U kontinuirano rotirajućim sistemima, obični vlaknasti kablovi se uvijaju, zamaraju se i na kraju pokvare. U projektima koje smo podržali kao proizvođač kliznih prstenova, ovo je rijetko problem sa konektorom. Obično se radi o problemu-na nivou sistema: optička putanja je tretirana kao naknadna misao pored energetskih i kontrolnih vodova, a otkrila se tek kada je mašina rotirala velikom brzinom u polju.
A rotacijski spoj sa optičkim vlaknima, koji se naziva i aFORJiliklizni prsten od optičkih vlakana, rješava ovo tako što dozvoljava optičkim signalima da prođu kroz rotirajući interfejs bez uvrtanja vlakna. U većini modernih mašina FORJ se ne kupuje kao samostalan dio. Integrisan je saelektrični klizni prstenu jedan hibridni sklop koji prenosi struju, nisko-signale, Ethernet, sabirnicu polja i optičke podatke kroz jednu rotirajuću os.
Ovaj vodič je napisan iz perspektive inženjerskog tima aplikacija koji specificira i testira ove sklopove za industrijske, pomorske, odbrambene i medicinske korisnike. Pokriva šta je FORJ, kako funkcioniše, kada je hibridno rešenje pravi izbor, specifikacije koje su zaista važne i informacije koje treba da pripremite pre nego što kontaktirate dobavljača.
Šta je rotacioni zglob sa optičkim vlaknima?
Rotacioni spoj sa optičkim vlaknima je pasivni optički uređaj koji dozvoljava svjetlosti da prolazi između stacionarne i rotirajuće strane mašine bez prekida optičkog puta. Za optičke signale igra istu ulogu koju konvencionalni klizni prsten ima za električne signale.
Vidjet ćete istu tehnologiju opisanu u tablicama podataka i RFQ pod nekoliko imena:
- Rotacioni spoj sa optičkim vlaknima (FORJ)
- Klizni prsten sa optičkim vlaknima
- Optički klizni prsten
- Optički rotirajući zglob
- Okretni konektor sa optičkim vlaknima
Ovi pojmovi općenito opisuju istu funkciju. Imenovanje obično odražava industriju i dobavljača, a ne tehničku razliku.
Kako radi rotirajući zglob sa optičkim vlaknima
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, podržana ležajevima, rotirajućim kućištem i stacionarnim kućištem. Jednokanalni dizajni obično koriste par kolimatora na osi rotacije. Više{4}}kanalni dizajni dodaju prizme, golubičaste prizme, ogledala ili rotacijske multipleksere tako da nekoliko optičkih kanala može dijeliti ili ukrštati isti rotirajući interfejs.
Budući da optički prijenos ovisi o mikronskom-nivou poravnanja, mehanički kvalitet ležajeva i dimenzionalna stabilnost kućišta su važni koliko i sama optika. U aplikacijama koje su sklone velikim-brzinama ili vibracijama-, dominantan način kvara nije katastrofalan gubitak signala već nestabilanvarijacija insercionog gubitka: dio prolazi statički test na klupi, a zatim zanosi u polju kada se počne rotirati pod opterećenjem.
Hibridni optički klizni prsten: snaga, signal i optički podaci u jednom sklopu
FORJ sam po sebi prenosi samo optičke signale. Ne prenosi električnu energiju, struju motora, signale enkodera ili pneumatske vodove. U stvarnim mašinama, one gotovo uvijek moraju ukrštati istu rotirajuću os.
Zato većina FORJ zahtjeva koje primamo nije za goli FORJ. Oni su za ahibridni klizni prstenkoji integriše optički kanal sa električnim kliznim prstenom, a ponekad i sa pneumatskim ili hidrauličnim vodom, unutar jednog mehaničkog omotača.
Hibridni klizni prsten sa optičkim vlaknima obično kombinuje nešto od sledećeg u jednom rotacionom sklopu:
- Jedan ili više optičkih kanala (single-mode ili multimode)
- Visoko{0}}strujni strujni krugovi za motore ili grijače
- Niskonapon{0}}upravljački i senzorski signali
- Gigabit Ethernetili kola sabirnice (CAN, EtherCAT, PROFINET)
- RF ili koaksijalni kanali
- Pneumatski ili hidraulički prolazi u nekim izvedbama
Kada hibridni klizni prsten ima smisla
Hibridni dizajn je obično pravi odgovor kada je tačno barem jedno od sljedećeg:
- Rotirajuća struktura ima stroga ograničenja omotača, težine ili ravnoteže, a drugi rotirajući uređaj ne može se slagati na osovinu.
- Veza za podatke mora biti imuna na elektromagnetne smetnje od obližnjih motora, VFD-a ili radarskih odašiljača.
- Brzina podataka premašuje ono što bakarni kontakt sa kliznim prstenom može pouzdano isporučiti tokom vijeka trajanja sistema.
- Podaci o snazi, kontroli pokreta i senzorima velikog{0}}propusnog opsega moraju prijeći istu osu.
- Aplikacija je dovoljno prilagođena da se FORJ koji se nalazi na polici i odvojeni klizni prsten ne bi mehanički poravnali.
U kardanu za nadzor, na primjer, tipičan hibridni sklop može kombinovati jedan optički kanal za video tok visoke-rezolucije kamere, Gigabit Ethernet liniju za kontrolu, nekoliko ampera snage za pan/tilt motore i grijače i nekoliko niskonaponskih-naponskih signalnih kola, sve unutar kućišta prečnika ispod 60 mm. Odvojeno specificiranje ovih kanala i njihovo spajanje zajedno obično košta više prostora i više novca nego jedan integrirani dizajn.
Fiber Optic Rotary Joint vs. Električni klizni prsten
Oba uređaja rješavaju probleme s rotacijskim prijenosom, ali nisu zamjenjivi.
| Faktor | Fiber Optic Rotary Joint | Električni klizni prsten |
|---|---|---|
| Primarni signal | Optički podaci | Snaga i električni signali |
| Najbolje za | Podaci sa velikim{0}}propusnim opsegom, veze osjetljive na EMI{1}}e, duga vlakna | Prijenos snage, nisko{0}}upravljanje naponom, signali senzora |
| Kontaktna metoda | Beskontaktni optički put | Četka-na-prstenu ili kontakt četkice od vlakana |
| EMI osetljivost | Veoma nisko | Zavisi od zaštite i tipa signala |
| Prenosi snagu? | br | Da |
| Ključni parametri | Tip vlakna, talasna dužina, broj kanala, gubitak umetanja, povratni gubitak | Struja, napon, materijal kontakta, broj kola |
| Uobičajena kombinacija | Integrisan u hibridni klizni prsten | Integrisan sa FORJ, RF ili pneumatskim modulima |
Ako je sistemu potrebna samo snaga i standardni kontrolni signali, dovoljan je konvencionalni električni klizni prsten. U trenutku kada trebate gurnuti nekomprimirani HD/4K video, održivi Gigabit Ethernet ili bilo koji optički senzor-velikog propusnog opsega preko rotirajuće ose, FORJ ili hibridni sklop postaje pouzdaniji dugoročni-izbor.
Ključne specifikacije koje su zapravo važne
Odabir FORJ-a nije samo pitanje vanjskog prečnika i cijene. Optički, mehanički i okolišni zahtjevi moraju se pregledati zajedno, jer-ustupci između njih uzrokuju većinu kvarova na terenu.
Jedan-kanalni u odnosu na više-kanalni
Jedan-kanalni FORJ prenosi jedan optički kanal. Manji je, jednostavniji i općenito ima najmanji gubitak umetanja i najbolju-trajnu stabilnost. Više-kanalni FORJ prenosi više optičkih kanala kroz isti rotirajući interfejs, koristeći prizme, dove prizme ili multipleksore u zavisnosti od dizajna.
Više{0}}kanalni FORJ rješavaju pravi problem, ali dodaju složenost, osjetljivost poravnanja i cijenu. Prije nego što se odlučite za 4- ili 8-kanalni dizajn, vrijedi se zapitati da li se podaci mogu multipleksirati na jedno ili dva vlakna na nivou primopredajnika. Multipleksiranje talasne dužine ili primopredajnici veće brzine često smanjuju potreban broj kanala i rezultiraju manjim, pouzdanijim rotacionim zglobom.
Jednostruki{0}}način u odnosu na višemodno vlakno
Tip vlakna mora odgovarati ostatku optičkog sistema. Jednomodno{1}}optično vlakno (obično OS2, usklađeno saITU{0}}T G.652preporuka) se koristi za veze-na daljinu, velike-propusnosti i telekom{2}}veze, često na 1310 nm ili 1550 nm. Višemodno vlakno (OM3/OM4/OM5) je češće u kratkim vezama podataka na 850 nm i općenito je jeftinije za završetak.
Za FORJ, izbor obično sledi od primopredajnika i optičkog budžeta sistema. Mešanje tipova vlakana preko rotacionog interfejsa je čest uzrok neobjašnjivog gubitka, tako da uvek proverite tip vlakna, radnu talasnu dužinu i tip konektora sa obe strane pre naručivanja.
Gubitak ubacivanja, gubitak povrata i stabilnost signala
Optičke performanse su mjesto gdje većina jeftinih FORJ-ova-ima slabiji učinak. Brojke koje vrijedi pogledati:
- Gubitak umetanja- tipično dobar single-način rada FORJ: ispod oko 1,5 dB. Budite oprezni s dijelovima navedenim samo na "tipične" vrijednosti bez maksimuma.
- Varijacija gubitka pri ubacivanju tokom rotacije- ovo je često važnije od gubitka statičkog umetanja. Potražite varijaciju ispod 0,5 dB tokom punog okretaja, mjereno pri nazivnoj brzini, a ne u stanju mirovanja.
- Povratni gubitak- za sisteme sa jednim-načinom, obično se očekuje 50 dB ili više. Mali povratni gubitak može destabilizirati laserske predajnike i oštetiti vezu.
- Zavisnost od talasne dužine- potvrđuje performanse na vašoj stvarnoj radnoj talasnoj dužini, a ne samo na jednoj referentnoj talasnoj dužini.
- Preslušavanje- relevantno samo za dizajne sa više- kanala.
Zatražite od dobavljača izvještaj o ispitivanju koji pokazuje dinamički gubitak umetanja izmjeren dok se zglob rotira. Dio koji izgleda prihvatljivo na statičkom testu može se pomaknuti nekoliko dB nakon što se okreće pod opterećenjem.
Brzina rotacije, obrtni moment i mehanički omotač
FORJ se mora fizički osposobiti i opstati u mašini. Potvrdite nazivnu kontinuiranu brzinu, vršnu brzinu, početni moment, aksijalnu i radijalnu nosivost i vijek trajanja ležaja. Kompaktni jedno-kanalni FORJ može imati nekoliko hiljada okretaja u minuti, dok će zatvoreni višekanalni dizajn za upotrebu u moru obično biti ograničen na nekoliko stotina okretaja u minuti u zamjenu za zaštitu okoliša.
IP ocjena, temperatura i okruženje
Zahtjevi za zaptivanje vođeni su time gdje sklop radi, a ne kako izgleda na CAD modelu. Vanjska radarska postolja,ROV sistemi, offshore vitla ivjetroturbinagondole imaju različite profile izloženosti vodi, slanom spreju, prašini i kondenzaciji.
Za ocjene zaštite, pogledajte IEC 60529 standard, koji je u osnoviIP rejting sistemkoristi se u cijeloj industriji. Kao pravilo: IP54 je u redu za čista industrijska okruženja u zatvorenom prostoru, IP65/IP66 za izlaganje na otvorenom ili pranju, i IP67/IP68 za dugotrajno uranjanje. Traženje IP68 u čistoj prostoriji samo povećava troškove; traženje IP54 na palubi na moru neće uspjeti u prvoj oluji.
Konektori, pigtails i montaža
Mali detalji integracije odgovorni su za iznenađujući udio kašnjenja projekata. Prije naručivanja potvrdite:
- Tip konektora sa svake strane: FC/APC, FC/UPC, SC, ST, LC, SMA ili prilagođeni
- Dužina pigtaila i omotača kabla potrebni su za vaše okruženje
- Smjer izlaza kabla - pravo ili desno-ugao
- Ograničenja radijusa savijanja duž kabla
- Uzorak prirubnice, montaža s navojem ili osovina
- Bilo da FORJ mora biti integriran sa postojećim kliznim prstenom ili ugrađen u novi sklop
Brzi FORJ izbor
Sljedeća tabela je kratka verzija koju koristimo interno kada određujemo nove upite.
| Vaša situacija | Preporučeni smjer |
|---|---|
| Samo optički podaci, bez napajanja preko ose | Samostalni FORJ |
| Optički podaci + napajanje, kontrola motora ili Ethernet preko iste ose | Hibridni klizni prsten sa integrisanim FORJ-om |
| Duga{0}}veza, veliki propusni opseg, telekom talasne dužine | Jednostruki{0}} način FORJ (OS2, 1310/1550 nm) |
| Kratka veza za prenos podataka, niža cijena, 850 nm primopredajnici | Multimode FORJ (OM3/OM4) |
| Potrebno je više optičkih puteva | Više-kanalni FORJ - ili prvo procijenite WDM/multipleksiranje |
| Vanjski, morski, offshore, ispiranje | Zapečaćeno FORJ, tipično IP66 ili više |
| Kontinuirana{0}}brza rotacija (kardani, radar) | Kompaktan jedno-kanalni FORJ sa malim varijacijama gubitka pri umetanju |
| Stroga ograničenja koverta, težine ili balansa | Prilagođena hibridna montaža |
FORJ Selection
Koristite ovu kontrolnu listu kada pripremate RFQ. Svaki red preslikava zahtjev na konkretno pitanje koje treba postaviti dobavljaču.
| Requirement | Šta potvrditi | Zašto je važno |
|---|---|---|
| Vrsta vlakana | Jednostruki{0}}način ili višenačin, OS2 / OM3 / OM4 / OM5 | Neusklađeno vlakno uzrokuje višak gubitaka i ograničenja propusnosti |
| Talasna dužina | 850 / 1310 / 1550 nm ili vaš specifični primopredajnik | Performanse zavise od talasne dužine- |
| Broj kanala | Broj potrebnih nezavisnih optičkih kanala | Potiče složenost, veličinu i cijenu |
| Gubitak umetanja | Maksimalna vrijednost, nije tipična | Definira budžet veze |
| Varijacija gubitka pri ubacivanju | Testirano tokom rotacije pri nazivnoj brzini | Sam statički gubitak skriva performanse u stvarnom-svetu |
| Povratni gubitak | Minimum dB, posebno za pojedinačni- način rada | Mali povratni gubitak može destabilizirati laserske izvore |
| Brzina rotacije | Kontinuirani i vršni broj obrtaja | Izbor pogonskih ležajeva i zaptivki |
| IP rejting | Specifičan IP kod, nije "vodootporan" | Standard zaptivanja je provjerljiv, marketinški uslovi nisu |
| Raspon temperature | Ekstremi u radu i skladištenju | Utječe na izbor maziva, brtve i ljepila |
| Tip konektora | FC/APC, FC/UPC, SC, LC, ST, SMA | Određuje kompatibilnost parenja |
| Montaža | Prirubnica, osovina, kroz{0}}provrt ili prilagođena | Odlučuje da li dio uopće odgovara |
| Ostali kanali | Napajanje, kontrola, Ethernet, RF, pneumatska | Pokazuje na hibridni sklop |
Kako odabrati pravi FORJ
Ovo je proces koji naši aplikativni inženjeri koriste prilikom izrade novog FORJ projekta s klijentom.
Mapirajte potpuni zahtjev za prijenos
Navedite svaki signal koji mora preći rotirajuću os: optički kanali, strujni krugovi, kontrolni signali, Ethernet, sabirnica polja, RF, pneumatske ili hidraulične linije. Ako je na listi nešto osim čistih optičkih podataka, gledate na hibridni sklop, a ne na samostalni FORJ.
Zaključajte optički sistem
Navedite tip vlakna, valnu dužinu, tip konektora, broj optičkih kanala, maksimalni gubitak umetanja, povratni gubitak i dozvoljenu varijaciju gubitka pri umetanju. Ako niste sigurni da li vam je zaista potrebno više optičkih kanala, pitajte da li multipleksiranje ili primopredajnik veće brzine{1}}može smanjiti zahtjev na jedan ili dva kanala. Ova pojedinačna odluka često štedi najviše troškova i složenosti.
Potvrdite mehaničku omotnicu
Pošaljite osnovni crtež ili najmanje omotnicu: vanjski prečnik, dužina, veličina otvora, 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 pravim IP kodom
Navedite tačno gdje će sklop raditi: u zatvorenom, na otvorenom, u moru, u bušotini, u vakuumu, visoka vlažnost, slani sprej, prašina, izlaganje kemikalijama. Pretvorite to u IP kod i raspon radne temperature. Izbjegavajte korištenje nejasnih termina kao što su "vodootporan" ili "hrapav" - oni koštaju dodatno i ništa ne potvrđuju.
Definirajte test i dokumentaciju koja vam je potrebna
Za kritične sisteme (medicinsko snimanje, vazduhoplovstvo, obrana, offshore), zatražite dokumentaciju unaprijed, a ne nakon isporuke:
- Izvještaj o optičkom testu na radnoj talasnoj dužini
- Podaci o dinamičkom gubitku umetanja tokom rotacije
- Mjerenje povratnih gubitaka
- Mehanički crtež i pinout vlakana
- Deklaracija materijala i površinske obrade
- Preporučeni postupak instalacije i održavanja
Definisanje ovih u fazi ponude sprečava većinu sporova koji se inače pojavljuju na testiranju prihvatljivosti.
Real-Svjetski scenariji aplikacija
Kardani za nadzor i ciljanje
Tipičnom EO/IR kardanu je potreban nekomprimovani video sa senzora montiranih na rotirajućoj glavi nazad do baze. Bakarni kontakti se bore sa brzinom prenosa podataka, EMI od motora za pomicanje/nagib kvari signal, a raspoloživi omotač je mali. Hibridni FORJ koji kombinuje jedan optički kanal za video, Gigabit Ethernet za kontrolu i 24 VDC napajanje motora je standardno rešenje.
Vozila na daljinsko upravljanje (ROV)
Podmorski sistemi trebaju zapečaćene sklopove koji prežive slanu vodu, cikličke promjene pritiska i kontinuiranu rotaciju male{0}}brzine na vitlima ili zglobovima manipulatora. Gubitak ubacivanja i IP ocjena dominiraju specifikacijom, dok je najveća brzina rotacije rijetko ograničavajući faktor.
Vjetroturbine i radarski postolji
Za sisteme skretanja gondole i postolja radarske antene, sklop obično radi na niskom broju okretaja, ali mora raditi dugi niz godina uz minimalno održavanje. Stabilnost gubitka prilikom umetanja tokom hiljada sati, zapečaćeni ležajevi i dokazana IP66 kućišta važniji su od vrhunskih optičkih performansi.
Medicinski sistemi za snimanje
CT i OCT sistemi kombinuju visoke brzine prenosa podataka sa izuzetno strogim zahtevima za pouzdanost. FORJ je ovde obično jedan element čvrsto integrisanog hibridnog rotacionog sklopa, kvalifikovan zajedno sa ostatkom mašine, a ne specificiran u izolaciji.
FAQ
P: Šta znači FORJ?
O: FORJ je skraćenica za Fiber Optic Rotary Joint, uređaj koji omogućava da optički signali prolaze između stacionarne i rotirajuće strane mašine bez uvrtanja vlakna.
P: Da li je rotacijski spoj optičkih vlakana isti kao klizni prsten?
O: Ne baš. FORJ radi za optičke signale isto što klizni prsten radi za električne signale. U većini modernih sistema, ova dva su kombinovana u hibridni rotacioni sklop.
P: Može li optički rotirajući zglob prenositi snagu?
O: Ne. FORJ prenosi samo optičke signale. Ako vam je potrebno napajanje, upravljački signali ili Ethernet na istoj osi, potreban vam je hibridni klizni prsten koji integrira FORJ sa električnim kliznim prstenom.
P: Kada trebam koristiti FORJ umjesto električnog kliznog prstena?
O: Kad god veza mora prenositi podatke-širokog propusnog opsega, mora biti imuna na EMI ili mora putovati na veliku udaljenost kroz optičko vlakno. Električni kontakti mogu prenositi podatke, ali pri brzini od više-gigabita iu bučnim okruženjima, optički prijenos je gotovo uvijek pouzdaniji.
P: Koja je razlika između jednog-moda i višemodnog FORJ-a?
O: FORJ sa jednim-načinom se podudara sa jednim-modnim vlaknom i obično se koristi za veze velike{2}}propusnosti ili duge{3}} veze na 1310 ili 1550 nm. Višemodni FORJ je uparen sa višemodnim vlaknom (OM3/OM4) i češći je u kraćim vezama podataka od 850 nm.
P: Kakav gubitak pri umetanju treba da očekujem od dobrog FORJ-a?
O: Za jedno-jednokanalni- način rada FORJ, gubitak umetanja ispod približno 1,5 dB i varijacija gubitka u umetanju ispod 0,5 dB tokom rotacije su razumni ciljevi. Dizajn sa više-kanalnim i teškim-okruženjem obično ima veće vrijednosti. Uvijek tražite maksimalne, a ne tipične brojeve.
P: Koje informacije trebam dati kada tražim FORJ ponudu?
O: Tip vlakna, talasna dužina, tip konektora, broj optičkih kanala, brzina rotacije, interfejs za montažu, IP ocena, radna temperatura i da li strujni ili signalni krugovi takođe moraju da prelaze istu osu. Što je više od ovoga unapred definisano, to je citat tačniji.
Sljedeći koraci
Rotacioni spoj sa optičkim vlaknima rijetko je kupovina iz kataloga. U proizvodnim sistemima to je jedan element hibridnog rotacionog sklopa koji mora da izbalansira optičke performanse, mehaničko uklapanje, zaptivanje okoline i integraciju sa ostatkom mašine.
Ako planirate novi dizajn ili trebate drugo mišljenje o postojećoj FORJ specifikaciji, pripremite stavke sa kontrolne liste iznad - tip vlakna, talasna dužina, broj kanala, cilj gubitka umetanja, brzina rotacije, IP ocjena i bilo koji dodatni kanali napajanja ili signala - ipodijelite ih s našim inženjerskim timom aplikacija. Odgovorit ćemo s konkretnim prijedlogom, uključujući podatke o dinamičkom testiranju i mehanički koncept, a ne generičkim podacima.