検査ロボット用コンパクトスリップリング：指定内容

検査ロボットは、通電中のパイプライン、下水道本管、バラストタンク、HVAC ダクト、タービンケーシング、および密閉されたプロセス装置の内部など、人間が簡単に立ち入ることができない場所で生計を立てています。これらのプラットフォームのほぼすべては、少なくとも 1 つの回転サブアセンブリ - -、パンチルト カメラ ヘッド、スキャン センサー タレット、テザー ケーブル リール、またはロボット ジョイント - に依存しており、これらは継続的に回転しながら電力と信号を供給し続ける必要があります。

それを静かに可能にするコンポーネントがスリップリングです。誤解を招くと、ロボットが検査中にビデオを失ったり、テザーが引っかかったり、回転インターフェースが過剰なトルクを加えてカメラが停止したりすることがあります。-正しく行えば、スリップ リングが見えなくなります -、これが目標です。

このガイドは、スリップ リング アプリケーション エンジニアリングの観点から書かれています。コンパクトなスリップ リングが検査ロボット内で実際に何を行う必要があるか、モジュール別および環境ごとにスリップ リングを指定する方法、およびユニットが現場で生き残るかどうかを決定するパラメータについて説明します。

検査ロボットにコンパクトなスリップリングが必要な理由

検査ロボットは、小さな機械的エンベロープ、スムーズで中断のない動き、回転ジョイントを介したクリーンな信号伝送という 3 つの厳しい制約を中心に設計されています。直接-有線のソリューションは、カメラやリールが約 ±180 度以上の移動を必要とする瞬間に、この 3 つすべてに失敗します。- ケーブルがねじれ、銅の加工硬化が起こり、シールドに亀裂が入り、ワイヤが物理的に断線するずっと前に信号の整合性が崩れます。-

コンパクトなスリップリングは、ロボットの固定本体とその可動モジュールの間に制御された回転電気インターフェースを作成することでこの問題を解決します。典型的なクローラーまたはパイプ ロボットの内部では、そのインターフェイスは通常、次のいずれかの場所にあります。

• パンチルトまたは 360 度カメラ ヘッド-
• 回転センサータレット（LIDAR、超音波、熱）
• オペレータ側に取り付けられたテザーケーブルリール
• ロボット アーム、マニピュレーター、または操縦可能なジョイント
• 回転光学部品に取り付けられたリングライトまたは LED 照明アセンブリ
• タレットに埋め込まれたエンコーダ、IMU、またはリミット スイッチ ループ-

多くの場合、ホスト ロボットの直径はわずか 50 ～ 150 mm であるため、スリップ リングはハウジングを膨張させたり、ロボットが入る最小のパイプ サイズを制限したりしないように、十分に小さい必要があります。外径が数ミリメートル余分にあると、DN100 下水道管にアクセスできるか、DN150 で立ち往生するかの違いが生じる可能性があります。

検査ロボットにおけるスリップリングの仕組み

機械的には、スリップ リングにはステーター (固定ブラシまたはファイバー コンタクト) とローター (絶縁体で分離された導電性リング) があります。ローターが回転すると、ブラシが各リングとの滑り電気接触を維持するため、各回路は角度位置に関係なく連続した状態を保ちます。DigiKeyの回転電気コネクタの概要は、これと同じ配置について説明しており、チームがコンポーネントを初めて使用する場合に適した入門書となります。

検査ロボットの内部では、ステータは通常、ロボット本体、制御 PCB、バッテリー ハーネス、またはテザー終端に設置されます。ローターは、カメラ、センサー ヘッド、照明リング、リール ドラムなど、- を回転させるものに接続されます。アーキテクチャに応じて、単一のコンパクトなユニットで以下を搭載できます。

• カメラ、ライト、モーター、ヒーター用の電源
• 温度、ガス、またはひずみセンサーからのアナログ信号
• デジタル制御バス (CAN、RS-485、RS-232)
• コンポジットまたは HD-SDI ビデオ
• イーサネット (100Base-TX またはギガビット)
• USB 2.0 または USB 3.0
• エンコーダのフィードバックと緊急停止ループ-

単純な ROV カメラには 4 ～ 6 つの回路が必要になる場合があります。 HD ビデオ、LED 調光、パンチルト モーター、環境センサーを備えた高度な検査ヘッドは、単一のカプセル本体で 18 ～ 24 の回路に簡単に到達できます。{1}
 

ロボットモジュールで選ぶ

同じロボット内の異なる回転モジュールが同じスリップ リング要件を共有することはほとんどありません。 「スリップ リング」を 3 つまたは 4 つの個別の選択問題ではなく 1 つの部分として扱うことは、統合で最もよくある間違いの 1 つです。

回転カメラヘッド

主要な制約は信号の完全性です。 HD-SDI、LVDS、およびイーサネット カメラ リンクは接触抵抗の変動に敏感であるため、スリップ リングはシールド付きツイストペア配線、分離された電源および信号チャネル、低レベル信号用の金-オン-金接点を指定する必要があります。-。あカプセルスリップリング外径 12 ～ 22 mm に 6 ～ 12 回路を備え、ほとんどのパンチルト カメラ ヘッドをカバーします。-より高解像度のビデオについては、明示的に評価されているユニットを参照してください。ロータリージョイント間のイーサネット伝送一般的な「データ」チャネルではなく。

センサータレット

センサー ヘッドは通常、1 つまたは 2 つの電力線と少数の低電圧アナログまたは RS-485 チャネルを混合します。{0}}クロストークは生の帯域幅よりも重要です。あロボット、ROV、UAV 用に設計された信号スリップ リング通常、タレットが使用しないビデオ帯域幅を支払うことなく、適切なチャネル数とシールド戦略を提供します。

テザーケーブルリール

リールのスリップリングは別の寿命を迎えます。それらはゆっくりと回転しますが、システムの寿命にわたって何百万回もの回転を蓄積し、フルパワーとデータテザーを伝達します。通常、リール シャフトが中心を通過できるように、貫通穴の設計が好まれます。一般的なリール-側の故障モード-不均一なブラシの摩耗、接触膜の蓄積-、洗浄時のシールの破損-は、この分析で十分に文書化されています。ケーブルリールのスリップリングの故障の原因と解決策.

ロボットのジョイントとマニピュレーター

ジョイントには、多くの場合、ケーブル配線および空気圧または油圧ライン用の中空中心が必要です。あ-ボアスリップリングを通して5 mm から最大 50 mm までの穴サイズがあり、ほとんどのコンパクトなマニピュレータ設計に適合します。ジョイントが空気または流体も通過させる場合は、ハイブリッド空気圧-電気ユニットが 2 つのパススルーを 1 つのアセンブリに統合します。-
 

動作環境から選ぶ

環境は、少なくともモジュールの機能と同じくらいスペック シートを形成します。検査ロボット導入の大部分は 3 つの環境でカバーされています。

パイプラインと下水道の検査

水の浸入、硫化水素、炭化水素、細かい砂、頻繁な高圧洗浄が予想されます。-スリップ リングには、密閉されたケーブル出口と確認されたエンクロージャ定格が必要です。ほとんどの下水道クローラでは、カメラ側では IP65 が動作可能な最低値であり、リール側では IP67 または IP68 が最低値となります。 IEC はこれらのレベルを正確に定義しています。IEC 60529、エンクロージャによって提供される保護の程度- で IP コードを指定せずに「防水」を指定するだけでは十分ではありません。

タービン、ボイラー、高温検査-

温度と振動が設計を推進します。 80 度を超えると、ブラシの材質が変化し (グラファイト-金属複合材料または貴金属-繊維ブラシ)、絶縁樹脂システムが変化し、通常、潤滑剤が除去されます。また、振動によって接触部分の微小フレッティングが加速されるため、接触圧力とブラシの形状を軽減する必要があります。-

救助および危険{0}}環境ロボット

これらのプラットフォームでは、衝撃、粉塵、煙、液体、および予測できない機械的負荷が発生します。信頼性マージンは最小サイズよりも重要です。デューティ サイクルが示唆するよりも高い回転寿命定格を指定し、標準データシートに依存するのではなく、衝撃および振動テスト データを確認してください。

コンパクトスリップリングタイプ比較

以下の 4 つの構造は、ほぼすべての検査ロボットの使用例をカバーします。通常、正しい選択は 2 つの質問から決まります。中空の中心が必要かどうか、および軸方向の長さはどれくらい利用可能か?です。

ほとんどのコンパクトな検査ロボットの場合、カプセルか小型ロボットのどちらかを選択します。パンケーキスリップリングカメラ側に、リール側に貫通穴ユニットがあります。-
 

コンパクトスリップリング仕様チェックリスト

RFQ を送信する前に、以下の表に記入してください。いずれにしても、すべての空白セルはサプライヤーが尋ねなければならない質問であり、未回答の質問は、見積単位が間違って届く唯一の最大の理由です。

実用的な選択ワークフロー

ステップ 1 - ローテーションプロファイルを定義する

動きから始めましょう。回転は連続的ですか? それとも ±N 度に制限されますか?標準回転数と最大回転数はどれくらいですか?検査ごとに何回転、プロジェクト寿命ごとに何回検査しますか?連続回転が厳密に必要ではなく、総移動量が約 ±270 度以内に収まる場合でも、フレキシブル ケーブル ループの方がスリップ リングよりも安価で軽量である可能性があります。それを超えると、ほとんどの場合、スリップ リングがよりクリーンな解決策となります。

ステップ 2 - すべての回路をマッピングする

機能、電圧、電流、信号タイプ、シールド要件、コネクタをリストした回路表を作成します。 - シャーシ アース、エンコーダ インデックス、ランプ調光、緊急停止など、人々が忘れがちな小さなループが含まれます。地図は、サプライヤーが受け取ることができる唯一の最も有用な文書です。

ステップ 3 - 連続性だけでなく信号の動作を指定する

パワーチャネルでは、定格電流と接触抵抗が考慮されます。ビデオとイーサネット チャネルでは、インピーダンス制御、リターン ロス、チャネル間の分離が考慮されます。{1}}- 「データ」ではなく、チャネルが実際に伝送するもの - 「ギガビット イーサネット、100 Ω 差動、シールド」- を明記すると、設計チームは適切な接点材料と配線を選択できます。

ステップ 4 - 機械的統合の確認

利用可能な直径、長さ、取り付けインターフェース（ネジ、フランジ、セットカラー）、ケーブルの曲げ半径、出口方向、ノイズを結合する可能性のあるスリップ リングとモーターまたは VFD との間の距離を確認します。-コンパクトなスリップ リングは、多くの場合、紙の上では簡単に取り付けることができますが、実際に配線するのは驚くほど困難です。

ステップ 5 - 環境を一致させる

正しいものを選択してくださいスリップリングの動作環境に対するIP定格次に、ケーブル ジャケットとコネクタがその定格を満たしていることを確認します。- シールされていないピグテールを備えたシールされたボディはシールされていません。化学物質への曝露については、IP コードだけでなく、ハウジングとシールの材質を具体的に問い合わせてください。

最終統合の前にステップ 6 - を検証する

BOM をロックする前に、フィールドに近い条件で検証を実行します。有用なチェックには、定格負荷での回転、連続動作中に測定されたビデオまたはイーサネットの品質、温度でのトルク測定、振動掃引、予想耐用年数の少なくとも 10 % の長時間回転テストが含まれます。- 30- 秒のベンチ回転に合格したユニットでも、100,000 回転の時点で接触膜の蓄積により故障する可能性があります。

避けるべきよくある間違い

サイズだけで選ぶ。6.5 mm OD カプセルは印象的ですが、カメラの HD ビデオを断続的なドロップアウトなしに伝送できない場合、それは間違った部分です。

信号品質をサプライヤーの問題として扱う。シールド、接地、および電源と信号チャネルの配線は、スリップ リング エンジニアとロボット インテグレータの間で共同で決定されます。ケースを加工する前に話し合ってください。

環境を過小評価している。クリーンな屋内引抜き試験に合格したユニットでも、3 週間の下水洗浄では故障する可能性があります。資格をアプリケーションに合わせてください。

絶縁せずに電力と高感度信号を混合します。アナログ センサー チャネルの隣にステッピング モーター ラインがあると、接触がどれほど良好であってもノイズが結合します。最初から別居を計画しましょう。

スリップリングの指定は最後に行います。ハウジングが固定されるまでに、スリップ リングの選択は最適なものではなく、適合するものに制約されます。モーターやカメラと同じ段階で設計レビューに持ち込んでください。

よくある質問

検査ロボットには必ずスリップリングが必要ですか?

いいえ。回転モジュールが限られた円弧を移動するだけでよい場合 -、通常は ±270 度未満 - の場合は、適切に定格されたフレキシブル ケーブルのサービス ループを使用すると軽量で安価になります。スリップ リングは、連続 360 度回転が必要な場合、または繰り返しのねじれによるケーブルの疲労がプロジェクトのメンテナンス予算を超える場合に必要になります。

回転カメラヘッドにはどのタイプのスリップリングが最適ですか?

ほとんどのパンチルトおよび 360 度検査カメラでは、6 ～ 12 個の回路を備えた外径 12 ～ 22 mm の小型カプセル ユニットが使用ケースをカバーします。カメラが HD- SDI またはギガビット イーサネットを送信する場合は、ユニットが一般的な信号チャネルとして扱われるのではなく、その特定のプロトコルに適していることを確認してください。

コンパクトなスリップ リングはイーサネット、USB、または HD ビデオを送信できますか?

はい、ただしデザインはそれを明示的にサポートする必要があります。ギガビット イーサネットには、制御されたインピーダンス接点とタイト ペア ルーティングが必要です。 HD-SDI は、アナログ ビデオよりもはるかに緩やかな信号処理を許容します。 USB 3.0 は 3 つの中で最も要求が厳しく、通常はハイブリッドまたは特別に設計されたユニットに向けて設計が進められます。サプライヤーが必要なプロトコルのアイパターン データを測定していることを確認してください。-

コンパクトなスリップリングは現実的にどれくらい小さくできるのでしょうか?

量産カプセル スリップ リングは、2 つの回路で外径約 5 ～ 7 mm から始まります。それ以下では、設計がカスタムになり、電流定格と寿命のトレードオフが大きくなります。-一般的な直径 100 mm- のパイプ ロボットの場合、外径 12 ～ 22 mm のカプセルが最適です。

下水道検査ロボット用のスリップリングはどのように選択すればよいですか?

まずはIP評価から始めましょう。カメラ-側のユニットには、飛沫や高圧洗浄のために少なくとも IP65 が必要です。-、リール-側または水中ユニットには通常、IP67 または IP68 が必要です。ケーブル出口とコネクタがその定格と一致していることを確認してください。次に、カメラの信号タイプのサイズを決定します。-最新の下水道クローラのほとんどは HD-SDI またはイーサネットを使用しており、どちらも特定の信号定格チャンネルを必要とします。-

標準部品ですか、それともカスタムビルドですか?

主流の検査ロボット設計の場合、標準カタログ部品で十分であり、通常はリードタイムが短くなります。あカスタマイズされたスリップリング構成アプリケーションが特殊な制約 - を組み合わせている場合には、追加のエンジニアリングを行う価値があります。たとえば、-標準外の OD、空気圧と電気のパススルーの混合、-、または多数の-チャンネル-イーサネットと HD ビデオ バンドルなどです。

結論

コンパクトなスリップ リングは、すべての検査ロボット - にとって「必須」というわけではありませんが、連続回転するカメラ、センサー タレット、またはテザー リールを備えたプラットフォームでは、ほぼ常にクリティカル パス上に存在します。適切なユニットは機械的エンベロープに適合し、使用中の実際の信号タイプを伝送し、選択されたモーターに対して十分に低いトルクで回転し、予想される回転数の間実際の環境に耐えます。

最も信頼できる選択プロセスは退屈なものです。回転プロファイルを定義し、すべての回路をマッピングし、各信号プロトコルに名前を付け、IP 定格を環境に固定し、現場に近い条件で設計を検証します。プログラムの早い段階でこの作業を行うと、通常は数時間追加されます。完了が遅くなると、通常は再設計が追加されます。