Nei sistemi a rotazione continua, i normali cavi in fibra si torcono, si affaticano e alla fine si guastano. Nei progetti che abbiamo supportato come produttori di collettori rotanti, questo è raramente un problema del connettore. Di solito si tratta di un problema a livello di sistema-: il percorso ottico veniva considerato come un ripensamento accanto alle linee di alimentazione e controllo e si rivelava solo quando la macchina ruotava a velocità elevata sul campo.
A giunto rotante in fibra ottica, detto anche aFORJOanello di contatto in fibra ottica, risolve questo problema consentendo ai segnali ottici di attraversare un'interfaccia rotante senza torcere la fibra. Nella maggior parte delle macchine moderne, il FORJ non viene acquistato come parte autonoma. È integrato con un fileanello di contatto elettricoin un unico gruppo ibrido che trasporta alimentazione, segnali a bassa-tensione, Ethernet, bus di campo e dati ottici attraverso un asse rotante.
Questa guida è scritta dal punto di vista di un team di ingegneri dell'applicazione che specifica e testa questi gruppi per clienti del settore industriale, marittimo, della difesa e medico. Copre cos'è un FORJ, come funziona, quando una soluzione ibrida è la scelta giusta, le specifiche che contano davvero e le informazioni che devi preparare prima di contattare un fornitore.
Cos'è un giunto rotante in fibra ottica?
Un giunto rotante in fibra ottica è un dispositivo ottico passivo che consente alla luce di passare tra il lato stazionario e quello rotante di una macchina senza interrompere il percorso ottico. Per i segnali ottici svolge lo stesso ruolo che un collettore rotante convenzionale svolge per i segnali elettrici.
Vedrai la stessa tecnologia descritta nelle schede tecniche e nelle richieste di offerta con diversi nomi:
- Giunto rotante in fibra ottica (FORJ)
- Anello di contatto in fibra ottica
- Anello di contatto ottico
- Giunto rotante ottico
- Connettore rotante per fibra ottica
Questi termini generalmente descrivono la stessa funzione. La denominazione di solito riflette il settore e il fornitore piuttosto che una differenza tecnica.
Come funziona un giunto rotante in fibra ottica
All'interno di un FORJ, la fibra rotante e la fibra fissa non si attorcigliano mai fisicamente l'una contro l'altra. Invece, il segnale ottico viene trasferito attraverso un percorso ottico esattamente allineato tra due elementi collimatori, supportati da cuscinetti, un alloggiamento rotante e un alloggiamento fisso. I progetti a canale-singolo utilizzano in genere una coppia di collimatori sull'asse di rotazione. I design multi-canale aggiungono prismi, prismi a colomba, specchi o multiplexer rotanti in modo che diversi canali ottici possano condividere o attraversare la stessa interfaccia rotante.
Poiché la trasmissione ottica dipende dall'allineamento a livello di micron-, la qualità meccanica dei cuscinetti e la stabilità dimensionale dell'alloggiamento sono importanti tanto quanto le ottiche stesse. Nelle applicazioni ad alta-velocità o soggette a vibrazioni-, la modalità di guasto dominante non è la perdita catastrofica del segnale ma l'instabilitàvariazione della perdita di inserzione: il pezzo supera un test statico al banco, poi si sposta sul campo una volta che inizia a ruotare sotto carico.
Collettore rotante in fibra ottica ibrida: potenza, segnale e dati ottici in un unico gruppo
Un FORJ da solo trasmette solo segnali ottici. Non trasporta energia elettrica, corrente di azionamento del motore, segnali dell'encoder o linee pneumatiche. Nelle macchine reali, queste devono quasi sempre attraversare lo stesso asse rotante.
Questo è il motivo per cui la maggior parte delle richieste FORJ che riceviamo non riguardano un semplice FORJ. Sono per aanello di contatto ibridoche integra il canale ottico con un collettore elettrico, e talvolta con una linea pneumatica o idraulica, all'interno di un involucro meccanico.
Un collettore rotante in fibra ottica ibrido in genere combina alcuni dei seguenti elementi in un unico gruppo rotante:
- Uno o più canali ottici (single-mode o multimode)
- Circuiti di alimentazione ad alta-corrente per motori o riscaldatori
- Segnali di controllo e sensore a bassa- tensione
- GigabitEtherneto circuiti fieldbus (CAN, EtherCAT, PROFINET)
- Canali RF o coassiali
- Passaggi pneumatici o idraulici in alcuni modelli
Quando un collettore rotante ibrido ha senso
Una progettazione ibrida è solitamente la risposta giusta quando è vera almeno una delle seguenti condizioni:
- La struttura rotante ha severi vincoli di ingombro, peso o bilanciamento e un secondo dispositivo rotante non può essere impilato sull'albero.
- Il collegamento dati deve essere immune alle interferenze elettromagnetiche provenienti da motori, VFD o trasmettitori radar vicini.
- La velocità dei dati supera ciò che un contatto ad anello collettore in rame può fornire in modo affidabile per tutta la vita del sistema.
- I dati di alimentazione, controllo del movimento e-sensori a larghezza di banda elevata devono tutti incrociare lo stesso asse.
- L'applicazione è talmente personalizzata che un FORJ-di-di serie e un collettore separato non si allineano meccanicamente.
In un gimbal di sorveglianza, ad esempio, un tipico gruppo ibrido potrebbe combinare un canale ottico per il flusso video ad alta-risoluzione della telecamera, una linea Gigabit Ethernet per il controllo, diversi ampere di potenza per motori e riscaldatori di brandeggio/inclinazione e una manciata di circuiti di segnale a bassa-tensione, il tutto all'interno di un alloggiamento di diametro inferiore a 60 mm. Specificare questi canali separatamente e collegarli insieme di solito costa più spazio e più denaro rispetto a un singolo progetto integrato.
Giunto rotante in fibra ottica e anello collettore elettrico
Entrambi i dispositivi risolvono i problemi di trasmissione rotatoria, ma non sono intercambiabili.
| Fattore | Giunto rotante in fibra ottica | Anello di contatto elettrico |
|---|---|---|
| Segnale primario | Dati ottici | Potenza e segnali elettrici |
| Meglio per | Dati con larghezza di banda-elevata, collegamenti sensibili alle EMI-, percorsi in fibra lunga | Trasferimento di potenza, controllo a bassa-tensione, segnali dei sensori |
| Metodo di contatto | Percorso ottico senza contatto | Contatto con spazzola-su-anello o spazzola in fibra |
| Sensibilità EMI | Molto basso | Dipende dalla schermatura e dal tipo di segnale |
| Trasmette potenza? | NO | SÌ |
| Parametri chiave | Tipo di fibra, lunghezza d'onda, numero di canali, perdita di inserzione, perdita di ritorno | Corrente, tensione, materiale dei contatti, conteggio dei circuiti |
| Combinazione comune | Integrato in un anello collettore ibrido | Integrato con moduli FORJ, RF o pneumatici |
Se il sistema necessita solo di potenza e segnali di controllo standard, è sufficiente un collettore elettrico convenzionale. Nel momento in cui devi trasmettere video HD/4K non compresso, Gigabit Ethernet sostenuto o qualsiasi sensore ottico con larghezza di banda elevata-su un asse rotante, un gruppo FORJ o ibrido diventa la scelta più affidabile a lungo termine-.
Specifiche chiave che contano davvero
Scegliere un FORJ non è solo una questione di diametro esterno e prezzo. I requisiti ottici, meccanici e ambientali devono essere esaminati insieme, perché i compromessi tra di essi causano la maggior parte dei guasti sul campo.
Singolo-canale e multi-canale
Un FORJ a-canale singolo trasmette un canale ottico. È più piccolo, più semplice e generalmente ha la perdita di inserzione più bassa e la migliore stabilità a lungo-termine. Un FORJ multi-canale trasmette più canali ottici attraverso la stessa interfaccia rotante, utilizzando prismi, prismi a colomba o multiplexer a seconda del design.
I FORJ multi-canale risolvono un problema reale ma aggiungono complessità, sensibilità all'allineamento e costi. Prima di impegnarsi in un progetto a 4- o 8 canali, vale la pena chiedersi se i dati potrebbero invece essere multiplexati su una o due fibre a livello del ricetrasmettitore. Il multiplexing a divisione di lunghezza d'onda o i ricetrasmettitori a velocità più elevata spesso riducono il numero di canali richiesto e si traducono in un giunto rotante più piccolo e più affidabile.
Fibra mono-modale e fibra multimodale
Il tipo di fibra deve corrispondere al resto del sistema ottico. Fibra monomodale- (tipicamente OS2, allineata conITU-T G.652raccomandazione) viene utilizzato per collegamenti a lunga-distanza, ad alta-larghezza di banda e di livello di telecomunicazioni-, spesso a 1310 nm o 1550 nm. La fibra multimodale (OM3/OM4/OM5) è più comune nei collegamenti dati brevi a 850 nm ed è generalmente più economica da terminare.
Per un FORJ, la scelta solitamente dipende dai ricetrasmettitori e dal budget ottico del sistema. La combinazione di tipi di fibra sull'interfaccia rotante è una causa frequente di perdite inspiegabili, quindi verificare sempre il tipo di fibra, la lunghezza d'onda operativa e il tipo di connettore su entrambi i lati prima di ordinare.
Perdita di inserzione, perdita di ritorno e stabilità del segnale
Le prestazioni ottiche sono quelle in cui la maggior parte-FORJ a basso costo ha prestazioni inferiori. I numeri che vale la pena guardare:
- Perdita di inserzione- tipico buon FORJ in modalità singola-: sotto circa 1,5 dB. Fare attenzione alle parti quotate solo a valori "tipici" senza un massimo.
- Variazione della perdita di inserzione durante la rotazione- questo è spesso più importante della perdita di inserzione statica. Cercare variazioni inferiori a 0,5 dB durante un giro completo, misurate alla velocità nominale, non a veicolo fermo.
- Perdita di rendimento- per i sistemi-monomodali, in genere sono previsti 50 dB o più. Una bassa perdita di riflessione può destabilizzare i trasmettitori laser e corrompere il collegamento.
- Dipendenza dalla lunghezza d'onda- confermano le prestazioni alla tua effettiva lunghezza d'onda operativa, non solo a una singola lunghezza d'onda di riferimento.
- Diafonia- rilevante solo per progetti multi-canale.
Chiedere al fornitore un rapporto di prova che mostri la perdita di inserzione dinamica misurata mentre il giunto ruota. Una parte che sembra accettabile in un test statico al banco può variare di diversi dB una volta che gira sotto carico.
Velocità di rotazione, coppia e inviluppo meccanico
Il FORJ deve adattarsi fisicamente e sopravvivere nella macchina. Confermare la velocità continua nominale, la velocità di picco, la coppia di avviamento, la capacità di carico assiale e radiale e la durata operativa dei cuscinetti. Un FORJ compatto a canale singolo-può essere valutato per diverse migliaia di giri al minuto, mentre un design multi-canale sigillato per uso marino sarà in genere limitato a poche centinaia di giri al minuto in cambio della protezione dell'ambiente.
Grado IP, temperatura e ambiente
I requisiti di tenuta dipendono dal luogo in cui opera l'assieme, non dall'aspetto su un modello CAD. Colonnine radar per esterni,Sistemi ROV, argani offshore eturbina eolicaciascuna gondola ha profili di esposizione diversi per acqua, nebbia salina, polvere e condensa.
Per i gradi di protezione fare riferimento alla norma IEC 60529 su cui si fonda laSistema di classificazione IPutilizzati in tutto il settore. Come regola generale: IP54 va bene per ambienti industriali interni puliti, IP65/IP66 per esposizione all'aperto o al lavaggio e IP67/IP68 per immersione prolungata. Richiedere IP68 in una camera bianca non fa che aumentare i costi; richiedere l'IP54 su un ponte offshore fallirà alla prima tempesta.
Connettori, pigtail e montaggio
Piccoli dettagli di integrazione sono responsabili di una quota sorprendente di ritardi nei progetti. Prima di ordinare, conferma:
- Tipo di connettore su ciascun lato: FC/APC, FC/UPC, SC, ST, LC, SMA o personalizzato
- Lunghezza del pigtail e rivestimento del cavo necessari per il tuo ambiente
- Direzione di uscita del cavo - diritta o-ad angolo retto
- Limiti del raggio di curvatura lungo il percorso del cavo
- Schema flangiato, montaggio filettato o adattamento all'albero
- Se il FORJ deve essere integrato con un collettore rotante esistente o incorporato in un nuovo assieme
Selezione rapida FORJ
La tabella seguente è la versione breve che utilizziamo internamente quando definiamo l'ambito delle nuove richieste.
| La tua situazione | Direzione consigliata |
|---|---|
| Solo dati ottici, nessuna alimentazione lungo l'asse | FORJ autonomo |
| Dati ottici + alimentazione, controllo motore o Ethernet sullo stesso asse | Anello collettore ibrido con FORJ integrato |
| Collegamenti a lunga-distanza, larghezza di banda elevata, lunghezze d'onda delle telecomunicazioni | FORJ-modalità singola (OS2, 1310/1550 nm) |
| Collegamento dati breve, costo inferiore, ricetrasmettitori da 850 nm | FORJ multimodale (OM3/OM4) |
| Sono necessari più percorsi ottici | FORJ multi-canale - o valutare prima WDM/multiplexing |
| Outdoor, marino, offshore, washdown | FORJ sigillato, tipicamente IP66 o superiore |
| Rotazione continua ad alta-velocità (gimbal, radar) | FORJ compatto a canale singolo- con bassa variazione della perdita di inserzione |
| Limiti rigidi di ingombro, peso o equilibrio | Assemblaggio ibrido personalizzato |
Selezione FORJ
Utilizzare questa lista di controllo durante la preparazione di una richiesta di offerta. Ogni riga associa un requisito a una domanda concreta da porre al fornitore.
| Requisito | Cosa confermare | Perché è importante |
|---|---|---|
| Tipo di fibra | Modalità-singola o multimodale, OS2/OM3/OM4/OM5 | La fibra non corrispondente causa perdite eccessive e limiti di larghezza di banda |
| Lunghezza d'onda | 850/1310/1550 nm o il vostro ricetrasmettitore specifico | Le prestazioni dipendono dalla lunghezza d'onda- |
| Conteggio dei canali | Numero di canali ottici indipendenti necessari | Genera complessità, dimensioni e costi |
| Perdita di inserzione | Valore massimo, non tipico | Definisce il budget del collegamento |
| Variazione della perdita di inserzione | Testato durante la rotazione alla velocità nominale | La sola perdita statica nasconde le prestazioni-nel mondo reale |
| Perdita di rendimento | dB minimo, soprattutto per la modalità-singola | Una bassa perdita di riflessione può destabilizzare le sorgenti laser |
| Velocità di rotazione | RPM continui e di punta | Guida la selezione dei cuscinetti e delle guarnizioni |
| Grado di protezione IP | Codice IP specifico, non "impermeabile" | Lo standard di sigillatura è verificabile, i termini di marketing no |
| Intervallo di temperatura | Estremi operativi e di stoccaggio | Influisce sulla scelta del lubrificante, della guarnizione e dell'adesivo |
| Tipo di connettore | FC/APC, FC/UPC, SC, LC, ST, SMA | Determina la compatibilità di accoppiamento |
| Montaggio | Flangia, albero, foro passante-o personalizzato | Decide se la parte si adatta del tutto |
| Altri canali | Potenza, controllo, Ethernet, RF, pneumatica | Indica un assembly ibrido |
Come scegliere il FORJ giusto
Questo è il processo utilizzato dai nostri ingegneri applicativi quando definiscono l'ambito di un nuovo progetto FORJ con un cliente.
Mappare i requisiti di trasmissione completi
Elenca tutti i segnali che devono attraversare l'asse rotante: canali ottici, circuiti di potenza, segnali di controllo, Ethernet, bus di campo, RF, linee pneumatiche o idrauliche. Se nell'elenco è presente qualcosa che va oltre i puri dati ottici, stai guardando un assemblaggio ibrido, non un FORJ autonomo.
Bloccare il sistema ottico
Specificare il tipo di fibra, la lunghezza d'onda, il tipo di connettore, il numero di canali ottici, la perdita di inserzione massima, la perdita di ritorno e la variazione consentita della perdita di inserzione. Se non sei sicuro di aver davvero bisogno di più canali ottici, chiedi se il multiplexing o un ricetrasmettitore con velocità-più elevata possono comprimere i requisiti in uno o due canali. Questa singola decisione spesso consente di risparmiare la maggior parte dei costi e della complessità.
Confermare l'inviluppo meccanico
Inviare un disegno di base o almeno una busta: diametro esterno, lunghezza, dimensione del foro, interfaccia di montaggio, direzione di uscita del cavo, velocità di rotazione ed eventuali limiti di coppia. Una FORJ con ottica perfetta è inutile se non si adatta all'asta.
Abbina l'ambiente a un codice IP reale
Indicare esattamente dove funzionerà l'assemblaggio: interno, esterno, marino, fondo pozzo, vuoto, elevata umidità, nebbia salina, polvere, esposizione chimica. Convertirlo in un codice IP e un intervallo di temperature operative. Evita di utilizzare termini vaghi come "impermeabile" o "robusto" - costano di più e non verificano nulla.
Definisci il test e la documentazione di cui hai bisogno
Per i sistemi critici (imaging medicale, aerospaziale, difesa, offshore), richiedere la documentazione in anticipo anziché dopo la consegna:
- Rapporto di prova ottica alla lunghezza d'onda operativa
- Dati dinamici sulla perdita di inserzione durante la rotazione
- Misurazione della perdita di ritorno
- Disegno meccanico e piedinatura della fibra
- Dichiarazione materiali e trattamenti superficiali
- Procedura consigliata di installazione e manutenzione
Definirli in fase di preventivo previene la maggior parte delle controversie che altrimenti si presenterebbero durante i test di accettazione.
Scenari applicativi-del mondo reale
Gimbal di sorveglianza e puntamento
Un tipico gimbal EO/IR necessita di video non compresso dai sensori montati sulla testa rotante fino alla base. I contatti in rame hanno difficoltà con la velocità dei dati, l'EMI dei motori di brandeggio/inclinazione corrompe il segnale e l'inviluppo disponibile è ridotto. La soluzione standard è un FORJ ibrido che combina un canale ottico per il video, Gigabit Ethernet per il controllo e alimentazione motore a 24 V CC.
Veicoli telecomandati (ROV)
I sistemi sottomarini necessitano di gruppi sigillati che resistano all'acqua salata, ai cicli di pressione e alla rotazione continua a bassa-velocità su argani o giunti di manipolatori. La perdita di inserzione e il grado di protezione IP dominano le specifiche, mentre la velocità di rotazione massima raramente è il fattore limitante.
Turbine eoliche e piedistalli radar
Per i sistemi di imbardata della navicella e i piedistalli dell'antenna radar, il gruppo generalmente funziona a basso numero di giri ma deve funzionare per molti anni con una manutenzione minima. La stabilità della perdita di inserzione per migliaia di ore, i cuscinetti sigillati e gli alloggiamenti IP66 comprovati sono più importanti delle massime prestazioni ottiche.
Sistemi di imaging medico
I sistemi CT e OCT combinano velocità di dati elevate con requisiti di affidabilità estremamente severi. Il FORJ qui è solitamente un elemento di un gruppo rotante ibrido strettamente integrato, qualificato insieme al resto della macchina piuttosto che specificato isolatamente.
Domande frequenti
D: Cosa significa FORJ?
R: FORJ sta per Giunto rotante in fibra ottica, un dispositivo che consente ai segnali ottici di passare tra il lato stazionario e quello rotante di una macchina senza torcere la fibra.
D: Un giunto rotante in fibra ottica è uguale a un anello collettore?
R: Non esattamente. Un FORJ fa per i segnali ottici quello che un collettore rotante fa per i segnali elettrici. Nella maggior parte dei sistemi moderni, i due sono combinati in un gruppo rotante ibrido.
D: Un giunto rotante in fibra ottica può trasmettere potenza?
R: No. Un FORJ trasmette solo segnali ottici. Se hai bisogno anche di alimentazione, segnali di controllo o Ethernet sullo stesso asse, hai bisogno di un collettore rotante ibrido che integri un FORJ con un collettore rotante elettrico.
D: Quando dovrei utilizzare un FORJ invece di un collettore rotante elettrico?
R: Ogni volta che il collegamento deve trasportare dati ad elevata-larghezza di banda, deve essere immune alle interferenze elettromagnetiche o deve percorrere una lunga distanza attraverso la fibra ottica. I contatti elettrici possono trasportare dati, ma a velocità multi-gigabit e in ambienti rumorosi, la trasmissione ottica è quasi sempre più affidabile.
D: Qual è la differenza tra un FORJ-modale singolo e multimodale?
R: Un FORJ a modalità-singola è abbinato alla fibra a modalità-singola e viene generalmente utilizzato per collegamenti ad alta-larghezza di banda o a lunga-distanza a 1310 o 1550 nm. Un FORJ multimodale è abbinato alla fibra multimodale (OM3/OM4) ed è più comune nei collegamenti dati più brevi da 850 nm.
D: Quale perdita di inserzione dovrei aspettarmi da un buon FORJ?
R: Per un FORJ a-canale singolo-modalità singolo, una perdita di inserzione inferiore a circa 1,5 dB e una variazione della perdita di inserzione inferiore a 0,5 dB durante la rotazione sono obiettivi ragionevoli. Le progettazioni multi-canale e per ambienti-ostili avranno in genere valori più elevati. Chiedi sempre i numeri massimi, non quelli tipici.
D: Quali informazioni devo fornire quando richiedo un preventivo FORJ?
R: Tipo di fibra, lunghezza d'onda, tipo di connettore, numero di canali ottici, velocità di rotazione, interfaccia di montaggio, classificazione IP, temperatura operativa e se anche i circuiti di alimentazione o di segnale devono attraversare lo stesso asse. Quanto più questo è definito in anticipo, tanto più accurato sarà il preventivo.
Passaggi successivi
Un giunto rotante in fibra ottica è raramente un acquisto da catalogo. Nei sistemi di produzione è un elemento di un gruppo rotante ibrido che deve bilanciare prestazioni ottiche, adattamento meccanico, tenuta ambientale e integrazione con il resto della macchina.
Se stai valutando un nuovo progetto o hai bisogno di una seconda opinione su una specifica FORJ esistente, prepara gli elementi dall'elenco di controllo di selezione sopra - tipo di fibra, lunghezza d'onda, conteggio dei canali, obiettivo di perdita di inserzione, velocità di rotazione, classificazione IP ed eventuali canali di alimentazione o segnale aggiuntivi - econdividerli con il nostro team di ingegneri dell'applicazione. Risponderemo con una proposta concreta, comprendente dati di test dinamici e un concetto meccanico, piuttosto che con una scheda tecnica generica.