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Quand la rotation ne rompt pas la connexion : les combinaisons de fibre optique et de bague collectrice électrique permettent d'acheminer du gaz, de l'électricité, des fluides et des signaux optiques au sein d'un même arbre rotatif

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Connexion continue pendant la rotation | Bague collectrice combinée à fibre optique et électrique, intégration coaxiale des signaux de gaz, d'alimentation, de fluide et optiques

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Brève : Dans les plateaux tournants des radars, les propulseurs des ROV, les scanners médicaux et les plates-formes pivotantes des engins de chantier, il existe un composant discret qui détermine si l'ensemble de la machine peut « transmettre tout en tournant » : la bague collectrice. Autrefois, il ne servait qu’à la conduction de puissance ; par la suite, des codeurs et l’Ethernet y ont été ajoutés ; aujourd’hui, la fibre optique devient l’un des canaux essentiels des bagues collectrices hybrides électro-optiques haut de gamme. Dans ce numéro, nous examinons la question de plus près : avec combien de types de signaux électriques exactement une bague collectrice à fibre optique peut-elle « s’associer », et jusqu’où l’intégration « gaz + électricité + liquide + optique » tout-en-un peut-elle aller aujourd’hui ?

I. Pourquoi les bagues collectrices à fibre optique sont-elles sous les feux de la rampe ?
Les bagues collectrices électriques traditionnelles reposent sur des balais métalliques glissant sur des anneaux en cuivre pour transmettre le courant et les signaux, mais elles se heurtent à trois difficultés :
• Données à haut débit : Gigabit Ethernet, vidéo haute définition, échos radar, Camera Link ;
• Longues distances : liaisons de retour sur des distances allant de quelques dizaines à plusieurs milliers de mètres, où l’atténuation du signal électrique devient insurmontable ;
• Fortes interférences électromagnétiques : à proximité de variateurs de fréquence, de moteurs et d’équipements de soudage, les fils de cuivre agissent comme des antennes.
Les joints rotatifs à fibre optique (FORJ) utilisent la lumière plutôt que l’électricité pour transmettre les données. Ils offrent intrinsèquement une bande passante élevée, de faibles pertes, une résistance aux interférences électromagnétiques et prennent en charge la commutation monomode/multimode. Par conséquent, une approche courante dans les équipements haut de gamme consiste à « laisser la bague collectrice électrique fournir l’alimentation et les signaux à faible vitesse, tandis que la bague collectrice à fibre optique gère les données à haute vitesse », les deux systèmes étant empilés sur le même arbre rotatif.

II. Avec quels « signaux électriques » la fibre optique peut-elle être combinée ? Une liste rapide
1. Alimentation électrique (le partenaire le plus élémentaire)
• Anneaux de signal et d’alimentation de 2 A / 5 A / 10 A / 20 A
• Haute tension, courant élevé jusqu’à 3 300 V / 720 A (classe propulseur)
•Alimentation de commande et servo à basse tension : 24 V / 220 V / 480 V
Combinaison typique : N canaux de fibre optique + plusieurs canaux d’alimentation, permettant à un plateau tournant d’alimenter un pod tout en tournant.
2. Ethernet industriel et données
•Ethernet 100 M (100BaseT)
•Ethernet Gigabit (1000BaseT)
•Ethernet industriel : PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, Modbus/TCP
• USB 2.0 / USB 3.0
La fibre optique assure le « réseau fédérateur haut débit », tandis que les boucles électriques complètent la « boucle de commande ».
3. Bus de terrain et ports série
• RS232 / RS422 / RS485
•CAN / CANopen / CANbus
•ProfibusDP
•DeviceNet / ControlNet / CCLink
•InterBus, Modbus RTU
Couramment utilisés pour les servomoteurs, les E/S déportées des automates programmables et le retour d'information des codeurs.
4. Signaux de servomoteurs, codeurs et capteurs
• Câbles de codeurs de servomoteurs (compatibles avec les systèmes de servomoteurs Yaskawa / Panasonic / Siemens)
• Signaux de résolveurs, signaux d’excitation
• Thermocouples, RTD (PT100)
•Signaux analogiques 4–20 mA / 0–10 V
•Capteurs de température, de pression et de cellules de charge
•SSI, BISS, TTL, SPI, I²C, UART, 1553B, 1394B
Les bagues collectrices électro-optiques sont souvent configurées comme suit : « 1 à 36 canaux fibre optique + plusieurs dizaines de canaux électriques à faible signal ».
5. Vidéo / Audio / Haute fréquence
• Signaux analogiques haute définition CVBS / AHD / CVI / TVI
• HD-SDI / 3GSDI
•HDMI (19 broches), VGA (9 broches)
•RF coaxiale, micro-ondes, joints rotatifs RF (pouvant être intégrés séparément)
Couramment utilisés dans les modules électro-optiques, la surveillance par plateau tournant et les cars régie.
6. Options spéciales
•Monomode / multimode disponibles (FC / SC / ST / LC / APC)
•Fibre à division de longueur d’onde, multicanaux (des produits comptant jusqu’à 120 canaux ont été observés)
•Contacts or sur or, IP65–IP68, boîtier en acier inoxydable, boîtier antidéflagrant

III. « Gaz + Électricité + Liquide + Optique » tout-en-un : la forme ultime des bagues collectrices, à la manière des Lego
La combinaison « optique + électrique » n’est plus une nouveauté ; le véritable défi consiste à y ajouter des « voies de gaz et de liquide », sans contamination croisée des fluides.
Liste des fluides intégrables
Type de fluide Contenu courant Remarques
Électrique​ Alimentation + signal + Ethernet + bus Modules haute/basse tension isolés
Optique​ Fibre monomode/multimode, fibre RF Extensible de 1 à 120 canaux
Gaz​ Air comprimé, azote, vide, vapeur d’eau Les conduites de vide comptent pour un canal
Liquide​ Huile hydraulique, liquide de refroidissement, eau, huile lubrifiante, huile chaude, fluide de nettoyage La limite de pression dépend du niveau d’étanchéité
Haute fréquence​ RF, micro-ondes, joints rotatifs SDI Choix souvent opéré entre la fibre optique et ces technologies, ou utilisation conjointe
Structures « tout-en-un » typiques
• Type empilé : bague collectrice électrique + bague à fibre optique + rotor pneumatique/hydraulique empilés par sections pour faciliter la maintenance modulaire
• Emboîtement coaxial : alésage central pour l’arbre, orifices pneumatiques/hydrauliques répartis sur la périphérie
• Type séparé : joint rotatif à fibre optique (FORJ) physiquement séparé mais coaxial avec la bague collectrice électrique
• Alésage traversant à grande ouverture : diamètre intérieur de 500 à 1 000 mm, pratique pour l’acheminement des câbles et des tuyaux (entraînements supérieurs, treuils)

IV. Scénarios d’application types
•Génie océanique / ROV / propulseurs : alimentation 3 300 V + 720 A + fibre optique à 6 canaux + Ethernet 100 M + 10 canaux gaz/liquide, indice de protection IP68 + boîtier en acier 316L
•Radar militaire / nacelle électro-optique :​ Gigabit Ethernet + HDSDI + codeur servo + fibre monomode, essais environnementaux selon la norme GJB150A
•Tomodensitométrie médicale / bras chirurgical :​ Faible vitesse, nombre élevé de canaux, signaux électriques + optiques + codeur, contacts en métaux précieux à faible bruit
•Rotation des engins de chantier :​ Alimentation 20 A × N + signaux de vannes de commande + air comprimé pour le dépoussiérage + vidéo par fibre optique
•Plateau tournant pour l’emballage / l’impression / les semi-conducteurs :​ Ethernet + bus + servomoteur + circuit de gaz pour buse d’aspiration sous vide
•Entraînement supérieur de forage pétrolier / tubage enroulé :​ courant fort + hydraulique + fibre optique + haute fréquence, résistant aux vibrations et au brouillard salin

V. Résumé : les bagues collectrices évoluent de « composants » vers des « systèmes rotatifs complets »
Premières bagues collectrices = bagues conductrices ;
Par la suite = conductrices + codeurs ;
La forme haut de gamme d’aujourd’hui = optique (FORJ) + électrique (alimentation/bus/Gigabit) + gaz + liquide + haute fréquence, empilés et intégrés en fonction des conditions de fonctionnement du plateau tournant.
Pour les fabricants d’équipements, l’intérêt va au-delà de la simple « réduction du nombre de câbles » ; cela signifie :
• Des sources de défaillance centralisées et contrôlables à l’extrémité de l’arbre
• Un indice de protection global plus élevé
• Une réduction des coûts de câblage pour les grands systèmes
• Dans des domaines tels que l’électronique sous-marine, militaire et médicale, les alternatives nationales sont désormais compétitives