CN111147143A - 一种用于转动机构的无线光滑环 - Google Patents

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于方磊
王健隆
吴世臣
孟祥翔
曲志超
石德乐
肖军强
李兰民
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Abstract

本发明涉及一种用于转动机构的无线光滑环，包括空腔圆柱形的机械外壳，固定在机构外壳内的信号发射机构和信号接收机构及电路板、对外接插件；所述信号发射机构和信号接收机构通过光纤与电路板连接；所述电路板上包括信号发射电路和信号接收电路；对外接插件用于滑环的供电和数据收发；信号发射与接收采用无线非接触激光通信的方式。本发明的有益效果是具有更长的使用寿命和更高的传输速率；具有更高的传输速率和更低的加工精度要求；具有更低的装配要求和更低的机械加工要求。

Description

一种用于转动机构的无线光滑环
技术领域
本发明属于滑环技术领域，尤其涉及一种用于转动机构的无线光滑环。
背景技术
在一些旋转结构中，由于旋转运动使得信号无法用导线传输，需要利用导电滑环来完成 信号的传输。导电滑环广泛应用于机器人、风力发电和军事等领域，比如工业上的机械手， 军事上的卫星追踪，医疗设备扫描系统，航天飞行器跟踪系统等。接触式导电滑环由于内外 环之间的高速摩擦会产生发热和噪声，时间长了容易变形，影响接触的紧密性，从而影响滑 环的接触电阻，导致传输信号畸变；同时，磨损也降低了滑环的使用寿命。接触式导电滑环 更多的是在材料上和工艺上进行改良，但是寿命是此类滑环的技术瓶颈。
现有的先进转动结构数据传输系统主要有非接触式感应、光纤滑环等，非接触式感应指 的是采用电流、电容等手段，利用非接触式的电磁传感方式进行信号传输，但此类数据传输 方式存在速率低的瓶颈。另外一种是光纤滑环，此类滑环是利用光纤传感的方式，采用精密 的转配工艺，转台的定子和转子所装配的结构为同一结构。装配的过程中需要两个转动机构 的中心严格对齐，同时，保证两个转动机构的中心开孔与光纤滑环外尺寸一致。这就导致了 这种光纤滑环安装难度大，精度要求高，同时要求两个转动机构在长时间的运动过程中避免 磨损导致的松动、错位的现象。如果出现松动错位，将导致光纤滑环横向受力而导致失效。 此外，这种滑环的成本由于高精度的制作和装配要求而非常高昂，导致整机的成本上涨。图 1为现有的光纤滑环的结构图。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于转动机构的无线光滑环，目的是解决现 有的导电滑环的寿命问题、非接触式电磁感应滑环的速率问题和光纤滑环的加工、装配难度 大的问题。
本发明的技术方案为：
一种用于转动机构的无线光滑环，包括信号发射电路、信号发射机构、信号接收电路、 信号接收机构；
所述信号发射电路接收高速差分信号将其转换成带有数字信号的信号光，通过光缆将光 信号传输至信号发射机构；
所述信号接收电路将信号接收机构接收到的光信号调节为数字信号并通过高速差分信号 输出；
所述信号发射机构包括第一凸透镜，通过第一凸透镜将信号发射电路转换后的光信号转 成平行光输出；
所述信号接收机构包括依次设置的带倾角的平面透镜、滤光片、数个凹透镜和凸透镜组 成的优化镜组。
与现有技术相比，本发明采用无线非接触激光通信的方式，以克服导电滑环的疲劳和寿 命问题，极大的提升转动机构间的通信速率，同时又克服了一体式光纤滑环的加工和装配难 度的问题。本技术方案中，信号发射部分和信号接收部分设置于一个滑环中，两个滑环配合 使用，可以现全双工的高速数据传输功能；除此之外，当只需信号单向传输时，可将这两部 分分别设于两个滑环中，一个为发射滑环，一个接收滑环，二者同时使用，实现信号单向传 输。
基于上述方案，本发明还做出了如下改进：
进一步地，所述信号接收机构的视场角范围为0.26°～2.8°；所述带倾角的平面透镜的 倾角范围25°-30°；滤光片的定子端透过的波长范围为1542±3nm、转子端透过的波长范围 为1561±3nm。
进一步地，所述优化镜组的数量、镜面曲率、镜间距取决于光像质；所述优化镜组为凹 透镜、双面凸透镜、凸透镜。
本技术方案的有益效果是：
1)采用无线光滑环的设计方案，具有通信速率高、加工装配简易、可靠性高的优点；
2)设计了大光束角度发射光学系统，确保了接收视场，降低了光轴的对准精度；
3)设计了一种倾斜方向的接收光学系统，使安装空间紧凑，便于高速旋转时，光路精确 对准；
4)采用了光学、电子学一体化设计方案，使结构设计紧凑、轻便，便于安装使用。
附图说明
图1为现有的光纤滑环的结构图；
图2为本发明产品结构示例图；
图3为本发明信号发射机构光路图；
图4为本发明信号接收机构光路图；
图5为本发明信号发射电路原理图；
图6为本发明信号接收电路原理图；
图7为本发明的应用示意图。
图中，1’、插头接口；2’、转子端光纤；3’、定子端光纤；4’、成对滚动轴承；5’、自聚焦透镜；1、机械外壳；2、信号发射机构；3、信号接收结构；4、PCB板；5、对外接插件； 6、第一凸透镜、7、平面透镜；8、滤光片；9、凹透镜；10、双面凸透镜；11、凸透镜I；12、 凸透镜II；13、方位轴。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明做进一 步详细说明。
如图2所示，一种用于转动机构的无线光滑环，包括空腔圆柱形的机械外壳，固定在机 构外壳内的信号发射机构和信号接收机构及电路板、对外接插件；所述信号发射机构和信号 接收机构通过光纤与电路板连接；所述电路板上包括信号发射电路和信号接收电路；对外接 插件用于滑环的供电和数据收发。
如图3、4所示，所述信号发射机构包括第一凸透镜，通过第一凸透镜将信号发射电路转 换后的光信号转成平行光输出；所述信号接收机构包括依次设置的带倾角的平面透镜7、滤 光片8、用于实现光像质优化的优化镜组；所述平面透镜7范围为25-30度；滤光片为1542 ±3nm(定子端)和1561±3nm(转子端)。本实施例中，优化镜组采用了凹透镜9、双面凸透镜10、凸透镜I11、凸透镜II12，其中凹透镜9厚度1mm，入光面曲率半径65mm，出光 面10.889mm；双面凸透镜10入光面离凹透镜9出光面3mm，入光面曲率半径24.73mm，出 光面曲率半径-26.85mm，厚度1.89mm；凸透镜I11入光面距离双面凸透镜10出光面11.88mm， 入光面曲率半径15.052mm，出光面平面，厚度1.78mm；凸透镜II 12入光面距离凸透镜I11 出光面4.74mm，入光面曲率半径5.53mm，出光面曲率半径15.58mm，厚度1.67mm。虽然 本实施例公开了上述优化镜组的数量、曲率、间距等，但不局限于上述参数设置，可根据空 间的大小、光像的要求合理设置。
如图5、6所示，信号发射电路包括调制驱动器、激光器、供电电路和测控电路，将需要 传输的信号转化为空间光信号；信号接收电路包括光电探测器、调节电路、接口电路、供电 电路和测控电路，将接收到的带有数字信号的光信号转换成电信号并输出。
如图7所示，将本发明的无线光滑环在某转台的使用情境下，载荷单元采集到的海量信 息流需要下传至PC端，同时PC端需要将处理后的数据进行实时回传。转台上包括俯仰轴和 方位轴，以其中方位轴13(即驱动板上方轴)为例。在加工时，需要将轴掏空，孔的大小与 光滑环的外径一致，便于安装，转动结构的两端都在旋转轴上掏孔，将两个光滑环嵌入中孔 内，部件内采用电缆连接。工作过程中，载荷和PC均以数据源的形式传输信息。以此，在 加工精度要求不高的情况下，采用更低的成本，即可实现转动机构上的高速信息传输的功能。

Claims (3)

1.一种用于转动机构的无线光滑环，其特征在于：包括信号发射电路、信号发射机构、信号接收电路、信号接收机构；
所述信号发射电路接收高速差分信号将其转换成带有数字信号的信号光，通过光缆将光信号传输至信号发射机构；
所述信号接收电路将信号接收机构接收到的光信号调节为数字信号并通过高速差分信号输出；
所述信号发射机构包括第一凸透镜，通过第一凸透镜将信号发射电路转换后的光信号转成平行光输出；
所述信号接收机构包括依次设置的带倾角的平面透镜、滤光片、数个凹透镜和凸透镜组成的优化镜组。
2.根据权利要求1所述的无线光滑环，其特征在于：所述信号接收机构的视场角范围为0.26°～2.8°；所述带倾角的平面透镜的倾角范围25°-30°；滤光片的定子端透过的波长范围为1542±3nm、转子端透过的波长范围为1561±3nm。
3.根据权利要求1所述的无线光滑环，其特征在于：所述优化镜组的数量、镜面曲率、镜间距取决于光像质。
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