U kontinuirano rotirajućim sustavima, obični kabeli od vlakana se uvijaju, zamaraju i na kraju otkazuju. U projektima koje smo podržali kao proizvođači kliznih prstenova, ovo je rijetko problem konektora. Obično se radi o problemu-na razini sustava: optički put je tretiran kao naknadna misao pored strujnih i kontrolnih vodova, a otkrio se tek kada se stroj okretao velikom brzinom u polju.
A optički rotacijski spoj, također se naziva aFORJilioptički klizni prsten, rješava to dopuštajući optičkim signalima da prijeđu rotirajuće sučelje bez uvijanja vlakna. Kod većine modernih strojeva FORJ se ne kupuje kao samostalan dio. Integriran je selektrični klizni prstenu jedan hibridni sklop koji prenosi napajanje, signale niskog-napona, Ethernet, fieldbus i optičke podatke kroz jednu rotacijsku os.
Ovaj je vodič napisan iz perspektive tima inženjera aplikacija koji specificira i testira ove sklopove za korisnike u industriji, pomorstvu, obrani i medicini. Pokriva što je FORJ, kako funkcionira, kada je hibridno rješenje pravi izbor, specifikacije koje su zapravo važne i informacije koje trebate pripremiti prije nego kontaktirate dobavljača.
Što je rotacijski spoj s optičkim vlaknima?
Okretni spoj s optičkim vlaknima je pasivni optički uređaj koji omogućuje prolaz svjetlosti između stacionarne i rotirajuće strane stroja bez prekidanja optičkog puta. Ima istu ulogu za optičke signale koju konvencionalni klizni prsten igra za električne signale.
Vidjet ćete istu tehnologiju opisanu u podatkovnim tablicama i Zahtjevima za ponudu pod nekoliko naziva:
- Okretni zglob od optičkih vlakana (FORJ)
- Klizni prsten od optičkih vlakana
- Optički klizni prsten
- Optički rotacijski spoj
- Svjetlovodni rotirajući konektor
Ovi pojmovi općenito opisuju istu funkciju. Imenovanje obično odražava industriju i dobavljača, a ne tehničku razliku.
Kako radi rotirajući zglob od optičkih vlakana
Unutar FORJ-a, rotirajuće vlakno i stacionarno vlakno nikada se fizički ne uvijaju jedno protiv drugog. Umjesto toga, optički signal se prenosi kroz precizno poravnat optički put između dva kolimirajuća elementa, poduprta ležajevima, rotirajućim kućištem i stacionarnim kućištem. Jedno-kanalni dizajni obično koriste par kolimatora na osi rotacije. Više{4}}kanalni dizajni dodaju prizme, golubaste prizme, zrcala ili rotacijske multipleksere tako da nekoliko optičkih kanala može dijeliti ili križati isto rotirajuće sučelje.
Budući da optički prijenos ovisi o mikro{0}}usklađenosti razine, mehanička kvaliteta ležajeva i dimenzionalna stabilnost kućišta važni su koliko i sama optika. U aplikacijama koje su-sklone velikim-brzinama ili vibracijama, dominantni način kvara nije katastrofalan gubitak signala, već nestabilanvarijacija unesenog gubitka: dio prolazi statički test na stolu, zatim se kreće u polju nakon što se počne okretati pod opterećenjem.
Hibridni klizni prsten od optičkih vlakana: snaga, signal i optički podaci u jednom sklopu
FORJ sam po sebi prenosi samo optičke signale. Ne prenosi električnu energiju, struju pogona motora, signale kodera ili pneumatske vodove. U stvarnim strojevima, oni gotovo uvijek moraju prijeći istu rotirajuću os.
Zato većina zahtjeva za FORJ koje dobivamo nije za goli FORJ. Oni su za ahibridni klizni prstenkoji integrira optički kanal s električnim kliznim prstenom, a ponekad i s pneumatskim ili hidrauličkim vodom, unutar jedne mehaničke ovojnice.
Hibridni klizni prsten od optičkih vlakana obično kombinira nešto od sljedećeg u jednom rotirajućem sklopu:
- Jedan ili više optičkih kanala (single-mode or multimode)
- Visok{0}}naponski krugovi za motore ili grijače
- Kontrola-niskog napona i signali senzora
- Gigabit Ethernetili krugovi sabirnice polja (CAN, EtherCAT, PROFINET)
- RF ili koaksijalni kanali
- Pneumatski ili hidraulički prolazi u nekim izvedbama
Kada hibridni klizni prsten ima smisla
Hibridni dizajn obično je pravi odgovor kada je barem jedno od sljedećeg istinito:
- Rotirajuća struktura ima stroga ograničenja omotnice, težine ili ravnoteže, a drugi rotirajući uređaj ne može se postaviti na osovinu.
- Podatkovna veza mora biti otporna na elektromagnetske smetnje od obližnjih motora, VFD-ova ili radarskih odašiljača.
- Brzina podataka premašuje ono što kontakt s bakrenim kliznim prstenom može pouzdano isporučiti tijekom vijeka trajanja sustava.
- Napajanje, kontrola pokreta i podaci senzora velike-propusnosti moraju prijeći istu os.
- Aplikacija je dovoljno prilagođena da se--gotovi FORJ i zasebni klizni prsten ne bi mehanički poravnali.
U kardanu za nadzor, na primjer, tipični hibridni sklop može kombinirati jedan optički kanal za video tok visoke-razlučivosti kamere, Gigabit Ethernet liniju za kontrolu, nekoliko ampera snage za motore za pomicanje/naginjanje i grijače, i pregršt nisko{1}}naponskih signalnih krugova, sve unutar kućišta promjera ispod 60 mm. Zasebno određivanje ovih kanala i njihovo međusobno spajanje obično košta više prostora i više novca nego jedan integrirani dizajn.
Optički rotirajući spoj naspram električnog kliznog prstena
Oba uređaja rješavaju probleme rotacijskog prijenosa, ali nisu međusobno zamjenjivi.
| Faktor | Okretni spoj s optičkim vlaknima | Električni klizni prsten |
|---|---|---|
| Primarni signal | Optički podaci | Napajanje i električni signali |
| Najbolje za | Podaci velike-propusnosti, EMI-osjetljive veze, duga vlakna | Prijenos snage, kontrola-niskog napona, signali senzora |
| Način kontakta | Beskontaktni optički put | Četka-na-prstenu ili kontakt s vlaknastom četkom |
| EMI osjetljivost | Vrlo nisko | Ovisi o zaštiti i vrsti signala |
| Prenosi snagu? | Ne | Da |
| Ključni parametri | Vrsta vlakna, valna duljina, broj kanala, uneseni gubitak, povratni gubitak | Struja, napon, kontaktni materijal, broj krugova |
| Uobičajena kombinacija | Integriran u hibridni klizni prsten | Integriran s FORJ, RF ili pneumatskim modulima |
Ako sustav treba samo napajanje i standardne upravljačke signale, dovoljan je konvencionalni električni klizni prsten. U trenutku kada trebate gurnuti nekomprimirani HD/4K video, kontinuirani Gigabit Ethernet ili bilo koji optički senzor velike-propusne širine preko rotirajuće osi, FORJ ili hibridni sklop postaje pouzdaniji dugoročni-izbor.
Ključne specifikacije koje su zapravo važne
Odabir FORJ-a nije samo pitanje vanjskog promjera i cijene. Optički, mehanički i ekološki zahtjevi moraju se pregledati zajedno, jer kompromisi-između njih uzrokuju većinu kvarova na terenu.
Jedno-kanalni u odnosu na više-kanalni
Jedan-kanal FORJ prenosi jedan optički kanal. Manji je, jednostavniji i općenito ima najmanji uneseni gubitak i najbolju -dugoročnu stabilnost. Više-kanalni FORJ odašilje više optičkih kanala kroz isto rotirajuće sučelje, koristeći prizme, golublje prizme ili multipleksere, ovisno o dizajnu.
Više{0}}kanalni FORJ-ovi rješavaju pravi problem, ali dodaju složenost, osjetljivost na usklađivanje i cijenu. Prije nego što se posvetimo 4- ili 8-kanalnom dizajnu, vrijedi se zapitati mogu li se podaci umjesto toga multipleksirati na jedno ili dva vlakna na razini primopredajnika. Multipleksiranje valne duljine ili primopredajnici veće brzine često smanjuju potreban broj kanala i rezultiraju manjim, pouzdanijim rotacijskim zglobom.
Jedno-modno vlakno u odnosu na višemodno vlakno
Vrsta vlakna mora odgovarati ostatku optičkog sustava. Single{1}}mode vlakno (obično OS2, usklađeno sITU-T G.652preporuka) koristi se za-veze na velikim-pojasnim i telekomunikacijskim-razredima, često na 1310 nm ili 1550 nm. Višemodno vlakno (OM3/OM4/OM5) češće je u kratkim podatkovnim vezama na 850 nm i općenito je jeftinije za završetak.
Za FORJ, izbor obično slijedi iz primopredajnika i optičkog proračuna sustava. Miješanje vrsta vlakana na rotirajućem sučelju čest je uzrok neobjašnjivih gubitaka, stoga uvijek provjerite vrstu vlakna, radnu valnu duljinu i vrstu konektora s obje strane prije naručivanja.
Uneseni gubitak, povratni gubitak i stabilnost signala
Optička izvedba ono je gdje većina jeftinih FORJ-ova-je slabija. Brojke koje vrijedi pogledati:
- Insercijski gubitak- tipično dobar pojedinačni-način FORJ: ispod oko 1,5 dB. Budite oprezni s navedenim dijelovima samo na "uobičajenim" vrijednostima bez maksimuma.
- Varijacija unesenog gubitka tijekom rotacije- ovo je često važnije od statičkog unesenog gubitka. Potražite varijacije ispod 0,5 dB tijekom punog okretaja, mjereno pri nazivnoj brzini, ne u mirovanju.
- Povratni gubitak- za jedno-sustave obično se očekuje 50 dB ili bolje. Mali povratni gubitak može destabilizirati laserske odašiljače i pokvariti vezu.
- Ovisnost o valnoj duljini- potvrdite izvedbu na vašoj stvarnoj radnoj valnoj duljini, a ne samo na jednoj referentnoj valnoj duljini.
- Preslušavanje- relevantno samo za više-kanalne dizajne.
Zatražite od dobavljača izvješće o ispitivanju koje pokazuje dinamički uneseni gubitak izmjeren dok se zglob rotira. Dio koji izgleda prihvatljivo na statičkom ispitnom stolu može se povući nekoliko dB nakon što se okreće pod opterećenjem.
Brzina rotacije, moment i mehanička omotnica
FORJ mora fizički stati i preživjeti u stroju. Potvrdite nazivnu trajnu brzinu, vršnu brzinu, početni moment, kapacitet aksijalne i radijalne nosivosti i vijek trajanja ležaja. Kompaktni jedno-kanalni FORJ može biti ocijenjen za nekoliko tisuća okretaja u minuti, dok će zatvoreni više{3}}kanalni dizajn za upotrebu u moru obično biti ograničen na nekoliko stotina okretaja u minuti u zamjenu za zaštitu okoliša.
IP ocjena, temperatura i okoliš
Zahtjevi za brtvljenje ovise o tome gdje sklop radi, a ne o tome kako izgleda na CAD modelu. Postolja radara na otvorenom,ROV sustavi, offshore vitla ivjetroturbinasvaka gondola ima različite profile izloženosti vodi, slanom spreju, prašini i kondenzaciji.
Za stupnjeve zaštite pogledajte standard IEC 60529 koji podupireIP sustav ocjenjivanjakoristi se u cijeloj industriji. Općenito pravilo: IP54 je u redu za čista unutarnja industrijska okruženja, IP65/IP66 za vanjsko izlaganje ili ispiranje, a IP67/IP68 za produljeno uranjanje. Traženje IP68 u čistoj sobi samo povećava troškove; traženje IP54 na offshore palubi neće uspjeti u prvoj oluji.
Konektori, pigtails i montaža
Mali detalji integracije odgovorni su za iznenađujući udio kašnjenja projekta. Prije naručivanja potvrdite:
- Tip konektora sa svake strane: FC/APC, FC/UPC, SC, ST, LC, SMA ili prilagođeni
- Duljina pigtaila i omotač kabela potrebni za vaše okruženje
- Smjer izlaza kabela - ravno ili pod pravim{1}}kutom
- Ograničenja radijusa savijanja duž trase kabela
- Uzorak prirubnice, navojna montaža ili osovina
- Mora li se FORJ integrirati s postojećim kliznim prstenom ili ugraditi u novi sklop
Brzi FORJ odabir
Sljedeća tablica je kratka verzija koju koristimo interno kada analiziramo nove upite.
| Vaša situacija | Preporučeni smjer |
|---|---|
| Samo optički podaci, bez napajanja preko osi | Samostalni FORJ |
| Optički podaci + napajanje, kontrola motora ili Ethernet preko iste osi | Hibridni klizni prsten s integriranim FORJ |
| Dugo{0}}veze, velika propusnost, telekom valne duljine | Jedno-modalni FORJ (OS2, 1310/1550 nm) |
| Kratka podatkovna veza, niža cijena, 850 nm primopredajnici | Višemodni FORJ (OM3/OM4) |
| Potrebno je više optičkih puteva | Više{0}}kanalni FORJ - ili prvo procijenite WDM/multipleksiranje |
| Na otvorenom, u moru, na moru, s pranjem | Zatvoreni FORJ, obično IP66 ili viši |
| Kontinuirana velika{0}}brzina rotacije (kardan, radar) | Kompaktni jedno{0}}kanalni FORJ s malom varijacijom unesenog gubitka |
| Stroga ograničenja omotnice, težine ili ravnoteže | Hibridni sklop po narudžbi |
FORJ Selection
Koristite ovaj kontrolni popis kada pripremate Zahtjev za ponudu. Svaki red preslikava zahtjev na konkretno pitanje koje treba postaviti dobavljaču.
| Zahtjev | Što potvrditi | Zašto je važno |
|---|---|---|
| Vrsta vlakana | Jedno-mod ili višemod, OS2 / OM3 / OM4 / OM5 | Neusklađena vlakna uzrokuju prekomjerne gubitke i ograničenja propusnosti |
| Valna duljina | 850 / 1310 / 1550 nm ili vaš specifični primopredajnik | Izvedba ovisi-o valnoj duljini |
| Broj kanala | Potreban broj nezavisnih optičkih kanala | Potiče složenost, veličinu i cijenu |
| Insercijski gubitak | Maksimalna vrijednost, nije tipično | Definira proračun veze |
| Varijacija unesenog gubitka | Ispitano tijekom vrtnje pri nazivnoj brzini | Sam statički gubitak skriva-izvedbu u stvarnom svijetu |
| Povratni gubitak | Minimalni dB, posebno za pojedinačni-način | Mali povratni gubitak može destabilizirati laserske izvore |
| Brzina rotacije | Kontinuirani i vršni broj okretaja u minuti | Pogonski ležajevi i izbor brtve |
| IP ocjena | Poseban IP kod, ne "vodootporan" | Standard brtvljenja je provjerljiv, marketinški uvjeti nisu |
| Raspon temperature | Ekstremi pri radu i skladištenju | Utječe na odabir maziva, brtvila i ljepila |
| Vrsta priključka | FC/APC, FC/UPC, SC, LC, ST, SMA | Određuje kompatibilnost parenja |
| Montaža | Prirubnica, osovina, prolazni{0}}provrt ili prilagođeni | Odlučuje hoće li dio uopće odgovarati |
| Ostali kanali | Napajanje, upravljanje, Ethernet, RF, pneumatski | Pokazuje na hibridni sklop |
Kako odabrati pravi FORJ
Ovo je proces koji naši inženjeri aplikacija koriste kada s kupcem određuju opseg novog FORJ projekta.
Mapirajte potpuni zahtjev za prijenos
Navedite svaki signal koji mora prijeći rotirajuću os: optički kanali, strujni krugovi, upravljački signali, Ethernet, fieldbus, RF, pneumatski ili hidraulični vodovi. Ako je na popisu nešto osim čistih optičkih podataka, gledate u hibridni sklop, a ne u samostalni FORJ.
Zaključajte optički sustav
Navedite vrstu vlakna, valnu duljinu, vrstu konektora, broj optičkih kanala, maksimalni uneseni gubitak, povratni gubitak i dopuštenu varijaciju unesenog gubitka. Ako niste sigurni trebate li zaista više optičkih kanala, raspitajte se može li multipleksiranje ili primopredajnik veće-brzine svesti zahtjev na jedan ili dva kanala. Ova jedinstvena odluka često štedi najviše troškova i složenosti.
Potvrdite mehaničku omotnicu
Pošaljite osnovni crtež ili barem omotnicu: vanjski promjer, duljina, veličina provrta, sučelje za montažu, smjer izlaza kabela, brzina rotacije i sva ograničenja momenta. FORJ sa savršenom optikom je beskoristan ako ne stane na osovinu.
Uskladite okruženje sa stvarnim IP kodom
Točno navedite gdje će sklop raditi: u zatvorenom prostoru, na otvorenom, u moru, u bušotini, vakuum, visoka vlažnost, slani sprej, prašina, izloženost kemikalijama. Pretvorite to u IP kod i raspon radne temperature. Izbjegavajte korištenje nejasnih pojmova kao što su "vodootporan" ili "hrapav" - oni koštaju više i ne potvrđuju ništa.
Definirajte test i dokumentaciju koja vam je potrebna
Za kritične sustave (medicinsko snimanje, zrakoplovstvo, obrana, offshore), zatražite dokumentaciju unaprijed, a ne nakon isporuke:
- Izvješće o optičkom ispitivanju na radnoj valnoj duljini
- Podaci o dinamičkom unesenom gubitku tijekom rotacije
- Mjerenje povratnog gubitka
- Mehanički crtež i pinout vlakana
- Deklaracija materijala i površinske obrade
- Preporučeni postupak instalacije i održavanja
Njihovo definiranje u fazi ponude sprječava većinu sporova koji se inače pojavljuju tijekom testiranja prihvatljivosti.
Stvarni{0}}svjetski scenariji primjene
Kardani za nadzor i ciljanje
Tipičnom EO/IR gimbalu potreban je nekomprimirani video sa senzora postavljenih na rotirajuću glavu natrag do baze. Bakreni kontakti muče se s brzinom prijenosa podataka, EMI iz pan/tilt motora kvari signal, a dostupna omotnica je mala. Standardno je rješenje hibridni FORJ koji kombinira jedan optički kanal za video, Gigabit Ethernet za kontrolu i napajanje motora od 24 VDC.
Daljinski upravljana vozila (ROV)
Podmorski sustavi trebaju zapečaćene sklopove koji mogu izdržati slanu vodu, promjene tlaka i stalnu nisku-brzinu rotacije na vitlima ili zglobovima manipulatora. Gubitak umetanja i IP ocjena dominiraju specifikacijom, dok je najveća brzina rotacije rijetko ograničavajući faktor.
Vjetroturbine i radarska postolja
Za sustave skretanja gondole i postolja radarske antene, sklop obično radi na niskom broju okretaja u minuti, ali mora raditi mnogo godina uz minimalno održavanje. Stabilnost unesenih gubitaka tijekom tisuća sati, zatvoreni ležajevi i dokazana IP66 kućišta važniji su od vrhunskih optičkih performansi.
Medicinski slikovni sustavi
CT i OCT sustavi kombiniraju visoke brzine prijenosa podataka s iznimno strogim zahtjevima pouzdanosti. FORJ je ovdje obično jedan element čvrsto integriranog hibridnog rotacijskog sklopa, kvalificiran zajedno s ostatkom stroja, a ne specificiran zasebno.
FAQ
P: Što znači FORJ?
O: FORJ je kratica za Fiber Optic Rotary Joint, uređaj koji omogućuje prolaz optičkih signala između stacionarne i rotirajuće strane stroja bez uvijanja vlakna.
P: Je li rotacijski zglob od optičkih vlakana isto što i klizni prsten?
O: Ne baš. FORJ radi za optičke signale ono što klizni prsten radi za električne signale. U većini modernih sustava, njih dvoje se kombiniraju u hibridni rotacijski sklop.
P: Može li optički rotacijski spoj prenositi snagu?
O: Ne. FORJ prenosi samo optičke signale. Ako također trebate napajanje, upravljačke signale ili Ethernet na istoj osi, potreban vam je hibridni klizni prsten koji integrira FORJ s električnim kliznim prstenom.
P: Kada bih trebao koristiti FORJ umjesto električnog kliznog prstena?
O: Kad god veza mora prenositi podatke velike-propusnosti, mora biti otporna na EMI ili mora prijeći veliku udaljenost kroz optičko vlakno. Električni kontakti mogu prenositi podatke, ali pri više-gigabitnim brzinama iu bučnim okruženjima, optički prijenos je gotovo uvijek pouzdaniji.
P: Koja je razlika između jedno-modnog i višemodnog FORJ-a?
O: Jedno-modalni FORJ odgovara jednom-modnom vlaknu i obično se koristi za -veliku propusnost ili veze na velike-udaljenosti na 1310 ili 1550 nm. Višemodni FORJ odgovara višemodnom vlaknu (OM3/OM4) i češći je u kraćim podatkovnim vezama od 850 nm.
P: Koji gubitak umetanja trebam očekivati od dobrog FORJ-a?
O: Za jedno-kanalni jedno-modalni FORJ razumni su ciljevi uneseni gubitak ispod približno 1,5 dB i varijacija unesenog gubitka ispod 0,5 dB tijekom rotacije. Dizajn više-kanalnog i oštrog-okruženja obično će imati veće vrijednosti. Uvijek tražite maksimalne, a ne tipične brojeve.
P: Koje podatke trebam dati kada tražim ponudu za FORJ?
O: Vrsta vlakna, valna duljina, vrsta konektora, broj optičkih kanala, brzina rotacije, sučelje za montažu, IP ocjena, radna temperatura i trebaju li strujni ili signalni krugovi također prijeći istu os. Što je više toga definirano unaprijed, točniji je citat.
Sljedeći koraci
Rotacijski spoj s optičkim vlaknima rijetko se kupuje u katalogu. U proizvodnim sustavima to je jedan element hibridnog rotacijskog sklopa koji mora uravnotežiti optičku izvedbu, mehaničko pristajanje, zaštitu od okoliša i integraciju s ostatkom stroja.
Ako razmatrate novi dizajn ili vam je potrebno drugo mišljenje o postojećoj FORJ specifikaciji, pripremite stavke s kontrolnog popisa za odabir iznad - tipa vlakna, valne duljine, broja kanala, ciljnog gubitka unesenog gubitka, brzine rotacije, IP ocjene i svih dodatnih kanala napajanja ili signala - ipodijelite ih s našim timom inženjera aplikacija. Odgovorit ćemo konkretnim prijedlogom, uključujući podatke o dinamičkom ispitivanju i mehanički koncept, umjesto generičke podatkovne tablice.