Robotsystemer slippes løs – uten kontakter

Definisjon av og fordeler med kontaktløs konnektivitet – sett fra TE Connectivity.Artikkelen er skrevet av Benjamin Mang, produktsjef for ARISO Contactless Connectivity hos TE Connectivity og Rich Miron, Digi-Key Teknisk innhold.

Publisert Sist oppdatert

Denne artikkelen er 2 år eller eldre

For fabrikk- og industrimiljøer der støv, væsker og gasser kombineres med friksjon, kraft og slitasje på robotsystemer gjennom rotasjoner i flere akser, trenger designerne en ny tilnærming til tilkoblinger. Denne nye tilnærmingen må kunne overvinne disse miljømessige og driftsmessige utfordringene, for å sikre pålitelig, fleksibel og robust tilkobling – både for strøm og data.

Samtrafikk
Løsningen ligger i et nytt samtrafikksystem, basert på både kontaktløs strøm og kontaktløs datateknologi, som enkelt kan kobles til (og kobles fra) over en kort avstand uten å bruke noen mekanisk kontakt, som demonstrert i ARISO-kontaktene fra TE Connectivity.

Overhead
Frem til nå har berøringsfri, eller trådløs, data vært tilgjengelig i mange former, fra mobilnett til Wi-Fi, Bluetooth og ZigBee. Men, for sensordata med lav hastighet, har disse grensesnittene mye pakkebehandlings-, nettverksgrensesnitt- og mesh-nettverk-overhead. Dette koster designeren dyrt, både i form av plass og strømforbruk, samt direkte komponentkostnader.

Trådløs strøm
For sin del, har trådløs strøm gått gjennom en revolusjon i det siste, takket være innsatsen til grupper som Wireless Power Consortium, pushing Qi, samt den nå fusjonerte Alliance for Wireless Power and Power Matters-alliansen. Disse har utviklet standarder for overføring av effektnivåer på opp til 5 W, med en brukbar rekkevidde på opp til 30 mm, for å lade mobile enheter, spesielt telefoner. Standardene bruker varianter av induktiv- og resonanseffekt ved forskjellige frekvenser for å oppnå dette, men alle krever forholdsvis stor plass, samtidig som de er forholdsvis kostbare.

Sweet spot
Trikset er å finne det gylne områdets sweet spot i form av datapriser, kostnader og strømforbruk for trådløs data, og i form av rekkevidde og pris for trådløs strøm, slik at begge grensesnittene kan passe innenfor rammen til et typisk M30- eller M12-type sensorhode.

Oppnåelig
Takket være arbeidet som er gjort hittil i form av RF-funksjonsintegrasjon med lavere kostnad, samt økning i effektiviteten til trådløs strømoverføring, er dette gyldne området oppnåelig ved å passe sammen trådløse data og strømoverføringskretser til applikasjonens krav til lavt strømforbruk og kort rekkevidde. 

Hva gjelder data, ble det ulisensierte 2,45 GHz-båndet valgt, ettersom det kan implementeres med en nærfeltsantenne med en enkel sløyfe

Utfordringer med strøm
For strøm er hovedutfordringene å integrere strømspoler og nær-feltantenne i en veldig liten formfaktor som er relativt enkel å produsere. Dette krever kjennskap til mekanisk design og elektronikk, i tillegg til magnetisme, RF-kretsdesign og antenner.

Fleksibelt
Med både data og strømoverføring integrert i ett enkelt kontakthode, endres alternativene og programdynamikken dramatisk. Fleksibiliteten heves til et høyere nivå, med 360° rotasjon uten kabel-, kontakt- eller ledningsnettslitasje. Denne bevegelsesfriheten gir også mulighet for vipping av tilkobling, vinkel eller feilinnretning, mens rotasjonsfriheten gir raskere vedlikeholdsfri rotasjon, så vel som raskere retur til utgangspunkter, ettersom de roterende hodene ikke trenger å rotere tilbake gjennom 180° forskjøvet, men i stedet kan holde det gående rundt til 360°.

Motstandsdyktig
Kontaktløse kontakter er motstandsdyktige mot vibrasjoner, og er hermetisk forseglet mot tøffe omgivelser med ubegrensede paringssykluser, til tross for våte og støvete omgivelser. Den magnetiske koplingen er spesielt attraktiv i gassapplikasjoner eller der brennbare væsker eller materialer er til stede.

Enkelhet
Andre fordeler inkluderer enkel, rask tilkobling uten de tradisjonelle mekaniske begrensningene, designfleksibilitet og kostnadsbesparelser ved å muliggjøre overføring av strøm og signal gjennom væsker og vegger, samt forbedret pålitelighet som gir redusert vedlikehold og lavere, totale eierkostnader.

 


Egnet i robotisering

Industriell fremstilling og produksjon kan være de første områdene som drar nytte av en ny måte å tenke tilkobling på.

Etter innkjøringen utgjør kontaktene er et sårbart punkt i et elektronisk system, på grunn av mekaniske og miljømessige påkjenninger og i noen tilfeller dårlig utforming. Dette blir stadig viktigere, ettersom elektronikk, spesielt robotikk, gjennomsyrer industri- og produksjonsapplikasjoner der maksimal fleksibilitet må kombineres med minimal nedetid.

Forstå feilmodusene
For å møte og overvinne disse to utfordringene, må designere forstå funksjonen og feilmodusene for kontakter, og matche riktig kontakt med bruksområdet. Faktorer som skal vurderes, omfatter miljø-, funksjonelle og mekaniske påkjenningskrav. Alle forhold og bruksmodeller må vurderes før endelig kontaktvalg.

Selv om det er viktig å forstå det grunnleggende for å sikre lang levetid, er det like viktig å se etter og gjennomgå de siste fremskrittene innen kontaktteknologi for å oppnå den optimale balansen mellom ytelse, pålitelighet, fleksibilitet og pris.

Hva er egentlig en kontakt?
Dette spørsmålet kan besvares på to måter – funksjonelt og strukturelt. Funksjonelt sett gir kontakten en separerbar tilkobling mellom to elementer i et elektronisk system uten uakseptabel signalforvrengning eller strømbrudd. Definisjonen består av to viktige deler, «separerbar tilkobling» og «uakseptabel» ytelse. Begge avhenger av kontaktapplikasjonen og de elektriske kravene og miljøkravene.

Krav
Den separerbare forbindelsen er grunnen for bruken av en kontakt i første omgang, for å sørge for enkel reparasjon, oppgradering, vedlikehold eller samhandling mellom kontakter. Krav til det separerbare grensesnittet inkluderer begrensninger i paringsstyrke og å møte et bestemt antall paringssykluser.

Ytelse
«Uakseptabel» ytelse omfatter et stort spekter av egenskaper, men denne diskusjonen vil konsentrere seg om de begrensningene som kontakten introduserer i det elektroniske systemet. Den tradisjonelle tilnærmingen er å bruke en standard, full-kontakts kablet strøm- og signalkontakt. Det er mange fordeler og ulemper med denne tilnærmingen.

Tilkoblingen
Som nevnt gir en separerbar kobling en separat tilkobling mellom to elementer i et elektronisk system, uten uakseptabel signalforvrengning eller lavere ytelse. Den separerbare forbindelsen og uakseptable ytelsen avhenger av kontaktapplikasjonen og den elektriske og miljømessige bruken. Faktorer som bør vurderes når du velger kontakt, er:

  • Strømdistribusjon: Joule-oppvarming, som er proporsjonal med koblingsmotstanden, kan resultere i en økning i kontaktens driftstemperatur, og er en viktig faktor i degradering av kontakter. Både størrelsen og stabiliteten til kontaktmotstanden er kritiske for strømtilkoblingen. Lysbuer er også viktige i strømapplikasjoner, spesielt der det finnes farlige gassmiljøer.
  • Signaldistribusjon: Kravene til signaldistribusjon dreier seg om å opprettholde integriteten til signalbølgeformen. For systemer med høy datahastighet kan dette innebære design av kontrollert impedans-kontakter og særlig oppmerksomhet for signal-til-støy-forholdet. Størrelsen på den nødvendige kontaktmotstanden er sterkt avhengig av enhetene i kretsen der kontakten skal være sammenkoblet. For mange enheter, høy kontaktmotstand – hundrevis av milliohm – kan tolereres.
  • Miljøhensyn: Tøffe miljøer, for eksempel hav eller vibrasjonsfølsomme omgivelser, kan begrense tradisjonelle kontaktapplikasjoner og -design. Det kan også være tøffe og sikkerhetskritiske applikasjoner, for eksempel gassmiljøer, som begrenser bruken av kontaktteknologier.
  • Korrosjon: Korrosjon forekommer i mange former og kan klassifiseres etter årsaken til den kjemiske nedbrytingen av et metall. Den vanligste formen for korrosjon er rust eller jernoksid. Galvanisk korrosjon, eller ulik metallkorrosjon oppstår når to ulike metaller plasseres sammen i en korrosiv elektrolytt.
  • Bevegelse: Kablede løsninger har vanligvis begrenset bevegelighet. Slitasje på kabler koblet til motordrevne, roterende delsystemer, for eksempel robotarmer, kan føre til nedetid, noe som påvirker produktiviteten kraftig. Et klassisk eksempel er en robotarm, som kan måtte flytte seg langs flere akser.
  • Tradisjonelt sett oppnås rotasjon med pålitelig tilkobling ved hjelp av sleperinger som er knyttet til stasjonære ringer via børster. Kablene brukes til å plassere kobberringene rett i nærheten, for å muliggjøre fysisk kontakt med kullbørstene.
  • Paringssykluser: Kontakten kan konstrueres for å oppfylle spesifisert paringsfrekvens og sykluser fra noen få hundre til flere tusen. Kravene til sykluslevetid påvirker designet og materialene som brukes i produksjonen av kontakten.
  • Andre faktorer: Kostnad, størrelse, effektivitet og evne til å overføre over visse strekninger kan også være designkriterier som må vurderes for hver applikasjon.

Evnen til å overføre over «en gitt distanse» som nevnt ovenfor, er spesielt interessant. Det finnes tilfeller der strøm og data må overføres trådløst over korte avstander, for eksempel gjennom en vegg eller annet materiale. Dessuten kan det være behov for mer kontaktfrihet uten mekanisk slitasje, eller miljøet kan være for farlig til å introdusere noen mulighet for lysbuer.

Det er på dette punktet at fremskrittene innen kontaktløs tilkobling må vurderes.

Kontaktløs tilkobling
«Kontaktløs tilkobling krever både kontaktløs strøm og kontaktløs datateknologi, som enkelt kan kobles sammen over korte avstander uten fysisk kontakt» [TE Connectivity (TE)].

Det er mange fordeler med kontaktløshet i forhold til tradisjonelle kontakter, og disse bør vurderes når du bestemmer deg for hvordan designspesifikasjoner kan møtes mest mulig effektivt. Disse omfatter:

  • Forbedret pålitelighet: Leverer robust strøm og data uten ledninger eller fysisk kontakt. Dessuten er kontaktene hermetisk forseglet, noe som sikrer miljømessig integritet.
  • Større fleksibilitet: Med ubegrenset bevegelsesfrihet er det mulig med 360° bevegelse, vipping, vinkel og forskyvning.
  • Ubegrensede paringssykluser: Det er ubegrensede paringssykluser i våte og støvete omgivelser. Dette er spesielt egnet der sleperinger eller fjærkabler når grensene sine.
  • Tilkobling gjennom vegger eller materialer: Kontaktløs teknologi gjør det mulig med tilkobling gjennom vegger eller materialer, noe som ikke er mulig med tradisjonelle kontakter.
  • Forbedret sikkerhet: Det blir ingen lysbuedannelse, noe som er en stor fordel i farlige miljøer, som gassfylte kamre.
  • Kostnadsbesparelser: Det finnes ingen slitasje, og dermed forbedres oppetiden og vedlikeholdet reduseres.

Imidlertid må en virkelig kontaktløs kontakt kunne overføre både data og strøm. For strøm finnes det få alternativer. Kapasitiv kraftoverføring (CPT) har fordelen av å kunne penetrere (flytende) av metall og har lav EMI, men lider under lav strømtetthet og kort rekkevidde. Noen generaliserte sammenligninger av ulike trådløse alternativer, med fordeler og ulemper, vises for enkel referanse (figur 1).

Datalink Pro Utfordringer
Kapasitiv kobling Lav EMI. Også egnet for ringstrukturer Krever betydelig plateområde, utfordrende for små roterende koplinger, følsomme for endringer i materialer/væsker
RF, 60 GHz (OOK, ASK, QAM) Stor båndbredde (> 1 Gbps), lav latens (nanosekunder) Bør generere en sirkulær polarisert bølge for å støtte rotasjonen
RF, 2,4/5 GHz (f.eks. GFSK, MSK, ASK) Enkel design for nærfeltantenne (enkel sløyfe), RF-løsninger allment tilgjengelig Ingen høy båndbredde uten OFDM, men det øker latensen
RF, sub GHz (f.eks. FSK) Enkel design for nærfeltantenne (enkel sløyfe), RF-løsninger allment tilgjengelig Lav båndbredde (sub Mbps)
Via ICPT-linken Ingen egen antenne nødvendig Lav båndbredde (10–100 kbps)
Optisk Svært høy båndbredde mulig (> 10 Gbps) Følsomme for støv og smuss – presisjonsoptikk og linser er nødvendig

Kraftoverføring
For kontaktløs kraftoverføring ser en induktivt koplet kraftoverføring (ICPT) ut til å ha flere fordeler enn ulemper. Det har høy effekttetthet over rimelig avstand, er godt kjent med allment tilgjengelige produkter og teknologiske løsninger, og det er mulig med høy effektivitet. Ulempen er at det ikke kan trenge gjennom metall.

Dataoverføring
For dataoverføring finnes det en rekke alternativer. Den lave EMI-en med kapasitiv kobling er også en fordel for dataoverføring, men slike koblinger krever betydelig overflateområde på platen, noe som kan være utfordrende for små, roterende koplinger. Induktiv kopling for data lider av lave bitrater. Andre muligheter er RF 60 GHz, 2,45 eller 5 GHz, sub-GHz, og ICPT samt optiske linker. Hver har fordeler og ulemper, som vist i figur 1.

2,45 GHz industrielt, vitenskapelig, medisinsk (ISM) bånd er også ulisensiert, med global aksept og bred bruk, særlig som «trådløst Ethernet» under navnet Wi-Fi.

I den endelige analysen viser det seg at en hybridarkitektur med RF for data og induktiv kopling for strøm er den beste tilnærmingen for kontaktløs tilkobling.

Definere induksjon
Induktiv strømoverføring har vært tilgjengelig en stund, men for ordens skyld tar vi en rask gjennomgang av hvordan det fungerer. Det er nyttig for å forstå fordelene med en trådløs strømoverføringsmekanisme.

Faradays lov fastslår at den induserte elektromotoriske kraften i en hvilken som helst lukket krets er lik endringshastigheten for den magnetiske fluksen omsluttet av kretsen, eller matematisk som:

 

Der er elektromotorisk kraft (EMF) og ΦB er den magnetiske fluksen.

 

Det grunnleggende prinsippet for et induktivt koplet energioverføringssystem vises (figur 2). Den består av en senderspole, L1, og en mottakerspole, L2. Begge spolene danner et system med magnetisk koblede induktorer. En vekselstrøm i senderspolen genererer et magnetfelt som induserer spenning i mottakerspolen. Effektiviteten av kraftoverføringen avhenger av koblingen (k) mellom induktorene og kvaliteten deres, definert som Q-faktoren deres.

Koblingen fastsettes av avstanden mellom induktorene (z) og forholdet D2/D. Formen på spolene og vinkelen mellom dem fastsetter den effektive koblingen ytterligere.

Forbedring
Ytelsen til en trådløs strømkobling kan forbedres med resonant induktiv kopling. Resonansen i en krets som omfatter kondensatorer og induktorer oppstår fordi det kollapsende magnetiske feltet i induktoren frembringer elektrisk strøm i viklingene, som lader kondensatoren, og deretter vil den utladende kondensatoren levere elektrisk strøm som bygger det magnetiske feltet i induktoren. Denne prosessen gjentas kontinuerlig.

Ved resonans, er serieimpedansen for de to elementene på et minimum, og den parallelle impedansen er på maksimum. Resonans benyttes for justering og filtrering, fordi det opptrer ved en bestemt frekvens for gitte verdier av induktans og kapasitans.

For å avbryte påvirkningen fra den induktive reaktansen og den kapasitive reaktansen, må de være lik størrelse, ωL = 1/ωC, så:

 

Der L er induktans i Henry, C er kapasitans i Farad, og ω = 2πf, der f er resonansfrekvens i Hertz. I lav-effektsystemer og for høy energieffektivitet kreves høyere k og Q.

Applikasjoner for induktiv kopling
Ved å ta induktiv kopling et skritt videre, har ideen om å bruke den til å overføre strøm trådløst eksistert siden midten av 1800-tallet. Nikola Tesla eksperimenterte i utgangspunktet med hell med tenning av gassutladningslamper trådløst over en avstand på ca 15 fot. Dette vakte interesse for trådløs kraftoverføring, og applikasjoner som mikrobølgeovner, lasere og solceller som kan overføre strøm fra verdensrommet.

Kraftmatter
Nærmere hjemmet brukes moderne kraftmatter til å lade mobile enheter med resonant induktiv kopling, men bruker et «håndtrykk» mellom ladeoverflaten og enheten, og sender deretter strøm til enheten. Det er et intelligent system, og vil bare sende strøm til identifiserte enheter, og bare med den hastigheten som er fastsatt av ladeprofilen til enhetens batteri.

Induktiv kraftoverføring er også driftsprinsippet bak passive RFID-brikker, tannbørster, og kontaktløse smartkort.

Strøm og data integrert
Hovedutfordringene for en kontaktløs kontakt er å integrere strømspoler og nærfeltantenne i en veldig liten formfaktor som er relativt enkel å produsere. Dette krever kjennskap til mekanisk design og elektronikk, i tillegg til magnetisme, RF-kretsdesign og antenner.

Funksjon
Strømsendedelen tar 24 V DC-forsyningen, sender den gjennom en seksjon for kretsvern, etterfulgt av en DC-DC-omformer og en DC-AC-omformer. Konverterens utgang mater sendeprimærspolen, som har en kondensator i parallell som en del av en resonanstank, som gjør at den håndterer variable belastninger og avstander. Mottagersiden inneholder også en resonanstank. Den mottatte effekten rettes, sendes gjennom en DC-DC-omformer for å levere 24 V DC til lastpunktet.

Den induktive strømlinken i seg selv har en virkningsgrad på ca 95 %, mens utgangseffekten alltid er 12 W. Den totale systemeffektiviteten avhenger av datalinken, og inkluderer tap på brettet, for eksempel gjennom DC-DC-konverteringen.

M30-implementering
Med disse kretsene og teknikkene, kan en M30-diameter implementering gi 12 watt utgangseffekt. Den effektive effekten over avstand er 7 mm (Z) avstand for M30. I tillegg er koblingen tolerant for feilinnretning inntil 5 mm.

 

Ved kontaktløs dataoverføring sendes dataene separat gjennom en signalomformer for en 2,45 GHz-transceiver og ut til en nær-felt antenne (figur 3). På mottakssiden reverseres prosessen.

Den første varianten er designet for sensorapplikasjoner, og støtter opptil åtte PNP-kanaler, ensrettet fra mottakeren til senderen, med en svitsjefrekvens på 500 Hz (maks). Utvikling av høyere datahastigheter er i gang, med et mål om å støtte industrielt Ethernet på 100 Mbit/s.

Kort rekkevidde
Datatilkoblingen skjer ved fysisk tilkobling, og er av nødvendighet dynamisk og skjer uten brukermedvirkning. Rekkevidden er kort, opp til et par millimeter, noe som er bra for sikkerheten og RF-utslippsformålene. Kontakten kan romme opptil åtte digitale PNP-kanaler i dagens variant.

 

For å forbedre påliteligheten, har brukerdataforbindelsens redundans i 2,4 GHz-kanal minimal fjernfeltforstyrrelser, og antennedesignet er symmetrisk for å tillate rotasjon (figur 4). De er også tolerante overfor forskyvning, rotasjon og vipping.

Effektivitet
Den fulle effektiviteten av systemet, noe som betyr effektiviteten av energi og datalink sammen, er ~> 75 % (utgangseffekt for mottakerende/inngangseffekt til senderen). Selvfølgelig avhenger dette av lasten, avstanden og andre faktorer, men inkluderer også tap gjennom datalinker og PC-kort.

I harde eller farlige omgivelser blir kontaktene hermetisk forseglet til IP67, selv om de ikke er forbundet med hverandre.

Slipp robotene løs
Utfordringen med å integrere kontaktdata og strøm betyr relativt høy pris, så målapplikasjonene er de der egenskapene til klassiske kontakter har nådd grensen sin i form av paringssykluser eller miljøforhold, eller der applikasjonen krever en kompleks ledningsnettkonstruksjon, og spesielt for nye applikasjoner, så som kobling gjennom vegger og materialer, eller raske tilkoblinger.

En slik applikasjon er robotsystemer, som stadig tilpasses produksjons- og produksjonsprosesser som krever større kompleksitet og presisjon. Gitt det harde miljøet og kostnadene ved nedetid, kan maksimering av påliteligheten med pålitelige tilkoblinger gi utbytte på lang sikt.

Typisk applikasjon
I en typisk robotapplikasjon begrenser kabler bevegelsesfriheten og den konstante bevegelsen, og friksjonen i de mekaniske delene skaper også slitasje. Roboter må også bevege seg rotasjonsmessig for å løse komplekse oppgaver. Tradisjonelt gjøres rotasjon mulig med roterende kontakter, fjærkabler eller sleperinger, og den sistnevnte er mekanisk forbundet med stasjonære ringer via børster. Kabler brukes til å plassere kobberringene rett i nærheten, for å gjøre det mulig med fysisk kontakt med kull- eller metallbørstene. Børstene overfører deretter den elektriske strømmen til ringen, og skaper rotasjonen.

Friksjon
Denne konstante friksjonen skaper slitasje på de bevegelige kontaktene, sleperinger og børster, som må byttes ofte. Dette resulterer i øket nedetid og redusert produktivitet.

 

Med kontaktløse kontakter vil ikke forringelse av bevegelige deler lenger være en begrensende faktor (figur 5).

Tøffe miljøer
Problemer som vanligvis påvirker tilkoblingsmuligheter i tøffe miljøer, for eksempel vann, støv eller vibrasjoner, vil ikke lenger påvirke pålitelig levering av strøm, data og signaler. Kontaktløs tilkobling kan erstatte kompliserte og kostbare ledningsnettkonstruksjoner og sleperinger, og gjør det mulig med tilkobling på tidligere umulige plasseringer. Muligheten til å integrere sensorer i robotgripere eller «fingertupper» for krafttilbakemeldinger til systemet gir også «svak berøring»-følsomhet for ømfintlige elementer.

Kostnader
Data så langt viser at de totale eierkostnadene (TCO) med kontaktløse kontakter mot tradisjonelle løsninger er positive i løpet av de første månedene, med økt effektivitet, redusert nedetid, færre vedlikeholdskostnader og økt produksjon.

Det kan være slik at kontaktløs tilkobling vil gi designere en helt ny måte å tenke på mekanisk konstruerte maskiner på.

Referanser:
Kontaktdesign / materialer og kontaktpålitelighet
Robert S Mroczkowski

https://en.wikipedia.org/?title=Electromagnetic_induction

Engineersgarage.com

Figur 2. De er fri for kontaktstrukturer, og kontaktløse sammenkoblinger gir sterkt forbedret fleksibilitet og pålitelighet, mens magnetiske koplinger beskytter mot eksplosjoner i gassform eller andre risikoer i brannfarlige miljøer.

Trådløs strømoverføring med resonant induktiv kopling
Sangwook Han, og David D. Wentzloff elektroteknikk og datavitenskapsavdelingen på University of Michigan, Ann Arbor

Mine oppfinnelser: Nikola Teslas selvbiografi
Nikola Tesla

TE Connectivity

Figur 3. Et komplett kontaktløst tilkoblingsdesign integrerer ICPT for kraftoverføring og 2,45 GHz trådløs for dataoverføring, alt innenfor M30-typen formfaktor.
Figur 4. Implementert i en M30-type er nærfelts sløyfeantenneutforming for en kontaktløs tilkoblingsbasert datalink symmetrisk, for å tillate rotasjon.
Figur 5. Et alternativ for kontaktløs tilkobling i bruk på en robotarm tillater 360 grader frihet uten børsteslitasjen som er typisk for dagens slip-ring-design. Integrerte sensorer muliggjør også «svak berøring»-sensitivitet.
Powered by Labrador CMS