DE10230536A1

DE10230536A1 - Optischer Drehübertrager mit mikrosystemtechnisch hergestellten Komponenten

Info

Publication number: DE10230536A1
Application number: DE2002130536
Authority: DE
Inventors: Jens Makuth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2004-01-29

Abstract

Zusammengefasst betrifft die Erfindung einen modular aufgebauten, optischen Drehübertrager, der auf Laserlicht als Übertragungsmedium basiert, der z. T. Luft als Übertragungsstrecke nutzt und eine hohe Datenübertragungsrate sowie Endlosdrehungen zulässt, wobei die optischen Module integriert oder monolithisch mit mikrosystemtechnischen Komponenten aufgebaut sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Drehübertrager mit mikrosystemtechnisch hergestellten Komponenten
Daten- und Energieübertragung (Telemetrie) zu bewegten Maschinenteilen ist vor allem in der Industrie, insbesondere bei und/oder in verteilten Automatisierungssystemen ein zentrales Problem. Produktionsprozesse, vorrangig bei Werkzeugmaschinen, finden an rotierenden oder allgemein bewegten Werkstücken statt, oder die Werkzeuge rotieren und/oder bewegen sich um das zu bearbeitende Werkstück herum. Zur Datenübertragung in solchen Systemen werden u.a. Datennetze benötigt. Dazu werden beispielsweise Bussysteme wie z.B. Feldbus, Profibus, Ethernet, Industrial Ethernet, oder auch FireWire, aber auch zunehmend schaltbare Hochleistungsdatennetze, also Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, insbesondere Realtime Ethernet (RTE) oder auch isochrones RTE (IRTE) eingesetzt.
Datenübertragung wird heute entweder mit konventionellen Kabelschlepps oder mechanischen Schleifringen realisiert. Es existieren jedoch auch kapazitive und optische Verfahren, die aber technische Einschränkungen oder Kostenprobleme mit sich bringen. Funk fällt bislang aufgrund der geringen Nettodatenraten und zusätzlicher Protokoll-Layer, aber auch wegen Elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) und aus Zuverlässigkeitsgründen ganz aus diesem Raster heraus.
Die Kabelschlepplösung verhindert eine Endlosdrehung und begrenzt die Produktionsgeschwindigkeit durch die notwendige Rückdrehung z.B. der Werkzeuge (sonst Abscherung der Kabel). Die Minimierung der Nebenzeiten im System spielt jedoch beispielsweise für die Produktivität eine entscheidende Rolle. Eine bevorzugte Lösung für dieses Nebenzeitproblem ist das Ersetzen der Kabelschlepps durch Drehübertrager.
Drehübertrager gibt es in den verschiedensten Ausführungen. Einsetzbar sind berührungsbehaftete Übertrager, z.B. mechanische Schleifringe, Bürsten oder flüssigkeitsbehaftete Quecksilberübertrager aber auch berührungslose Übertrager, wie z.B. optische, kapazitive, induktive oder auf Basis von Funkübertragung realisierte Übertrager.
Bei Verwendung von konventionellen, mechanischen Schleifringen treten Probleme in Bezug auf Abnutzung, EMV und Zuverlässigkeit auf, u.a. auch deshalb, weil in unmittelbarer Nachbarschaft auch die Energie selbst übertragen wird.
Kapazitive Übertrager sind teuer und werden z.B. für militärische Anwendungen eingesetzt.
Für drahtgebundene Systeme (Busse oder Punkt-zu-Punkt-Verbindungen) gibt es bislang keine ideale Lösung. Eine kostengünstige Vorrichtung, die eine transparente (ohne zusätzliche Protokoll-Layer), bidirektionale und full duplex-Datenübertragung ermöglicht, und bei der prinzipiell verschiedene Busprotokolle eingesetzt werden können, existiert derzeit nicht.
Optische Übertrager existieren, basieren zumeist aber auf optischen Übertragungsmedien (Glas- oder Plastikfasern). Es existieren auch sogenannte FORJs (Fiber Optic Rotary Joints) mit Fiberanschluss, die extrem teuer sind. Probleme bereiten zusätzlich unidirektionale oder Halbduplex-Übertragungskanäle, die für viele Anwendungen nicht ausreichend sind.
Zur Realisierung eines optischen Übertragers werden Komponenten aus der optischen Kommunikationstechnik benötigt. Laser, insbesondere Halbleiterlaser, und Pindioden werden schon heute – zusammen mit Laseransteuerung und Signalverarbeitung, – in optischen Transceivern (z.B. BIDI-Module = bidirektionale optische Transceiver, die mit verschiedenen Wellenlängen bidirektional und full duplex auf einer Fiber, auch Faser genannt, arbeiten) kombiniert. Solche Transceiver kommen in der Kommunikationstechnik zum Einsatz und sind am Markt als Standardkomponenten verfügbar. Das Problem zur Applikationsrealisierung eines industriellen optischen Drehübertrager sind die hohen Kosten der Transceiver, die Bauform, Schutzarten und die ausschließliche Einkopplung des Laserlichts in eine Fiber (Kopplungsart: Laser-Fiber-Laser). Noch wesentlich größere Kosten verursacht ein Fiber-Luft-Fiber-Koppler, der in Form von FORJ's (Fiber Optic Rotary Joints) verfügbar wäre.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten optischen Drehübertrager anzugeben.
Der optische Drehübertrager, der im folgenden beschrieben wird, basiert auf Laserlicht als Übertragungsmedium und ermöglicht extrem hohe Datenraten. Die möglichen Datenraten sind nicht durch das Übertragungsmedium Licht limitiert und können für zukünftige Anwendungen skaliert werden. Bei dem erfindungsgemässen optische Drehübertrager werden alle benötigten Komponenten , wie Signalanpassung, Laseransteuerung, Laser, WDM, diffraktive Optiken, Pindiode, Transimpedanzverstärker, Signalverarbeitung integriert und in Modulbauweise (z.B. elektrisches und optisches Modul) realisiert. Die Vorteile eines solchen erfindungsgemäßen optischen Drehübertragers sind neben dem Ermöglichen von Endlosdrehungen, wodurch Kabelschlepps ersetzt werden können, der Minimierung von Tot- bzw. Nebenzeiten in Systemen beispielsweise Werkzeugmaschinen oder Robotern, und einer transparenten Datenübertragungsapplikation zu bewegten Maschinenteilen, insbesondere eine kostengünstige Fertigung aber auch ein unveränderter Einsatz des kompakten optischen Moduls in verschiedenen Drehübertragern.
Neben den hohen Datenraten bietet die optische Kommunikation Vorteile auf dem Gebiet der Störsicherheit, d.h. EMV spielt im Gegensatz z.B. zu Funkkommunikation im Bereich des Übertragungskanals keine Rolle. Die Gewährleistung der notwendigen Sichtverbindung wird durch Kapselung des gesamten Gebildes erreicht.
Weitere Vorteile, die sich aus der optischen Übertragungstechnik ergeben sind:

– Hohe Übertragungskapazität
– Vollständige elektrische Isolation von Sender und Empfänger
– Unempfindlichkeit gegenüber elektrischen und magnetischen Störungen
– Keine Potentialprobleme (Erdschleifen)
– Unbedenklich in explosionsgefährdeter Umgebung
– Hohe Abhörsicherheit
–Kein Nebensprechen

Die technisch einfachste Variante einen Kommunikationskanal aufzuspannen, besteht in der In-Achse-Realisierung, d.h., der modulierte Lichtstrahl, der die Dateninformation enthält, wird in der Bewegungs-/Drehachse des Gebildes geführt. Dadurch ist physikalisch/räumlich nur eine Strecke für den Übertragungskanal möglich.
Eine andere, technisch aufwendigere Variante mit größeren optischen Verlusten ist die Out-of-Axis-Realisierung, wo das Laserlicht in eine ringförmige optische Komponente außerhalb der Bewegungsachse gekoppelt wird. Dadurch bleibt die Rotationsachse für andere Durchführungen frei.
Die Übertragung soll in jedem Fall bidirektional und full duplex erfolgen. Das bedeutet, dass dies durch Nutzung verschiedener Wellenlängen des Lichts für beide Senderichtungen (1 Kanal, 2 unterschiedliche Wellenlängen, λ₁ für die Transmit- bzw. Senderichtung und λ₂ für die Receive- bzw. Empfangsrichtung) oder durch Nutzung von (gleichartigen) Transceivern mit nur einer Wellenlänge, jedoch optischen Verlusten von 6 dB realisiert werden kann.
Durch den Einsatz der WDM-Technik (wave division multiplexing) können sogar mehrere Übertragungskanäle in einer Achse realisiert werden.
Ein weiterer Vorteil ist die Transparenz. Zusätzliche Protokoll-Layer sind nicht notwendig. Der Halbleiterlaser wird mit dem jeweiligen Eingangssignal moduliert. Die Übertragungsstrecke, die durch den Drehübertrager verkörpert wird, verhält sich wie ein Stück Kabel; Sender und Empfänger bemerken nichts von einem Wechsel der Übertragungsmedien.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass ohne große prinzipielle Änderungen verschiedene Busprotokolle, wie beispielsweise Profibus und (Fast) Ethernet übertragen werden können. Andere Busprotokolle, insbesondere andere Feldbusprotokolle wären ebenfalls durch Modifikation der Ein- bzw. Ausgangsschaltung übertragbar.
Durch die Integration aller benötigten Komponenten wie Laser, Pindiode, WDM, optische Elementen (Strahlteilung/-formung) mit mikrosystemtechnischen Mitteln ist es möglich einen modular aufgebauten Drehübertrager zu realisieren. Der Drehübertrager besteht dann im wesentlichen aus 2 Modulen: einem optischen und einem elektrischen Modul und selbstverständlich aus der entsprechenden Mechanik mit Häusung, Lagerung sowie Dichtung.
Das optische Modul wird integriert oder monolithisch mit mikrosystemtechnischen Komponenten und Fertigungsmethoden aufgebaut bzw. hergestellt, beispielsweise als Spritzgußteil, durch Heißprägen, etc., beispielsweise aus Glas, Kunststoff, etc. und mit dem elektrischen Modul auf geeignete Art und Weise z.B. mit Flipchip-ähnlicher Technik verbunden.
Die Modulbauweise ermöglicht prinzipiell die Anpassung an verschiedene Datenformate. Das kompakte optische Modul kann unverändert in verschiedenen Drehübertragern eingesetzt wer den. Das elektrische Modul enthält die Anpasselektronik und kann mit geringem Aufwand und Kosten modifiziert und an verschiedene Eingangs- bzw. Ausgangsbedingungen angepasst werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist, dass die optische Übertragungsstrecke ohne Fiber aufgebaut wird (s. 4). Das bedeutet, die Transmitter koppeln nicht in eine Plastik- oder Glasfaser (wie üblich und vorgesehen), sondern nutzen Luft als Übertragungsmedium. Es handelt sich um minimale zu überbrückende Entfernungen (Zentimeter, Millimeter bis Submillimeterbereich) zwischen den optischen Transceivern (kombinierte Sende-/Empfangseinheiten), die zu überbrücken sind. Beispiel: Der Transmitter (Sender) von Modul 1 koppelt direkt in den Receiver (Empfänger) von Modul n ein. Die Dämpfung der Luft – bezogen auf die kurze Luftstrecke – hat keinen entscheidenden Einfluss auf die Übertragungsqualität.
Als eine bevorzugte Ausführungsform wird der erfindungsgemäße optische Drehübertrager als integrierte Einheit realisiert. Extern anzuschließende Elemente sind die entsprechenden Buskabel auf beiden Seiten. Eine bevorzugte Ausgestaltung ermöglicht dabei den Einsatz von Steckverbindern. Das Verfahren zur Datenübertragung ist dann, bei entsprechender Vorbereitung der Module im feststehenden bzw. im rotierenden Teil des optischen Drehübertragers, sehr einfach und kostengünstig gelöst. Damit können prinzipiell alle möglichen Datenbusse, beispielsweise Ethernet, insbesondere Feldbusse, beispielsweise Profibus, aber auch Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, beispielsweise IRTE, angeschlossen, die entsprechenden Datenprotokolle übertragen und damit der erfindungsgemäße optische Drehübertrager in beliebige Automatisierungssysteme integriert werden.
Von besonderem Vorteil ist es darüber hinaus, dass die Erfindung insbesondere bei und in Verpackungsmaschinen, Pressen, Kunststoffspritzmaschinen, Textilmaschinen, Druckmaschinen, Werkzeugmaschinen, Roboter, Handlingssystemen, Holzverarbeitungsmaschinen, Glasverarbeitungsmaschinen, Keramikverarbeitungsmaschinen sowie Hebezeugen eingesetzt bzw. verwendet werden kann.
Im Weiteren werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 den prinzipiellen Aufbau und die Mechanik eines erfindungsgemässen optischen Drehübertragers,
2 das Prinzip eines optischen Transceivers,
3 eine Prinzipskizze zur Modulbauweise des optischen Drehübertragers – Seitenansicht,
4 den optischen Drehübertrager – Sicht in Achsrichtung,
5 eine Prinzipskizze zur Häusung und Lagerung des optischen Drehübertragers – Seitenansicht,
6 den rotierenden Teil des optischen Drehübertragers – Sicht in Achsrichtung und
7 den statischen Teil des optischen Drehübertragers – Sicht in Achsrichtung
1 zeigt beispielhaft den prinzipiellen Aufbau und die Mechanik eines erfindungsgemäßen optischen Drehübertragers. Das Gehäuse sollte wegen der Drehung um die Längsachse sinnvollerweise zylinderförmig und rotationssymmetrisch zur Drehachse ausgeführt sein. Es besteht aus einem „Stator" und einem „Rotor" im mechanischen Sinne. Welches Teil sich bewegt und welches fest steht, spielt keine Rolle. Beliebige Grade der Dichtung sind denkbar. Die maximale Drehgeschwindigkeit hängt u.a. von der Güte der Lagerung ab.
2 zeigt das Prinzip eines optischen Transceivers. Der prinzipielle Aufbau ist folgender: Ein Transceiver besteht aus einer Halbleiter-Laserdiode 1 (z.B. multimodige VCSEL), ggf. mit der zugehörigen Optik , einer Pin-Fotodiode 2, einer kombinierten Filter/Strahlteiler-Einheit 3. Prinzipiell werden zwei unterschiedliche Wellenlängen λ₁ und λ₂ verwendet. Der prinzipielle Strahlengang in den beiden abgebildeten Transceivern ist in der 2 dargestellt.
Bei Bedarf wird eine Optik (Linse) vor dem Laser eingesetzt, die den Laserstrahl zum jeweiligen Empfänger etwas divergiert. Dies kann notwendig werden, um geringes Spiel der mechanischen Lager aus der idealen Bewegungsachse auszugleichen. Der Aufwand der mechanischen Lagerung bestimmt den Aufwand der optischen Signalführung. Bei idealer Drehbewegung in der Bewegungsachse wäre keine zusätzliche Optik notwendig.
3 zeigt beispielhaft als Seitenansicht eine Prinzipskizze zur Modulbauweise des optischen Drehübertragers. Zwei optische Module 13, die konzentrisch auf der Bewegungsachse 1 sich gegenüber stehend angeordnet werden, bilden die Kerneinheit des opt. Drehübertragers. Die Bewegungsachse 1 ist dabei identisch zur optischen Achse, auf der die Datenübertragung erfolgt. Das optische Modul 13 besteht aus einer Leiterplatte 2, auf der die optischen Komponenten Laserdiode 4 und Pindiode 8 sowie ein Ausgleichsgewicht 9 als Dummy-Bauteil angebracht sind, und dem Gehäuse 3 als Halterung der optischen Komponenten, das eine Bohrung auf Höhe der optischen Achse 1 aufweist, in dem die differaktive Optik 6 angebracht ist, durch welche das Laserlicht der Laserdiode 4 beispielsweise mit der Wellenlänge λ₁ zum gegenüberliegenden zweiten optischen Modul geleitet wird. Eine integrierte bzw. monolithische Ausführung von Gehäuse 3 und Linse 6 ist eine bevorzugte Alternative zu der oben genannten Ausführungsform. Des Weite ren enthält das optische Modul 13 einen Strahlteiler (WDM) 5 sowie ein Umlenkprisma/-spiegel 7, die das Laserlicht, das vom zweiten optischen Modul beispielsweise mit der Wellenlänge λ₂ an das erste optische Modul 13 gesendet wird, zur Pindiode 8 umleiten. Die beiden optischen Module 13 sind jeweils integriert oder monolithisch mit mikrosystemtechnischen Komponenten aufgebaut. Ein Luftspalt trennt beide optischen Module 13 voneinander. Prinzipiell soll der Abstand zwischen den Modulen 13 (also jeweils zwischen Sender und Empfänger) wegen der optischen Dämpfung der Luft minimal sein. Das heißt, man bewegt sich im Millimeter- bzw. Submillimeterbereich (=< 1 mm). Die Leiterplatte 2 für die optischen Komponenten ist wiederum ebenfalls konzentrisch zur Rotationsachse 1 auf der Leiterplatte 10 angebracht, die als Träger sowohl für die optischen Komponenten als auch für die Elektronik 12 dient. Die Elektronik 12 umfasst mehrere IC-Chips, die die notwendigen elektronischen Bausteine PHY, Stromversorgung, Magnetics, Logik, Laseransteuerung, TIA sowie die Signalverarbeitung bzw. -konvertierung enthalten. Auf der dem optischen Modul 13 abgewandten Seite der Leiterplatte 10 ist ebenfalls konzentrisch zur Rotationsachse 1 ein Stecker 11 angebracht, über den das jeweilige optische Modul 13, sowie die Elektronik an das entsprechende Buskabel angeschlossen ist. Es handelt sich hier beispielsweise um einen als RJ45 Plug ausgeprägten Ethernetstecker. Es können bei entsprechender Vorbereitung insbesondere der Elektronik 12 selbstverständlich alle möglichen Datenbusse, insbesondere Feldbusse, wie z.B. Profibus, aber auch FireWire, oder Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, wie z.B. RTE oder IRTE mittels geeigneter Stecker bzw. Steckverbindungen angeschlossen werden. Die offene Ellipse mit den Pfeilspitzen an jedem der beiden Endpunkte der offenen Ellipse am rechten Rand der 3 kennzeichnet das rotierende Bauteil.
4 zeigt den optischen Drehübertrager als Draufsicht in Richtung der optischen bzw. der Rotationsachse. Die sichtbaren Bauteile sind zur 3 gleich bezeichnet. Aus der 4 ist auch unmittelbar die rotationssysmmetrische Form insbesondere auch der Leiterplatte 2 ersichtlich.
5 zeigt beispielhaft als Seitenansicht eine Prinzipskizze zur Häusung und Lagerung des optischen Drehübertragers. Der prinzipielle mechanische Aufbau ist der folgende: zwei optische Module, die sich gegenüber stehen, sind jeweils elektrisch und mechanisch mit den zugehörigen elektrischen Modulen, die wiederum am und/oder im Gehäuse befestigt sind, verbunden. Die Auslegung bzw. Ausführung der strahlformenden Optik (Linse) hängt u.a. vom Abstand der optischen Module voneinander (von der Größe des Luftspalts) und von der Güte der mechanischen Lagerung ab. Der Aufwand für die optische Signalführung/-formung hängt außerdem stark vom Aufwand der mechanischen Lagerung ab. Prinzipiell wird ein Teil des Drehübertragers mechanisch fixiert. Der andere, rotierende Teil darf nur mechanisch „weich" mitgenommen werden, weil andernfalls die Lagerung im Drehübertrager Schaden nehmen könnte. Die Lager im Drehübertrager müssen Längs- und Querkräfte aufnehmen können und entsprechend ausgelegt werden. Eine bevorzugte Ausführung eines Lagers ist ein in der 5 dargestelltes Kegellager zur Aufnahme von Querkräften. Für das Gehäuse sind verschiedene Materialien denkbar (Metall, Kunststoff). Durch Simmerringe und andere Dichtungen können verschiedene IP-Schutzklassen erreicht werden. In der 5 ist außerdem der Strahlengang im Luftspalt zwischen den beiden diffraktiven Optiken der beiden optischen Module angedeutet. Die offene Ellipse mit den Pfeilspitzen an jedem der beiden Endpunkte der offenen Ellipse am rechten Rand der 5 kennzeichnet das rotierende Bauteil.
6 zeigt als Draufsicht in Achsrichtung den rotierenden Teil des optischen Drehübertragers mit der am Ort der Rotationsachse beispielhaft angebrachten Steckverbindung zum Anschluss der entsprechenden Stecker, mit denen die jeweils gewünschten Datenbusse angeschlossen werden können. Je nach anzuschließendem Datenbus kann die Steckverbindung von der in
6 gezeigten Steckverbindung abweichen. Der optische Drehübertrager wird dann entsprechend der, je nach anzuschließendem Datenbus benötigten Steckverbindungen ggf. angepasst.
7 zeigt als Draufsicht in Achsrichtung den statischen Teil des optischen Drehübertragers mit der am Ort der Rotationsachse beispielhaft angebrachten Steckverbindung zum Anschluss der entsprechenden Stecker, mit denen die jeweils gewünschten Datenbusse angeschlossen werden können. Außerdem ist der, den statischen Teil überlappende rotierende Teil des optischen Drehübertragers als äußerer Ring sichtbar. Je nach anzuschließendem Datenbus kann die Steckverbindung von der in 7 gezeigten Steckverbindung abweichen. Der optische Drehübertrager wird dann, entsprechend der je nach anzuschließendem Datenbus benötigten Steckverbindungen ggf. angepasst.
Zusammengefasst betrifft die Erfindung einen modular aufgebauten, optischen Drehübertrager, der auf Laserlicht als Übertragungsmedium basiert, der z.T. Luft als Übertragungsstrecke nutzt und eine hohe Datenübertragungsrate sowie Endlosdrehungen zulässt, wobei die optischen Module integriert oder monolithisch mit mikrosystemtechnischen Komponenten aufgebaut sind.

Claims

Optischer Drehübertrager bestehend aus einem feststehenden und einem rotierenden Teil, wobei sich der rotierende Teil des optischen Drehübertragers auf derselben Drehachse wie der fest stehende Teil oder außerhalb der Drehachse des feststehenden Teils befindet und der rotierende Teil sich um den feststehenden Teil dreht, dadurch gkennzeichnet, dass jedes der beiden Teile wenigstens ein optisches Modul, das integriert oder monolithisch mit mikrosystemtechnischen Komponenten aufgebaut ist, aufweist und dass sich eine Übertragungsstrecke zur Datenübertragung im Inneren des optischen Drehübertragers befindet, wobei das Übertragungsmedium zur Übertragung der Daten auf Laserlicht basiert und wobei ein Teil der Übertragungsstrecke als eine Luftstrecke ausgebildet ist.