CN104529151B - 一种光纤预制棒的制备方法及制备设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤预制棒的制备方法及制备设备，在对光纤预制棒原材料锭进行精确加热后，设置挤压力的报警上限值和下限值，实时地获取、控制施加在光纤预制棒原材料锭上的挤压力数值，当成形光纤预制棒在光纤预制棒模具的出口处出现时，则对该成形光纤预制棒进行退火处理和夹持、牵引，待成形光纤预制棒被向下牵引达到所需要的目标长度时，即制备得到所需要的光纤预制棒产品，既防止了光纤预制棒发生弯曲，又实现了对光纤预制棒制备过程的精确控制，提高了光纤预制棒的制备效率。
Description
技术领域
本发明涉及光纤预制棒制备领域，尤其涉及一种光纤预制棒的制备方法及制备设备。
背景技术
光纤，又称光导纤维，是一种由玻璃或塑料制成的、能够作为通讯传输工具的纤维。由石英玻璃(SiO2)制成的石英光纤在通信领域发挥着至关重要的作用。但随着研究和应用领域的不断延伸和深入，一批以特殊基质、特殊结构、具备特殊光学性能的特殊光纤陆续被发现，这些光纤在传感、红外传输等领域有着巨大的潜在应用价值。作为制造光纤的核心原材料，光纤预制棒可以被拉制成具有特定棒状结构的光纤。制造光纤时，首先要制备出光纤预制棒，然后将光纤预制棒进行拉制，从而制成光纤。光纤的内部结构则是在光纤预制棒的制作过程中形成的，因此，光纤预制棒的制备是光纤工艺中最重要的部分。
目前，传统的石英光纤采用的是基于气相沉积获得石英光纤预制棒的办法，而特种光纤较为通用的制备方法是套管法、双坩埚法。套管法是指将预制空管经过拉伸、堆积、二次拉伸从而获得光纤预制棒。由于预制空管的两次拉伸过程引入的附加缺陷会导致光纤损耗普遍较高，同时也无法给预制棒套上保护套。双坩埚法采用的是在熔融状态下将包层玻璃和纤芯玻璃直接拉制成细丝的方法，可以获得较理想的芯-包界面，但其尺寸容易受制于玻璃液体，无法精确控制。而近年来出现的无机玻璃光纤挤压法是指利用玻璃、塑料等非晶体材料受热熔化变软的过程，通过压力装置将软化后的非晶体材料压入特殊的模具中制备光纤预制棒。这种挤压方法的工艺流程相对简便，同时引入附加缺陷较少，可以降低光纤的损耗，但是该方法对挤压过程中温度温场、压力等控制精度要求较高。
目前国内对于叠加法制备硫系光纤预制棒的专利和文献较少，其中，中国发明专利文献CN93102518.4介绍了一种制造光纤预制棒的方法，该方法主要是可以获得一种具有较高机械强度而没有气泡的塑料光纤，而不是涉及硫系玻璃光纤预制棒的制备。中国发明专利CN201210012166.6介绍了一种用于制备硫系玻璃微结构光纤预制棒的设备和方法，通过挤压机对硫系玻璃的挤压，使软化的玻璃穿过模具，硫系玻璃再经过退火处理即可得到硫系玻璃微结构光纤预制棒。但是该专利所选用方法中的模具结构简单，光纤预制棒在制备过程中很难成型，同时挤压机的推动机械装置不能够精确控制预制棒的挤压速度。
现有的光纤预制棒的制备方法和制备设备已经无法满足特种光纤的制备要求，同时精确控制制备工艺、提高制备效率也为现阶段光纤预制棒的制备提出了更高的挑战。因此，发明一种新型的特种光纤预制棒的制备方法和制备设备是很有必要的。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题是针对上述现有技术提供一种既能够简化光纤预制棒的制作工艺，又能够对制作过程精确控制且提高制备效率的光纤预制棒的制备方法。
本发明进一步要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种实现上述光纤预制棒制备方法的制备设备。
本发明解决上述首要技术问题所采用的技术方案为：一种光纤预制棒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将光纤预制棒原材料锭装入光纤预制棒模具内；
(2)对光纤预制棒模具内的光纤预制棒原材料锭进行加热操作，并对加热的温度进行实时调整和控制；
(3)设置挤压力的报警上限值和下限值，调整挤压力，对经过加热的光纤预制棒原材料锭进行挤压；
(4)实时获取光纤预制棒原材料锭所受的挤压力数值，并根据获取的挤压力数值执行以下操作：
当获取的挤压力数值处于挤压力的报警上限值与下限值之间时，则继续对光纤预制棒原材料锭进行挤压；
当获取的挤压力数值高于挤压力的报警上限值或者低于下限值时，则暂停对光纤预制棒原材料锭进行挤压，并返回执行步骤(2)的操作；
(5)当挤压成形的光纤预制棒在光纤预制棒模具的出口处出现时，则对获得的成形光纤预制棒进行退火处理和夹持、牵引，制备、得到目标长度的光纤预制棒产品。
可选择地，所述步骤(2)中对光纤预制棒原材料锭的加热操作至少包括预加热过程、加热过程和退火过程。
作为优选，所述步骤(5)中对成形光纤预制棒的夹持为无粘结夹持。
进一步地，一种实现上述光纤预制棒制备方法的制备设备，其特征在于，包括挤压系统和控制系统，所述挤压系统包括动力推送模块、挤压顶杆、加热模块、退火处理模块以及夹持光纤预制棒的光纤预制棒牵引模块，所述动力推送模块与挤压顶杆连接，所述挤压顶杆上设置有压力传感器，所述加热模块设有供光纤预制棒模具放置的贯通通道，所述贯通通道位于挤压顶杆的正下方，所述加热模块的下方设置所述退火处理模块，所述退火处理模块的下方设置所述光纤预制棒牵引模块，所述控制系统包括第一控制模块、第二控制模块、第三控制模块以及集成控制模块，其中，
所述第一控制模块，与动力推送模块连接，用于控制动力推送模块的推送速度；
所述第二控制模块，与加热模块连接，用于控制加热模块内的温度；
所述第三控制模块，与光纤预制棒牵引模块连接，用于控制光纤预制棒牵引模块的牵引速度；
所述集成控制模块，分别与压力传感器、第一控制模块、第二控制模块和第三控制模块连接。
进一步地，所述光纤预制棒牵引模块包括夹持光纤预制棒的牵引头以及牵引矫直导轨。
进一步地，所述牵引头由耐高温且防粘结的材料制成。
进一步地，所述动力推送模块包括电机和变速涡轮蜗杆，所述电机与变速涡轮蜗杆连接，所述变速涡轮蜗杆与挤压顶杆连接，所述电机为调速电机或者伺服电机或者步进电机。
进一步地，所述挤压顶杆包括垂直传动轴和垂直顶杆，所述动力推送模块与垂直传动轴的一端连接，所述压力传感器设置于垂直传动轴的另一端，所述垂直顶杆紧固地设置在压力传感器的下端。
进一步地，所述集成控制模块具有显示器，所述显示器与压力传感器或者第一控制模块或者第二控制模块或者第三控制模块或者压力传感器、第一控制模块、第二控制模块以及第三控制模块的任意组合分别连接。
进一步地，所述加热模块至少具有预加热区、加热区和退火区。
与现有技术相比，本发明的优点在于：在对光纤预制棒原材料锭进行精确加热后，设置挤压力的报警上限值和下限值，实时地获取、控制施加在光纤预制棒原材料锭上的挤压力数值，当成形光纤预制棒在光纤预制棒模具的出口出现时，则对该成形光纤预制棒进行退火处理和夹持、牵引，待成形光纤预制棒达到所需要的目标长度时，即制备得到所需要的光纤预制棒产品，既防止了光纤预制棒发生弯曲，又实现了对光纤预制棒制备过程的精确控制，提高了光纤预制棒的制备效率。
附图说明
图1为本发明实施例中光纤预制棒的制备方法流程示意图；
图2为本发明实施例中实现图1所示光纤预制棒制备方法的制备设备结构示意图；
图3为图2所示光纤预制棒制备设备中动力推送模块与挤压顶杆经改进后的连接结构关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
通常情况下，光纤预制棒原材料锭可以选择硫系玻璃材料或者高温塑料。在本实施例中，以硫系玻璃材料做成的光纤预制棒原材料锭对光纤预制棒的制备方法及制备设备进行说明。
如图1所示，本实施例中的光纤预制棒的制备方法，包括如下步骤：
(1)将由硫系玻璃材料做成的光纤预制棒原材料锭装入光纤预制棒模具内；
(2)对光纤预制棒模具内的光纤预制棒原材料锭进行加热操作，并对加热的温度进行实时调整和控制：
其中，由于光纤预制棒原材料锭采用不同的材料时，如硫系玻璃或者高温塑料，制成的光纤预制棒的加热温度变化曲线是不同的。因此，在该步骤中，对光纤预制棒原材料锭的加热操作至少包括预加热过程、加热过程和退火过程，其中：
预加热过程负责对光纤预制棒模具内的光纤预制棒原材料锭进行预热；
加热过程用以对光纤预制棒原材料锭进行加热；
退火过程负责对已经加热过的光纤预制棒原材料锭作退火处理，从而降低在光纤预制棒模具中拉制出来的玻璃的应力，防止生成碎裂缺陷的光纤预制棒；
(3)设置挤压力的报警上限值和下限值，调整挤压力，对经过加热的光纤预制棒原材料锭进行挤压；
(4)实时获取光纤预制棒原材料锭所受的挤压力数值，并根据获取的挤压力数值执行以下操作：
当获取的挤压力数值处于挤压力的报警上限值与下限值之间时，则继续对光纤预制棒原材料锭进行挤压；
当获取的挤压力数值高于挤压力的报警上限值或者低于下限值时，则暂停对光纤预制棒原材料锭进行挤压，并返回执行步骤(2)的操作；
(5)当挤压成形的光纤预制棒在光纤预制棒模具的出口出现时，则对获得的成形光纤预制棒进行退火处理和夹持、牵引，制备、得到目标长度的光纤预制棒产品。其中，在步骤(5)中，由于成形的光纤预制棒在光纤预制棒模具中被拉制出来后具有非常高的温度，当外界的温度与成形的光纤预制棒自身温度存在较大差距时，新制成的光纤预制棒容易受冷产生破裂。因此，为了减小外界环境温度对新制成光纤预制棒的影响，降低光纤预制棒的破裂概率，该步骤(5)中得到的光纤预制棒需要进行退火处理操作；
为了节约成形光纤预制棒，防止成形光纤预制棒被夹持、牵引的一端造成浪费，作为优选，所述步骤(5)中对成形光纤预制棒的夹持为无粘结夹持。
对成形光纤预制棒进行牵引指的是进行同步牵引，即成形光纤预制棒被向下牵引的速度与光纤预制棒原材料锭被向下挤压的速度是同步的，既保证挤压成形的光纤预制棒的连续性，又确保了成形光纤预制棒在被牵引过程中的粗细程度始终相同。
在成形光纤预制棒被向下牵引时，当成形光纤预制棒达到需要的目标长度时，则选择停止对光纤预制棒原材料锭的加热操作和挤压，从而制备得到了所需要的光纤预制棒产品。
如图2所示，本实施例中的光纤预制棒的制备设备，包括挤压系统1和控制系统2，挤压系统1包括动力推送模块11、挤压顶杆12、加热模块13、退火处理模块14以及夹持光纤预制棒的光纤预制棒牵引模块15，动力推送模块11与挤压顶杆12连接，挤压顶杆12上设置有压力传感器16，压力传感器16用来实时检测挤压顶杆12施加的压力数值，加热模块13设有贯通通道130，贯通通道130用于放置光纤预制棒模具，贯通通道130位于挤压顶杆12的正下方，在加热模块13的下方设置退火处理模块14，退火处理模块14的下方设置光纤预制棒牵引模块15；控制系统2包括第一控制模块21、第二控制模块22、第三控制模块23以及集成控制模块24，其中，
第一控制模块21，与动力推送模块11连接，用于控制动力推送模块11的推送速度；
第二控制模块22，与加热模块13连接，用于控制加热模块13内的温度；
第三控制模块23，与光纤预制棒牵引模块15连接，用于控制光纤预制棒牵引模块15的牵引速度；
集成控制模块24，分别与压力传感器16、第一控制模块21、第二控制模块22和第三控制模块23连接。
为了实现该制备设备能够自动地夹持新成形的光纤预制棒向下拉制，且保证成形光纤预制棒不会因折断而损坏，可选择地，光纤预制棒牵引模块15包括夹持光纤预制棒的牵引头151以及牵引矫直导轨152。这样，当新成形的光纤预制棒在贯通通道的出口处出现时，第三控制模块23控制牵引矫直导轨152上升，然后由牵引头151在贯通通道的出口处夹持住成形光纤预制棒的前端后，牵引头151缓慢地向下拉制成形的光纤预制棒，从而拉制获得目标长度的光纤预制棒。在成形光纤预制棒被向下牵引的过程中，牵引矫直导轨152对牵引头151以及成形光纤预制棒的走向起着矫正的作用，以保证制备的光纤预制棒不会发生弯曲。
由于成形的光纤预制棒经加热模块13加热后，在贯通通道的出口处出来时仍然具有很高的温度，同时还具有一定的粘结性。为了光纤预制棒牵引模块15有效地夹持和牵引成形的光纤预制棒，牵引头151采用耐高温且防粘结的材料。其中，此处的耐高温且防粘结的材料是指既能承受较高的温度，又不会与光纤预制棒之间产生粘结现象的材料。
为了既能节约设备的占用空间，又能够实现动力推送模块11准确地推送挤压顶杆12，作为改进，动力推送模块11包括电机111和变速涡轮蜗杆112，电机111与变速涡轮蜗杆112连接，如图3所示。这样，当电机111转动时，可以通过变速涡轮蜗杆112将电机111的转动力转换为挤压顶杆12所处垂直方向上的推动力，从而实现对挤压顶杆12的垂直推送。其中，通过调整动力推送模块11对挤压顶杆12的推送速度，即可以实现挤压顶杆12施加在光纤预制棒原材料锭上的挤压力。例如，加快动力推送模块11的推送速度，则挤压顶杆12挤压光纤预制棒原材料锭的压力随着增大；反之，挤压顶杆12施加的挤压力减小。
进一步地，为了控制动力推送模块11对挤压顶杆12向下的推送力，进而达到控制挤压顶杆12施加到光纤预制棒模具内光纤预制棒原材料锭的挤压力，该电机111可以选择为调速电机或者伺服电机或者步进电机。
进一步地，为了在保证挤压顶杆12正常挤压光纤预制棒原材料锭的同时，又能够准确地获取挤压顶杆12施加到光纤预制棒原材料锭上的挤压力，作为改进，挤压顶杆12包括垂直传动轴121和垂直顶杆122，动力推送模块11与垂直传动轴121的一端连接，压力传感器16设置于垂直传动轴121的另一端，垂直顶杆122紧固地设置在压力传感器16的下端，参见图3所示。当动力推送模块11推送垂直传动轴121向下移动，进而推动垂直顶杆122向下挤压光纤预制棒原材料锭时，垂直传动轴121施加到压力传感器16上的压力等于垂直顶杆122对光纤预制棒原材料锭的挤压力，从而利用压力传感器16实时地将获取的压力数值传送给集成控制模块24，然后由集成控制模块24处理接收的压力数值。
由于光纤预制棒原材料锭采用不同材料制备时，如硫系玻璃或者高温塑料，制成的光纤预制棒的加热温度变化曲线是不同的。因此，为了既能精确的对光纤预制棒原材料锭进行加热，又能节约设备的占用空间，加热模块13至少具有预加热区131、加热区132和退火区133。其中，
预加热区131负责对光纤预制棒模具内的光纤预制棒原材料锭进行预热；
加热区132用以对光纤预制棒原材料锭进行加热；
退火区133负责对经预加热区131、加热区132已经加热过的光纤预制棒原材料锭作退火处理，降低在光纤预制棒模具中拉制出来的玻璃的应力，防止生成碎裂缺陷的光纤预制棒。
进一步地，为了直观地将动力推送模块11或挤压顶杆12的压力数值或加热模块13中的温度参数或动力推送模块11、挤压顶杆12的压力数值以及加热模块13中的温度参数任意组合进行显示，方便工作人员及时了解相关技术参数，可选择地，集成控制模块24具有显示器，显示器与压力传感器16或者第一控制模块21或者第二控制模块22或者第三控制模块23或者压力传感器16、第一控制模块21、第二控制模块22以及第三控制模块23的任意组合分别连接。
在实际生产光纤预制棒的过程中，根据实际生产需要，光纤预制棒除了需要被挤压成常规的圆柱状形状外，还会被要求挤压成长方体、四棱柱等楞柱形状。因此，为了满足光纤预制棒的实际生产需要，进一步地，光纤预制棒模具的内腔为圆柱状或者楞柱状。这样，当需要挤压不同形状的光纤预制棒时，只要将光纤预制棒原材料锭装入不同内腔形状的光纤预制棒模具中，通过该制备设备的挤压处理，便可以得到不同形状的光纤预制棒产品。
以下结合图2和图3，对本实施例中光纤预制棒制备设备的工作过程进行说明：
(1)将光纤预制棒模具放入加热模块13的贯通通道130内，并将光纤预制棒原材料锭装入光纤预制棒模具内；
(2)通过控制系统2中的集成控制模块24，实时调整和控制加热模块13中预加热区131、加热区132和退火区133的温控曲线，然后加热上述预加热区131、加热区132和退火区133的温度趋向于预先设置的温度；
(3)通过第一控制模块21调整控制电机111的速度，调整挤压力，设置挤压力的报警上限值和下限值，利用挤压顶杆12对光纤预制棒模具中的光纤预制棒原材料锭进行挤压；
当获取的挤压力数值处于挤压力的报警上限值与下限值之间时，则继续对光纤预制棒原材料锭进行挤压；
当获取的挤压力数值高于挤压力的报警上限值或者低于下限值时，则暂停对光纤预制棒原材料锭进行挤压，并返回执行步骤(2)的操作；
(4)当挤压出的成形光纤预制棒的前端在光纤预制棒模具的出口处出现时，第三控制模块23控制牵引矫直导轨152上升，牵引矫直导轨152上的牵引头151夹持住光纤预制棒的前端后，牵引头151缓慢地向下拉制成形的光纤预制棒；
成形的光纤预制棒通过退火处理模块14的退火处理，降低玻璃的应力，防止生成碎裂缺陷的光纤预制棒；
(5)根据实际需要，待成形的光纤预制棒被牵引达到所需要的目标长度后，即停止该制备设备的所有操作，从而制备得到所需要的光纤预制棒产品。
Claims (5)
1.一种光纤预制棒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将光纤预制棒原材料锭装入光纤预制棒模具内；
(2)对光纤预制棒模具内的光纤预制棒原材料锭进行加热操作，并对加热的温度进行实时调整和控制；其中，对光纤预制棒原材料锭的加热操作至少包括预加热过程、加热过程和退火过程；
(3)设置挤压力的报警上限值和下限值，调整挤压力，对经过加热的光纤预制棒原材料锭进行挤压；
(4)实时获取光纤预制棒原材料锭所受的挤压力数值，并根据获取的挤压力数值执行以下操作：
当获取的挤压力数值处于挤压力的报警上限值与下限值之间时，则继续对光纤预制棒原材料锭进行挤压；
当获取的挤压力数值高于挤压力的报警上限值或者低于下限值时，则暂停对光纤预制棒原材料锭进行挤压，并返回执行步骤(2)的操作；
(5)当挤压成形的光纤预制棒在光纤预制棒模具的出口出现时，则对获得的成形光纤预制棒进行退火处理和无粘结夹持、同步牵引，制备、得到目标长度的光纤预制棒产品；其中，同步牵引为成形光纤预制棒被向下牵引的速度与光纤预制棒原材料锭被向下挤压的速度是同步的。
2.一种实现权利要求1所述制备方法的光纤预制棒制备设备，其特征在于，包括挤压系统和控制系统，所述挤压系统包括动力推送模块、挤压顶杆、加热模块、退火处理模块以及夹持光纤预制棒的光纤预制棒牵引模块，所述加热模块至少具有预加热区、加热区和退火区，所述动力推送模块与挤压顶杆连接，所述挤压顶杆上设置有压力传感器，所述加热模块设有供光纤预制棒模具放置的贯通通道，所述贯通通道位于挤压顶杆的正下方，所述加热模块的下方设置所述退火处理模块，所述退火处理模块的下方设置所述光纤预制棒牵引模块，所述光纤预制棒牵引模块包括夹持光纤预制棒的牵引头以及牵引矫直导轨，所述牵引头由耐高温且防粘结的材料制成；所述控制系统包括第一控制模块、第二控制模块、第三控制模块以及集成控制模块，其中，
所述第一控制模块，与动力推送模块连接，用于控制动力推送模块的推送速度；
所述第二控制模块，与加热模块连接，用于控制加热模块内的温度；
所述第三控制模块，与光纤预制棒牵引模块连接，用于控制光纤预制棒牵引模块的牵引速度；
所述集成控制模块，分别与压力传感器、第一控制模块、第二控制模块和第三控制模块连接。
3.根据权利要求2所述的光纤预制棒制备设备，其特征在于，所述动力推送模块包括电机和变速涡轮蜗杆，所述电机与变速涡轮蜗杆连接，所述变速涡轮蜗杆与挤压顶杆连接，所述电机为调速电机或者伺服电机或者步进电机。
4.根据权利要求2所述的光纤预制棒制备设备，其特征在于，所述挤压顶杆包括垂直传动轴和垂直顶杆，所述动力推送模块与垂直传动轴的一端连接，所述压力传感器设置于垂直传动轴的另一端，所述垂直顶杆紧固地设置在压力传感器的下端。
5.根据权利要求2所述的光纤预制棒制备设备，其特征在于，所述集成控制模块具有显示器，所述显示器与压力传感器或者第一控制模块或者第二控制模块或者第三控制模块或者压力传感器、第一控制模块、第二控制模块以及第三控制模块的任意组合分别连接。
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