スリップリング位置センサー: どのタイプを選択しますか?

スリップ リング位置センサーは、連続 360 度回転を通じて電力と信号を伝達すると同時に、回転構造の角度位置を制御システムに報告する回転電気アセンブリです。ほとんどの回転機械では、回路の接続を維持することは要件の半分にすぎません。コントローラーはまた、ブーム、テーブル、またはタレットがどこにあるか、ホームポジションに到達したかどうか、定義された限界に近づいているかどうかを知る必要があります。

この複合機能により、スリップ リング位置センサーは、クレーン、旋回プラットフォーム、回転インデックス テーブル、モバイル機器、梱包ライン、その他の回転システムの中核コンポーネントとなります。精度と統合の要件に応じて、フィードバック要素はカム{1}}とスイッチの配置、ロータリー ポテンショメータ、またはインクリメンタル、アブソリュート、CANopen、または SAE J1939 バージョンを含む統合エンコーダになります。-

このガイドでは、スリップ リング ポジション センサーの仕組み、各タイプがどこに適合するか、機器に合わせてセンサーを指定する方法、およびカスタム見積もりをリクエストする前に準備するものについて説明します。

スリップリング位置センサーとは何ですか?

A 標準スリップリング静止フレームと回転部品の間で電力、制御信号、データを伝送し、連続回転中のケーブルのねじれを防ぎます。スリップ リング位置センサーはこれをさらに一歩進め、角度フィードバックを同じ回転アセンブリに統合します。

結合されたユニットは、制御システムに 3 つの機能を同時に提供します。

• 回転インターフェース全体の継続的な電気接続
• 回転軸を基準とした角度位置データ
• 単一の機械的設置面積により、旋回センターのスペースを節約

実際には、スリップ リングが回路を処理し、統合センサーが設計に応じてホーム パルス、リミット信号、アナログ角度、またはデジタル絶対位置を報告します。

スリップリングとスリップリング位置センサー: 違いは何ですか?

通常のスリップ リングは回路のみを伝送します。 AC または DC 電力、低電圧制御配線、アナログ信号、イーサネット、CAN バス、または混合電力-と-信号線を伝送できます。-角度位置を意識しません。

スリップ リング位置センサーは、同じ電気伝達とフィードバック要素を組み合わせて、機械の回転側がその角度をコントローラーに報告します。これは、制御されていない回転がプロセスエラー、衝突の危険、または機器の損傷を引き起こす可能性がある場合に重要です。クレーンはブームのスイング角度を知る必要があります。インデックステーブルは正確なステーションで停止する必要があります。モバイル プラットフォームは、立ち入り禁止区域に到達する前に速度を落とす必要があります。-これらの課題はいずれも、単純なスリップ リングでは解決できません。

360 度回転で位置フィードバックが必要になるのはどのような場合ですか?

機械が継続的な電気接続以上のものを必要とする場合には、常に位置フィードバックが正当化されます。 3 つのシナリオでほとんどのアプリケーションをカバーします。

安全な作業ゾーンの定義

クレーン、高所作業車、移動機械では、位置フィードバックによって、機械が建物、電線、衝突防止境界線などの制限区域に近づくと、オペレータに警告したり、速度を下げたり、回転を停止したりする制御システム機能がサポートされています。-位置フィードバックはこれらの制御機能をサポートしますが、完全な機械安全システムに代わるものではありません。安全定格の停止、監視された制限、および緊急機能は、該当する機械の安全基準に従って設計されなければなりません。{4}}

反復可能なプロセス制御

インデックステーブル、包装機、充填ステーション、巻取りラインでは、多くの場合、正確な角度で停止したり、回転の特定のポイントでアクションをトリガーしたりする必要があります。シンプルなホーム スイッチは 1 つの位置を処理します。複数のステーション、プログラム可能な設定値、または同期モーションが関係する場合は、インクリメンタル エンコーダまたはアブソリュート エンコーダが必要です。

オペレーターと HMI のフィードバック

位置データはオペレーターのディスプレイにも供給されます。実際のブーム角度、テーブルステーション、またはタレットの機首方位を表示することで、当て推量が減り、サイクルタイムが向上し、オペレータが長時間の勤務中に手順上の間違いを避けるのに役立ちます。

スリップリング位置センサーの仕組み

このアセンブリは、同じ回転インターフェイスで 2 つの機能を実行します。

一つ目は電気的な伝達です。ブラシ、コンタクト リング、またはファイバ パスは、ステータとロータの間で電流と信号を運びます。チャネルの組み合わせはアプリケーションによって異なり、高電流電力、低電圧ロジック、アナログ センサー ライン、イーサネット ペア、または CAN バスが含まれる場合があります。-ちゃんとしたチャネルの設計と分離電力回路と高感度の信号回路を 1 つのハウジング内に混在させる場合、これらは非常に重要です。

2 番目の機能は角度検知です。フィードバック要素は回転軸を機械的に参照するため、その出力は回転構造の真の角度を表します。検出原理によって出力タイプが決まります。

• カム プレートが 1 つまたは複数のスイッチを固定角度で作動させ、オン/オフ信号を生成します
• ポテンショメータはシャフト角度に比例して抵抗または電圧を変化させ、0 ～ 10 V、4 ～ 20 mA またはレシオメトリック抵抗などのアナログ信号を生成します。
• エンコーダは回転をデジタル パルス (増分) またはコード化された角度値 (絶対) に変換し、RS-485、CANopen、SAE J1939、またはその他の産業用プロトコル経由で出力できます。

スリップリング位置センサーの主な種類

カムプレートとスイッチのフィードバック

最も単純な設計では、アセンブリとともに回転し、1 つ以上のメカニカル スイッチまたは近接スイッチを事前に設定された角度で作動させる成形カムを使用します。出力はディスクリートのオン/オフ信号です。

次の場合にこのオプションを選択します。

• マシンに必要なのは、自宅、{0}}旅行の終わり、-ゾーンの検出のみです
• コントローラーにはデジタル入力があり、連続的な角度データは必要ありません。
• 予算とシンプルさが解像度を上回る

コントローラがスイッチ トリップ ポイント以外の角度データを必要とする場合、または試運転に再プログラム可能な設定値が必要な場合は、このオプションを選択しないでください。カムを一度切断すると、再度カムを加工しない限りトリップ角は固定されます。

ポテンショメータ-ベースのフィードバック

回転ポテンショメータは、定義された角度範囲にわたって連続的なアナログ フィードバックを提供します。通常、出力は電圧、抵抗、または電流ループ信号であり、ほとんどの PLC およびマシン コントローラーはアナログ入力モジュールを通じて直接読み取ることができます。

ポテンショメータのフィードバックは、基本的なクレーンのスイング表示、オペレータの角度表示、ジョイスティック{0}} スタイルの機器、乾燥した屋内環境での低コストの角度フィードバックなどのアプリケーションに適しています。-多くの設計は限られた範囲 (多くの場合 360 度未満) をカバーするため、指定する前に使用可能な角度範囲を確認してください。

3 つのトレードオフに注意してください。-ワイパー接点は時間の経過とともに、特にサイクル数が多い場合に摩耗します。電気的にノイズの多い環境でアナログを長時間実行するには、読み取り値をクリーンに保つためにシールドされたケーブルと慎重な接地が必要です。生の出力を工学単位にマッピングするにはキャリブレーションが必要です。振動、湿気、EMI を伴う屋外モバイル機器の場合、通常はエンコーダがより耐久性の高い選択肢となります。

エンコーダ-ベースのフィードバック

エンコーダは回転をデジタルデータに変換します。これは、コントローラが再現可能な角度値、プログラム可能な制限、またはネットワーク通信を必要とする場合に最適です。エンコーダは 2 つの主要なファミリーに分かれます。

• インクリメンタルエンコーダシャフトが回転すると、パルス (A、B、および多くの場合 Z インデックス) が出力されます。これらは相対的な動きを与えるため、絶対参照を確立するために電源を入れるたびにホーム ルーチンを必要とします。-速度検知、モーション同期、起動時にホームするアプリケーションに適しています。
• アブソリュートエンコーダ角度位置ごとに一意のデジタル値を出力し、電源を入れ直しても保持されます。シングルターンバージョンは 0 ～ 360 度をカバーします。-マルチ-回転バージョンでは、完全な回転もカウントされます。電源投入直後に機器がその位置を認識する必要がある場合は絶対を選択してください。これはクレーン、伸縮ブーム、屋外移動機械で一般的です。{6}}

モバイルおよび車両ベースの機器には、{0}CANopenまたはSAE J1939出力は既存の車両ネットワークにきれいに統合されます。 CANopen は産業オートメーションでより一般的ですが、J1939 は大型モバイル機器、農業機械、建設車両で主流となっています。-間違ったプロトコルを選択すると、統合が複雑になるだけではありません。コントローラーの交換が強制される可能性があります。

スリップリング位置センサーの一般的な用途

クレーンおよび吊り上げ装置

クレーンは、回転する上部構造物が継続的な動力伝達と旋回角フィードバックの両方を必要とするため、最も使用量の多い用途の 1 つです。{0}統合アブソリュートエンコーダを備えたスリップリングは通常、旋回リングの中心に設置され、同じ垂直軸を共有します。位置信号は、負荷モーメントインジケータ、衝突防止ゾーン、およびオペレータ HMI に供給されます。-専用の位置フィードバック付きクレーン スリップ リング通常、高電流電源回路、低電圧制御、エンコーダ出力を 1 つのハウジングに組み合わせています。-屋外設置、振動、温度変動、ケーブルの出口方向はすべて設計に影響します。

回転テーブル、インデックスおよび組立セル

ロータリーインデックスプラットフォームには正確な停止位置が必要です。粗いホームパルスにはカムスイッチで十分かもしれませんが、プレス、溶接、またはピックアンドプレイスのシーケンスを開始する前にコントローラがアクティブなステーションを確認する必要があるマルチステーションテーブルでは、アブソリュートエンコーダが実用的な選択肢です。-自動生産ラインにおける信頼性の高いスリップリング性能エンコーダの選択そのものと同じくらい、信号の完全性にも大きく依存します。

高所作業車、テレハンドラー、建設機械

ブーム、バスケット、タレット{0}などの移動機械に取り付けられたアタッチメントは、通常、CAN{1}} ベースの制御アーキテクチャで動作します。 J1939 アブソリュート エンコーダを備えた統合スリップ リングは車両ネットワークに自然に適合し、安全作業範囲の計算を提供し、オペレータ ディスプレイに方向を報告します。多くの昇降作業台用スリップリングまさにこの理由から、マルチターン絶対値エンコーダで指定されています。-

包装・巻き取り・充填ライン

切断、充填、ラベル付け、またはラッピングのサイクルと同期するには、反復可能な角度参照が必要です。インクリメンタル エンコーダは、起動時にラインがホームに戻るときに適切に機能します。アブソリュートエンコーダは原点復帰ルーチンを回避し、停止後の回復を早めます。

海洋、海洋および屋外用ユーティリティ機器

塩水噴霧、洗浄、紫外線暴露、継続的な振動により、より高い IP 定格、密閉コネクタ、耐食性ハウジング、ワイピング接点に依存しない位置フィードバック技術など、設計上の選択が難しくなります。{0}を参照してください。IEC IP 評価規格ハウジングの保護レベルを実際の動作環境に合わせる場合。

適切なスリップ リング位置センサーの選択方法

1. コントローラーが知っておくべきことを定義する

センサーカタログではなく、制御ロジックから開始します。マシンはホームに到達したことのみを認識する必要があるのでしょうか、それとも回転のどこかで角度が必要なのでしょうか?電源投入時にすぐに位置を知る必要がありますか?-この機能はセーフティ ゾーンをサポートしていますか? それともオペレーター ディスプレイのみをサポートしていますか?他のパラメータについて説明する前に、答えはスイッチ、ポテンショメータ、インクリメンタル エンコーダ、アブソリュート エンコーダを指します。

2. 出力をコントローラーに合わせる

フィードバック要素はコントローラーの言語を話す必要があります。確認する：

• 電圧レベルと信号タイプ (デジタル入力、アナログ入力、エンコーダ カウンタ、フィールドバス ポート)
• デジタル時のプロトコル (CANopen、J1939、SSI、Modbus、EtherCAT)
• 分解能（1 回転あたりのビット数と絶対的なマルチターンの回転数を含む）-
• ケーブルの種類、シールド、最大長

3. 精度、分解能、再現性を指定する

精度とは、測定値が実際の角度にどれだけ近いかを表します。解像度は、出力が表現できる最小の増分です。再現性は、同じ物理的角度が多くのサイクル後に同じ読み取り値を生成するかどうかです。負荷モニタリング、衝突防止、インデックス作成では、絶対的な精度よりも再現性が重要です。-基本的な角度表示の場合は、これより低い解像度でも許容されます。

4. 機械的エンベロープと取り付けを確認する

フィードバック要素はアセンブリのフットプリントを変更します。確認する：

• 利用可能な高さ、外径、貫通穴-
• シャフトまたは中空-のボア サイズと旋回軸に対する同心度
• ケーブルまたはコネクタの出口方向 (アキシャル、ラジアル)
• 最大回転速度 (RPM)
• 設置場所の振動・衝撃レベル
• 検査および交換のためのサービスアクセス

回転軸に対するアライメントが悪いと、特に後付け設置の場合、早期の摩耗やノイズ信号の原因となることがよくあります。

5. 動作環境を一致させる

環境仕様により、ハウジング、シーリング、材料の選択が決まります。粉塵、オイルミスト、作動油の飛沫、塩水噴霧、洗浄圧力、周囲温度範囲、結露、紫外線暴露、振動を考慮してください。屋内の IP54 設計は、屋外のクレーン設置には耐えられません。オフショア環境では通常、少なくとも IP66、密閉型コネクタ、耐腐食性ファスナーが必要です。-

6. 保守と耐用年数の計画

ブラシ-接触スリップ リングとワイパー-形式のポテンショメータには、サイクルと電流に依存する摩耗特性があります。非接触エンコーダは通常、定期的な検査のみが必要です。ダウンタイムが高くつくマシンの場合は、迅速なブラシ交換、アクセス可能なコネクタ、予測可能なメンテナンス期間をサポートする設計を選択してください。

避けるべきよくある間違い

制御要件の前にセンサーを選択する

多くの仕様は、コントローラーがデータをどのように処理するかを誰も確認する前に、「エンコーダーが必要です」から始まります。最初に制御関数を定義します。センサーのタイプは次のとおりです。

プロトコルの互換性の無視

間違ったプロトコルを使用したアブソリュート エンコーダは、エンコーダまたはコントローラを交換するまで役に立ちません。 J1939 車両ネットワーク上の CANopen にはゲートウェイが必要です。プロトコル、ボーレート、アドレス範囲、終端を常に確認してください。

環境を過小評価する

屋外移動機器、海上クレーン、洗浄食品機械はすべて、最初から環境保護を考慮した設計が必要です。シールや二次エンクロージャを後から追加しても、適切にシールされたアセンブリの信頼性と一致することはほとんどありません。次の間の選択標準およびカスタムのスリップリング多くの場合、環境要件がカタログ定格を超えるかどうかによって決まります。

ポジションフィードバックを後付けとして扱う

スリップ リングと位置センサーが別々に調達され、後で組み立てられる場合、取り付け公差、ケーブル配線、および回路絶縁が問題となることがよくあります。統合された設計により、同軸調整の問題が回避され、BOM が短縮されます。

単価だけで最適化する

最も安価なフィードバック方法が総コストを最も低くすることはほとんどありません。継続的な屋外用途で 18 か月ごとに磨耗するポテンショメータは、機器の寿命全体を評価した密閉型アブソリュート エンコーダよりもダウンタイムと交換のコストが高くなります。

カスタム スリップ リング位置センサーが必要になるのはどのような場合ですか?

A 位置センサーを内蔵したカスタムスリップリング通常、次の 1 つ以上が当てはまる場合に正当化されます。

• 設置スペースが狭く、標準カタログの設置面積が旋回センターに収まらない
• 同じアセンブリ内の高電流電力、低電圧制御、イーサネット、CAN など、1 つのハウジング内に混合回路が必要です。-
• 制御システムには特定のプロトコル（CANopen、J1939、EtherCAT）または非標準解像度が必要です-
• カタログ定格を超える動作環境（高IP、塩水噴霧、振動クラス、極端な温度）
• 機械的インターフェースが標準ではありません（特殊なフランジ、ボア サイズ、シャフト、コネクタ、またはケーブル出口）-
• 位置フィードバックは、文書化された要件に基づいて機械の安全性またはゾーン制御機能をサポートします。{0}

結論

スリップ リング位置センサーを使用すると、回転機器は 1 つの回転インターフェイスを通じて 2 つの仕事を実行できます。つまり、回路の接続を維持し、回転構造の位置を報告します。適切な設計の選択は、センサーの種類ではなく、制御機能から始まります。

コントローラーがホーム信号またはリミット信号のみを必要とする場合は、カム プレートとスイッチが適切なツールです。オペレータディスプレイに連続的だが要求の少ない角度が必要な場合は、ポテンショメータが機能します。特に屋外やモバイル機器において、反復可能でネットワーク-対応、電源オン-対応-の角度データが必要な場合は、多くの場合 CANopen または J1939 を使用するアブソリュート エンコーダが実用的な選択肢となります。

仕様を最終決定する前に、コントローラのインターフェース、旋回中心の機械的エンベロープ、および完全な環境プロファイルを確認してください。標準のカタログ オプションがアプリケーションと一致しない場合、通常、統合されたカスタム アセンブリの方が、別個のセンサーを既存のスリップ リングにボルトで固定するよりも高速で信頼性が高くなります。次のステップは、スリップ リング エンジニアリング チームと一緒に回路リスト、コントローラー インターフェイス、取り付け図面をレビューし、要件を実行可能な設計に変換することです。