora

Robotski sistemi se oslanjaju na povratne informacije od enkodera, senzora blizine, senzora sile, senzora temperature, graničnih prekidača i drugih instrumenata.

Budući da ovi signali mogu raditi na nižim električnim razinama od krugova motora ili grijača, faktori kao što su električni šum, zaštita, uzemljenje, razdvajanje kola, konstrukcija kabla i stabilnost kontakta mogu postati važniji.

U praksi, cilj nije samo održavanje kontinuiteta. Kompletna rotirajuća putanja mora sačuvati karakteristike koje zahtijeva mjerni ili povratni krug.

Za više detalja, pogledajte naš vodič zastabilan prenos signala kroz klizne prstenove.

Ethernet i industrijske komunikacije

Moderni robotski sistemi mogu zahtijevati Ethernet ili drugi industrijski komunikacioni interfejs preko rotirajuće ose.

U ovoj situaciji, navođenje samo "podataka" nije dovoljno. Komunikacija velike brzine zavisi od kompletnog puta prenosa, uključujući raspored provodnika, konstrukciju kabla, oklop, završetak i komunikacioni interfejs koji mora biti podržan.

IEEE 802.3definira Ethernet mrežne tehnologije na MAC-u i fizičkim slojevima. Za rotirajući interfejs, to znači da Ethernet treba da se tretira kao definisani komunikacioni zahtev, a ne kao generička grupa rezervnih provodnika.

Ne bi trebalo automatski pretpostaviti da neiskorištena kola u konvencionalnom kliznom prstenu za napajanje pružaju potrebne Ethernet performanse.

Za primjer na nivou proizvoda, pogledajte našGigabit Ethernet klizni prsten.

USB, video i drugi digitalni interfejsi

Robotske kamere, 3D skeneri, platforme za inspekciju i oprema za mašinski vid takođe mogu zahtevati USB, digitalni video ili drugu vezu visokog propusnog opsega.

Samo broj provodnika ne utvrđuje kompatibilnost protokola. Stvarni interfejs i potrebne komunikacijske performanse treba definisati tokom izbora.

Relevantan primjer primjene je našUSB 2.0 klizni prsten za robotiku.

Vazdušni, vakuumski i hidraulički mediji

Za alate robota često je potrebno više od električne energije. Pneumatske hvataljke mogu zahtijevati komprimirani zrak, vakuumski alati zahtijevaju vakuumski put, a specijalizovani sistemi mogu koristiti hidraulične medije.

Kada ove usluge dijele istu osovinu, hibridni rotirajući sklop može integrirati električni i fluidni prijenos u jedan rotirajući interfejs.

Kako aplikacije robota mijenjaju zahtjeve za klizne prstenove

Termin "robotika" nije potpuna specifikacija kliznog prstena. Zajednička lokacija, proces, nosivost, komunikacijski zahtjevi, okruženje i profil kretanja određuju koji su parametri najvažniji.

Dva robota koji izvode slične pokrete mogu stoga zahtijevati vrlo različita rotirajuća električna sučelja.

Koja vrsta kliznog prstena odgovara robotu?

Kapsula i minijaturni klizni prstenovi

Kapsula i minijaturni dizajn se obično razmatra kada je vanjski promjer ograničen i kada nije potreban veliki centralni otvor.

Mogu odgovarati kompaktnim hvataljkama, malim robotskim zglobovima, kamerama, instrumentima i inspekcijskim mehanizmima. Međutim, sama veličina paketa nije dovoljna. Jedinica i dalje mora podržavati potrebnu struju, strujne krugove, signale, brzinu, obrtni moment, ožičenje i radni vijek.

Pogledajte našeraspon kliznih prstena za kapsuleza primjere ove kompaktne arhitekture.

Klizni prstenovi kroz rupu

Klizni prsten kroz otvor pruža otvor kroz sredinu rotacionog sklopa. To ga čini korisnim tamo gdje osovina robota već sadrži osovinu, strukturni element, snop kabela, pneumatsku cijev, hidrauličnu liniju ili drugu mašinsku uslugu.

Potreban provrt treba rano definirati jer povećanje promjera provrta također utiče na ukupni mehanički omotač.

Prstenovi za palačinke

Konfiguracija palačinke može se razmotriti kada je aksijalni prostor čvrsto ograničen, ali je dostupan dodatni radijalni prostor.

Ovo stvara drugačiji kompromis u odnosu na pakiranje od kapsula i konvencionalnog dizajna kroz rupe. Za aksijalno ograničene instalacije, pogledajte našerješenja za klizne prstenove za palačinke.

Data-Capable i hibridni dizajni

Ako su Ethernet, USB, video, povratna informacija od kodera ili neko drugo komunikacijsko sučelje od suštinskog značaja, performanse podataka bi trebale utjecati na dizajn od početka, umjesto da se kasnije dodijele rezervnim kolima.

Tamo gdje električna energija, signali, komunikacija i usluge zraka ili fluida moraju dijeliti istu osu, integrirana hibridna arhitektura može biti praktičnija od nekoliko odvojenih rotacijskih uređaja.

Kako odabrati klizni prsten za robota

1. Počnite s rotirajućim zglobom

Geometrija zgloba odmah određuje koja je arhitektura kliznih prstenova realna.

Identifikujte koja se osovina rotira, da li je kretanje kontinuirano ili ograničeno, da li osovina ili servisna linija zauzimaju centar, gde će se montirati klizni prsten i koliko je radijalnog i aksijalnog prostora na raspolaganju.

Donošenjem ovih odluka prvo se izbjegava odabir električne konfiguracije koja je kasnije u sukobu sa strukturom robota.

2. Napravite raspored kola

Zahtjev kao što je "20 žica" nije dovoljan jer ne objašnjava šta ti provodnici moraju nositi.

Za svaki krug zabilježite:

• Funkcija
• Voltage
• Normalna struja
• Relevantna vršna ili startna struja
• Bilo da nosi napajanje, kontrolu, mjerenje ili komunikaciju

Ovo odvaja kola visokog opterećenja od povratnih i komunikacionih kanala niskog nivoa pre nego što se mehanički dizajn završi.

3. Identifikujte signale i komunikaciju prema funkciji

"Šest signalnih žica" stvara isti problem.

Enkoder, termoelement, analogni senzor, CAN interfejs, Ethernet veza, USB veza i video kanal nisu ekvivalentni zahtevi.

Električni kontinuitet i komunikacijska kompatibilnost različita su inženjerska pitanja.

Klizni prsten treba procijeniti za stvarno sučelje, a ne samo za broj provodnih puteva.

4. Opišite profil pokreta, a ne samo maksimalni broj okretaja u minuti

Osa robota može raditi neprekidno, oscilirati, više puta se okretati unazad, brzo ubrzavati i usporavati ili raditi samo tokom kratkih ciklusa procesa.

Ovi uslovi su važni jer habanje i životni ciklus zavise od toga kako kontaktne površine i mehaničke komponente rade tokom vremena. Dvije aplikacije s istim maksimalnim RPM-om mogu stoga stvoriti različite zahtjeve za uslugom.

Odredite normalnu brzinu, maksimalnu brzinu, tip kretanja, frekvenciju preokreta i približno vrijeme rada.

Gdje je brzina rotacije glavno ograničenje, naš članak o tomedizajn kliznog prstena velike brzinepruža dodatni kontekst.

5. Zajedno provjerite obrtni moment i mehaničku integraciju

Klizni prsten postaje dio mehaničkog opterećenja zgloba. Kontakti, ležajevi i zaptivke mogu uvesti otpor rotacije, što može biti važno kod kompaktnih spojeva, kolaborativnih robota, laganog alata i sistema za precizno pozicioniranje.

Tamo gdje je margina zakretnog momenta ograničena, razlikovati početni moment od radnog momenta i usporediti oba s dostupnom marginom zgloba.

U isto vrijeme treba provjeriti mehaničko prianjanje. Zabilježite maksimalni vanjski promjer, aksijalnu dužinu, zahtjeve za provrtom, sučelje za montažu, orijentaciju rotora i statora, smjer izlaza kabela i položaj konektora.

Usmjeravanje elektroda je također dio dizajna. Odgovarajući klizni prsten i dalje može stvoriti probleme sa integracijom ako kablovi ometaju kućište, obližnje pokretne komponente ili potreban radijus savijanja.

6. Prevedite okruženje u zahtjeve dizajna

Robotska oprema može raditi u čistoj unutrašnjoj automatizaciji, ćelijama za zavarivanje, prostorima za pranje, vanjskim sistemima za inspekciju, rudarskim okruženjima ili pomorskim aplikacijama.

Umjesto da zahtijevate neodređeni "vodootporan" ili "industrijski" dizajn, dokumentirajte stvarnu izloženost prašini, vlazi, ispiranju, soli, hemikalijama, temperaturi, vibracijama, udaru ili uvjetima čiste sobe.

TheIEC 60529 standarddefinira IP kod koji se koristi za klasifikaciju zaštite koju pružaju električna kućišta. Odgovarajući IP zahtjev bi stoga trebao biti zasnovan na stvarnim uslovima izlaganja robota.

Za upute za primjenu, pogledajte naše objašnjenjeIP ocjene kliznog prstena.

7. Razmotrite pristup životnom ciklusu i održavanju

Klizni prsten zakopan unutar zgloba robota stvara drugačiji problem održavanja od onog koji je montiran na lako dostupnom rotirajućem stolu.

Uzmite u obzir očekivane radne sate, frekvenciju kretanja, pristupačnost, prihvatljivo vrijeme zastoja i strategiju preventivnog održavanja.

Brojke radnog vijeka uvijek treba tumačiti u kontekstu određenog dizajna i radnih uvjeta, a ne tretirati kao jednu univerzalnu vrijednost rotacije za svaku robotsku primjenu.

Pogledajte naš vodič zafaktori koji utiču na životni vek kliznog prstena.

8. Odlučite da li odgovara standardni ili prilagođeni dizajn

Standardni proizvod je obično najbolja početna tačka kada njegove dimenzije, provrt, strujni krugovi, nazivne struje, komunikacijska sposobnost, performanse pokreta, obrtni moment i zaštita okoliša već odgovaraju robotu.

Prilagođavanje postaje relevantnije kada standardni proizvod stvara značajan kompromis na drugim mjestima u dizajnu, kao što je preveliki spoj, nedovoljan otvor, nepodržana komunikacija, loše usmjeravanje kablova ili potreba za nekoliko odvojenih električnih i fluidnih rotacijskih uređaja.

Naš vodič zastandardni vs. prilagođeni klizni prstenoviobjašnjava ovu odluku detaljnije.

Ilustrativan primjer: Odabir kliznog prstena za kompaktni robotski zglob

Sljedeći primjer je ilustracija odabira, a ne slučaj kupca.

Pretpostavimo da ručni zglob robota ima sljedeće zahtjeve:

• Ograničeni vanjski promjer
• Nema potrebe za velikim središnjim provrtom
• Snaga motora ili alata
• Povratna informacija kodera
• Ethernet komunikacija
• Kontinuirana rotacija sa čestim preokretima
• Relativno mali budžet obrtnog momenta

Ograničeni prečnik ukazuje na kompaktnu arhitekturu u stilu kapsule, a ne na veliku jedinicu koja prolazi kroz rupe. Međutim, sama veličina paketa ne određuje odgovor jer se Ethernet kanal mora tretirati kao definirana komunikacijska staza i zahtjev za momentom mora se provjeriti u odnosu na raspoloživu marginu spoja.

Profil kretanja također znači da maksimalni broj okretaja u minuti ne bi trebao biti jedini ulaz u životnom ciklusu. Učestalost preokretanja, radni sati i pristup održavanju treba da budu uključeni.

Vjerovatni put odluke je stoga:

Kompaktna mehanička arhitektura → verifikovan prenos sa mogućnošću prenosa podataka → pregled obrtnog momenta → pregled kretanja/životnog ciklusa → standardni proizvod ako svi zahtevi odgovaraju, prilagođeni dizajn ako ne odgovaraju.

Ovo je glavni razlog zašto bi robotske klizne prstenove trebalo birati na osnovu kompletnog zahtjeva za spojeve, a ne samo na osnovu promjera ili broja krugova.

Predložak specifikacije kliznog prstena robota

Prije nego kontaktirate dobavljača, pripremite list sa zahtjevima koji opisuje kompletan rotirajući interfejs.

Ovaj format pruža dobavljaču dovoljno konteksta da procijeni cijeli rotirajući spoj umjesto da pravi pretpostavke samo na osnovu broja žica.

Uobičajene greške pri odabiru kliznog prstena robota

Određivanje samo broja žica ili kola

"20 žica" ili "šest signalnih krugova" ne objašnjava električno opterećenje ili komunikacijsku funkciju. Identifikujte napon, struju, vršno opterećenje i signal ili protokol za svaku relevantnu putanju.

Zanemarivanje vršne struje

Motori i procesni alati mogu povući drugačiju struju tokom pokretanja ili određenih radnih faza nego tokom rada u stacionarnom stanju. Relevantni vršni uslovi treba da budu uključeni u specifikaciju.

Odabir samo od maksimalnog broja okretaja

Maksimalna brzina ne opisuje ubrzanje, preokret, ciklus, vrijeme rada ili oscilirajuće kretanje. Ove uslove treba uključiti prilikom procene životnog ciklusa i mehaničke podobnosti.

Zanemarivanje obrtnog momenta i mehaničkog uklapanja

Kompaktna jedinica i dalje može stvoriti preveliki otpor rotacije za osjetljivi spoj, dok električni prikladna jedinica može biti prevelika za dostupnu omotnicu. Mehanička integracija i električna sposobnost treba da se pregledaju zajedno.

Tretiranje podataka kao rezervnog ožičenja

Komunikaciju velike brzine treba tretirati kao projektovani put prenosa. Samo broj provodnika ne utvrđuje performanse Etherneta, USB-a, video ili drugog protokola.

Pod pretpostavkom da je svakoj osovini robota potreban klizni prsten

Spojevi sa ograničenim uglom često mogu koristiti fleksibilne kablove. Klizni prsten je najprikladniji tamo gdje kontinuirana rotacija ili ponavljano uvrtanje kabla stvara istinski inženjerski zahtjev.

Kada robotu treba prilagođeni klizni prsten?

Izrada po meri postaje korisna kada se nekoliko zahtevnih zahteva preklapa na istom rotirajućem spoju.

Tipične kombinacije uključuju:

• Vrlo mali paket + enkoder + Ethernet
• Veliki otvor + snaga motora + kontrolni signali
• Snaga zavarivanja + komunikacija
• Napajanje + USB ili video + pneumatski alat
• Oštra izloženost okolini + podaci kamere ili senzora
• Nizak obrtni moment + ponavljajuća kretanja u velikom ciklusu
• Zahtjevi za kabel, konektor ili montažu specifični za primjenu

Prilagodba bi trebala riješiti stvarno ograničenje integracije umjesto da jednostavno kreira drugačiji dio kataloga.

Ako standardni proizvodi ne mogu ispuniti potpune električne, komunikacijske, mehaničke i ekološke zahtjeve, pregledajte našeprilagođena rješenja za klizne prstenove.

Final Thoughts

Klizne prstenove za robote treba odabrati kao dio kompletne arhitekture rotirajućih zglobova, a ne kao izolirane električne komponente.

Počnite sa zglobom. Definirajte šta ga mora proći, kako se kreće, koliko je mehaničkog prostora dostupno, koja su komunikacijska sučelja potrebna, koja se ograničenja momenta primjenjuju i koje okruženje i životni ciklus sklop mora podržati.

Kada su ovi uslovi jasni, izbor između kapsule, otvora za otvor, palačinke, sposobnog za prenos podataka, hibridnog, standardnog ili prilagođenog kliznog prstena postaje mnogo strukturiraniji.

Prije nego što zatražite ponudu, pripremite kompletnu specifikaciju rotirajućih sučelja umjesto da šaljete samo broj kola ili ukupne dimenzije.