V nepretržite sa otáčajúcich systémoch sa obyčajné vláknové káble krútia, unavia a nakoniec zlyhajú. V projektoch, ktoré podporujeme ako výrobca zberných krúžkov, je to zriedkavý problém s konektormi. Zvyčajne ide o problém na-úrovni systému: s optickou dráhou sa zaobchádzalo ako s dodatočným nápadom vedľa napájacieho a riadiaceho vedenia a odhalila sa až vtedy, keď sa stroj na poli rýchlo otáčal.
A otočný kĺb z optických vlákien, nazývaný aj aFORJaleboklzný krúžok z optických vlákien, rieši to tak, že umožňuje optickým signálom prechádzať cez rotačné rozhranie bez skrúcania vlákna. Vo väčšine moderných strojov sa FORJ nekupuje ako samostatný diel. Je integrovaný selektrický zberný krúžokdo jedinej hybridnej zostavy, ktorá prenáša napájanie, nízkonapäťové{0}}signály, Ethernet, fieldbus a optické dáta cez jednu rotačnú os.
Táto príručka je napísaná z pohľadu tímu aplikačného inžinierstva, ktorý špecifikuje a testuje tieto zostavy pre priemyselných, námorných, obranných a medicínskych zákazníkov. Zahŕňa to, čo je FORJ, ako funguje, kedy je hybridné riešenie tou správnou voľbou, špecifikácie, na ktorých skutočne záleží, a informácie, ktoré si musíte pripraviť pred kontaktovaním dodávateľa.
Čo je to rotačný kĺb z optických vlákien?
Otočný kĺb z optických vlákien je pasívne optické zariadenie, ktoré umožňuje svetlu prechádzať medzi stacionárnou a rotujúcou stranou stroja bez prerušenia optickej dráhy. Pre optické signály hrá rovnakú úlohu, akú hrá konvenčný zberný krúžok pre elektrické signály.
Rovnakú technológiu opísanú v technických listoch a RFQ uvidíte pod niekoľkými názvami:
- Otočný kĺb z optických vlákien (FORJ)
- Klzný krúžok z optických vlákien
- Optický klzný krúžok
- Optický otočný kĺb
- Otočný konektor z optických vlákien
Tieto výrazy vo všeobecnosti opisujú rovnakú funkciu. Pomenovanie zvyčajne odráža skôr odvetvie a dodávateľa než technický rozdiel.
Ako funguje rotačný kĺb z optických vlákien
Vo vnútri FORJ sa rotujúce vlákno a stacionárne vlákno nikdy fyzicky nekrútia proti sebe. Namiesto toho sa optický signál prenáša cez presne vyrovnanú optickú dráhu medzi dvoma kolimačnými prvkami, podoprenými ložiskami, otočným puzdrom a stacionárnym puzdrom. Jednokanálové návrhy zvyčajne používajú pár kolimátorov na rotačnej osi. Viac{4}}kanálové konštrukcie pridávajú hranoly, holubičie hranoly, zrkadlá alebo rotačné multiplexory, takže niekoľko optických kanálov môže zdieľať alebo prechádzať cez to isté rotačné rozhranie.
Pretože optický prenos závisí od mikrónového{0}}zarovnania, na mechanickej kvalite ložísk a rozmerovej stabilite puzdra záleží rovnako ako na samotnej optike. V aplikáciách náchylných na vysokú-rýchlosť alebo vibrácie- nie je dominantným režimom zlyhania katastrofická strata signálu, ale nestabilnázmena vložnej straty: diel prejde statickou skúškou na pracovnom stole a potom sa v poli začne otáčať pod zaťažením.
Hybridný optický krúžok: napájanie, signál a optické dáta v jednej zostave
FORJ sám o sebe prenáša iba optické signály. Neprenáša elektrickú energiu, prúd motorového pohonu, signály kódovača alebo pneumatické vedenia. V skutočných strojoch musia takmer vždy prechádzať tou istou rotačnou osou.
To je dôvod, prečo väčšina žiadostí o FORJ, ktoré dostávame, nie je pre holé FORJ. Sú pre ahybridný klzný krúžokktorá integruje optický kanál s elektrickým zberným krúžkom a niekedy s pneumatickým alebo hydraulickým vedením vo vnútri jedného mechanického obalu.
Hybridný zberný krúžok z optických vlákien zvyčajne kombinuje niektoré z nasledujúcich prvkov v jednej otočnej zostave:
- Jeden alebo viac optických kanálov (jedno{0}}režimové alebo viacrežimové)
- Vysokoprúdové napájacie obvody pre motory alebo ohrievače
- Nízkonapäťové{0}}riadenie a signály senzorov
- Gigabit Ethernetalebo obvody prevádzkovej zbernice (CAN, EtherCAT, PROFINET)
- RF alebo koaxiálne kanály
- Pneumatické alebo hydraulické priechody v niektorých prevedeniach
Keď má hybridný krúžok zmysel
Hybridný dizajn je zvyčajne správnou odpoveďou, ak platí aspoň jedna z nasledujúcich možností:
- Rotačná konštrukcia má prísne obmedzenia týkajúce sa obalu, hmotnosti alebo vyváženia a druhé rotačné zariadenie nemožno naskladať na hriadeľ.
- Dátové spojenie musí byť odolné voči elektromagnetickému rušeniu z blízkych motorov, VFD alebo radarových vysielačov.
- Rýchlosť prenosu dát presahuje to, čo dokáže spoľahlivo dodať medený zberný krúžok počas životnosti systému.
- Napájanie, ovládanie pohybu a{0}}veľkopásmové údaje snímača musia prechádzať tou istou osou.
- Aplikácia je dostatočne prispôsobená na to, aby sa mimo--polica FORJ a samostatný zberný krúžok mechanicky nezarovnali.
Napríklad v kardanovom závese môže typická hybridná zostava kombinovať jeden optický kanál pre video stream z kamery s vysokým -rozlíšením, gigabitovú ethernetovú linku na ovládanie, niekoľko ampérov napájania motorov otáčania a nakláňania a ohrievačov a niekoľko nízkonapäťových signálových obvodov, všetko vo vnútri krytu s priemerom menším ako 60 mm. Špecifikácia týchto kanálov oddelene a ich zoskrutkovanie zvyčajne stojí viac miesta a viac peňazí ako jeden integrovaný dizajn.
Otočný spoj z optických vlákien vs. elektrický klzný krúžok
Obe zariadenia riešia problémy s rotačným prevodom, nie sú však zameniteľné.
| Faktor | Otočný kĺb z optických vlákien | Elektrický klzný krúžok |
|---|---|---|
| Primárny signál | Optické údaje | Silové a elektrické signály |
| Najlepšie pre | Vysoká{0}}šírka pásma dát, linky citlivé na EMI-, dlhé vlákna | Prenos energie, nízkonapäťové{0}}ovládanie, signály senzorov |
| Spôsob kontaktu | Bezkontaktná optická dráha | Kefa-na-krúžok alebo vláknitý kontakt kefy |
| Citlivosť EMI | Veľmi nízka | Závisí od tienenia a typu signálu |
| Prenáša energiu? | Nie | áno |
| Kľúčové parametre | Typ vlákna, vlnová dĺžka, počet kanálov, vložený útlm, spätný útlm | Prúd, napätie, materiál kontaktu, počet obvodov |
| Bežná kombinácia | Integrované do hybridného klzného krúžku | Integrované s FORJ, RF alebo pneumatickými modulmi |
Ak systém potrebuje iba napájanie a štandardné riadiace signály, stačí konvenčný elektrický zberný krúžok. V momente, keď potrebujete posunúť nekomprimované HD/4K video, trvalý gigabitový Ethernet alebo akýkoľvek širokopásmový optický snímač cez rotačnú os, sa zostava FORJ alebo hybridná zostava stane z dlhodobého hľadiska spoľahlivejšou-.
Kľúčové špecifikácie, na ktorých skutočne záleží
Výber FORJ nie je len otázkou vonkajšieho priemeru a ceny. Optické, mechanické a environmentálne požiadavky musia byť prehodnotené spoločne, pretože kompromisy medzi nimi spôsobujú väčšinu zlyhaní v teréne.
Jeden{0}}kanál vs. viacero-kanálov
Jeden-kanál FORJ prenáša jeden optický kanál. Je menšia, jednoduchšia a vo všeobecnosti má najnižšiu stratu vloženia a najlepšiu dlhodobú-stabilitu. Multi-kanál FORJ prenáša viacero optických kanálov cez rovnaké otočné rozhranie pomocou hranolov, holubičích hranolov alebo multiplexerov v závislosti od konštrukcie.
Viac{0}}kanálové FORJ riešia skutočný problém, ale zvyšujú zložitosť, citlivosť na zarovnanie a náklady. Predtým, ako sa zaviažete k 4- alebo 8-kanálovému dizajnu, stojí za to sa opýtať, či by sa namiesto toho dali dáta multiplexovať do jedného alebo dvoch vlákien na úrovni vysielača/prijímača. Multiplexovanie s delením vlnových dĺžok alebo vysielače a prijímače s vyššou rýchlosťou často znižujú požadovaný počet kanálov a výsledkom je menší a spoľahlivejší rotačný spoj.
Single{0}}režim a multimódové vlákno
Typ vlákna musí zodpovedať zvyšku optického systému. Jedno-režimové vlákno (zvyčajne OS2, zarovnané sITU-T G.652odporúčanie) sa používa pre dlhé{0}}vzdialenosti, vysoko-šírky pásma a telekomunikačné{2}}linky, často na 1310 nm alebo 1550 nm. Multimódové vlákno (OM3/OM4/OM5) je bežnejšie v krátkych dátových spojeniach pri 850 nm a jeho ukončenie je vo všeobecnosti lacnejšie.
Pre FORJ výber zvyčajne vyplýva z transceiverov a optického rozpočtu systému. Miešanie typov vlákien cez rotačné rozhranie je častou príčinou nevysvetliteľných strát, preto si pred objednaním vždy overte typ vlákna, prevádzkovú vlnovú dĺžku a typ konektora na oboch stranách.
Strata vloženia, Strata návratu a Stabilita signálu
Optický výkon je oblasťou, kde väčšina nízko{0}}nákladových FORJ nedosahuje výkonnosť. Čísla, ktoré sa oplatí pozrieť:
- Strata vloženia- typický dobrý single-režim FORJ: menej ako 1,5 dB. Buďte opatrní s dielmi uvádzanými len v "typických" hodnotách bez maxima.
- Kolísanie útlmu vloženia počas otáčania- to je často dôležitejšie ako statický útlm vloženia. Hľadajte odchýlky pod 0,5 dB v rámci celej otáčky, merané pri menovitých otáčkach, nie pri státí.
- Návratová strata- pre systémy s jedným-režimom sa zvyčajne očakáva 50 dB alebo viac. Nízka spätná strata môže destabilizovať laserové vysielače a poškodiť spojenie.
- Závislosť na vlnovej dĺžke- potvrďte výkon pri vašej skutočnej prevádzkovej vlnovej dĺžke, nie iba pri jednej referenčnej vlnovej dĺžke.
- Presluchy- relevantné len pre viackanálové{1}}dizajny.
Vyžiadajte si od dodávateľa protokol o skúške, ktorý ukazuje dynamickú vložnú stratu nameranú pri rotácii spoja. Súčiastka, ktorá pri statickom teste na skúšobnej stolici vyzerá prijateľne, sa môže pri otáčaní pri zaťažení pohybovať o niekoľko dB.
Rýchlosť otáčania, krútiaci moment a mechanická obálka
FORJ sa musí fyzicky prispôsobiť a prežiť v stroji. Potvrďte menovité trvalé otáčky, špičkové otáčky, rozbehový moment, axiálnu a radiálnu zaťažiteľnosť a životnosť ložísk. Kompaktný jednokanálový-kanál FORJ môže byť ohodnotený na niekoľko tisíc otáčok za minútu, zatiaľ čo zapečatený viackanálový{3}}dizajn pre námorné použitie bude zvyčajne obmedzený na niekoľko stoviek otáčok za minútu výmenou za ochranu životného prostredia.
Hodnotenie IP, teplota a prostredie
Požiadavky na tesnenie sa riadia miestom, kde zostava funguje, nie tým, ako vyzerá na modeli CAD. Vonkajšie radarové podstavce,ROV systémy, offshore navijaky aveterná turbínaKaždá z gondol má rôzne profily expozície pre vodu, soľnú hmlu, prach a kondenzáciu.
Hodnoty ochrany nájdete v norme IEC 60529, ktorá je základomSystém hodnotenia IPpoužívané v celom odvetví. Základné pravidlo: IP54 je vhodné pre čisté vnútorné priemyselné prostredia, IP65/IP66 pre vonkajšie alebo umývanie a IP67/IP68 pre dlhodobé ponorenie. Žiadosť o IP68 v čistej miestnosti len zvyšuje náklady; požiadať o IP54 na palube na mori zlyhá pri prvej búrke.
Konektory, pigtaily a montáž
Malé integračné detaily sú zodpovedné za prekvapivý podiel oneskorení projektov. Pred objednávkou potvrďte:
- Typ konektora na každej strane: FC/APC, FC/UPC, SC, ST, LC, SMA alebo vlastný
- Dĺžka pigtailu a plášť kábla potrebný pre vaše prostredie
- Smer výstupu kábla - rovno alebo pravý{1}}uhol
- Obmedzenia polomeru ohybu pozdĺž trasy kábla
- Vzor príruby, závitové upevnenie alebo uloženie hriadeľa
- Či musí byť FORJ integrovaný s existujúcim zberným krúžkom alebo zabudovaný do novej zostavy
Rýchly výber FORJ
Nasledujúca tabuľka je skrátená verzia, ktorú interne používame pri určovaní rozsahu nových dopytov.
| Vaša situácia | Odporúčaný smer |
|---|---|
| Len optické dáta, bez napájania cez os | Samostatný FORJ |
| Optické dáta + napájanie, ovládanie motora alebo Ethernet cez rovnakú os | Hybridný klzný krúžok s integrovaným FORJ |
| Spojenie na dlhé{0}}diaľky, veľká šírka pásma, telekomunikačné vlnové dĺžky | Jediný-režim FORJ (OS2, 1310/1550 nm) |
| Krátke dátové spojenie, nižšia cena, 850 nm transceivery | Multimode FORJ (OM3/OM4) |
| Je potrebných viacero optických ciest | Multi{0}}kanál FORJ - alebo najskôr vyhodnoťte WDM/multiplexovanie |
| Vonkajšie, námorné, pobrežné, umývacie | Utesnené FORJ, zvyčajne IP66 alebo vyššie |
| Nepretržité vysokorýchlostné{0}}otáčanie (gimbaly, radar) | Kompaktný jednokanálový-kanál FORJ s nízkou variabilitou vložnej straty |
| Prísne limity obálky, hmotnosti alebo vyváženia | Vlastná hybridná montáž |
Výber FORJ
Tento kontrolný zoznam použite pri príprave RFQ. Každý riadok mapuje požiadavku na konkrétnu otázku, ktorú je potrebné položiť dodávateľovi.
| Požiadavka | Čo potvrdiť | Prečo na tom záleží |
|---|---|---|
| Typ vlákna | Single{0}}režim alebo multirežim, OS2 / OM3 / OM4 / OM5 | Nezhodné vlákno spôsobuje nadmerné straty a limity šírky pásma |
| Vlnová dĺžka | 850 / 1310 / 1550 nm alebo váš konkrétny transceiver | Výkon závisí-od vlnovej dĺžky |
| Počet kanálov | Potrebný počet nezávislých optických kanálov | Riadi zložitosť, veľkosť a náklady |
| Strata vloženia | Maximálna hodnota, netypická | Definuje rozpočet prepojenia |
| Variácia straty vloženia | Testované počas otáčania pri menovitej rýchlosti | Samotná statická strata skrýva skutočný{0}}výkon |
| Návratová strata | Minimálne dB, najmä pre jeden-režim | Nízka spätná strata môže destabilizovať laserové zdroje |
| Rýchlosť otáčania | Kontinuálne a špičkové otáčky | Výber ložiska a tesnenia pohonu |
| Hodnotenie IP | Špecifický IP kód, nie "vodotesný" | Štandard tesnenia je overiteľný, marketingové podmienky nie |
| Rozsah teplôt | Prevádzkové a skladovacie extrémy | Ovplyvňuje výber maziva, tesnenia a lepidla |
| Typ konektora | FC/APC, FC/UPC, SC, LC, ST, SMA | Určuje kompatibilitu párovania |
| Montáž | Príruba, hriadeľ, priechodný-vývrt alebo vlastný | Rozhoduje, či dielec vôbec pasuje |
| Iné kanály | Napájanie, ovládanie, Ethernet, RF, pneumatické | Poukazuje na hybridnú zostavu |
Ako si vybrať správny FORJ
Toto je proces, ktorý naši aplikační inžinieri používajú pri určovaní rozsahu nového projektu FORJ so zákazníkom.
Zmapujte požiadavku na úplný prenos
Uveďte každý signál, ktorý musí prejsť cez rotačnú os: optické kanály, silové obvody, riadiace signály, Ethernet, fieldbus, RF, pneumatické alebo hydraulické vedenia. Ak je na zozname niečo iné ako čisté optické dáta, pozeráte sa na hybridnú zostavu, nie na samostatnú FORJ.
Uzamknite optický systém
Špecifikujte typ vlákna, vlnovú dĺžku, typ konektora, počet optických kanálov, maximálnu vložnú stratu, spätnú stratu a prípustnú odchýlku vložnej straty. Ak si nie ste istí, či skutočne potrebujete viacero optických kanálov, opýtajte sa, či multiplexovanie alebo vysielač/prijímač s vyššou rýchlosťou{1}} môže zhrnúť požiadavku na jeden alebo dva kanály. Toto jediné rozhodnutie často ušetrí najviac nákladov a zložitosti.
Potvrďte mechanickú obálku
Pošlite základný výkres alebo minimálne obálku: vonkajší priemer, dĺžku, veľkosť otvoru, montážne rozhranie, smer výstupu kábla, rýchlosť otáčania a akékoľvek limity krútiaceho momentu. FORJ s perfektnou optikou je nanič, ak nesedí na hriadeli.
Priraďte prostredie k skutočnému IP kódu
Presne uveďte, kde bude zostava fungovať: vnútorná, vonkajšia, námorná, spodná jama, vákuum, vysoká vlhkosť, soľná hmla, prach, vystavenie chemikáliám. Premeňte to na IP kód a rozsah prevádzkovej teploty. Vyhnite sa používaniu vágnych výrazov ako „vodotesný“ alebo „odolný“ -, stoja navyše a nič nepreverujú.
Definujte test a dokumentáciu, ktorú potrebujete
V prípade kritických systémov (medicínske zobrazovanie, letectvo, obrana, pobrežie) si dokumentáciu vyžiadajte vopred, a nie až po doručení:
- Správa o optickom teste pri prevádzkovej vlnovej dĺžke
- Dynamické údaje o strate vloženia počas otáčania
- Meranie straty spiatočky
- Mechanické kreslenie a pinout vlákien
- Deklarácia materiálu a povrchové úpravy
- Odporúčaný postup inštalácie a údržby
Ich definovaním vo fáze cenovej ponuky sa predchádza väčšine sporov, ktoré sa inak prejavia pri akceptačnom testovaní.
Skutočné{0}}svetové scenáre aplikácií
Sledovanie a zacielenie kardanov
Typický EO/IR gimbal potrebuje nekomprimované video zo senzorov namontovaných na otočnej hlave späť do základne. Medené kontakty zápasia s prenosovou rýchlosťou, EMI z motorov otáčania a nakláňania kazí signál a dostupná obálka je malá. Hybridný FORJ kombinujúci jeden optický kanál pre video, gigabitový Ethernet na ovládanie a napájanie motora 24 V DC je štandardným riešením.
Diaľkovo ovládané vozidlá (ROV)
Podmorské systémy potrebujú utesnené zostavy, ktoré prežijú slanú vodu, tlakové cykly a nepretržité- otáčanie pri nízkej rýchlosti na navijakoch alebo kĺboch manipulátora. V špecifikácii dominuje strata vloženia a IP, zatiaľ čo maximálna rýchlosť otáčania je zriedka obmedzujúcim faktorom.
Veterné turbíny a radarové podstavce
V prípade systémov vychýlenia gondoly a podstavcov radarovej antény zostava zvyčajne beží pri nízkych otáčkach, ale musí fungovať mnoho rokov s minimálnou údržbou. Stabilita straty pri vkladaní počas tisícok hodín, utesnené ložiská a osvedčené kryty IP66 sú dôležitejšie ako špičkový optický výkon.
Lekárske zobrazovacie systémy
Systémy CT a OCT kombinujú vysoké prenosové rýchlosti s extrémne prísnymi požiadavkami na spoľahlivosť. FORJ je tu zvyčajne jedným prvkom tesne integrovanej hybridnej rotačnej zostavy, ktorá je kvalifikovaná spolu so zvyškom stroja a nie je špecifikovaná samostatne.
FAQ
Otázka: Čo znamená FORJ?
Odpoveď: FORJ je skratka pre Fiber Optic Rotary Joint, zariadenie, ktoré umožňuje optickým signálom prechádzať medzi stacionárnou a rotujúcou stranou stroja bez krútenia vlákna.
Otázka: Je otočný spoj z optických vlákien rovnaký ako klzný krúžok?
A: Nie presne. FORJ robí pre optické signály to, čo zberný krúžok pre elektrické signály. Vo väčšine moderných systémov sú tieto dva kombinované do hybridnej rotačnej zostavy.
Otázka: Môže rotačný kĺb z optických vlákien prenášať energiu?
A: Nie. A FORJ prenáša len optické signály. Ak potrebujete aj napájanie, riadiace signály alebo Ethernet na tej istej osi, potrebujete hybridný zberný krúžok, ktorý integruje FORJ s elektrickým zberným krúžkom.
Otázka: Kedy by som mal použiť FORJ namiesto elektrického krúžku?
Odpoveď: Vždy, keď musí prepojenie prenášať-údaje s vysokou šírkou pásma, musí byť odolné voči EMI alebo musí prejsť cez optické vlákno na veľkú vzdialenosť. Elektrické kontakty môžu prenášať dáta, ale pri multi-gigabitových rýchlostiach a v hlučnom prostredí je optický prenos takmer vždy spoľahlivejší.
Otázka: Aký je rozdiel medzi jedným-režimom a viacrežimovým FORJ?
Odpoveď: Jedno{0}}režimové FORJ je prispôsobené vláknu s jedným -režimom a zvyčajne sa používa pre vysoko-šírku pásma alebo dlhé- spojenia pri 1310 alebo 1550 nm. Multimódový FORJ je prispôsobený multimódovému vláknu (OM3/OM4) a je bežnejší v kratších 850 nm dátových spojeniach.
Otázka: Akú stratu vloženia by som mal očakávať od dobrého FORJ?
Odpoveď: Pre jednokanálový -jednokanálový- režim FORJ sú primeranými cieľmi vložný útlm pod približne 1,5 dB a kolísanie vložného útlmu pod 0,5 dB počas rotácie. Viac{5}}kanálové a drsné-dizajny prostredia budú mať zvyčajne vyššie hodnoty. Vždy žiadajte maximálne, nie typické čísla.
Otázka: Aké informácie by som mal poskytnúť pri žiadosti o cenovú ponuku FORJ?
Odpoveď: Typ vlákna, vlnová dĺžka, typ konektora, počet optických kanálov, rýchlosť otáčania, montážne rozhranie, IP hodnotenie, prevádzková teplota a či napájacie alebo signálne obvody tiež musia prechádzať tou istou osou. Čím viac je toho definovaného vopred, tým presnejšia je cenová ponuka.
Ďalšie kroky
Otočný kĺb z optických vlákien je zriedka katalógový nákup. Vo výrobných systémoch je to jeden prvok hybridnej rotačnej zostavy, ktorá musí vyvážiť optický výkon, mechanické prispôsobenie, environmentálne tesnenie a integráciu so zvyškom stroja.
Ak určujete rozsah nového dizajnu alebo potrebujete druhý názor na existujúcu špecifikáciu FORJ, pripravte si položky z kontrolného zoznamu výberu uvedeného vyššie - typ vlákna, vlnová dĺžka, počet kanálov, cieľ vložného útlmu, rýchlosť otáčania, hodnotenie IP a akékoľvek ďalšie výkonové alebo signálne kanály - azdieľajte ich s naším tímom aplikačných inžinierov. Odpovieme konkrétnym návrhom vrátane dynamických testovacích údajov a mechanického konceptu, a nie všeobecného údajového listu.