În sistemele care se rotesc continuu, cablurile obișnuite de fibră se răsucesc, obosesc și în cele din urmă eșuează. În proiectele pe care le-am susținut ca producător de inele colectoare, aceasta este rareori o problemă de conector. De obicei, este o problemă la nivel-sistemului: calea optică a fost tratată ca o idee ulterioară lângă liniile de putere și control și a apărut numai după ce mașina se rotea cu viteză în câmp.
A articulație rotativă cu fibră optică, numită și aFORJsauinel de alunecare cu fibră optică, rezolvă acest lucru permițând semnalelor optice să traverseze o interfață rotativă fără a răsuci fibra. În majoritatea mașinilor moderne, FORJ-ul nu este cumpărat ca piesă independentă. Este integrat cu uninel colector electricîntr-un singur ansamblu hibrid care transportă energie, semnale de joasă{0}}tensiune, Ethernet, fieldbus și date optice printr-o axă rotativă.
Acest ghid este scris din perspectiva unei echipe de ingineri de aplicații care specifică și testează aceste ansambluri pentru clienții industriali, marini, de apărare și medical. Acesta acoperă ce este un FORJ, cum funcționează, când o soluție hibridă este alegerea potrivită, specificațiile care contează de fapt și informațiile pe care trebuie să le pregătiți înainte de a contacta un furnizor.
Ce este o articulație rotativă de fibră optică?
O îmbinare rotativă cu fibră optică este un dispozitiv optic pasiv care permite luminii să treacă între părțile staționare și cele rotative ale unei mașini fără a întrerupe calea optică. Acesta joacă același rol pentru semnalele optice pe care îl joacă un inel colector convențional pentru semnalele electrice.
Veți vedea aceeași tehnologie descrisă în fișele de date și cererile de cerere sub mai multe nume:
- Articulație rotativă din fibră optică (FORJ)
- Inel de alunecare din fibră optică
- Inel de alunecare optic
- Articulație optică rotativă
- Conector rotativ de fibra optica
Acești termeni descriu în general aceeași funcție. Denumirea reflectă, de obicei, industria și furnizorul, mai degrabă decât o diferență tehnică.
Cum funcționează o articulație rotativă cu fibră optică
În interiorul unui FORJ, fibra rotativă și fibra staționară nu se răsucesc fizic una împotriva celeilalte. În schimb, semnalul optic este transferat printr-o cale optică aliniată cu precizie între două elemente de colimare, susținute de rulmenți, o carcasă rotativă și o carcasă staționară. Designurile cu un singur-canal folosesc de obicei o pereche de colimatoare pe axa de rotație. Designurile cu mai multe-canale adaugă prisme, prisme porumbele, oglinzi sau multiplexoare rotative, astfel încât mai multe canale optice să poată partaja sau traversa aceeași interfață rotativă.
Deoarece transmisia optică depinde de alinierea la nivel de microni{0}}, calitatea mecanică a rulmenților și stabilitatea dimensională a carcasei contează la fel de mult ca și optica în sine. În aplicațiile predispuse la-viteză mare sau la vibrații-, modul dominant de defecțiune nu este pierderea catastrofală a semnalului, ci instabilitateavariația pierderii de inserție: piesa trece un test static pe banc, apoi se deplasează în câmp odată ce începe să se rotească sub sarcină.
Inel de alunecare cu fibră optică hibridă: putere, semnal și date optice într-un singur ansamblu
Un FORJ de la sine transmite doar semnale optice. Nu transportă energie electrică, curent de antrenare a motorului, semnale de codificator sau linii pneumatice. În mașinile reale, acestea aproape întotdeauna trebuie să traverseze aceeași axă de rotație.
De aceea, majoritatea cererilor FORJ pe care le primim nu sunt pentru un FORJ simplu. Sunt pentru ainel de alunecare hibridcare integrează canalul optic cu un inel colector electric și, uneori, cu o linie pneumatică sau hidraulică, în interiorul unei învelișuri mecanice.
Un inel de alunecare hibrid cu fibră optică combină de obicei unele dintre următoarele într-un singur ansamblu rotativ:
- Unul sau mai multe canale optice (unic{0}}mod sau multimod)
- Circuite de putere cu curent ridicat-pentru motoare sau încălzitoare
- Semnale de control și senzori de tensiune joasă-
- Gigabit Ethernetsau circuite fieldbus (CAN, EtherCAT, PROFINET)
- Canale RF sau coaxiale
- Pasaj pneumatice sau hidraulice în unele modele
Când un inel de alunecare hibrid are sens
Un design hibrid este de obicei răspunsul corect atunci când cel puțin una dintre următoarele este adevărată:
- Structura rotativă are constrângeri stricte de anvelopă, greutate sau echilibru, iar un al doilea dispozitiv rotativ nu poate fi stivuit pe arbore.
- Legătura de date trebuie să fie imună la interferența electromagnetică de la motoarele, VFD-urile sau transmițătoarele radar din apropiere.
- Rata de date depășește ceea ce un contact cu inel colector de cupru poate oferi fiabil pe toată durata de viață a sistemului.
- Puterea, controlul mișcării și datele senzorului{0}}de lățime de bandă mare trebuie să traverseze aceeași axă.
- Aplicația este suficient de personalizată încât un FORJ de--raft și un inel colector separat să nu se alinieze mecanic.
Într-un cardan de supraveghere, de exemplu, un ansamblu hibrid tipic poate combina un canal optic pentru fluxul video de-înaltă rezoluție al camerei, o linie Gigabit Ethernet pentru control, câțiva amperi de putere pentru motoare și încălzitoare pan/tilt și o mână de circuite de semnal de joasă-tensiune, toate în interiorul unei carcase cu un diametru mai mic de 60 mm. Specificarea acestor canale separat și fixarea lor împreună costă de obicei mai mult spațiu și mai mulți bani decât un singur design integrat.
Articulație rotativă din fibră optică vs. inel de alunecare electric
Ambele dispozitive rezolvă problemele transmisiei rotative, dar nu sunt interschimbabile.
| Factor | Articulație rotativă cu fibră optică | Inel de alunecare electric |
|---|---|---|
| Semnal primar | Date optice | Putere și semnale electrice |
| Cel mai bun pentru | Date cu lățime de bandă mare-, legături sensibile-EMI, porțiuni lungi de fibră | Transfer de putere, control de joasă-tensiune, semnale ale senzorilor |
| Metoda de contact | Calea optică fără contact | Perie-pe-inelul sau contactul periei cu fibre |
| Sensibilitatea EMI | Foarte scăzut | Depinde de ecranare și tipul de semnal |
| Transmite putere? | Nu | Da |
| Parametri cheie | Tip de fibră, lungime de undă, număr de canale, pierderi de inserție, pierderi de retur | Curent, tensiune, material de contact, număr de circuite |
| Combinație comună | Integrat într-un inel de alunecare hibrid | Integrat cu module FORJ, RF sau pneumatice |
Dacă sistemul are nevoie doar de semnale de putere și de control standard, este suficient un inel colector electric convențional. În momentul în care trebuie să împingeți videoclipuri HD/4K necomprimate, Gigabit Ethernet susținut sau orice senzor optic cu lățime de bandă mare-pe o axă de rotație, un FORJ sau un ansamblu hibrid devine alegerea mai fiabilă-pe termen lung.
Specificații cheie care contează de fapt
Alegerea unui FORJ nu este doar o chestiune de diametru exterior și preț. Cerințele optice, mecanice și de mediu trebuie revizuite împreună, deoarece schimburile-între acestea provoacă majoritatea defecțiunilor pe teren.
Unic-canal vs. Multi-canal
Un singur-canal FORJ transmite un canal optic. Este mai mic, mai simplu și, în general, are cea mai mică pierdere de inserție și cea mai bună stabilitate-pe termen lung. Un FORJ multi-canal transmite mai multe canale optice prin aceeași interfață rotativă, folosind prisme, prisme porumbele sau multiplexoare, în funcție de design.
FORJ-urile multi-canal rezolvă o problemă reală, dar adaugă complexitate, sensibilitate la aliniere și cost. Înainte de a vă angaja la un design cu 4- sau 8 canale, merită să vă întrebați dacă datele ar putea fi multiplexate pe una sau două fibre la nivelul transceiver-ului. Multiplexarea cu diviziune a lungimii de undă sau emițătoarele-recepția cu rată mai mare reduc adesea numărul necesar de canale și au ca rezultat o îmbinare rotativă mai mică și mai fiabilă.
Fibră mono-mod vs. Multimode
Tipul de fibră trebuie să se potrivească cu restul sistemului optic. Fibră cu modul unic-(de obicei OS2, aliniată cuITU-T G.652recomandare) este utilizat pentru legături de-distanță lungă,-lățime de bandă mare și-de telecomunicații, adesea la 1310 nm sau 1550 nm. Fibra multimodă (OM3/OM4/OM5) este mai frecventă în legăturile de date scurte la 850 nm și este în general mai ieftin de terminat.
Pentru un FORJ, alegerea decurge de obicei din transceiver și bugetul optic al sistemului. Amestecarea tipurilor de fibre pe interfața rotativă este o cauză frecventă a pierderilor inexplicabile, deci confirmați întotdeauna tipul de fibră, lungimea de undă de funcționare și tipul de conector pe ambele părți înainte de a comanda.
Pierderea inserției, pierderea returului și stabilitatea semnalului
Performanța optică este locul unde majoritatea FORJ-urilor -cost redus au performanțe slabe. Cifrele care merită să le vedeți:
- Pierderea de inserție- FORJ cu un singur-mod bun tipic: sub aproximativ 1,5 dB. Atenție la piesele cotate doar la valori „tipice” fără un maxim.
- Variația pierderii de inserție în timpul rotației- aceasta este adesea mai importantă decât pierderea de inserare statică. Căutați variații sub 0,5 dB pe o rotație completă, măsurată la viteza nominală, nu la oprire.
- Pierdere de returnare- pentru sistemele cu un singur-mod, se așteaptă de obicei 50 dB sau mai mult. Pierderea redusă de returnare poate destabiliza transmițătoarele laser și poate deteriora legătura.
- Dependența de lungime de undă- confirmați performanța la lungimea de undă de funcționare reală, nu doar la o singură lungime de undă de referință.
- Crosstalk- relevante numai pentru modelele cu mai multe-canal.
Solicitați furnizorului un raport de testare care arată pierderea dinamică de inserție măsurată în timp ce îmbinarea se rotește. O piesă care pare acceptabilă la un test static pe banc poate devia cu câțiva dB odată ce se rotește sub sarcină.
Viteza de rotație, cuplul și anvelopa mecanică
FORJ trebuie să se potrivească fizic și să supraviețuiască în mașină. Confirmați viteza nominală continuă, viteza de vârf, cuplul de pornire, capacitatea de încărcare axială și radială și durata de viață a rulmentului. Un FORJ compact cu un singur-canal poate fi evaluat pentru câteva mii de RPM, în timp ce un design sigilat cu mai multe-canale pentru uz maritim va fi de obicei limitat la câteva sute de RPM în schimbul protecției mediului.
Evaluare IP, temperatură și mediu
Cerințele de etanșare sunt determinate de locul în care funcționează ansamblul, nu de modul în care arată pe un model CAD. Socluri radar în aer liber,sisteme ROV, trolii offshore șiturbină eolianănacelele au fiecare profile de expunere diferite pentru apă, pulverizare de sare, praf și condens.
Pentru gradele de protecție, consultați standardul IEC 60529, care stă la bazaSistem de rating IPutilizate în întreaga industrie. Ca regulă generală: IP54 este potrivit pentru mediile industriale curate interioare, IP65/IP66 pentru expunerea la exterior sau la spălare și IP67/IP68 pentru imersiune prelungită. Cererea pentru IP68 într-o cameră curată adaugă doar costuri; solicitarea IP54 pe o punte offshore va eșua la prima furtună.
Conectori, pigtails și montaj
Detaliile mici de integrare sunt responsabile pentru o parte surprinzătoare a întârzierilor proiectului. Înainte de a comanda, confirmați:
- Tip de conector pe fiecare parte: FC/APC, FC/UPC, SC, ST, LC, SMA sau personalizat
- Lungimea coadă și mantaua cablului necesare pentru mediul dumneavoastră
- Direcția de ieșire a cablului - drept sau unghi drept-
- Limitele razei de îndoire de-a lungul traseului cablului
- Model de flanșă, montaj filetat sau potrivire a arborelui
- Dacă FORJ trebuie să fie integrat cu un inel colector existent sau încorporat într-un ansamblu nou
Selectare rapidă FORJ
Următorul tabel este versiunea scurtă pe care o folosim în mod intern când analizăm noi întrebări.
| Situația ta | Direcția recomandată |
|---|---|
| Numai date optice, fără putere pe axă | FORJ autonom |
| Date optice + putere, control motor sau Ethernet pe aceeași axă | Inel de alunecare hibrid cu FORJ integrat |
| Legătură-de lungă distanță, lățime de bandă mare, lungimi de undă pentru telecomunicații | FORJ -unic (OS2, 1310/1550 nm) |
| Legătură de date scurtă, cost mai mic, transceiver de 850 nm | FORJ multimod (OM3/OM4) |
| Sunt necesare mai multe căi optice | FORJ multi-canal - sau evaluați mai întâi WDM/multiplexarea |
| În aer liber, maritim, offshore, spălare | FORJ sigilat, de obicei IP66 sau mai mare |
| Rotație continuă-de mare viteză (gimbaluri, radar) | FORJ compact un-canal cu variație redusă a pierderii de inserție |
| Limite stricte de plic, greutate sau echilibru | Ansamblu hibrid personalizat |
Selectie FORJ
Utilizați această listă de verificare atunci când pregătiți un RFQ. Fiecare rând mapează o cerință cu o întrebare concretă de adresat furnizorului.
| Cerinţă | Ce să confirmi | De ce contează |
|---|---|---|
| Tipul fibrei | Modul unic-sau multimod, OS2 / OM3 / OM4 / OM5 | Fibra nepotrivită provoacă pierderi în exces și limite de lățime de bandă |
| Lungime de undă | 850 / 1310 / 1550 nm sau transceiver-ul dvs. specific | Performanța depinde de lungimea de undă{0}} |
| Număr de canale | Numărul de canale optice independente necesare | Determină complexitatea, dimensiunea și costul |
| Pierderea de inserție | Valoare maximă, nu tipică | Definește bugetul de link |
| Variația pierderii de inserție | Testat în timpul rotației la viteza nominală | Numai pierderea statică ascunde-performanța din lumea reală |
| Pierdere de returnare | Minimum dB, în special pentru modul unic{0}} | Pierderea redusă de retur poate destabiliza sursele laser |
| Viteza de rotatie | RPM continuu și de vârf | Acționează selecția rulmenților și a etanșării |
| Evaluare IP | Cod IP specific, nu „impermeabil” | Standardul de etanșare este verificabil, termenii de marketing nu |
| Interval de temperatură | Extreme de funcționare și depozitare | Afectează selecția lubrifiantului, etanșării și adezivului |
| Tip conector | FC/APC, FC/UPC, SC, LC, ST, SMA | Determină compatibilitatea cu împerecherea |
| Montare | Flanșă, arbore,-alezaj sau personalizat | Decide dacă piesa se potrivește |
| Alte canale | Putere, control, Ethernet, RF, pneumatic | Indică un ansamblu hibrid |
Cum să alegi FORJ potrivit
Acesta este procesul pe care inginerii noștri de aplicații îl folosesc atunci când stabilesc un nou proiect FORJ cu un client.
Hartați cerința de transmisie completă
Listați fiecare semnal care trebuie să traverseze axa de rotație: canale optice, circuite de putere, semnale de control, Ethernet, fieldbus, RF, linii pneumatice sau hidraulice. Dacă ceva dincolo de datele optice pure este pe listă, vă uitați la un ansamblu hibrid, nu la un FORJ independent.
Blocați sistemul optic
Specificați tipul fibrei, lungimea de undă, tipul conectorului, numărul de canale optice, pierderea maximă de inserție, pierderea de retur și variația permisă a pierderii de inserție. Dacă nu sunteți sigur dacă aveți nevoie într-adevăr de mai multe canale optice, întrebați dacă multiplexarea sau un transceiver cu rată mai mare-poate restrânge cerința în unul sau două canale. Această singură decizie economisește adesea cele mai multe costuri și complexitate.
Confirmați plicul mecanic
Trimiteți un desen de bază sau cel puțin un plic: diametrul exterior, lungimea, dimensiunea alezajului, interfața de montare, direcția de ieșire a cablului, viteza de rotație și orice limită de cuplu. Un FORJ cu optică perfectă este inutil dacă nu se potrivește pe arbore.
Potriviți mediul cu un cod IP real
Precizați exact unde va funcționa ansamblul: interior, exterior, marin, foraj, vid, umiditate ridicată, pulverizare de sare, praf, expunere chimică. Convertiți-l într-un cod IP și într-un interval de temperatură de funcționare. Evitați să folosiți termeni vagi precum „rezistent la apă” sau „rezistent” -, costă suplimentar și nu verifică nimic.
Definiți testul și documentația de care aveți nevoie
Pentru sistemele critice (imagini medicale, aerospațiale, de apărare, offshore), solicitați documentația în avans și nu după livrare:
- Raport de testare optică la lungimea de undă de funcționare
- Date de pierdere de inserție dinamică în timpul rotației
- Măsurarea pierderii de retur
- Desen mecanic și pinout fibre
- Declaratie material si tratamente de suprafata
- Procedura de instalare și întreținere recomandată
Definirea acestora în faza de cotare previne majoritatea disputelor care altfel apar la testarea de acceptare.
Scenarii de aplicații din{0}}lumea reală
Gimbaluri de supraveghere și direcționare
Un gimbal tipic EO/IR are nevoie de video necomprimat de la senzorii montați pe capul rotativ înapoi la bază. Contactele de cupru se luptă cu rata de date, EMI de la motoarele pan/tilt corupă semnalul, iar învelișul disponibil este mic. Un FORJ hibrid care combină un canal optic pentru video, Gigabit Ethernet pentru control și puterea motorului de 24 VDC este soluția standard.
Vehicule operate de la distanță (ROV)
Sistemele submarine au nevoie de ansambluri etanșate care să supraviețuiască apei sărate, ciclurilor de presiune și rotației continue cu viteză redusă-pe trolii sau articulații manipulatoare. Pierderea de inserție și ratingul IP domină specificația, în timp ce viteza de rotație maximă este rareori factorul limitativ.
Turbine eoliene și socluri radar
Pentru sistemele de orientare a nacelei și piedestalele antenei radar, ansamblul funcționează de obicei la turații mici, dar trebuie să funcționeze mulți ani cu întreținere minimă. Stabilitatea pierderilor de inserție pe parcursul a mii de ore, rulmenții etanșați și carcasele dovedite IP66 sunt mai importante decât performanța optică de vârf.
Sisteme de imagistică medicală
Sistemele CT și OCT combină rate mari de date cu cerințe de fiabilitate extrem de stricte. FORJ aici este de obicei un element al unui ansamblu rotativ hibrid strâns integrat, calificat împreună cu restul mașinii, mai degrabă decât specificat izolat.
FAQ
Î: Ce înseamnă FORJ?
R: FORJ înseamnă Fiber Optic Rotary Joint, un dispozitiv care permite semnalelor optice să treacă între părțile staționare și rotative ale unei mașini fără a răsuci fibra.
Î: O articulație rotativă cu fibră optică este aceeași cu un inel de alunecare?
A: Nu tocmai. Un FORJ face pentru semnalele optice ceea ce face un inel colector pentru semnalele electrice. În majoritatea sistemelor moderne, cele două sunt combinate într-un ansamblu rotativ hibrid.
Î: O articulație rotativă cu fibră optică poate transmite putere?
R: Nu. Un FORJ transmite doar semnale optice. Daca mai ai nevoie de putere, semnale de control sau Ethernet pe aceeasi axa, ai nevoie de un inel de alunecare hibrid care sa integreze un FORJ cu un inel de alunecare electric.
Î: Când ar trebui să folosesc un FORJ în loc de un inel glisant electric?
R: Ori de câte ori legătura trebuie să transporte date cu lățime de bandă mare-, trebuie să fie imună la EMI sau trebuie să parcurgă o distanță lungă prin fibră optică. Contactele electrice pot transporta date, dar la rate multi-gigabit și în medii zgomotoase, transmisia optică este aproape întotdeauna mai fiabilă.
Î: Care este diferența dintre FORJ unic-mod și multimod?
R: Un FORJ cu un singur-mod este corelat cu o fibră cu un-mod și este de obicei utilizat pentru legături cu lățime de bandă mare sau-la distanță mare la 1310 sau 1550 nm. Un FORJ multimod se potrivește cu fibra multimod (OM3/OM4) și este mai comun în legăturile de date mai scurte de 850 nm.
Î: La ce pierdere de inserție ar trebui să mă aștept de la un FORJ bun?
R: Pentru un FORJ cu un singur-canal unic-mod, pierderea de inserție sub aproximativ 1,5 dB și variația pierderii de inserție sub 0,5 dB în timpul rotației sunt obiective rezonabile. Designurile cu mai multe-canal și-medii dure vor avea de obicei valori mai mari. Cere întotdeauna numere maxime, nu tipice.
Î: Ce informații ar trebui să furnizez atunci când solicit o ofertă FORJ?
R: Tipul de fibră, lungimea de undă, tipul conectorului, numărul de canale optice, viteza de rotație, interfața de montare, ratingul IP, temperatura de funcționare și dacă circuitele de putere sau semnal trebuie să traverseze, de asemenea, aceeași axă. Cu cât este mai mult definit în avans, cu atât citatul este mai precis.
Următorii pași
O îmbinare rotativă cu fibră optică este rareori o achiziție de catalog. În sistemele de producție, este un element al unui ansamblu rotativ hibrid care trebuie să echilibreze performanța optică, potrivirea mecanică, etanșarea mediului și integrarea cu restul mașinii.
Dacă urmăriți un design nou sau aveți nevoie de o a doua opinie cu privire la o specificație FORJ existentă, pregătiți elementele din lista de verificare de selecție de mai sus - tip de fibră, lungime de undă, număr de canale, țintă de pierdere de inserție, viteza de rotație, rating IP și orice canale suplimentare de putere sau semnal - șiîmpărtășiți-le cu echipa noastră de inginerie de aplicații. Vom răspunde cu o propunere concretă, care să includă date de testare dinamice și un concept mecanic, mai degrabă decât o fișă de date generică.