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Die
Erfindung betrifft einen optischen Drehübertrager gemäß dem Obergriff
des Anspruchs 1 (
US 4641915
A ) 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kapazitive Übertrager
sind teuer und werden z.B. für
militärische
Anwendungen eingesetzt.
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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.
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Optische Übertrager
existieren, basieren zumeist aber auf optischen Übertragungsmedien (Glas- oder
Plastikfasern). Probleme bereiten zusätzlich unidirektionale oder
Halbduplex-Übertragungskanäle, die
für viele
Anwendungen nicht ausreichend sind.
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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 Stan dardkomponenten 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) mit Fiberanschluss verfügbar
wäre. Solche
FORJs werden bislang nur in kleiner Stückzahl mit aufwändiger Mechanik,
insbesondere Lagertechnik, manuell gebaut und bestehen im wesentlichen aus
Edelstählen.
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Aus
US 4 641 915 A ist
ein optischer Drehübertrager
bekannt, der aus zwei rotierenden Teilelementen gebildet wird. Die
optische Signalübertragung
erfolgt dabei über
ein Linsenpaar, wobei die eine Linse in dem ersten Teilelement des
optischen Drehübertragers
und die zweite Linse in dem zweiten Teilelement des optischen Drehübertragers
angeordnet ist. Der Drehübertrager
umfasst weiter einen Mechanismus, um Druck auf die Lagerelemente
des Drehübertragers
auszuüben
sowie einen Mechanismus um den Winkel zwischen den beiden Linsen
des Drehübertragers
einzustellen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen optischen Drehübertrager
mit verbesserter Lagertechnik anzugeben, der eine verbesserte automatisierte
Produktion der benötigten
Teile ermöglicht.
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Nach
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die
Führungen
des optischen Drehübertragers
als Aussparungen des rotierenden Teils und/oder des feststehenden
Teils des optischen Drehübertragers
ausgebildet. Darüber
hinaus sind die Aussparungen als Bohrungen zum Einsetzen der Lagerelemente,
insbesondere des rotierenden Teils, im Zusammenwirken mit wenigstens
einer Nut, insbesondere des feststehenden Teils, ausgebildet. Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Lager eines solchen optischen Drehübertragers ermöglicht einerseits
durch ihre einfache Ausgestaltung eine sehr präzise Fertigung der betreffenden
Lager und andererseits eine einfache, im Wesentlichen automatisierte
Produktion der benötigten
Teile. Ein solcher erfindungsgemäßer Drehübertrager kann deshalb
sehr kostengünstig,
weil einfach und in großen
Mengen produzierbar, hergestellt werden.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die
Lagerelemente derart angebracht, dass die Lagerelemente wenigstens
zwei Ebenen aufspannen, die sich senkrecht zur imaginären Drehachse
des optischen Drehübertragers
befinden und wobei sich in jeder Ebene wenigstens drei Lagerelemente
befinden. Besonders vorteilhaft ist es darüber hinaus, dass die Lagerelemente
in jeder Ebene jeweils gleich verteilt zueinander angebracht sind.
Weiterhin sind die Lagerelemente als Rotationsellipsoide oder Kugeln
ausgeführt.
Da bei optischen Drehübertragern
optische Übertragungsmittel,
bevorzugterweise Laserlicht, als Übertragungsmedium verwendet
werden, kommt es prinzipbedingt zu einer starken Bündelung
des Lichts bei der Datenübertragung.
Durch diffraktive Optiken im Inneren des optischen Drehübertragers
wird der Strahl aufgeweitet, bevor es zur eigentlichen Datenübertragung
zwischen den optischen Modulen kommt. Die Strahlaufweitung erfolgt
dabei im Bereich bis einigen hundert μm. Dies bildet gleichzeitig
die Anforderung für
die entsprechende Lagertechnik, die qualitativ so gestaltet sein
muss, dass der Lichtstrahl ständig
den Empfänger
erreicht. Dies wird durch die Verwendung von mindestens sechs Lagern
und damit sechs Lagerelementen erreicht. Dabei befinden sich je
drei Lager bzw. Lagerelemente, bevorzugterweise gleich verteilt,
zur Lagerung des feststehenden Teils und des rotierenden Teils derart
in der Nähe
der jeweiligen Außenränder des
optischen Drehübertragers,
dass die Lager, bzw. Lagerelemente zwei Ebenen senkrecht zur imaginären Drehachse
aufspannen. Dadurch wird vorzugsweise bei der Verwendung von Kugeln
als Lagerelemente, sowie insbesondere durch die Positionierung der
Lagerelemente und damit der aufgespannten zwei Ebenen in Richtung
der jeweiligen Außenränder des
optischen Drehübertragers
die mechanische Stabilität
zwischen dem feststehenden Teil und dem rotierenden Teil deutlich
erhöht.
Außerdem
wird durch eine solche Verteilung eventuelle Unwuchten, die einer
spielfreien Drehung abträg lich
sein könnten,
abgeschwächt
bzw. nahezu komplett vermieden. Die Verwendung von jeweils drei
Kugeln pro aufgespannter Ebene genügt damit den Anforderungen
für eine
präzise
Lagerung, wodurch die Anzahl der Aussparungen die bei der Produktion
der Teile vorgesehen werden müssen,
und damit wiederum der Produktionsaufwand entsprechend minimiert
werden kann. Selbstverständlich können jedoch
auch mehr als drei Lager, d.h. Lagerelemente und deren entsprechende
Führungen
zum Einsatz kommen. Dies hängt
vom jeweiligen Verwendungszweck ab. Sofern eine andere Verteilung
den Anforderungen nicht entgegensteht, sind selbstverständlich auch
andere Verteilungsmöglichkeiten möglich, insbesondere
bei der Verwendung von mehr als drei Lagerelementen. Selbstverständlich sind
neben der Kugelform auch andere rotationsellipsoide Formen für die Lagerelemente
möglich,
soweit sie für den
jeweiligen Anwendungszweck geeignet sind.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung bestehen die beiden Teile des optischen Drehübertragers,
insbesondere die Lagerelemente, aus Stahl, aus Keramik oder aus Kunststoff.
Neben der Verwendung von Edelstählen sind
aber ebenso Aluminiumlegierungen, Messing, etc. verwendbar. Aufgrund
des jeweiligen Verwendungszwecks, also letztendlich der benötigten Umdrehungsgeschwindigkeit
bzw. Umdrehungshäufigkeit,
wird die Verwendung des Materials bestimmt. Insbesondere bei der
Verwendung von billigen Materialien, beispielsweise Keramiken bzw.
Kunststoffen, sind kostengünstige
Produktionsverfahren anwendbar, welches die Herstellungskosten weiter
reduziert. So können
insbesondere bei der Verwendung von Kunststoffen Fertigungstechniken,
beispielsweise Spritzgießen,
eingesetzt werden, welche zu Kostenvorteilen sowohl bei der Herstellung
als auch beim Materialeinsatz führen.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind
der rotierende Teil und der feststehende Teil des optischen Drehübertragers gegenseitig
durch Dichtmittel, insbesondere Dichtringe, abdichtbar. Durch die
Anwendung geeig neter Dichtmaßnahmen,
beispielsweise der Verwendung von Dichtringen, beispielsweise O-Ringe,
wie sie auch u.a. in der Automobilindustrie oder der Medizintechnik
eingesetzt werden, können
beliebige Schutzklassen bis hin zu IP 68 realisiert werden. Dadurch wird
der mögliche
Einsatzbereich solcher optischen Drehübertrager erweitert und gleichzeitig
wird die Sicherheit bei der Datenübertragung auch in ungewöhnlichen
Umgebungen gewährleistet.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der
optische Drehübertrager eine
Hülse auf,
die auf den rotierenden Teil aufschiebbar ist und die Lagerelemente
fixiert. Da die Kugeln neben der Führungsaufgabe auch eine Verrastungsaufgabe
erfüllen,
kommt der Aufbau damit prinzipiell ohne mechanische Befestigung
aus und der Zusammenhalt der Komponenten des optischen Drehübertragers
wird im Wesentlichen nur durch das Aufschieben der Hülse erreicht.
Damit können
kostenintensive Befestigungen, auf die bereits in der Produktion
Rücksicht
genommen werden müsste, vermieden
werden. Außerdem
wird ein eventuelles Auseinanderbauen zu Wartungszwecken deutlich vereinfacht.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist der rotierende Teil und der feststehende Teil
des optischen Drehübertragers jeweils
wenigstens ein optisches Modul auf, welches integriert oder monolithisch
mit mikrosystemtechnischen Komponenten aufgebaut und zumindest zum Senden
und/oder zum Übertragen
von Daten vorgesehen ist, wobei die optischen Module durch einen Spalt
voneinander getrennt sind, wobei der Spalt zumindest ein Teil der
Datenübertragungsstrecke
zwischen den optischen Modulen ist und wobei das Übertragungsmedium
zur Übertragung
der Daten auf Laserlicht basiert. Darüber hinaus sind die optischen Module
als Transceiver ausgebildet. Diese Modulbauweise ermöglicht prinzipiell
die Anpassung an verschiedene Datenformate. Dadurch ist die Übertragung
verschiedener Busprotokolle, wie beispielsweise Profibus und (Fast)
Ethernet möglich.
Andere Busprotokolle, ins besondere andere Feldbusprotokolle wären ebenfalls
durch Modifikation der Ein- bzw. Ausgangsschaltung übertragbar.
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Durch
die Modulbauweise ist es weiterhin möglich das kompakte optische
Modul unverändert
in beispielsweise in Größe und/oder
Form unterschiedlichen Drehübertragern
einzusetzen und einzubauen, wodurch wiederum Vorteile durch universelleren
Einsatz erzielt werden.
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Von
besonderem Vorteil ist es darüber
hinaus, dass die Erfindung insbesondere bei und in Verpackungsmaschinen,
Pressen, Kunststoffspritzmaschinen, Textilmaschinen, Druckmaschinen,
Werkzeugmaschinen, Roboter, Handlingsystemen, Holzbearbeitungsmaschinen,
Glasverarbeitungsmaschinen, Keramikverarbeitungsmaschinen sowie
Hebezeugen eingesetzt bzw. verwendet werden kann.
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Im
Weiteren werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen optischen Drehübertragers,
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2 einen
Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform
eines optischen Drehübertragers
und
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3–6 den
Zusammenbau der erfindungsgemäßen Ausführungsform
eines optischen Drehübertragers
anhand der Schritte 1 bis 4.
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1 zeigt
eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen optischen Drehübertragers 1.
Der optische Drehübertrager 1 besteht
aus einem feststehenden Teil 2 und einem rotierenden Teil 3.
Beide Teile 2, 3 des optischen Drehübertragers 1 weisen
eine gemeinsame, gedachte, virtuelle Drehachse 8 auf, wobei
der rotierende Teil 3 um diese virtuelle Drehachse 8 rotiert,
wobei die Drehrichtung beliebig ist. Das Gehäuse des optischen Drehübertragers 1 ist wegen
der Drehung um die virtuelle Drehachse 8 bevorzugterweise
rotationssymmetrisch, beispielsweise zylinderförmig, zur Drehachse 8 ausgeführt. Der feststehende
Teil 2 wird im mechanischen Sinn auch als „Stator" und der rotierende
Teil 3 als „Rotor" bezeichnet. Dabei
ist es unerheblich, welcher Teil sich bewegt und welcher Teil des
optischen Drehübertragers 1 fixiert
ist. Letztlich darf nur ein Teil des optischen Drehübertragers 1 mechanisch
starr befestigt sein, der andere, zweite Teil muss spannungsfrei drehbar
gelagert sein und muss „spannungsfrei
mitgenommen" werden
können.
Dies kann beispielsweise durch eine Kunststoff- oder Gummikupplung
erreicht werden. Optische Drehübertrager 1 werden insbesondere
zur Datenübertragung
verwendet, wobei entsprechende Kabel 18, 19 in
die beiden Teile 2, 3 des optischen Drehübertragers
führen,
wobei beispielsweise das Kabel 19, wie in der 1 gezeigt, zusammen
mit dem rotierenden Teil 3 des optischen Drehübertragers 1 mit
rotiert. Zur Datenübertragung sind
alle Arten von geeigneten Kabeln möglich, beispielsweise Buskabel,
Lichtwellenleiter, etc. Die Kabel 18, 19 werden
bevorzugt mittels Stecker, von denen in der 1 lediglich
der Stecker 16 sichtbar ist, mit dem optischen Drehübertrager 1 verbunden,
wobei die jeweilige Verbindungsstelle ebenfalls rotationssymmetrisch
um die gemeinsame virtuelle Drehachse 8 angeordnet ist.
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2 zeigt
einen Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform
eines optischen Drehübertragers 1.
In dieser Darstellung wird der Aufbau des Gehäuses des optischen Drehübertragers 1,
insbesondere der erfindungsgemäßen Lager, von
denen aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nur ein Lager 4, 5 bezeichnet worden ist, gezeigt.
Darüber
hinaus sind in der 2 beispielhafte Ausführungsformen
für die
zur Datenübertragung
notwendigen elektronischen 20, 21 bzw. optischen
Module 13, 14 sowie die entsprechenden Anschlüsse der
jeweiligen Module in Form der Stecker 16, 17 zu
sehen. Dabei besteht das Gehäuse
des optischen Drehübertragers 1 aus
dem feststehenden Teil 2, sowie dem rotierenden Teil 3,
wobei eine Hülse 10 zur
Fixierung über den
rotierenden Teil 3 aufgeschoben ist. Die Hülse 10 dient
dabei zur Fixierung der Lagerelemente 4 in den Führungen 5.
Der Zusammenhalt der Komponenten des optischen Drehübertragers 1 wird
im Wesentlichen nur durch das Aufschieben der Hülse 10 erreicht. Damit
können
kostenintensive Befestigungen, auf die bereits in der Produktion
Rücksicht
genommen werden müsste,
vermieden werden. Außerdem wird
ein eventuelles Auseinanderbauen zu Wartungszwecken deutlich vereinfacht.
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Zur
Lagerung des rotierenden Teils 3 auf dem feststehenden
Teil 2 befinden sich Lager, insbesondere Lager 4, 5,
bestehend aus einem Lagerelement 4 sowie einer Führung 5 am
jeweiligen Rand des optischen Drehübertragers 1. Die
Lager, insbesondere Lager 4, 5, sind dabei jeweils
so angeordnet, dass sie zwei Ebenen 6, 7 aufspannen,
die sich senkrecht zur virtuellen Drehachse 8 jeweils am
Rand des optischen Drehübertragers 1 befinden.
Bedingt durch die Darstellung im Längsschnitt werden die Ebenen 6, 7 als
gestrichelte Linien symbolisiert. Um eine im Wesentlichen spielfreie
Drehung des rotierenden Teils 3 um den feststehenden Teil 2 zu
gewährleisten, müssen pro
Ebene 6, 7 jeweils mindestens drei Lager, von
denen, bedingt durch die Darstellung in der 2, jeweils
nur zwei Lager pro Ebene 6, 7 sichtbar sind, von
denen aus Gründen
der Übersichtlichkeit nur
das Lager 4, 5 der Ebene 6 bezeichnet
wurde, vorhanden sein. Bevorzugterweise sind die mindestens drei
Lager pro Ebene 6, 7 jeweils gleich verteilt zueinander
angebracht. Jedes Lager, insbesondere Lager 4, 5,
besteht dabei aus einem Lagerelement 4 sowie der entsprechenden
Führung 5,
wobei die Führung 5 als
Aussparung im feststehenden Teil 2 und/oder rotierenden
Teil 3 ausgeführt
ist. Als Lagerelement 4 wird ein Rotationsellipsoid, bevorzugterweise
eine Kugel, verwendet. Dadurch, sowie durch die Positionierung der
Lagerelemente in Richtung der jeweiligen Außenränder des optischen Drehübertragers 1 in
den Ebenen 6, 7 und durch die Gleichverteilung
der Lagerelemente in den Ebenen 6, 7 wird die mechanische
Stabilität
zwischen dem feststehenden Teil 2 und dem rotierenden Teil 3 deutlich
erhöht.
Außerdem
wird durch eine solche Verteilung eventuelle Unwuchten, die einer
spielfreien Drehung abträglich sein
könnten,
abgeschwächt
bzw. nahezu komplett vermieden. Selbstverständlich können jedoch auch mehr als drei
Lager 4,5, d.h. Lagerelemente 4 und deren
entsprechende Führungen 5 zum
Einsatz kommen. Dies hängt
vom jeweiligen Verwendungszweck ab. Sofern eine andere Verteilung
den Anforderungen nicht entgegensteht, sind selbstverständlich auch
andere Verteilungsmöglichkeiten
möglich,
insbesondere bei der Verwendung von mehr als drei Lagerelementen 4.
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Die
Lagerelemente, insbesondere Lagerelement 4, die beispielsweise
auch als Laufrollen bzw. Kugeln ausgeführt sind, dienen zur Führung bzw.
zur Lagerung sowie zur Verrastung der beiden Gehäuseteile 2, 3 des
optischen Drehübertragers 1.
Selbstverständlich
sind neben der Kugelform auch andere rotationsellipsoide Formen
für die
Lagerelemente 4 möglich,
soweit sie für
den jeweiligen Anwendungszweck geeignet sind. Die Ausgestaltung
der zugehörigen
Führungen 5 ist
dann naturgemäß den verwendeten
Formen der Lagerelemente 4 anzupassen.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Lager 4, 5 eines solchen optischen Drehübertragers 1 ermöglicht also
einerseits eine sehr präzise
Fertigung der betreffenden Lager durch ihre einfache Ausgestaltung
und andererseits eine einfache, im Wesentlichen automatisierte Produktion
der benötigten
Teile. Ein solcher erfindungsgemäßer Drehübertrager 1 kann
deshalb sehr kostengünstig,
weil einfach und in großen
Mengen produzierbar, hergestellt werden.
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Das Übertragungsmedium
zur Übertragung bzw.
zum Senden von Daten mittels eines optischen Drehübertragers
basiert auf Licht, insbesondere Laserlicht. Diesbezüglich sind
im Innern des optischen Drehübertragers 1 optische
Module 13, 14 notwendig. Bevorzugterweise weist
der erfindungsgemäße optische
Drehübertrager 1 zwei
sich gegenüberliegende,
spiegelbildlich angeordnete optische Module 13, 14 auf,
die bevorzugterweise integriert oder monolithisch mit mikrosystemtechnischen
Komponenten aufgebaut sind und durch einen Spalt 15, der
Teil der Übertragungsstrecke
ist, voneinander getrennt sind. Da optische Übertragungsmittel, bevorzugterweise
Laserlicht, als Übertragungsmedium
verwendet werden, kommt es prinzipbedingt zu einer starken Bündelung
des Lichts bei der Datenübertragung. Durch
die Verwendung diffraktiver Optiken bei den optischen Modulen 13, 14 im
Inneren des optischen Drehübertragers 1 wird
der zu übermittelnde
Lichtstrahl auf geweitet, bevor es zur eigentlichen Datenübertragung
zwischen den optischen Modulen 13, 14 kommt. Die
Strahlaufweitung erfolgt dabei im Bereich bis einigen hundert μm. Dies bildet
gleichzeitig die Anforderung für
die entsprechende Lagertechnik, die qualitativ so gestaltet sein
muss, dass der Lichtstrahl ständig
den Empfänger,
also das gegenüberliegende optische
Modul 13 bzw. 14 erreicht. Dies wird durch den
oben beschriebenen Aufbau erreicht. Die Verwendung von jeweils drei
Lagern, bzw. Lagerelementen 4, beispielsweise Kugeln, pro
aufgespannter Ebene 6, 7 genügt damit den Anforderungen
für eine präzise Lagerung,
wodurch die Anzahl der Aussparungen die bei der Produktion der Teile
vorgesehen werden müssen,
und damit wiederum der Produktionsaufwand entsprechend minimiert
werden kann.
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Besonders
vorteilhaft befinden sich die beiden optischen Module 13, 14 jeweils
direkt auf ihren dazugehörigen
elektronischen Modulen 20, 21, die u.a. zur Steuerung
der optischen Module 13, 14 vorgesehen sind. Die
elektronischen Module 20, 21 sind beispielsweise
Chips bzw. Leiterplatten, auf denen die zugehörigen optischen Module 13, 14 direkt
angebracht, beispielsweise gelötet,
etc. sind. Dabei sind insbesondere die optischen Module 13, 14 um die
virtuelle Drehachse 8 zentriert. Die auf die beschriebene
Weise hier beispielhaft verwendete Kombination aus optischem Modul 13 und
elektronischem Modul 20 bzw. optischem Modul 14 und
elektronischem Modul 21 ist auch als Transceiver bekannt. Dabei
ist ein Transceiver mit dem feststehenden Teil 2 und der
andere Transcei ver mit dem rotierenden Teil 3 des optischen
Drehübertragers 1 verbunden. Der
Aufbau der hier beispielhaft gezeigten Transceiver, insbesondere
der elektronischen Module 20, 21, ist nur angedeutet,
da er für
die vorliegende Erfindung nur von nebengeordneter Bedeutung ist.
Dasselbe gilt für
den Aufbau bzw. für
den Strahlengang innerhalb der optischen Module 13, 14,
bzw. im Spalt 15 zwischen den beiden optischen Modulen 13, 14, der
ebenfalls nur angedeutet ist und nicht näher bezeichnet wurde.
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Um
eine einfache Ankopplung auf beiden Seiten des optischen Drehübertragers 1 an
beispielsweise Kabel, die zu den entsprechenden Geräten führen, von
denen Daten übertragen
werden sollen, zu erreichen, sind entsprechende Stecker 16, 17 angedeutet,
die bevorzugterweise so ausgebildet und angebracht sind, dass sie
direkt mit den elektronischen Modulen 20 bzw. 21 beispielsweise
durch einfaches Zusammenstecken miteinander verbunden werden können. Die
Ankopplung und damit die Datenübertragung
wird damit sehr einfach und sehr sicher gewährleistet. Die Position der
Stecker 16, 17 befindet sich dabei analog zum
Gegenstück
der elektronischen Module 20, 21 um die virtuelle
Drehachse 8 zentriert. Die in der 2 dargestellten
Durchbrüche
bzw. die Steckverbindungen 16, 17 selbst sind
lediglich beispielhaft zu sehen. Selbstverständlich ist die Form der Stecker 16, 17 im
Wesentlichen beliebig.
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Die
beiden Gehäuseteile 2, 3 des
optischen Drehübertragers 1 sowie
die Lagerelemente 4 können
beispielsweise aus Stahl, insbesondere Edelstahl, aus Keramik oder
aus Kunststoff hergestellt werden. Jedoch sind auch andere Materialien,
beispielsweise Aluminiumlegierungen, Messing, etc. denkbar und verwendbar.
Um die Produktionskosten zu erniedrigen bzw. kostengünstige Produktionsverfahren,
welche die Herstellungskosten weiter reduzieren, anwenden zu können, wird
die Verwendung von billigen Materialien, beispielsweise Keramiken bzw.
Kunststoffe, insbesondere zur Herstellung der Lagerelemente bevorzugt.
Dadurch, insbesondere bei der Verwendung von Kunststoffen, können entsprechend
kostengünstige
Fertigungstechniken, beispielsweise die Spritzgusstechnik, eingesetzt
werden. Für
die Hülse 10 können die
gleichen Materialien verwendet werden.
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Um
den Einsatz eines erfindungsgemäßen optischen
Drehübertragers
auch in ungewöhnlichen Umgebungen,
beispielsweise Feuchträumen
oder anderen Industriefeldumgebungen, die beispielsweise sehr stark
durch Staub bzw. Schmutzpartikel kontaminiert sein können, gewährleisten
zu können,
ist der feststehende Teil 2 gegenüber dem rotierenden Teil mit
geeigneten Dichtmitteln 9, 22, beispielsweise handelsüblichen
O-Ringen, versehen, um den Innenraum des optischen Drehübertragers 1 vor
schädlichen
Umwelteinflüssen
abzudichten. Dadurch können
beliebige Schutzklassen bis hin zu IP 68 realisiert werden und der
mögliche
Einsatzbereich solcher optischen Drehübertrager 1 wird entsprechend erweitert.
Gleichzeitig wird die Sicherheit bei der Datenübertragung auch in ungewöhnlichen
Umgebungen gewährleistet.
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Die
hier gezeigte Modulbauweise ermöglicht prinzipiell
die Anpassung an nahezu beliebige Datenformate, so dass eine Übertragung
verschiedener Busprotokolle, wie beispielsweise Profibus und Fast Ethernet,
möglich
ist. Andere Busprotokolle, insbesondere andere Feldbusprotokolle,
sind ebenfalls durch Modifikation der Ein- bzw. Ausgangsschaltung auf
den elektronischen Modulen 20, 21 sehr leicht möglich. Durch
die Modulbauweise ist es weiterhin möglich die kompakten optischen
Module 13, 14 unverändert in beispielsweise in
Größe und/oder
Form unterschiedlichen Drehübertragern 1 einzusetzen und
einzubauen, wodurch wiederum Vorteile durch universelleren Einsatz
erzielt werden.
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Die 3 bis 6 zeigen
den Zusammenbau der erfindungsgemäßen Ausführungsform eines optischen
Drehübertragers 1 anhand
der Schritte 1 bis 4. 3 zeigt
dabei den Schritt 1. Dabei wird beispielsweise der erste
Transceiver, bestehend aus dem elektronischen Modul 20 und
dem auf ihm befindlichen optischen Modul 13 in das Gehäuseteil 2 des
optischen Drehübertragers 1 eingesetzt
und befestigt. Bei dem in der 3 gezeigten
Gehäuseteil 2 soll
es sich um das feststehende Teil des optischen Drehübertragers 1 handeln.
Dabei ist es unerheblich, welcher Gehäuseteil des optischen Drehübertragers das
rotierende Teil 3 und das feststehende Teil 2 ist, da
die beiden Teile im Wesentlichen spiegelsymmetrisch aufgebaut sind
und es nur von Bedeutung ist, dass ein Teil fest verbunden ist und
der andere Teil mechanisch „weich
bzw. spannungsfrei",
insbesondere drehbar, gelagert sein muss. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Öffnung im
Gehäuse
für die Stecker
für die
elektronischen Module 20, 21 in den 3 bis 6 jeweils
weggelassen. Da die Elektronik, insbesondere das elektronische Modul 20,
mit dem Gehäuseteil 2 verbunden
ist und dies auch für das
elektronische Modul 21 gilt, ist insbesondere Schutzart
IP 68 möglich
und machbar. Des Weiteren ist in der 3 insbesondere
die Nut 11 zu sehen, die Teil der Aussparung und damit
Teil der Führung 5 für die Lagerelemente 4 darstellt.
Der feststehende Teil 2 des optischen Drehübertragers 1 ist
mit jeweils einer Nut an jedem Ende des feststehenden Teils 2 des
optischen Drehübertragers 1 ausgestattet
und bezeichnet im Wesentlichen den Verlauf der Ebenen 6, 7.
Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
ist nur die Nut 11 bezeichnet worden. Bei der Rotation
des Teils 3 um das Teil 2 des optischen Drehübertragers 1 laufen die
Lagerelemente 4 jeweils geführt in der bzw. durch die Nut
und gewährleisten
so eine gleichmäßige, reibungsarme
Drehbewegung. Sowohl der feststehende Teil 2 als auch der
rotierende Teil 3 des Gehäuses des optischen Drehübertragers 1 sind
beispielsweise einstückig
fertigbar, wobei die Seite, an der der Stecker 16 mit dem
elektronischen Modul 20 verbunden werden soll, geschlossen
ist und die gegenüberliegende
Seite offen ist.
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4 zeigt
den Schritt 2 des Zusammenbaus des optischen Drehübertragers 1.
Dabei wird das später
rotierende Teil 3 des optischen Drehübertragers 1, welches
das eingesetzte elektronische Modul 21 mit dem, auf ihm
angebrachten optischen Modul 14 aufweist, auf das vorgefertigte
feststehende Teil 2 aufgeschoben. Die Positionierung der
optischen Transceiver erfolgt, wie bereits erwähnt, rotationssymmetrisch um
die virtuelle Drehachse 8. Insbesondere im rotierenden
Teil 3 sind Aussparungen, beispielsweise Bohrungen 12,
zu sehen, die in Verbindung mit der Nut 11 die Führungen 5 für die Lagerelemente 4 bilden,
diese aufnehmen und für
deren Führung
während
der Rotation sorgen. Der Übersichtlichkeit
wegen ist wiederum nur eine Bohrung 12 bezeichnet worden.
Aufgrund der Schnittdarstellung sind insgesamt vier Bohrungen zu
sehen, jeweils zwei Bohrungen für
die Ebenen 6, 7. Die mindestens notwendige dritte
Bohrung in jeder Ebene 6, 7 ist hier nicht sichtbar.
Darüber
hinaus sind je nach Anforderung selbstverständlich weitere Bohrungen sowie
zugehörige
Lagerelemente möglich.
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Vor
dem Aufschieben werden geeignete Dichtmittel 9, 22,
insbesondere Dichtringe, beispielsweise O-Ringe, an entsprechenden
Stellen eingesetzt, wodurch das Erreichen bestimmter Schutzklassen
möglich
wird und dadurch der Einsatz eines solchen optischen Drehübertragers 1 auch
in ungewöhnlichen
Industrieumgebungen möglich
wird.
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Als
Material für
die Gehäuseteile
kommen beispielsweise Edelstähle,
Messing, Alu-Legierungen, aber auch harte Kunststoffe in Frage.
Insbesondere die Verwendung von Kunststoffen beispielsweise für die Lagerelemente
erniedrigt die Fertigungskosten und ermöglicht den Einsatz von Fertigungstechniken,
beispielsweise der Spritzgusstechnik, die es erlaubt, solche optischen
Drehübertrager 1 in
größerer Zahl
und damit kostengünstiger
herzustellen.
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5 zeigt
den Schritt 3 des Zusammenbaus des erfindungsgemäßen optischen
Drehübertragers 1.
Als nächstes
werden die Lagerelemente 4, beispielsweise Kugeln bzw.
Rollen, in die dafür
vorgesehenen Positionen, insbesondere Aussparungen 12,
eingesetzt. Die Kugeln bestehen vorzugsweise aus Stahl, können aber
auch aus Keramik bzw. aus harten Kunststoffen hergestellt werden.
Letzteres reduziert wiederum die Materialkosten. Pro Ebene 6, 7 müssen mindestens
drei Lagerelemente 4, beispielsweise Kugeln, eingesetzt
werden, um eine spielfreie Drehung zu garantieren. Aus Gründen der
Strahlführung
zwischen den optischen Modulen 13, 14 der Transceiver,
insbesondere da die Luftstrecke, Spalt 15, einen Teil der Übertragungsstrecke
darstellt, kann nur eine minimale Abweichung aus der idealen Rotationsachse,
insbesondere der virtuellen Drehachse 8, toleriert werden,
da sonst die Übertragung der
Daten zwischen den optischen Modulen 13, 14 unterbrochen
wird. Die Positionierung der Lagerelemente 4, beispielsweise
der Kugeln an den äußeren Rändern der
einzelnen Gehäuseteile 2, 3 des
optischen Drehübertragers 1 unterstützt dies.
Die Kugeln haben dabei neben der Aufgabe der Führung bzw. Lagerung noch die
zusätzliche
Aufgabe der Verrastung der beiden Gehäuseteile 2, 3 des
optischen Drehübertragers 1.
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Schritt 4 und damit den letzten Schritt des Zusammenbaus.
Dabei wird die Hülse 10 zur
Fixierung der Lagerelemente 4 aufgeschoben. Damit werden
die Kugeln in ihren Führungen 5,
bestehend aus den Bohrungen 12 bzw. der Nut 11,
fixiert. Die beiden Teile 2, 3 des Gehäuses des
optischen Drehübertragers 1 sind
jetzt in Richtung der Rotationsachse, also der virtuellen Drehachse 8,
fixiert, aber zueinander drehbeweglich gelagert. Die Lager 4, 5 müssen also
keine Kräfte
in Längsrichtung aufnehmen.
Ein solcher Gehäuseaufbau
kommt ohne zusätzliche
Schrauben oder Nieten aus. Die Hülse 10 ist
im gezeigten Beispiel lediglich aufgeschoben, kann jedoch auch mit
dem rotierenden Gehäuseteil 3 fest
verbunden werden, beispielsweise durch aufpressen, verschrauben,
einrasten, verstemmen, vernieten, etc.