V nenehno vrtečih se sistemih navadni optični kabli zvijajo, utrudijo in sčasoma odpovejo. Pri projektih, ki smo jih podprli kot proizvajalec drsnih obročev, je to redko težava s priključkom. Običajno gre za težavo-na nivoju sistema: optična pot je bila poleg napajalnih in krmilnih vodov obravnavana kot naknadna misel in se je pokazala šele, ko se je stroj vrtel s hitrostjo na polju.
A rotacijski spoj z optičnimi vlakni, imenovan tudi aFORJozdrsni obroč iz optičnih vlaken, to rešuje tako, da omogoča, da optični signali prečkajo vrtljivi vmesnik brez zvijanja vlakna. Pri večini sodobnih strojev se FORJ ne kupi kot samostojni del. Integriran je z anelektrični drsni obročv en sam hibridni sklop, ki prenaša moč, nizko{0}}napetostne signale, Ethernet, fieldbus in optične podatke skozi eno rotacijsko os.
Ta priročnik je napisan z vidika skupine inženirjev aplikacij, ki določa in preizkuša te sklope za uporabnike v industriji, pomorstvu, obrambi in medicini. Pokriva, kaj je FORJ, kako deluje, kdaj je hibridna rešitev prava izbira, specifikacije, ki so dejansko pomembne, in informacije, ki jih morate pripraviti, preden stopite v stik z dobaviteljem.
Kaj je rotacijski spoj z optičnimi vlakni?
Rotacijski spoj z optičnimi vlakni je pasivna optična naprava, ki omogoča prehod svetlobe med stacionarno in vrtečo se stranjo stroja, ne da bi prekinila optično pot. Za optične signale igra enako vlogo kot običajni drsni obroček za električne signale.
Videli boste isto tehnologijo, opisano v podatkovnih listih in RFQ pod več imeni:
- Vrtljivi spoj z optičnimi vlakni (FORJ)
- Drsni obroč iz optičnih vlaken
- Optični drsni obroč
- Optični rotacijski spoj
- Vrtljivi konektor z optičnimi vlakni
Ti izrazi na splošno opisujejo isto funkcijo. Poimenovanje običajno odraža industrijo in dobavitelja, ne pa tehnične razlike.
Kako deluje rotacijski spoj z optičnimi vlakni
Znotraj FORJ se rotirajoče vlakno in stacionarno vlakno nikoli fizično ne zvijeta drug proti drugemu. Namesto tega se optični signal prenaša po natančno poravnani optični poti med dvema kolimacijskima elementoma, podprta z ležaji, vrtljivim ohišjem in stacionarnim ohišjem. Eno-kanalne zasnove običajno uporabljajo par kolimatorjev na osi vrtenja. Več-kanalne zasnove dodajo prizme, golobčaste prizme, zrcala ali rotacijske multiplekserje, tako da lahko več optičnih kanalov deli ali prečka isti rotacijski vmesnik.
Ker je optični prenos odvisen od poravnave ravni mikronov, sta mehanska kakovost ležajev in dimenzijska stabilnost ohišja pomembni enako kot optika sama. V aplikacijah, ki so-nagnjene k-hitrosti ali vibracijam, prevladujoč način okvare ni katastrofalna izguba signala, ampak nestabilnavariacija vstavljene izgube: del prestane statični preskus na preskusni napravi, nato pa se odnese v polje, ko se začne vrteti pod obremenitvijo.
Hibridni drsni obroč iz optičnih vlaken: moč, signal in optični podatki v enem sklopu
FORJ sam oddaja samo optične signale. Ne prenaša električne energije, pogonskega toka motorja, signalov dajalnika ali pnevmatskih vodov. V resničnih strojih morajo ti skoraj vedno prečkati isto vrtljivo os.
Zato večina prošenj za FORJ, ki jih prejmemo, ni za golo FORJ. So za ahibridni drsni obročki integrira optični kanal z električnim drsnim obročem in včasih s pnevmatskim ali hidravličnim vodom znotraj enega mehanskega ovoja.
Hibridni drsni obroč iz optičnih vlaken običajno združuje nekaj od naslednjega v enem rotacijskem sklopu:
- En ali več optičnih kanalov (eno-način ali več načinov)
- Visoko{0}}napajalni tokokrogi za motorje ali grelnike
- Nizko{0}}napetostni nadzor in signali senzorjev
- Gigabit Ethernetali vezja fieldbus (CAN, EtherCAT, PROFINET)
- RF ali koaksialni kanali
- Pnevmatski ali hidravlični prehodi v nekaterih izvedbah
Ko je hibridni drsni obroček smiseln
Hibridna zasnova je običajno pravi odgovor, če velja vsaj eno od naslednjega:
- Vrtljiva struktura ima stroge omejitve glede ovojnice, teže ali ravnotežja, druge rotacijske naprave pa ni mogoče zložiti na gred.
- Podatkovna povezava mora biti odporna na elektromagnetne motnje bližnjih motorjev, VFD-jev ali radarskih oddajnikov.
- Hitrost prenosa podatkov presega tisto, kar lahko med življenjsko dobo sistema zanesljivo zagotovi kontakt z bakrenim drsnim obročem.
- Podatki o moči, nadzoru gibanja in visoko{0}}pasovni senzorji morajo prečkati isto os.
- Aplikacija je dovolj prilagojena, da se --standardni FORJ in ločen drsni obroč ne bi mehansko poravnala.
V nadzornem kardanu, na primer, lahko tipičen hibridni sklop združuje en optični kanal za video tok visoke-ločljivosti kamere, linijo Gigabit Ethernet za krmiljenje, več amperov moči za vrtljive/nagibne motorje in grelnike ter nekaj nizko{1}}napetostnih signalnih vezij, vse v ohišju s premerom pod 60 mm. Določanje teh kanalov ločeno in njihovo privijanje skupaj običajno stane več prostora in več denarja kot en sam integriran dizajn.
Rotacijski spoj z optičnimi vlakni v primerjavi z električnim drsnim obročem
Obe napravi rešujeta težave z rotacijskim prenosom, vendar nista zamenljivi.
| Faktor | Rotacijski spoj z optičnimi vlakni | Električni drsni obroč |
|---|---|---|
| Primarni signal | Optični podatki | Moč in električni signali |
| Najboljše za | Podatki z visoko-pasovno širino, povezave-občutljive na EMI, dolga vlakna | Prenos moči, nadzor nizke-napetosti, senzorski signali |
| Kontaktna metoda | Brezkontaktna optična pot | Ščetka-na-obroču ali stiku s ščetko iz vlaken |
| EMI občutljivost | Zelo nizko | Odvisno od zaščite in vrste signala |
| Prenaša moč? | št | ja |
| Ključni parametri | Vrsta vlakna, valovna dolžina, število kanalov, vstavljena izguba, povratna izguba | Tok, napetost, kontaktni material, število vezij |
| Pogosta kombinacija | Vgrajen v hibridni drsni obroč | Integriran s FORJ, RF ali pnevmatskimi moduli |
Če sistem potrebuje samo napajanje in standardne krmilne signale, zadostuje običajen električni drsni obroč. V trenutku, ko morate preko vrtljive osi potisniti nestisnjen video HD/4K, vzdržljiv Gigabit Ethernet ali kateri koli-optični senzor z visoko pasovno širino, postane FORJ ali hibridni sklop bolj zanesljiva dolgoročna-izbira.
Ključne specifikacije, ki so dejansko pomembne
Izbira FORJ ni samo vprašanje zunanjega premera in cene. Optične, mehanske in okoljske zahteve je treba pregledati skupaj, ker-kompromisi med njimi povzročajo večino napak na terenu.
Eno-kanalni v primerjavi z več{2}}kanalnim
En-kanal FORJ oddaja en optični kanal. Je manjši, enostavnejši in ima na splošno najmanjšo vneseno izgubo ter najbolj-dolgoročno stabilnost. Več-kanalni FORJ oddaja več optičnih kanalov prek istega vrtljivega vmesnika z uporabo prizm, golobovih prizm ali multiplekserjev, odvisno od zasnove.
Več{0}}kanalni FORJ rešujejo resnično težavo, vendar dodajajo kompleksnost, občutljivost poravnave in stroške. Preden se odločimo za 4- ali 8-kanalno zasnovo, se je vredno vprašati, ali bi lahko namesto tega podatke multipleksirali na eno ali dve vlakni na ravni oddajnika. Multipleksiranje z delitvijo valovnih dolžin ali oddajniki-sprejemniki z višjo hitrostjo pogosto zmanjšajo zahtevano število kanalov in povzročijo manjši, zanesljivejši rotacijski spoj.
Enoj-mod v primerjavi z večmodnim vlaknom
Vrsta vlakna se mora ujemati s preostalim optičnim sistemom. Enoj{1}}optično vlakno (običajno OS2, poravnano zITU-T G.652priporočilo) se uporablja za-povezave na velike-razdalje, visoke-pasovne širine in telekomunikacijske-povezave, pogosto pri 1310 nm ali 1550 nm. Večmodno vlakno (OM3/OM4/OM5) je pogostejše v kratkih podatkovnih povezavah pri 850 nm in je na splošno cenejše za zaključek.
Za FORJ izbira običajno izhaja iz oddajnikov in optičnega proračuna sistema. Mešanje vrst vlaken na rotacijskem vmesniku je pogost vzrok za nepojasnjene izgube, zato pred naročilom vedno potrdite vrsto vlakna, delovno valovno dolžino in vrsto priključka na obeh straneh.
Vstavljena izguba, povratna izguba in stabilnost signala
Optična zmogljivost je tista, kjer je večina poceni-cenovnikov FORJ slabša. Številke, vredne ogleda:
- Vstavljena izguba- tipičen dober enojni-način FORJ: pod približno 1,5 dB. Bodite previdni pri delih, navedenih samo pri "tipičnih" vrednostih brez maksimuma.
- Sprememba vnesene izgube med vrtenjem- to je pogosto bolj pomembno kot statična vstavljena izguba. Poiščite variacijo pod 0,5 dB med polnim vrtljajem, merjeno pri nazivni hitrosti, ne v mirovanju.
- Povratna izguba- za eno-sisteme se običajno pričakuje 50 dB ali več. Nizke povratne izgube lahko destabilizirajo laserske oddajnike in poškodujejo povezavo.
- Odvisnost od valovne dolžine- potrdite delovanje pri vaši dejanski delovni valovni dolžini, ne samo pri eni referenčni valovni dolžini.
- Preslušavanje- relevantno samo za več-kanalne zasnove.
Prosite dobavitelja za poročilo o preskusu, ki prikazuje dinamično vnosno izgubo, izmerjeno med vrtenjem spoja. Del, ki je videti sprejemljiv na statičnem preskusu na napravi, lahko zanese nekaj dB, ko se vrti pod obremenitvijo.
Hitrost vrtenja, navor in mehanska ovojnica
FORJ se mora fizično prilagoditi in preživeti v stroju. Potrdite nazivno stalno hitrost, največjo hitrost, začetni navor, aksialno in radialno obremenitev ter življenjsko dobo ležaja. Kompakten eno-kanalni FORJ je lahko ocenjen na nekaj tisoč vrtljajev na minuto, medtem ko bo zaprta več-kanalna zasnova za uporabo v morju običajno omejena na nekaj sto vrtljajev na minuto v zameno za zaščito okolja.
Ocena IP, temperatura in okolje
Zahteve glede tesnjenja so odvisne od tega, kje sklop deluje, ne od tega, kako je videti na modelu CAD. Podstavki za radarje na prostem,ROV sistemi, morski vitli invetrna turbinaVsaka gondola ima različne profile izpostavljenosti vodi, slanemu pršilu, prahu in kondenzu.
Za stopnje zaščite glejte standard IEC 60529, ki podpiraSistem ocenjevanja IPuporablja v celotni industriji. Kot pravilo: IP54 je v redu za čista notranja industrijska okolja, IP65/IP66 za izpostavljenost na prostem ali izpiranje in IP67/IP68 za dolgotrajno potopitev. Zahteva za IP68 v čisti sobi samo poveča stroške; zahteva za IP54 na krovu na morju ne bo uspela ob prvi nevihti.
Konektorji, konektorji in montaža
Majhne podrobnosti integracije so odgovorne za presenetljiv delež zamud pri projektih. Pred naročilom potrdite:
- Tip priključka na vsaki strani: FC/APC, FC/UPC, SC, ST, LC, SMA ali po meri
- Dolžina pletenice in kabelski plašč, ki sta potrebna za vaše okolje
- Smer izhoda kabla - ravna ali pod pravim{1}}kotom
- Omejitve polmera upogiba vzdolž kabla
- Vzorec prirobnice, navojna montaža ali prileganje gredi
- Ali mora biti FORJ integriran z obstoječim drsnim obročem ali vgrajen v nov sklop
Hitra izbira FORJ
Naslednja tabela je kratka različica, ki jo uporabljamo interno pri določanju obsega novih poizvedb.
| Vaša situacija | Priporočena smer |
|---|---|
| Samo optični podatki, brez moči preko osi | Samostojni FORJ |
| Optični podatki + napajanje, krmiljenje motorja ali Ethernet prek iste osi | Hibridni drsni obroč z integriranim FORJ |
| Povezava-na dolge razdalje, visoka pasovna širina, telekomunikacijske valovne dolžine | En-način FORJ (OS2, 1310/1550 nm) |
| Kratka podatkovna povezava, nižji stroški, 850 nm oddajniki-sprejemniki | Večmodni FORJ (OM3/OM4) |
| Potrebnih je več optičnih poti | Več{0}}kanalni FORJ - ali najprej ocenite WDM/multipleksiranje |
| Na prostem, na morju, na morju, s pranjem | Zatesnjen FORJ, običajno IP66 ali višji |
| Neprekinjeno vrtenje z visoko{0}}hitrostjo (kardan, radar) | Kompakten eno-kanalni FORJ z nizko variacijo vstavljene izgube |
| Stroge omejitve ovojnice, teže ali ravnovesja | Hibridna montaža po meri |
Izbor FORJ
Pri pripravi RFQ uporabite ta kontrolni seznam. Vsaka vrstica preslika zahtevo v konkretno vprašanje, ki ga je treba zastaviti dobavitelju.
| Zahteva | Kaj potrditi | Zakaj je pomembno |
|---|---|---|
| Vrsta vlaken | En-način ali več načinov, OS2 / OM3 / OM4 / OM5 | Neusklajena vlakna povzročajo prekomerne izgube in omejitve pasovne širine |
| Valovna dolžina | 850 / 1310 / 1550 nm ali vaš poseben oddajnik-sprejemnik | Učinkovitost je-odvisna od valovne dolžine |
| Število kanalov | Potrebno število neodvisnih optičnih kanalov | Poganja kompleksnost, velikost in stroške |
| Vstavljena izguba | Najvišja vrednost, ni tipično | Določa proračun povezave |
| Variacija vstavljene izgube | Preizkušeno med vrtenjem pri nazivni hitrosti | Samo statična izguba skrije-zmogljivost v realnem svetu |
| Povratna izguba | Najmanjši dB, zlasti za enojni-način | Majhne povratne izgube lahko destabilizirajo laserske vire |
| Hitrost vrtenja | Neprekinjeno in najvišje število vrtljajev | Poganja izbiro ležaja in tesnila |
| IP ocena | Posebna koda IP, ne "vodoodporen" | Standard tesnjenja je preverljiv, tržni pogoji pa ne |
| Temperaturno območje | Ekstremi pri delovanju in skladiščenju | Vpliva na izbiro maziv, tesnil in lepil |
| Vrsta priključka | FC/APC, FC/UPC, SC, LC, ST, SMA | Določa združljivost parjenja |
| Montaža | Prirobnica, gred, skoznja-izvrtina ali po meri | Odloči, ali del sploh ustreza |
| Drugi kanali | Napajanje, nadzor, Ethernet, RF, pnevmatski | Kaže na hibridni sklop |
Kako izbrati pravi FORJ
To je postopek, ki ga naši aplikacijski inženirji uporabljajo pri določanju obsega novega projekta FORJ s stranko.
Preslikajte celotno zahtevo za prenos
Navedite vse signale, ki morajo prečkati vrtljivo os: optični kanali, močnostni tokokrogi, krmilni signali, Ethernet, fieldbus, RF, pnevmatski ali hidravlični vodi. Če je na seznamu kaj več kot čisti optični podatki, gledate hibridni sklop, ne samostojnega FORJ.
Zaklenite optični sistem
Določite vrsto vlakna, valovno dolžino, vrsto priključka, število optičnih kanalov, največjo vstavljeno izgubo, povratno izgubo in dovoljeno spremembo vstavljene izgube. Če niste prepričani, ali res potrebujete več optičnih kanalov, vprašajte, ali lahko multipleksiranje ali sprejemno-sprejemna-hitrost strne zahtevo na enega ali dva kanala. Ta ena sama odločitev pogosto prihrani največ stroškov in zapletenosti.
Potrdite mehansko ovojnico
Pošljite osnovno risbo ali vsaj ovojnico: zunanji premer, dolžino, velikost izvrtine, montažni vmesnik, smer izhoda kabla, hitrost vrtenja in morebitne omejitve navora. FORJ s popolno optiko je neuporaben, če ne paše na gred.
Uskladite okolje z resnično kodo IP
Natančno navedite, kje bo sklop deloval: v zaprtih prostorih, na prostem, v morju, v vrtini, v vakuumu, visoki vlažnosti, slanem pršilu, prahu, izpostavljenosti kemikalijam. Pretvorite to v kodo IP in območje delovne temperature. Izogibajte se uporabi nejasnih izrazov, kot sta "vodoodporen" ali "robusten" - stanejo dodatno in ne preverjajo ničesar.
Določite test in dokumentacijo, ki jo potrebujete
Za kritične sisteme (medicinsko slikanje, letalstvo, obramba, morje) zahtevajte dokumentacijo vnaprej in ne po dostavi:
- Poročilo o optičnem preskusu pri delovni valovni dolžini
- Podatki o dinamičnih vstavljenih izgubah med vrtenjem
- Merjenje povratne izgube
- Mehanska risba in pinout vlaken
- Deklaracija materiala in površinske obdelave
- Priporočen postopek namestitve in vzdrževanja
Opredelitev le-teh v fazi ponudbe prepreči večino sporov, ki se sicer pokažejo pri sprejemnem testiranju.
Realni-svetovni scenariji uporabe
Kardani za nadzor in ciljanje
Tipičen EO/IR gimbal potrebuje nestisnjen video iz senzorjev, nameščenih na vrtljivo glavo, nazaj na podlago. Bakreni kontakti se spopadajo s hitrostjo prenosa podatkov, EMI iz vrtljivih/nagibnih motorjev pokvari signal, razpoložljiva ovojnica pa je majhna. Standardna rešitev je hibridni FORJ, ki združuje en optični kanal za video, Gigabit Ethernet za krmiljenje in napajanje motorja 24 VDC.
Daljinsko upravljana vozila (ROV)
Podvodni sistemi potrebujejo zaprte sklope, ki preživijo slano vodo, nihanje tlaka in neprekinjeno nizko{0}}vrtenje na vitlih ali spojih manipulatorjev. V specifikaciji prevladujeta vstavljena izguba in ocena IP, medtem ko je najvišja hitrost vrtenja redko omejevalni dejavnik.
Vetrne turbine in radarski podstavki
Pri sistemih nihanja gondole in podstavkih za radarske antene sklop običajno deluje pri nizkih obratih, vendar mora delovati več let z minimalnim vzdrževanjem. Stabilnost vnesenih izgub v več tisoč urah, zaprti ležaji in dokazana ohišja IP66 so pomembnejši od vrhunske optične zmogljivosti.
Medicinski slikovni sistemi
Sistemi CT in OCT združujejo visoke hitrosti prenosa podatkov z izjemno strogimi zahtevami glede zanesljivosti. FORJ je tukaj običajno en element tesno integriranega hibridnega rotacijskega sklopa, kvalificiran skupaj s preostalim delom stroja, namesto da bi bil opredeljen ločeno.
pogosta vprašanja
V: Kaj pomeni FORJ?
O: FORJ je kratica za Fiber Optic Rotary Joint, napravo, ki omogoča, da optični signali prehajajo med stacionarno in vrtečo se stranjo stroja brez zvijanja vlakna.
V: Ali je rotacijski spoj z optičnimi vlakni enak drsnemu obroču?
O: Ne ravno. FORJ naredi za optične signale to, kar naredi drsni obroč za električne signale. V večini sodobnih sistemov sta oba združena v hibridni rotacijski sklop.
V: Ali lahko rotacijski spoj z optičnimi vlakni prenaša moč?
O: Ne. FORJ oddaja samo optične signale. Če potrebujete tudi napajanje, krmilne signale ali Ethernet na isti osi, potrebujete hibridni drsni obroč, ki integrira FORJ z električnim drsnim obročem.
V: Kdaj naj uporabim FORJ namesto električnega drsnega obroča?
O: Kadarkoli mora povezava prenašati podatke z visoko-pasovno širino, mora biti odporna na elektromagnetne motnje ali mora potovati na velike razdalje po optičnih vlaknih. Električni kontakti lahko prenašajo podatke, vendar je pri več-gigabitnih hitrostih in v hrupnem okolju optični prenos skoraj vedno bolj zanesljiv.
V: Kakšna je razlika med eno-načinskim in večnačinskim FORJ?
O: En-način FORJ se ujema z eno-optičnim vlaknom in se običajno uporablja za visoko-pasovne širine ali povezave na velike-razdalje pri 1310 ali 1550 nm. Večmodni FORJ se ujema z večmodnim vlaknom (OM3/OM4) in je pogostejši v krajših 850 nm podatkovnih povezavah.
V: Kakšno vstavljeno izgubo naj pričakujem od dobrega FORJ?
O: Za eno-kanalni eno-način FORJ sta razumna cilja vstavljena izguba pod približno 1,5 dB in variacija vstavljene izgube pod 0,5 dB med vrtenjem. Več-zasnova v težkem-okolju imata običajno višje vrednosti. Vedno zahtevajte najvišje, ne tipične številke.
V: Katere podatke moram navesti, ko zahtevam ponudbo za FORJ?
O: Vrsta vlakna, valovna dolžina, vrsta priključka, število optičnih kanalov, hitrost vrtenja, montažni vmesnik, ocena IP, delovna temperatura in ali morajo napajalna ali signalna vezja prečkati isto os. Več kot je tega definirano vnaprej, natančnejša je ponudba.
Naslednji koraki
Rotacijski spoj z optičnimi vlakni je le redko nakup v katalogu. V proizvodnih sistemih je to en element hibridnega rotacijskega sklopa, ki mora uravnotežiti optično zmogljivost, mehansko prileganje, okoljsko tesnjenje in integracijo s preostalim delom stroja.
Če načrtujete novo zasnovo ali potrebujete drugo mnenje o obstoječi specifikaciji FORJ, pripravite elemente z izbirnega kontrolnega seznama zgoraj - vrsto vlakna, valovno dolžino, število kanalov, ciljno izgubo pri vstavljanju, hitrost vrtenja, oceno IP in vse dodatne kanale za napajanje ali signal - injih delite z našo ekipo za inženirje aplikacij. Odgovorili bomo s konkretnim predlogom, vključno s podatki o dinamičnih preskusih in mehanskim konceptom, namesto s splošnim podatkovnim listom.