CN106990490A - 回转轴空间光滑环 - Google Patents

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马爽
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Abstract

本发明涉及一种回转轴空间光滑环，属于激光通信技术领域，具体包括第一波分复用器、第二波分复用器、与第一波分复用器相匹配的第一光收发模块、与第二波分复用器相匹配的第二光收发模块、固定安装在回转轴的转子轴心处的第一收发光学天线和固定安装在回转轴的定子轴心处的第二收发光学天线；第一收发光学天线的光轴与第二收发光学天线的光轴重合，且第一收发光学天线与第二收发光学天线之间的耦合损耗小于阈值；第一波分复用器通过单模光纤分别与第一收发光学天线和第一光收发模块连接；第二波分复用器通过单模光纤分别与第二收发光学天线和第二光收发模块连接。与现有技术相比，本发明所提出的光滑环寿命更长、通信速率不受本身限制且不易损坏。

Description

回转轴空间光滑环
技术领域
本发明涉及激光通信技术领域，特别是涉及一种回转轴空间光滑环。
背景技术
在数据通信系统中，信号往往需要在如回转轴等相对旋转的部件之间进行高速传输，而为了实现在相对旋转的部件之间的数据通信，本领域技术人员一般采用两种方式，其中一种方式是利用传输电信号的电滑环来连接相对旋转的部件，这种电滑环为接触式，在高速条件下电刷容易磨损，因此寿命较短，且通信速率受到传输介质的限制，无法实现高速通信；另外一种方式则是利用传输光信号的光纤滑环来连接相对旋转的部件，这种光纤滑环将两根光纤通过精密的机械结构进行连接，虽然可以实现高速数据通信，但是其属于精密器件，因此对安装精度要求较高，且容易损坏，同时成本也较高。
发明内容
基于此，有必要针对电滑环寿命较短、无法实现回转轴的高速通信和光纤滑环对安装精度要求较高、容易损坏以及成本较高的问题，提供一种回转轴空间光滑环，该回转轴空间光滑环为一种利用激光空间传输的非接触式光滑环，能够实现做回转运动的固定端和旋转端的全双工高速数据通信。
为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：
一种回转轴空间光滑环，包括第一波分复用器、第二波分复用器、与所述第一波分复用器相匹配的第一光收发模块、与所述第二波分复用器相匹配的第二光收发模块、固定安装在回转轴的转子轴心处的第一收发光学天线和固定安装在所述回转轴的定子轴心处的第二收发光学天线；
所述第一收发光学天线的光轴与所述第二收发光学天线的光轴重合，且所述第一收发光学天线与所述第二收发光学天线之间的耦合损耗小于阈值；
所述第一波分复用器通过单模光纤分别与所述第一收发光学天线和所述第一光收发模块连接；
所述第二波分复用器通过单模光纤分别与所述第二收发光学天线和所述第二光收发模块连接。
与现有技术相比，本发明回转轴空间光滑环具有以下优点：1、本发明的回转轴空间光滑环为非接触式连接，对回转轴的旋转速度没有要求，不会产生任何摩擦，与接触式的滑环相比，寿命大大提高；2、本发明采用了波分复用器和单模光纤耦合的光学天线，能够实现高速数据通信，功能等同于一根单模光纤，其通信速率不受光滑环本身限制，与光纤通信所能达到通信能力一致；3、与光纤滑环相比，光纤滑环在安装精度不满足要求时很容易损坏，而本发明的回转轴空间光滑环在安装不满足要求时只是性能产生下降，不会损坏，因此降低了使用风险和成本；4、同时本发明的尺寸可以比现有光纤滑环的尺寸更小，对安装空间非常有限的环境十分适于应用。
附图说明
图1为本发明其中一个实施例中回转轴空间光滑环的结构示意图；
图2为本发明其中一个具体实施方式中收发光学天线的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
在其中一个实施例中，参见图1所示，回转轴空间光滑环包括第一波分复用器100、第二波分复用器200、与第一波分复用器100相匹配的第一光收发模块300、与第二波分复用器200相匹配的第二光收发模块400、固定安装在回转轴的转子1轴心处的第一收发光学天线500和固定安装在回转轴的定子2轴心处的第二收发光学天线600；
第一收发光学天线500的光轴与第二收发光学天线600的光轴重合，且第一收发光学天线500与第二收发光学天线600之间的耦合损耗小于阈值；
第一波分复用器100通过单模光纤分别与第一收发光学天线500和第一光收发模块300连接；
第二波分复用器200通过单模光纤分别与第二收发光学天线600和第二光收发模块400连接。
具体地，回转轴包括转子1(相当于旋转端)和定子2(相当于固定端)，且转子1和定子2之间进行相对旋转运动，本发明的空间光滑环适用于各种类型的数控机床的回转轴。在本实施例中，回转轴空间光滑环的结构如图1所示，图中“Δ”表示定子2固定，回转轴空间光滑环包括固定安装在转子1的轴心处的第一收发光学天线500和固定安装在定子2的轴心处的第二收发光学天线600，第一收发光学天线500可以通过连接法兰固定安装在转子1的轴心处，其中连接法兰上设有固定第一收发光学天线500的开孔并且连接法兰通过螺丝与转子1固定连接，第一收发光学天线500也可以通过如图1所示的支撑杆与转子1固定连接并处于转子1的轴心处，类似地，第二收发光学天线600也可以通过连接法兰固定安装在定子2的轴心处，其中连接法兰上设有固定第二收发光学天线600的开孔并且连接法兰通过螺丝与定子2连接，第二收发光学天线600也可以通过如图1所示的支撑杆与定子2固定连接并处于定子2的轴心处。
收发光学天线在发射时将光信号准直，发送到另外一个收发光学天线中，接收时将接收到的准直光束耦合到单模光纤中，为保证耦合效率，在安装时收发光学天线的光轴应尽量与回转轴的中心重合。在将第一收发光学天线500固定安装在转子1的轴心处、将第二收发光学天线600固定安装在定子2的轴心处时，保证第一收发光学天线500和第二收发光学天线600的光轴重合，使第一收发光学天线500(第二收发光学天线600)发出的光可以耦合进第二收发光学天线600(第一收发光学天线500)的单模光纤中去，本实施例对收发光学天线的安装的光轴平行度有一定的要求，同时对光轴的平行度的要求根据不同的光学天线的发散角也有所不同；收发光学天线的口径根据不同的安装条件可以设计成不同的尺寸，作为一种具体的实施方式，第一收发光学天线500和第二收发光学天线600的口径的取值范围为3mm-20mm，在该收发光学天线口径取值范围内，有利于保证第一收发光学天线500和第二收发光学天线600之间高速数据通信的正常进行，同时兼顾了收发光学天线的造价成本，具有该取值范围内的口径的收发光学天线更加适于实用。
由于天线会产生一定的耦合损耗，因此第一收发光学天线500和第二收发光学天线600之间也存在耦合损耗，为保证回转轴空间光滑环的高速数据通信功能，需保证第一收发光学天线500和第二收发光学天线600之间的耦合损耗小于阈值，一般千兆粗波分复用器(Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM)的SFP(Small Form-factorPluggables)光模块发射端的输出功率为0dBm-5dBm，接收端的灵敏度为一般小于-20dBm，因此耦合损耗只要小于20dBm即可工作，即第一收发光学天线500和第二收发光学天线600之间的耦合损耗应小于阈值20dBm，一般情况下，通过精密加工的各部分组件均可满足本发明的平行度要求，从而达到要求的耦合效率。为使第一收发光学天线500与第二收发光学天线600之间的耦合损耗满足要求，在安装第一收发光学天线500和第二收发光学天线600时，可以采取如下的方法：准备光纤激光器和光功率计，先利用光功率计测量光纤激光器的输出功率，然后将第一收发光学天线500连接光纤激光器，第二收发光学天线600连接光功率计，或者将第一收发光学天线500连接光功率计，第二收发光学天线600连接光纤激光器，通过光功率计测量激光器发出的光经过第一收发光学天线500和第二收发光学天线600后的剩余光功率，如果第一收发光学天线500和第二收发光学天线600产生的耦合损耗不满足耦合损耗的要求，使得进入光收发模块的激光强度无法满足光收发模块的探测灵敏度要求，则微调第一收发光学天线500和第二收发光学天线600的安装位置，直到满足使用需求。
回转轴空间光滑环还包括第一波分复用器100、第二波分复用器200、与第一波分复用器100相匹配的第一光收发模块300和与第二波分复用器200相匹配的第二光收发模块400，并且第一波分复用器100通过单模光纤分别与第一收发光学天线500和第一光收发模块300连接，第二波分复用器200通过单模光纤分别与第二收发光学天线600和第二光收发模块400连接，即第一波分复用器100通过单模光纤与第一收发光学天线500连接，第二波分复用器200通过单模光纤与第二收发光学天线600连接，第一光收发模块300通过单模光纤与第一波分复用器100连接，第二光收发模块400通过单模光纤与第二波分复用器200连接，在本实施例中，当高速通信数据从回转轴的转子1发送至定子2时，第一波分复用器100用于将各个第一光收发模块300通过单模光纤发送过来的不同波长的光合成在一起，经单模光纤输出至第一收发光学天线500，第二波分复用器200用于将第二收发光学天线600接收的并经单模光纤发送过来的混合在一起的不同波长的光分开，类似地，当高速通信数据从回转轴的定子2发送至转子1时，第二波分复用器200用于将不同波长的光合成在一起，而第一波分复用器100则用于将混合在一起的不同波长的光分开；本发明中的波分复用器可选择粗波分复用器(Coarse Wavelength DivisionMultiplexing，CWDM)或者密集波分复用器(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)，并根据第一波分复用器100的具体类型选用与其在波长上相匹配的第一光收发模块300，根据第二波分复用器200的具体类型选用与其在波长上能够匹配的第二光收发模块400，第一光收发模块300和第二光收发模块400的作用在于完成串行业务数据的光电或者电光转换，而且根据业务数据量可以选择不同传输速率的光收发模块。在本实施例中，第一光收发模块300和第二光收发模块400的数量分别取决于第一波分复用器100和第二波分复用器200的输入或者输出的不同波长的激光的数量，根据实际情况，第一波分复用器100可以通过多个单模光纤连接多个第一光收发模块300，第二波分复用器200也可以通过多个单模光纤连接多个第二光收发模块400。
本实施例所提出的回转轴空间光滑环为非接触式，不会因为轴系的加工或者安装误差所引起的轴系晃动造成损坏，因此安装简单，可靠性高，同时对回转运动不会产生任何阻尼，在对回转运动参数要求较高的场合十分适用。同时，回转轴空间光滑环还具有以下优点：1、为非接触式连接，对回转轴的旋转速度没有要求，不会产生任何摩擦，与接触式的滑环相比，寿命大大提高；2、采用了波分复用器和单模光纤耦合的光学天线，能够实现高速数据通信，功能等同于一根单模光纤，其通信速率不受光滑环本身限制，与光纤通信所能达到通信能力一致；3、与光纤滑环相比，光纤滑环在安装精度不满足要求时很容易损坏，而本发明的回转轴空间光滑环在安装不满足要求时只是性能产生下降，不会损坏，因此降低了使用风险和成本；4、同时本发明的回转轴空间光滑环的尺寸可以比现有光纤滑环的尺寸更小，对安装空间非常有限的环境十分适于应用。
作为一种具体的实施方式，第一光收发模块和第二光收发模块均为SFP型光模块。SFP是Small Form-factor Pluggables的简称，SFP型光模块即为小封装可插拔光模块，SFP可以看成是SFF(SFF是Small Form.Factor的简称，英特尔将其称为小封装技术，SFF光模块是最早期光模块产品，主要业务速率在2.5Gbps及以下，其电接口有两种规格，即10pin和20pin，两种版本的主要数据信号接口是一致的，SFF的尺寸要比SFP小，并且是以插针的形式焊接到主板上的)的可插拔版本，它的电接口是20pin金手指，数据信号接口与SFF模块基本相同。由于SFP型光模块已经是一种十分成熟的光模块，其尺寸更小、功耗更低，因此本实施方式选用SFP型光模块作为第一光收发模块或者第二光收发模块，有利于减小回转轴空间光滑环的尺寸，同时能够保证回转轴空间光滑环的稳定性和可靠性。
作为一种具体的实施方式，第一收发光学天线和第二收发光学天线均包括单模光纤连接器、准直镜组和外壳，外壳用于固定单模光纤连接器与准直镜组，且外壳与转子或者定子固定连接，单模光纤连接器的出射光经准直镜组准直后成为准直光束。如图2所示，这里以第一收发光学天线出射光信号为例对第一收发光学天线的结构进行说明，第二收发光学天线的结构与第一收发光学天线的结构相同，第一收发光学天线包括单模光纤连接器210、准直镜组220和外壳230，其中单模光纤连接器210的一端连接单模光纤，单模光纤中的光信号经过光纤端面出射至准直镜组220，外壳230用于固定单模光纤连接器210和准直镜组220，并且使单模光纤连接器210的出射光(即单模光纤中经光纤端面出射的光信号)经过准直镜组220准直后成为准直光束，最后从第一收发光学天线出射至第二收发光学天线；当第一收发光学天线接收光信号时，第二收发光学天线出射的准直光束将被准直镜组耦合到单模光纤中。本实施方式给出了一种第一收发光学天线和第二收发光学天线的组成方式，该方式结构简单、成本低，适于应用。
作为一种可选的实施方式，第一收发光学天线和第二收发光学天线中的单模光纤连接器为FC/PC光连接器或者FC/UPC光连接器。在现有技术中，光纤连接器按连接头结构形式可分为FC、SC、ST等形式，光纤端面形状包括PC型、UPC型和APC型，其中PC型表示插针体端面为物理端面，UPC型表示插针体端面为超级物理端面，APC型表示插针体端面为角度物理端面，FC/PC光连接器表示光纤接头为圆型带螺纹接头且接头端面为PC平面，FC/UPC光连接器表示光纤接头为圆型带螺纹接头且接头端面为UPC平面。FC型光纤连接器不仅回波损耗高、插入损耗低、可靠性和稳定性较高，而且易于安装，本实施方式选用FC型光纤连接器作为第一收发光学天线和第二收发光学天线中的单模光纤连接器，有利于提高收发光学天线的可靠性和效率，也便于收发光学天线的组合安装。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种回转轴空间光滑环，其特征在于，包括第一波分复用器(100)、第二波分复用器(200)、与所述第一波分复用器(100)相匹配的第一光收发模块(300)、与所述第二波分复用器(200)相匹配的第二光收发模块(400)、固定安装在回转轴的转子(1)轴心处的第一收发光学天线(500)和固定安装在所述回转轴的定子(2)轴心处的第二收发光学天线(600)；
所述第一收发光学天线(500)的光轴与所述第二收发光学天线(600)的光轴重合，且所述第一收发光学天线(500)与所述第二收发光学天线(600)之间的耦合损耗小于阈值；
所述第一波分复用器(100)通过单模光纤分别与所述第一收发光学天线(500)和所述第一光收发模块(300)连接；
所述第二波分复用器(200)通过单模光纤分别与所述第二收发光学天线(600)和所述第二光收发模块(400)连接。
2.根据权利要求1所述的回转轴空间光滑环，其特征在于，
所述第一收发光学天线和所述第二收发光学天线均包括单模光纤连接器、准直镜组和外壳，所述外壳用于固定所述单模光纤连接器与所述准直镜组，且所述外壳与所述转子或者所述定子固定连接，所述单模光纤连接器的出射光经所述准直镜组准直后成为准直光束。
3.根据权利要求2所述的回转轴空间光滑环，其特征在于，
所述单模光纤连接器为FC/PC光连接器或者FC/UPC光连接器。
4.根据权利要求1至3任一项所述的回转轴空间光滑环，其特征在于，
所述第一收发光学天线和所述第二收发光学天线的口径的取值范围为3mm-20mm。
5.根据权利要求1至3任一项所述的回转轴空间光滑环，其特征在于，
所述第一光收发模块和所述第二光收发模块均为SFP型光模块。
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