Cảm biến vị trí vòng trượt: Chọn loại nào?

Cảm biến vị trí vòng trượt là một cụm điện quay truyền năng lượng và tín hiệu thông qua vòng quay 360 độ liên tục đồng thời báo cáo vị trí góc của cấu trúc quay cho hệ thống điều khiển. Trong hầu hết các máy quay, việc giữ cho các mạch được kết nối chỉ là một nửa yêu cầu. Bộ điều khiển cũng cần biết cần, bàn hoặc tháp pháo ở đâu, liệu nó đã đạt đến vị trí ban đầu hay chưa và liệu nó có đang tiến đến giới hạn xác định hay không.

Chức năng kết hợp này làm cho cảm biến vị trí vòng trượt trở thành thành phần cốt lõi trong cần cẩu, bệ xoay, bàn định vị quay, thiết bị di động, dây chuyền đóng gói và các hệ thống quay khác. Tùy thuộc vào yêu cầu về độ chính xác và tích hợp, phần tử phản hồi có thể là sự sắp xếp công tắc cam-và-, chiết áp quay hoặc bộ mã hóa tích hợp, bao gồm các phiên bản tăng dần, tuyệt đối, CANopen hoặc SAE J1939.

Hướng dẫn này giải thích cách hoạt động của cảm biến vị trí vòng trượt, vị trí phù hợp của từng loại, cách chỉ định một loại cho thiết bị của bạn và những điều cần chuẩn bị trước khi yêu cầu báo giá tùy chỉnh.

Cảm biến vị trí vòng trượt là gì?

A vòng trượt tiêu chuẩntruyền năng lượng điện, tín hiệu điều khiển hoặc dữ liệu giữa khung cố định và bộ phận quay, ngăn ngừa cáp bị xoắn trong quá trình quay liên tục. Cảm biến vị trí vòng trượt tiến thêm một bước nữa: nó tích hợp phản hồi góc vào cùng một cụm quay.

Bộ phận kết hợp cung cấp cho hệ thống điều khiển ba chức năng cùng một lúc:

• Kết nối điện liên tục trên giao diện quay
• Dữ liệu vị trí góc được tham chiếu đến trục quay
• Một dấu chân cơ học duy nhất, giúp tiết kiệm không gian tại trung tâm xoay

Trong thực tế, vòng trượt xử lý các mạch trong khi cảm biến tích hợp báo cáo xung gốc, tín hiệu giới hạn, góc tương tự hoặc vị trí tuyệt đối kỹ thuật số, tùy thuộc vào thiết kế.

Cảm biến vị trí vòng trượt so với vòng trượt: Sự khác biệt là gì?

Vòng trượt thông thường chỉ mang các mạch điện. Nó có thể truyền nguồn điện AC hoặc DC, dây điều khiển-điện áp thấp, tín hiệu analog, Ethernet, bus CAN hoặc các đường dây nguồn-và-tín hiệu hỗn hợp. Nó không có nhận thức về vị trí góc cạnh.

Cảm biến vị trí vòng trượt kết hợp cùng hệ thống truyền điện với bộ phận phản hồi để mặt quay của máy báo cáo góc của nó cho bộ điều khiển. Điều này quan trọng khi việc xoay không được kiểm soát có thể gây ra lỗi quy trình, nguy cơ va chạm hoặc hư hỏng thiết bị. Cần cẩu cần biết góc xoay cần trục của nó. Bảng chỉ mục cần dừng ở một trạm chính xác. Nền tảng di động cần phải giảm tốc độ trước khi đạt đến vùng cấm. Không có nhiệm vụ nào trong số này có thể được giải quyết bằng vòng trượt đơn giản.

Khi nào bạn cần phản hồi về vị trí theo góc quay 360 độ?

Phản hồi vị trí được chứng minh bất cứ khi nào máy cần nhiều hơn kết nối điện liên tục. Ba kịch bản bao gồm hầu hết các ứng dụng.

Xác định vùng làm việc an toàn

Trong cần cẩu, bệ trên không và máy móc di động, phản hồi vị trí hỗ trợ các chức năng của hệ thống điều khiển-cảnh báo người vận hành, giảm tốc độ hoặc dừng quay khi máy tiếp cận khu vực hạn chế như tòa nhà, đường dây điện hoặc ranh giới chống va chạm. Phản hồi vị trí hỗ trợ các chức năng điều khiển này nhưng nó không thay thế một hệ thống an toàn máy hoàn chỉnh. Các điểm dừng-được xếp hạng an toàn, giới hạn được giám sát và các chức năng khẩn cấp phải được thiết kế theo tiêu chuẩn an toàn máy móc hiện hành.

Kiểm soát quy trình lặp lại

Bàn lập chỉ mục, máy đóng gói, trạm nạp và dây quấn thường cần dừng ở các góc chính xác hoặc kích hoạt hành động tại một điểm cụ thể trong vòng quay. Một công tắc home đơn giản xử lý một vị trí. Cần có bộ mã hóa gia tăng hoặc tuyệt đối khi có nhiều trạm, điểm đặt có thể lập trình hoặc chuyển động đồng bộ.

Phản hồi của nhà điều hành và HMI

Dữ liệu vị trí cũng cung cấp cho màn hình của người vận hành. Hiển thị góc cần thực, trạm bàn hoặc hướng tháp pháo giúp giảm phỏng đoán, cải thiện thời gian chu trình và giúp người vận hành tránh các lỗi quy trình trong ca dài.

Cảm biến vị trí vòng trượt hoạt động như thế nào

Việc lắp ráp thực hiện hai chức năng tại cùng một giao diện quay.

Đầu tiên là truyền điện. Chổi than, vòng tiếp xúc hoặc đường dẫn sợi mang dòng điện và tín hiệu giữa stato và rôto. Việc kết hợp kênh tùy thuộc vào ứng dụng và có thể bao gồm nguồn điện-dòng cao, logic điện áp-thấp, đường dây cảm biến analog, cặp Ethernet hoặc bus CAN. Thích hợpthiết kế và cách ly kênhrất quan trọng khi trộn các mạch điện và tín hiệu nhạy cảm trong một vỏ.

Chức năng thứ hai là cảm biến góc. Phần tử phản hồi được tham chiếu cơ học đến trục quay nên đầu ra của nó thể hiện góc thực của cấu trúc quay. Nguyên lý cảm biến xác định loại đầu ra:

• Đĩa cam tác động một hoặc nhiều công tắc theo các góc cố định, tạo ra tín hiệu bật/tắt
• Chiết áp thay đổi điện trở hoặc điện áp tỷ lệ với góc trục, tạo ra tín hiệu tương tự như 0–10 V, 4–20 mA hoặc điện trở đo tỷ lệ
• Bộ mã hóa chuyển đổi vòng quay thành xung kỹ thuật số (tăng dần) hoặc giá trị góc được mã hóa (tuyệt đối) và có thể xuất qua RS-485, CANopen, SAE J1939 hoặc các giao thức công nghiệp khác

Các loại cảm biến vị trí vòng trượt chính

Phản hồi tấm cam và công tắc

Thiết kế đơn giản nhất sử dụng một cam có hình dạng quay cùng với cụm và kích hoạt một hoặc nhiều công tắc cơ hoặc công tắc lân cận ở các góc đặt trước. Đầu ra là tín hiệu bật/tắt riêng biệt.

Chọn tùy chọn này khi:

• Máy chỉ cần phát hiện nhà, nơi-cuối-đi lại hoặc khu vực
• Bộ điều khiển có đầu vào kỹ thuật số và không cần dữ liệu góc liên tục
• Ngân sách và sự đơn giản vượt trội hơn độ phân giải

Không chọn tùy chọn này khi bộ điều khiển cần dữ liệu góc ở bất kỳ đâu bên ngoài điểm ngắt chuyển mạch hoặc khi vận hành thử yêu cầu các điểm đặt có thể lập trình lại. Sau khi cam được cắt, góc hành trình sẽ được cố định trừ khi cam được gia công lại.

Chiết áp-Phản hồi dựa trên chiết áp

Chiết áp quay cung cấp phản hồi tương tự liên tục trên một phạm vi góc xác định. Đầu ra thường là tín hiệu vòng lặp điện áp, điện trở hoặc dòng điện mà hầu hết PLC và bộ điều khiển máy có thể đọc trực tiếp thông qua mô-đun đầu vào tương tự.

Phản hồi chiết áp phù hợp với các ứng dụng như màn hình xoay cần cẩu cơ bản, chỉ báo góc vận hành, thiết bị kiểu cần điều khiển{0}}và phản hồi góc chi phí thấp-trong môi trường khô ráo trong nhà. Nhiều thiết kế có phạm vi giới hạn (thường nhỏ hơn 360 độ), vì vậy hãy xác nhận khoảng góc có thể sử dụng trước khi chỉ định.

Hãy lưu ý đến ba-sự đánh đổi. Các điểm tiếp xúc của cần gạt nước bị mòn theo thời gian, đặc biệt là khi có số chu kỳ cao. Hoạt động tương tự dài trong môi trường ồn ào về điện cần có cáp được bảo vệ và nối đất cẩn thận để giữ cho số đọc luôn sạch sẽ. Cần phải hiệu chuẩn để ánh xạ đầu ra thô tới các đơn vị kỹ thuật. Đối với thiết bị di động ngoài trời có độ rung, độ ẩm và EMI, bộ mã hóa thường là lựa chọn bền bỉ hơn.

Phản hồi dựa trên bộ mã hóa-

Một bộ mã hóa chuyển đổi vòng quay thành dữ liệu số. Đó là lựa chọn đúng đắn khi bộ điều khiển cần các giá trị góc có thể lặp lại, các giới hạn có thể lập trình hoặc giao tiếp qua mạng. Bộ mã hóa chia thành hai họ chính:

• Bộ mã hóa gia tăngxung đầu ra (A, B và thường là chỉ số Z) khi trục quay. Chúng đưa ra chuyển động tương đối và yêu cầu quy trình tại nhà sau mỗi lần bật nguồn-để thiết lập tham chiếu tuyệt đối. Tốt cho cảm biến tốc độ, đồng bộ hóa chuyển động và các ứng dụng hoạt động ngay khi khởi động.
• Bộ mã hóa tuyệt đốixuất ra một giá trị số duy nhất cho mọi vị trí góc, được giữ lại qua các chu kỳ công suất. Phiên bản một lượt-có góc quay từ 0–360 độ ; phiên bản nhiều{4}}lượt cũng tính số vòng quay hoàn chỉnh. Chọn tuyệt đối khi thiết bị phải biết vị trí của nó ngay sau khi bật nguồn-, điều này thường xảy ra ở cần cẩu, cần cẩu dạng ống lồng và máy móc di động ngoài trời.

Đối với thiết bị di động và{0}}trên xe, bộ mã hóa tuyệt đối vớiCANopenhoặcSAE J1939đầu ra tích hợp hoàn toàn vào mạng lưới phương tiện hiện có. CANopen phổ biến hơn trong tự động hóa công nghiệp, trong khi J1939 thống trị-thiết bị di động hạng nặng, máy móc nông nghiệp và phương tiện xây dựng. Việc chọn sai giao thức sẽ không chỉ làm phức tạp thêm việc tích hợp; nó có thể buộc phải thay thế bộ điều khiển.

Các ứng dụng phổ biến của cảm biến vị trí vòng trượt

Cần cẩu và thiết bị nâng

Cần cẩu là một trong những ứng dụng có khối lượng-cao nhất vì cấu trúc thượng tầng quay cần cả khả năng truyền lực liên tục và phản hồi góc quay. Một vòng trượt có bộ mã hóa tuyệt đối tích hợp thường nằm ở tâm vòng xoay, có chung trục thẳng đứng. Tín hiệu vị trí cung cấp cho chỉ báo thời điểm tải, vùng chống-va chạm và HMI của người vận hành. Một người tận tâmvòng trượt cần trục có phản hồi vị tríthường kết hợp các mạch điện có dòng điện cao-, điều khiển điện áp-thấp và đầu ra bộ mã hóa trong một vỏ. Lắp đặt ngoài trời, độ rung, dao động nhiệt độ và hướng thoát cáp đều ảnh hưởng đến thiết kế.

Bàn quay, ô lập chỉ mục và lắp ráp

Nền tảng lập chỉ mục quay cần vị trí dừng chính xác. Công tắc cam có thể đủ cho xung gia đình thô, nhưng bộ mã hóa tuyệt đối là lựa chọn thiết thực cho các bảng nhiều{1}}trạm trong đó bộ điều khiển cần xác nhận trạm hoạt động trước khi thực hiện trình tự nhấn, hàn hoặc chọn-và-đặt.Hiệu suất vòng trượt đáng tin cậy trong dây chuyền sản xuất tự độngphụ thuộc nhiều vào tính toàn vẹn của tín hiệu cũng như vào chính sự lựa chọn bộ mã hóa.

Bệ nâng, Xe nâng và Thiết bị xây dựng

Các phụ kiện đính kèm cần cẩu, giỏ và tháp pháo-được gắn trên máy di động thường chạy trên kiến ​​trúc điều khiển dựa trên CAN-. Một vòng trượt tích hợp với bộ mã hóa tuyệt đối J1939 phù hợp một cách tự nhiên với mạng lưới xe, cung cấp phép tính phạm vi làm việc an toàn và báo cáo hướng tới màn hình của người vận hành. Nhiềuvòng trượt để nâng sàn làm việcđược chỉ định bằng bộ mã hóa tuyệt đối nhiều{0}}vòng quay chính xác vì lý do này.

Dây chuyền đóng gói, cuộn dây và chiết rót

Đồng bộ hóa với các chu trình cắt, làm đầy, dán nhãn hoặc gói yêu cầu các tham chiếu góc có thể lặp lại. Bộ mã hóa gia tăng hoạt động tốt khi đường truyền khởi động; bộ mã hóa tuyệt đối tránh thói quen quay trở lại và phục hồi nhanh hơn sau khi dừng.

Thiết bị tiện ích hàng hải, ngoài khơi và ngoài trời

Phun muối, rửa trôi, tiếp xúc với tia cực tím và rung liên tục dẫn đến các lựa chọn thiết kế khó khăn hơn: xếp hạng IP cao hơn, đầu nối bịt kín, vỏ chống ăn mòn-và công nghệ phản hồi vị trí không phụ thuộc vào việc lau sạch các điểm tiếp xúc. Tham khảoTiêu chuẩn đánh giá IP của IECkhi phù hợp với mức độ bảo vệ vỏ với môi trường hoạt động thực tế.

Cách chọn cảm biến vị trí vòng trượt phù hợp

1. Xác định những gì người kiểm soát phải biết

Bắt đầu từ logic điều khiển, không phải danh mục cảm biến. Hỏi: máy chỉ cần biết đã về tới đích hay cần góc ở bất cứ đâu trong vòng quay? Nó có cần biết vị trí ngay khi bật nguồn không? Chức năng này có hỗ trợ vùng an toàn hay chỉ hiển thị cho người vận hành? Câu trả lời đề cập đến công tắc, chiết áp, bộ mã hóa gia tăng hoặc bộ mã hóa tuyệt đối trước khi thảo luận về bất kỳ thông số nào khác.

2. Khớp đầu ra với bộ điều khiển

Phần tử phản hồi phải nói được ngôn ngữ của bộ điều khiển. Xác nhận:

• Mức điện áp và loại tín hiệu (đầu vào kỹ thuật số, đầu vào analog, bộ đếm bộ mã hóa, cổng fieldbus)
• Giao thức (CANopen, J1939, SSI, Modbus, EtherCAT) khi kỹ thuật số
• Độ phân giải, bao gồm số bit trên mỗi vòng quay và số vòng quay cho nhiều vòng quay-tuyệt đối
• Loại cáp, vỏ bọc và chiều dài tối đa

3. Chỉ định độ chính xác, độ phân giải và độ lặp lại

Độ chính xác là mức độ đọc gần với góc thực. Độ phân giải là mức tăng nhỏ nhất mà đầu ra có thể biểu thị. Độ lặp lại là liệu cùng một góc vật lý có tạo ra cùng một số đọc sau nhiều chu kỳ hay không. Để theo dõi tải, chống xung đột và lập chỉ mục, độ lặp lại quan trọng hơn độ chính xác tuyệt đối. Đối với màn hình góc cơ bản, độ phân giải thấp hơn có thể chấp nhận được.

4. Xác nhận phong bì cơ khí và lắp đặt

Phần tử phản hồi thay đổi dấu chân lắp ráp. Xác nhận:

• Chiều cao sẵn có, đường kính ngoài và lỗ khoan xuyên suốt
• Trục hoặc kích thước lỗ-rỗng và độ đồng tâm với trục quay
• Hướng thoát của cáp hoặc đầu nối (hướng trục, hướng tâm)
• Tốc độ quay tối đa tính bằng RPM
• Mức độ rung và sốc tại vị trí lắp đặt
• Truy cập dịch vụ để kiểm tra và thay thế

Sự liên kết kém với trục quay là nguyên nhân thường xuyên gây ra hiện tượng hao mòn sớm và nhiễu tín hiệu, đặc biệt là khi lắp đặt trang bị thêm.

5. Phù hợp với môi trường hoạt động

Thông số kỹ thuật về môi trường thúc đẩy việc lựa chọn vỏ bọc, độ kín và vật liệu. Xem xét bụi, sương dầu, văng chất lỏng thủy lực, phun muối, áp suất rửa trôi, phạm vi nhiệt độ môi trường, ngưng tụ, tiếp xúc với tia cực tím và độ rung. Thiết kế IP54 trong nhà sẽ không tồn tại khi lắp đặt cần cẩu ngoài trời; môi trường ngoài khơi thường yêu cầu ít nhất là IP66, đầu nối kín và ốc vít chống ăn mòn-.

6. Kế hoạch bảo trì và sử dụng

Vòng trượt tiếp xúc-và chiết áp kiểu gạt nước-có đặc tính hao mòn phụ thuộc vào chu kỳ và dòng điện. Bộ mã hóa không tiếp xúc thường chỉ cần kiểm tra định kỳ. Đối với các máy có thời gian ngừng hoạt động tốn kém, hãy ưu tiên các thiết kế hỗ trợ thay thế chổi than nhanh chóng, các đầu nối dễ tiếp cận và các khoảng thời gian bảo trì có thể dự đoán được.

Những sai lầm phổ biến cần tránh

Chọn cảm biến trước yêu cầu điều khiển

Nhiều thông số kỹ thuật bắt đầu bằng "chúng tôi cần một bộ mã hóa" trước khi bất kỳ ai xác nhận bộ điều khiển sẽ làm gì với dữ liệu. Xác định chức năng điều khiển trước; loại cảm biến sau.

Bỏ qua tính tương thích của giao thức

Bộ mã hóa tuyệt đối có giao thức sai sẽ vô dụng cho đến khi bộ mã hóa hoặc bộ điều khiển được thay thế. CANopen trên mạng xe J1939 yêu cầu có cổng. Luôn xác minh giao thức, tốc độ truyền, phạm vi địa chỉ và điểm kết thúc.

Đánh giá thấp môi trường

Thiết bị di động ngoài trời, cần cẩu biển và máy móc thực phẩm rửa trôi đều cần được thiết kế bảo vệ môi trường ngay từ đầu. Việc bổ sung các vòng đệm hoặc lớp vỏ thứ cấp sau thực tế hiếm khi phù hợp với độ tin cậy của một cụm lắp ráp được bịt kín đúng cách. Sự lựa chọn giữavòng trượt tiêu chuẩn và tùy chỉnhthường phụ thuộc vào việc liệu yêu cầu về môi trường có vượt quá mức đánh giá trong danh mục hay không.

Xử lý phản hồi về vị trí như một suy nghĩ lại

Nếu vòng trượt và cảm biến vị trí có nguồn gốc riêng biệt và được lắp ráp sau này thì dung sai lắp đặt, định tuyến cáp và cách ly mạch thường bị ảnh hưởng. Thiết kế tích hợp tránh được các vấn đề về căn chỉnh đồng trục và rút ngắn BOM.

Tối ưu hóa cho riêng đơn giá

Phương pháp phản hồi rẻ nhất hiếm khi có tổng chi phí thấp nhất. Một chiết áp bị hao mòn sau mỗi 18 tháng sử dụng liên tục ngoài trời sẽ tốn nhiều thời gian ngừng hoạt động và thay thế hơn so với một bộ mã hóa tuyệt đối kín được xếp hạng cho toàn bộ tuổi thọ của thiết bị.

Khi nào bạn cần cảm biến vị trí vòng trượt tùy chỉnh?

A vòng trượt tùy chỉnh với cảm biến vị trí tích hợpthường hợp lý khi áp dụng một hoặc nhiều điều sau đây:

• Không gian lắp đặt chật hẹp và dấu chân danh mục tiêu chuẩn sẽ không vừa với trung tâm xoay
• Cần có các mạch hỗn hợp trong một vỏ: nguồn điện-dòng cao, điều khiển điện áp-thấp, Ethernet và CAN trong cùng một cụm
• Hệ thống điều khiển yêu cầu một giao thức cụ thể (CANopen, J1939, EtherCAT) hoặc độ phân giải không{1}}chuẩn
• Môi trường hoạt động vượt quá xếp hạng danh mục (IP cao, phun muối, cấp độ rung, nhiệt độ khắc nghiệt)
• Giao diện cơ học không-chuẩn (mặt bích đặc biệt, kích thước lỗ khoan, trục, đầu nối hoặc lối ra cáp)
• Phản hồi vị trí hỗ trợ chức năng kiểm soát vùng hoặc an toàn máy-với các yêu cầu được ghi lại

Phần kết luận

Cảm biến vị trí vòng trượt cho phép thiết bị quay thực hiện hai công việc thông qua một giao diện quay: giữ cho các mạch được kết nối và báo cáo vị trí của cấu trúc quay. Việc lựa chọn thiết kế phù hợp bắt đầu từ chức năng điều khiển chứ không phải loại cảm biến.

Nếu bộ điều khiển chỉ cần tín hiệu gia đình hoặc tín hiệu giới hạn thì tấm cam và công tắc là công cụ phù hợp. Nếu nó cần một góc liên tục nhưng không bị cản trở cho màn hình vận hành, một chiết áp có thể hoạt động. Nếu cần lặp lại, dữ liệu góc nhận biết được-sẵn sàng, bật nguồn--, đặc biệt là trong thiết bị di động hoặc ngoài trời, thì bộ mã hóa tuyệt đối, thường qua CANopen hoặc J1939, là lựa chọn thiết thực.

Trước khi hoàn thiện thông số kỹ thuật, hãy xác nhận giao diện bộ điều khiển, vỏ cơ khí ở trung tâm xoay và hồ sơ môi trường đầy đủ. Khi các tùy chọn danh mục tiêu chuẩn không phù hợp với ứng dụng, việc lắp ráp tùy chỉnh tích hợp thường nhanh hơn và đáng tin cậy hơn so với việc gắn một cảm biến riêng biệt vào vòng trượt hiện có. Bước tiếp theo là xem xét danh sách mạch, giao diện bộ điều khiển và bản vẽ lắp đặt với nhóm kỹ thuật vòng trượt và chuyển yêu cầu thành một thiết kế khả thi.