Robot có khớp chuyển động liên tục—như cánh tay quay, đầu quay, hoặc bánh xe—cần tiếp địa khác cách tiếp địa máy tĩnh. Vấn đề là: khi khớp quay, dây dẫn tiếp địa thông thường bị xoắn, đứt hoặc mất tiếp xúc. Bài này hướng dẫn cách duy trì tiếp địa an toàn khi cơ cấu không ngừng chuyển động.
Tại sao tiếp địa động cần khác tiếp địa tĩnh
Tiếp địa tĩnh không đủ khi khớp quay. Một dây dẫn tiếp địa cố định sẽ bị xoắn lại sau vài vòng quay, mất liên lạc với điểm tiếp đất, hoặc bị đứt. Điện tích tĩnh tích lũy trên cơ cấu chuyển động nhanh hơn, đặc biệt với động cơ servo hoặc motor brushless.
Tĩnh điện từ chuyển động quay rất cao. Khi một khớp quay ở tốc độ cao, ma sát bên trong động cơ, giữa bánh răng, và giữa khớp với vòng bi tạo điện tích âm dương. Nếu không tiếp địa liên tục, điện tích này phóng ra làm nhiễu tín hiệu hoặc hỏng cảm biến.
Vòng trượt (slip ring) là giải pháp chính. Thiết bị này cho phép dây dẫn tiếp địa và dây tín hiệu quay cùng khớp mà không bị xoắn hay mất liên lạc. Vòng trượt gồm vòng kim loại quay và bàn chải carbon trượt trên vòng, luôn duy trì tiếp xúc.
Độ tin cậy của tiếp địa động ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định chương trình. Nếu tiếp địa bị gián đoạn 100 mili giây, cảm biến góc, gia tốc kế, hoặc bộ điều khiển chuyển động có thể ghi nhận tín hiệu sai, làm robot đứng im hoặc chuyển động không như mong muốn.
Chọn giữa vòng trượt cơ học và vòng trượt hỗn hợp. Vòng trượt cơ học dùng cho tiếp địa và dòng điện thấp. Vòng trượt hỗn hợp (hybrid) gộp vòng trượt điện và vòng trượt quang học, dùng cho robot yêu cầu tín hiệu sạch cao.
Vòng trượt cần được chọn theo tốc độ quay tối đa. Một vòng trượt 300 vòng/phút sẽ rung lắc và mau hỏng nếu dùng ở 3000 vòng/phút. Cần kiểm tra biên độ tốc độ của nhà cung cấp vòng trượt trước khi lắp.
Lắp vòng trượt gần khớp quay nhất có thể. Điều này giảm độ dài dây dẫn phải quay, giảm khối lượng quán tính, và giảm tác động của lực ly tâm lên dây dẫn khi quay nhanh.
Bàn chải carbon trong vòng trượt mài mòn theo thời gian. Cần thay bàn chải mỗi 6 tháng hoặc tùy mức sử dụng. Bàn chải cũ gây điện trở cao, làm giảm hiệu quả tiếp địa.
Vòng kim loại trong vòng trượt phải được làm sạch định kỳ. Bụi carbon từ bàn chải tích lũy trên vòng, gây điện trở tăng. Dùng rượu isopropyl và bàn chải mềm để lau vòng mỗi 3 tháng.
Điện trở tiếp địa qua vòng trượt phải dưới 1 ôm. Nếu cao hơn, tín hiệu bị suy giảm. Đo bằng đồng hồ vạn năng ở chế độ Ω (ohm), từ điểm tiếp địa tĩnh đến khớp quay.
Thiết kế mạch tiếp địa cho khớp quay
Tiếp địa phải được nối trực tiếp vào vỏ động cơ, không qua bộ điều khiển. Vỏ động cơ là điểm tiếp địa chính. Dây tiếp địa từ vỏ động cơ đi ra ngoài thông qua vòng trượt rồi nối vào ray tiếp địa chung của tủ điều khiển.
Một khớp quay cần một vòng trượt riêng. Mỗi vòng trượt chứa ít nhất hai đường tiếp địa: một cho tiếp địa bảo vệ (PE), một cho tiếp địa chức năng (FE) nếu cần. Không nên gộp nhiều khớp quay vào một vòng trượt duy nhất.
Sơ đồ điện phải ghi rõ vị trí vòng trượt và các đường dẫn. Trên sơ đồ, biểu tượng vòng trượt thường là một hình tròn với hai hoặc nhiều điểm nối bên trong, ghi số hiệu. Dây tiếp địa từ vòng trượt phải được tô màu xanh lá (hoặc xanh-vàng nếu theo chuẩn IEC).
Các cảm biến (encoder, IMU) trên khớp quay cũng cần tiếp địa động. Nếu cảm biến được lắp trực tiếp trên khớp quay, vỏ cảm biến phải nối tiếp địa qua vòng trượt chung hoặc vòng trượt riêng. Không để vỏ cảm biến nổi điện.
Dây tín hiệu cảm biến phải chạy qua vòng trượt tín hiệu riêng. Vòng trượt tín hiệu khác vòng trượt tiếp địa: nó có nhiều lõi nhỏ (4-8 lõi), dùng cho tín hiệu analog hoặc digital từ cảm biến. Không nên trộn dây tín hiệu và dây tiếp địa qua cùng một vòng trượt.
Tiếp địa chức năng (FE) cần cho các khớp quay chạy motor AC hoặc motor brushless có EMI cao. FE là đường tiếp địa thứ cấp, nối từ vỏ động cơ đến tủ điều khiển mà không qua bộ điều khiển chuyển mạch. Nó giúp thoát EMI nhanh hơn.
Khi robot có cánh tay quay 360 độ liên tục, cần chọn vòng trượt 360 độ không giới hạn vòng quay. Vòng trượt thường chỉ quay được 300-500 vòng rồi dây dẫn bị xoắn đặc. Vòng trượt 360 độ liên tục có cơ chế xoắn ngược tự động để dây không bị kẹt.
Vòng trượt phải được lắp chặt, không được có khoảng hở hoặc rung lắc. Khoảng hở làm bàn chải không tiếp xúc ổn định trên vòng kim loại, gây điện trở nhảy cóc. Lắp vòng trượt bằng khop chặt và dùng kẹp kim loại để cố định.
Kiểm tra tiếp xúc bàn chải trên vòng kim loại bằng đồng hồ vạn năng khi quay tay. Quay vòng trượt từ từ, đo điện trở liên tục. Nếu điện trở nhảy cóc từ 0.1 ôm lên 10 ôm, bàn chải cần được điều chỉnh lại hoặc thay.
Đi dây dẫn qua vòng trượt an toàn
Dây dẫn vào vòng trượt phải được bảo vệ bằng ống dẫn hoặc ống gợn nhựa. Dây quay sẽ bị xước, mất cách điện nếu để hở. Ống gợn nhựa linh hoạt hơn, cho phép quay mà không bị kẹt.
Không được để dây dẫn bị kéo căng khi khớp quay. Dây phải có độ dài dự phòng khoảng 50-100 mm coil lỏng ở hai đầu (trước vòng trượt và sau vòng trượt). Điều này hấp thụ lực căng khi quay.
Sắp xếp dây coil lỏng theo hình xoắn ốc, không xếp chập chồng. Xếp chập chồng làm dây bị đứt khi quay vì lực căng tập trung. Xoắn ốc từ từ giúp dây chịu được nhiều vòng quay hơn.
Dây tiếp địa từ vòng trượt đến ray tiếp địa phải là dây đơn, không được là cáp chuyên dụng. Dây đơn giảm khả năng bị rách hoặc mất cách điện. Kích thước dây tối thiểu 2.5 mm² cho robot nhỏ, 4 mm² cho robot nặng.
Bao quanh dây tiếp địa bằng sleeve silicom hoặc ống dẫn để tránh tiếp xúc với các bộ phận nóng. Động cơ quay tạo nhiệt. Nếu dây tiếp địa tiếp xúc trực tiếp, cách điện có thể bị hỏng.
Gắn nhãn số hiệu dây trên cả hai đầu vòng trượt. Khi robot có nhiều khớp quay, dễ nhầm dây nếu không ghi nhãn. Dùng nhãn bền (label maker) hoặc tape dán không thấm nước.
Dây từ vòng trượt phải được nối vào ray tiếp địa chủ (main grounding bus) trong tủ điều khiển bằng ốc vít hoặc kẹp cầu, không được hàn. Hàn dễ bị oxy hóa, tăng điện trở theo thời gian. Ốc vít cho phép tháo lắp dễ dàng để bảo trì.
Ray tiếp địa chủ phải được nối trực tiếp vào điểm tiếp địa của tòa nhà hoặc máy phát điện, không qua bộ điều khiển. Điểm tiếp địa tòa nhà thường là một cột kim loại hoặc thanh đồng chôn sâu xuống đất. Điều này tạo con đường ngắn nhất cho dòng tiếp địa thoát.
Nếu robot được lắp trên một chiếc xe di động, cần lắp một vòng trượt tiếp địa giữa xe và tòa nhà. Lúc này xe di động có thể tích tụ tĩnh điện khi chạy. Vòng trượt tiếp địa giữa xe và điểm tiếp địa cố định thoát điện tích này.
Kiểm tra điện trở từ bất kỳ điểm nào trên robot đến ray tiếp địa chủ phải dưới 1 ôm. Đo từ vỏ động cơ, vỏ cảm biến, và vỏ bộ điều khiển trên robot. Nếu cao hơn 1 ôm, dây tiếp địa bị lỏng hoặc bị oxy hóa, cần tái kiểm tra.
Chống nhiễu và tín hiệu trên dây quay
Vòng trượt tín hiệu riêng biệt với vòng trượt tiếp địa giúp giảm nhiễu EMI vào tín hiệu cảm biến. Tiếp địa tạo trường từ mạnh. Nếu dây tín hiệu chạy qua cùng vòng trượt, từ trường này sẽ cảm ứng vào dây tín hiệu, làm tín hiệu nhiễu.
Dây tín hiệu từ cảm biến trên khớp quay phải được xoắn đôi (twisted pair). Xoắn đôi tạo lặp từ trường, giúp hủy nhiễu từ bên ngoài. Nếu dây chạy hẳng, từ trường ngoài sẽ cảm ứng đều vào dây.
Dây tín hiệu phải được bao bằng lớp chắn (shield) tiếp địa ở một đầu. Shield là lớp lưới đồng hoặc nhôm bao quanh dây, nối tiếp địa. Chỉ nối shield ở một đầu (thường là đầu cảm biến), không nối cả hai đầu, để tránh tạo vòng lặp tiếp địa.
Khoảng cách giữa dây tiếp địa (dòng cao) và dây tín hiệu (dòng thấp) phải ít nhất 50 mm khi chạy qua vòng trượt. Dây tiếp địa mang dòng cao, tạo từ trường mạnh. Nếu dây tín hiệu quá gần, từ trường này sẽ cảm ứng vào tín hiệu.
Nếu robot có encoder hoặc cảm biến góc trên khớp quay, tín hiệu encoder phải là loại digital (TTL hoặc CAN) chứ không phải analog. Tín hiệu digital chịu nhiễu tốt hơn tín hiệu analog. Tín hiệu analog từ khớp quay sẽ nhiễu quá mức dùng được.
Capacitor lọc (0.1 µF) phải được lắp sát vào chân cảm biến trên khớp quay, không được ở xa. Capacitor này lọc nhiễu tần số cao trước khi tín hiệu đi vào dây. Nếu lắp ở tủ điều khiển, nó không có tác dụng.
Nếu robot dùng motor servo hoặc motor brushless có bộ điều khiển PWM, cần lắp ferrite clamp quanh dây cấp điện của motor. Ferrite clamp hấp thụ tần số cao từ PWM, giảm EMI phát ra từ dây cấp điện.
Dây CAN hoặc Ethernet từ tủ điều khiển đến bộ điều khiển trên robot phải đi qua cáp xoắn chắn, không được chạy gần dây cấp điện. CAN và Ethernet là tín hiệu serial tốc độ cao, rất nhạy cảm với EMI. Cáp xoắn chắn bảo vệ tín hiệu này.
Kiểm tra tín hiệu encoder hoặc cảm biến bằng oscilloscope khi robot hoạt động ở tốc độ cao. Nếu tín hiệu có ripple (gợn sóng) hoặc nhiễu cao tần, cần thêm capacitor lọc hoặc điều chỉnh vị trí dây.
Bảo trì vòng trượt và kiểm tra định kỳ
Bàn chải carbon trong vòng trượt mài mòn do ma sát liên tục với vòng kim loại, cần thay mỗi 6 tháng hoặc khi điện trở tiếp địa vượt 2 ôm. Bàn chải cũ không tiếp xúc tốt, làm tiếp địa không đáng tin cậy. Thay bàn chải là công việc bảo trì căn bản nhất.
Vòng kim loại trong vòng trượt phải được lau sạch mỗi 3 tháng bằng rượu isopropyl và bàn chải mềm. Bụi carbon và oxy hóa tích lũy trên vòng, tăng điện trở. Lau sạch giúp duy trì tiếp xúc tốt và kéo dài tuổi thọ vòng trượt.
Kiểm tra căng của vòng trượt bằng cách nắn tay—vòng không được rơi lỏng trên trục quay. Vòng lỏng gây bàn chải mất tiếp xúc, điện trở tăng đột ngột. Nếu lỏng, cần bó chặt bằng kẹp hoặc ốc vít lò xo.
Đo điện trở tiếp địa qua vòng trượt mỗi tuần nếu robot chạy liên tục, hoặc mỗi tháng nếu chạy theo ca. Dùng đồng hồ vạn năng ở chế độ Ω, nối một đầu vào vòng trượt tĩnh, một đầu vào vòng trượt quay. Quay vòng từ từ, ghi chép giá trị cao nhất và thấp nhất.
Nếu điện trở tăng từ từ từ 0.5 ôm lên 1.5 ôm trong 3 tháng, bàn chải sắp hết tuổi thọ, cần chuẩn bị thay. Tăng nhanh chỉ ra bàn chải bị mòn gia tốc, có thể do bụi bẩn vào vòng hoặc do áp lực bàn chải quá cao.
Kiểm tra dây dẫn từ vòng trượt đến ray tiếp địa chủ mỗi 6 tháng để phát hiện dây bị cong, đứt hoặc mất cách điện. Nhìn kỹ từng đoạn dây dưới ánh sáng. Nếu thấy vết xước trên cách điện, cần cách điện lại bằng tape hoặc thay dây.
Kiểm tra kết nối ốc vít giữa dây tiếp địa và ray tiếp địa chủ bằng cách nắn nhẹ—ốc vít không được bị lỏng. Lỏng gây điện trở tăng. Tái siết ốc vít nếu cần. Nếu ốc vít bị oxy hóa (xanh xanh), cần tháo, lau sạch bằng chổi kim loại, rồi siết lại.
Ghi nhật ký bảo trì: ngày thay bàn chải, ngày lau sạch vòng, giá trị điện trở đo được, và bất kỳ vấn đề phát hiện. Nhật ký giúp dự đoán khi nào cần bảo trì tiếp theo và phát hiện xu hướng (ví dụ, vòng trượt mài mòn nhanh hơn bình thường).
Khi thay bàn chải, phải tháo và lắp lại toàn bộ vòng trượt, không nên cố gắng thay bàn chải khi vòng trượt còn lắp trên robot. Dễ làm rơi hoặc xây trầy vòng kim loại. Tháo vòng trượt ra bàn, thay bàn chải, rồi lắp lại.
Câu hỏi thường gặp
Vòng trượt tiếp địa khác gì với vòng trượt tín hiệu?
Vòng trượt tiếp địa dùng cho dòng tiếp địa, có ít lõi (2-4 lõi), bàn chải dày để chịu được dòng cao. Vòng trượt tín hiệu dùng cho tín hiệu cảm biến, có nhiều lõi nhỏ (4-8 lõi), bàn chải mỏng để tiếp xúc tốt. Không được trộn hai loại vào một vòng trượt.
Tại sao tiếp địa qua vòng trượt phải dưới 1 ôm?
Điện trở cao làm hiệu điện thế rơi trên đường tiếp địa tăng, giảm hiệu quả thoát tĩnh điện. Nếu điện trở là 5 ôm và dòng tiếp địa là 1 A, hiệu điện thế rơi là 5 V, đủ để làm hỏng cảm biến nhạy cảm hoặc gây nhiễu tín hiệu.
Làm sao để lắp dây dẫn qua vòng trượt mà không bị xoắn?
Lắp ống gợn nhựa bao quanh dây để bảo vệ và cho phép xoắn mượt mà. Để dây có độ dài dự phòng coil lỏng 50-100 mm ở hai đầu. Sắp xếp coil theo hình xoắn ốc từ từ, không xếp chập chồng. Gắn kẹp để cố định ống gợn nhựa, tránh để lỏng.
Bàn chải carbon cần thay bao lâu một lần?
Mỗi 6 tháng hoặc khi điện trở tiếp địa vượt 2 ôm. Nếu robot chạy liên tục (24/7), cần thay sớm hơn, khoảng 3-4 tháng. Kiểm tra điện trở mỗi tuần để dự đoán thời điểm thay bàn chải.
Đọc thêm trong Thiết kế cơ khí và Gỡ lỗi & chẩn đoán.
