CN104724544A - 一种适用于光纤绕环机的光纤自动导向控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于光纤绕环机的光纤自动导向控制装置，该自动导向控制装置通过采用弹性导向杆作为前端敏感器件，在绕环时给光纤提供一个排纤辅助侧向力，将相关实验所得的最佳侧向力值作为参考值，本自动导向控制装置通过高动态检测辅助侧向力值并闭环补偿控制使该辅助侧向力始终保持恒定最佳值，即可保证光纤在预定光纤环上的精密缠绕。本发明消除了传动过程中的回退空程和机械摩擦，能获得较高的位移分辨率；自动导向、实时补偿的闭环控制设计使该装置实现了智能化光纤精密缠绕，提高了光纤绕环机的绕环质量。

Description

一种适用于光纤绕环机的光纤自动导向控制装置

技术领域

本发明涉及一种光纤的排纤导向装置，具体涉及一种适用于光纤绕环机的使光纤精密缠绕的自动导向控制装置。

背景技术

光纤陀螺诞生于1976年，是利用光纤传感技术测量空间惯性转动速率的一种新型传感器，目前已发展成为惯性技术领域具有划时代特征的新型主流仪表，它与通常使用的机械陀螺和近年来开发的激光陀螺相比，具有更高的精度，且成本低，体积小，重量轻。光纤陀螺的应用前景十分广阔，它不仅用于飞机、船舶的导航、导航制导、宇宙飞船的高精度位置控制，而且在民用上还可应用于高级轿车的导向，以及机器人和自动化控制系统等等。

光纤环是光纤陀螺的核心敏感元件，对它的基本要求是消光比要大，互易性要好。如何绕制高质量的光纤环，对光纤陀螺的研制十分重要，其缠绕方法有多种，四级对称绕法效果最佳，是国际通用的一种方法。

目前，国内光纤环的绕制大都采用人工绕制，没有专用设备，无法保证其绕制质量，而一些自动光纤绕环机上无合适的光纤导向装置，在排纤时容易出现空缺或者跳纤现象不能满足精密排列要求。如申请号为200710179042.6的专利申请公开了一种适用于自动光纤绕环机上的光纤导向机构，申请号为201110167996.1的专利申请公开了一种适用于自动光纤绕环机的光纤导向器，申请号为200710178745.7的专利申请公开了一种适用于自动光纤绕环机的排纤机构。上述机构存在的普遍问题是采用全机械结构，半自动导向，不可避免存在人为误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于光纤绕环机上的排纤用自动导向控制装置，该自动导向控制装置通过采用弹性导向杆作为前端敏感器件，在绕环时给光纤提供一个排纤辅助侧向力，将相关实验所得的最佳侧向力值作为参考值，本自动导向控制装置通过高动态检测辅助侧向力值并闭环补偿控制使该辅助侧向力始终保持恒定最佳值，即可保证光纤在预定光纤环上的精密缠绕。

本发明一种适用于光纤绕环机上的排纤用自动导向控制装置，包括弹性导向杆、套筒支架、定极板、动极板、拉压力传感器、连接件和二维线性平台，所述的定极板和动极板组成位移传感器；所述的二维线性平台具有水平方向移动的X滑块和竖直方向移动的Z滑块，两滑块通过螺纹螺栓连接为严格的垂直位置，并通过压电马达驱动两个滑块移动；所述的X滑 块用于带动弹性导向杆随着光纤环绕制实时补偿侧向力值，Z滑块用于弹性导向杆在绕环机上的定位；弹性导向杆的顶端通过摩擦配合的原理与套筒支架连接，定极板和动极板安装在弹性导向杆左右两侧构成差动电容式位移传感器，套筒支架顶端依次设置定位板和拉压力传感器，拉压力传感器通过连接件固定在二维线性平台的X滑块上。

弹性导向杆选用一个长方体材料块进行切除加工而成；弹性导向杆的横截面为矩形，顶端固定在套筒支架上，底端的左侧面加工有90度的第一台阶面和第二台阶面，用于配合弹性导向杆跟随光纤环绕制达到光纤环骨架边缘时的转向设计；所述的第一台阶面的竖直面和水平面分别平行于弹性导向杆的侧面和端面，所述的第二台阶面的竖直面和水平面分别平行于弹性导向杆的侧面和端面；所述弹性导向杆的顶端与套筒支架上的夹紧槽为平面摩擦配合，弹性导向杆的顶端插入夹紧槽内作为固定端。

所述第二台阶面的竖直面的短边长度大于光纤直径值；第一台阶面的竖直面的长边长度大于光纤环绕制时环骨架高度；所述第二台阶面的竖直面和弹性导向杆底端的右侧面为光纤环绕制过程中弹性导向杆不同转向时辅助侧向力的两个不同受力面；弹性导向杆底端的右侧面和第二台阶面的竖直面之间为2～3倍光纤直径值。

弹性导向杆设置了单轴柔性铰链，在弹性导向杆1左侧面和右侧面上均切除一个圆心分别在左侧面和右侧面上的同半径半圆柱，这两个切除的半圆柱圆心在弹性导向杆的相同高度处，且两个半圆柱并不相交；所述半圆柱的直径小于弹性导向杆的宽度，具体参数由形变量设计需求和柔性铰链计算公式推导而出。

套筒支架前表面设置了A沉头螺纹孔，套筒支架左侧设置了B沉头螺纹孔，放置沉头螺钉于A沉头螺纹孔和B沉头螺纹孔内，用于锁紧弹性导向杆并使弹性导向杆的前后面和左右侧面均与夹紧槽的内壁重合不倾斜；动极板使用绝缘胶粘合在弹性导向杆左侧面和右侧面；套筒支架下方左右两侧靠边缘处对称设置了直螺纹孔，定极板对应直螺纹孔的位置设置了通孔与直螺纹孔对准，使左右两侧的定极板与动极板的间距值都为相同设计值，并拧入对应螺钉使之固定连接；套筒支架上方中心处设置了凹槽，用于与转向定位板的定位配合。

本发明还提供一种适用于光纤绕环机的光纤自动导向控制方法，将竖直设置的弹性导向杆作为前端敏感器件，首先初始对准，驱动二维线性平台带动弹性导向杆到初始位置，通过调节Z滑块速度定位弹性导向杆在光纤绕环机中的高度位置，当拉压力传感器负载值发生变化，即代表弹性导向杆接触到骨架，即刻停止Z滑块下降并上升预设值，Z轴定位完成；在绕环时给光纤提供一个排纤辅助侧向力，排纤辅助侧向力使弹性导向杆底端产生微小的形变量，该形变量对应相应的排纤辅助侧向力值；X滑块启动，将需要补偿的侧向力对应需要补偿的位移量，驱动控制二维线性平台，带动弹性导向杆顶端提供位移补偿以实时调节形变量始终保持一个恒定值，也就是使辅助侧向力始终保持恒定，即可保证光纤在预定光纤环上的 精密缠绕。

所述的自动导向控制装置，可根据绕制的光纤直径和相关实验所得最佳辅助侧向力数据，计算出相应的弹性导向杆中的柔性铰链设计参数，从而提高该自动导向控制装置的可控性和互易性。

本发明的自动导向控制装置的优点在于：

(1)使用柔性铰链的特性制作弹性导向杆，消除传动过程中的回退空程和机械摩擦，能获得较高的位移分辨率。

(2)使用电容传感片作为位移传感器，更易于与弹性导向杆装配，其非接触式位移测量原理和差动式结构提高了测量弹性导向杆形变量精度和分辨率。

(3)二维线性平台采用了压电型，因为此种平台体积小、定位精度高的特性，满足了适用于光纤绕环机的小型化需求。

(4)转换的活动环节少，特别适合纤细的光纤操作。

(5)转换环节采用可转向调整结构，易于调整弹性导向杆换向，更加接近光纤环骨架，导向效果更好，使自动光纤绕环机可以获得柔性的工艺保证能力。

(6)自动导向、实时补偿的闭环控制设计使该装置基本实现了智能化光纤精密缠绕，提高了光纤绕环机的绕环质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明工作流程示意图。

图2为本发明自动导向控制装置整体结构图。

图3为本发明的自动导向控制装置中弹性导向杆结构图。

图4为本发明的自动导向控制装置中弹性导向杆另一角度结构图。

图5为本发明的自动导向控制装置中套筒支架结构图。

图6为本发明的自动导向控制装置中装配用转向定位板结构图。

图7为本发明信号流程图。

图8为本发明程序控制导向流程图。

图中：

1.弹性导向杆；     2.套筒支架；    3.定极板；        4.动极板；    5.转向定位板；

6.拉压力传感器；   7.连接件；      8.二维线性平台；  101.左侧面；  102.竖直面

103.水平面；       104.柔性铰链；  105.竖直面；      106.水平面；  107.右侧面；

201.直螺纹孔；      202.夹紧槽；   203.A沉头螺纹孔；

204.B沉头螺纹孔；   205.A通孔；    207.凹槽；        501.B通孔；   502.凸槽。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明提供一种适用于光纤绕环机的光纤自动导向控制装置，是一种应用于光纤绕环机中，避免在排纤时出现空缺或跳纤现象，从而满足精密排列要求的光纤自动导向控制装置。

本发明是一种适用于光纤绕环机的自动导向控制装置，如图1所示，该自动导向控制装置将竖直设置的弹性导向杆1作为前端敏感器件，在绕环时给光纤提供一个排纤辅助侧向力，排纤辅助侧向力使弹性导向杆1底端产生微小的形变量，该形变量对应相应的排纤辅助侧向力值。通过传感器检测弹性导向杆1的形变量，将相关实验所得的最佳排纤辅助侧向力值作为参考值，得到的信号经检测电路后进行检测采集和数据处理，将需要补偿的侧向力对应需要补偿的位移量，驱动控制二维线性平台8，带动弹性导向杆1顶端提供位移补偿以实时调节形变量始终保持一个恒定值，也就是使辅助侧向力始终保持恒定，即可保证光纤在预定光纤环上的精密缠绕。

如图2结构图所示，所述的自动导向控制装置包括弹性导向杆1、套筒支架2、定极板3、动极板4、拉压力传感器6、连接件7和二维线性平台8，所述的定极板3和动极板4组成位移传感器。所述的二维线性平台8具有水平方向移动的X滑块801和竖直方向移动的Z滑块802，两滑块通过螺纹螺栓连接为严格的垂直位置，并通过压电马达驱动两个滑块移动。所述的X滑块801用于带动弹性导向杆1随着光纤环绕制实时补偿侧向力值，Z滑块802用于弹性导向杆1在绕环机上的定位。弹性导向杆1的顶端通过摩擦配合的原理与套筒支架2连接，定极板3和动极板4安装在弹性导向杆1左右两侧构成差动电容式位移传感器，套筒支架2顶端依次设置定位板5和拉压力传感器6，拉压力传感器6通过连接件7固定在二维线性平台8的X滑块801上。

本发明中，弹性导向杆1采用如65锰钢或铍青铜等弹性较好的金属材料，其结构设计参见图3、图4所示，弹性导向杆1选用一个长方体材料块进行切除加工而成。弹性导向杆1的横截面为矩形，顶端固定在套筒支架2上，底端的左侧面101加工有90度的第一台阶面和第二台阶面，用于配合弹性导向杆1跟随光纤环绕制达到光纤环骨架边缘时的转向设计。所述的第一台阶面的两个面(竖直面102和水平面103)分别平行于弹性导向杆1的侧面和端面，所述的第二台阶面的两个面(竖直面105和水平面106)分别平行于弹性导向杆1的 侧面(左侧面101或右侧面107)和端面。所述弹性导向杆1的顶端与套筒支架2上的夹紧槽202为平面摩擦配合，弹性导向杆1的顶端插入夹紧槽202内作为固定端。由于弹性导向杆1采用弹性金属材料，为防止受力时产生太大形变，所述第二台阶面的竖直面105的短边长度微大于光纤直径值。光纤环绕制过程中，为了防止弹性导向杆1触及环骨架，第一台阶面的竖直面102的长边长度微大于光纤环绕制时环骨架高度。所述第二台阶面的竖直面105和弹性导向杆1的右侧面107为光纤环绕制过程中弹性导向杆1不同转向时辅助侧向力的两个不同受力面。当光纤绕制即将达到骨架边缘时，使弹性导向杆1的右侧面107正对即将到达的骨架面，弹性导向杆的右侧面107和第二台阶面的竖直面105之间的为两三倍光纤直径值，既可以保证弹性导向杆1受力端形变在可弹性回复范围内，又可以使排纤精密至离边缘约两三匝光纤。弹性导向杆1设置了单轴柔性铰链104，如直圆型柔性铰链，在弹性导向杆1左侧面101和右侧面107上均切除一个圆心分别在左侧面101和右侧面107上的同半径半圆柱，这两个切除的半圆柱圆心在弹性导向杆1的相同高度处，且两个半圆柱并不相交。所述半圆柱的直径小于弹性导向杆1的宽度，具体参数由形变量设计需求和柔性铰链计算公式推导而出。柔性铰链104的中部较为薄弱，在力矩作用下可以产生较明显的弹性角形变，它利用了弹性材料微小角形变及自动回复的特性。当所述弹性导向杆的右侧面107和第二台阶面的竖直面105受到辅助侧向力时，柔性铰链104发生形变，形变量与受到的侧向力值存在对应关系，可由柔性铰链104的计算公式推出。使用柔性铰链104的特性设计弹性导向杆1，可以消除传动过程中的回退空程和机械摩擦，能获得较高的位移分辨率。

弹性导向杆1与拉压力传感器6、位移传感器之间通过套筒支架2连接，套筒支架2如图5所示。弹性导向杆1通过夹紧槽202与套筒支架2连接，套筒支架2前表面设置了A沉头螺纹孔203，这四个沉头螺纹孔203均匀对称正对夹紧槽202上方，套筒支架2左侧设置了B沉头螺纹孔204，这两个沉头螺纹孔204正对夹紧槽202左侧，放置沉头螺钉于这6个沉头螺纹孔内用于锁紧弹性导向杆1并使弹性导向杆1的前后面和左右侧面均与夹紧槽202的内壁重合不倾斜。位移传感器动极板4使用绝缘胶粘合在弹性导向杆1左侧面和右侧面，并靠近套筒支架2。套筒支架2下方左右两侧靠边缘处对称设置了直螺纹孔201，位移传感器定极板3对应直螺纹孔201的位置设置了略大于直螺纹孔201直径的通孔与这两个直螺纹孔201对准，使左右两侧的位移传感器定极板3与位移传感器动极板4的间距值都为相同设计值，并拧入对应螺钉使之固定连接。套筒支架2上方中心处设置了凹槽207，用于与转向定位板5的定位配合。

拉压力传感器6设有螺栓，放入套筒支架2的A通孔205通过螺母拧紧连接。本发明的自动导向控制装置可以实行转向操作以应对光纤在绕制中达到骨架边缘的情况。在拉压力传感器6与套筒支架2之间设置转向定位板5实现转向功能，转向定位板5结构如图6所示。 转向定位板5设置了凸槽502以配合套筒支架2的凹槽207。转向时，将放入A通孔205的螺母拧松，转向定位板5与套筒支架2略微分离，当套筒支架2带动弹性导向杆1绕转向定位板5的B通孔501单向旋转，凹槽207再次与转向定位板5的凸槽502配合，则确定旋转180°，完成定位，再次拧紧放入A通孔205的螺母即可固定连接。本发明换向调整结构较为简易稳定便于操作。所述的螺栓依次穿过拉应力传感器6、A通孔205和B通孔501，与螺母配合，实现拉应力传感器6、转向定位板5与套筒支架2之间的连接。

本发明中的弹性导向杆1采用弹性金属材料(铍青铜、65锰钢等)加工制作成，其弹性能力能够保证辅助侧向力对应弹性导向杆1较为精确的形变量。

本发明中的二维线性平台8采用压电线性平台，其体积小精度高的特点适用于光纤绕环机排纤用自动导向控制装置。

本发明的信号流程图如图7所示，辅助侧向力使弹性导向杆1产生形变量，使得电容位移传感器的极距发生变化从而电容量发生变化，检测得到模拟信号值(电压信号、电流信号等)经A/D转换得到数字信号，采集处理后，给出驱动信号控制二维线性平台8带动弹性导向杆1进行位移补偿。

本发明程序控制导向的流程如图8所示。流程图中X轴表示二维线性平台8的X滑块801的运动方向，Z轴表示Z滑块802的运动方向。首先初始对准，驱动二维线性平台8带动弹性导向杆1到合适的初始位置，该图8中所示的预设参数指在初始化状态下先输入最优侧向力值、光纤直径、Z滑块上升预设值。Z轴启动，通过调节Z轴速度定位弹性导向杆1在光纤绕环机中的高度位置，当拉压力传感器6负载值发生变化，即代表弹性导向杆1接触到骨架，即刻停止Z滑块下降并上升预设值(微米值)，Z轴定位完成。X轴启动，实时读取位移传感器数值，计算对应的辅助侧向力值并驱动控制二维线性平台随动补偿使光纤精密缠绕。

本发明可对不同直径的光纤进行导向，并可根据相关实验所得最优侧向力数值设计对应参数的弹性导向杆，增加排纤辅助侧向力可控性，并使分辨率优于1g力值。

本发明设计的自动导向控制装置适用于各类光纤绕环机或其他缠绕设备上的光纤走向的实现，同时在光纤复绕、光纤筛选等类型的机器中使用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种适用于光纤绕环机的光纤自动导向控制装置，其特征在于：所述的自动导向控制装置包括弹性导向杆、套筒支架、定极板、动极板、拉压力传感器、连接件和二维线性平台，所述的定极板和动极板组成位移传感器；所述的二维线性平台具有水平方向移动的X滑块和竖直方向移动的Z滑块，两滑块通过螺纹螺栓连接为严格的垂直位置，并通过压电马达驱动两个滑块移动；所述的X滑块用于带动弹性导向杆随着光纤环绕制实时补偿侧向力值，Z滑块用于弹性导向杆在绕环机上的定位；弹性导向杆的顶端通过摩擦配合的原理与套筒支架连接，定极板和动极板安装在弹性导向杆左右两侧构成差动电容式位移传感器，套筒支架顶端依次设置定位板和拉压力传感器，拉压力传感器通过连接件固定在二维线性平台的X滑块上。

2.根据权利要求1所述的一种适用于光纤绕环机的光纤自动导向控制装置，其特征在于：弹性导向杆采用65锰钢或铍青铜金属材料。

3.根据权利要求1所述的一种适用于光纤绕环机的光纤自动导向控制装置，其特征在于：弹性导向杆选用一个长方体材料块进行切除加工而成；弹性导向杆的横截面为矩形，顶端固定在套筒支架上，底端的左侧面加工有90度的第一台阶面和第二台阶面，用于配合弹性导向杆跟随光纤环绕制达到光纤环骨架边缘时的转向设计；所述的第一台阶面的竖直面和水平面分别平行于弹性导向杆的侧面和端面，所述的第二台阶面的竖直面和水平面分别平行于弹性导向杆的侧面和端面；所述弹性导向杆的顶端与套筒支架上的夹紧槽为平面摩擦配合，弹性导向杆的顶端插入夹紧槽内作为固定端。

4.根据权利要求1所述的一种适用于光纤绕环机的光纤自动导向控制装置，其特征在于：所述第二台阶面的竖直面的短边长度大于光纤直径值；第一台阶面的竖直面的长边长度大于光纤环绕制时环骨架高度；所述第二台阶面的竖直面和弹性导向杆底端的右侧面为光纤环绕制过程中弹性导向杆不同转向时辅助侧向力的两个不同受力面；弹性导向杆底端的右侧面和第二台阶面的竖直面之间为2～3倍光纤直径值。

5.根据权利要求1所述的一种适用于光纤绕环机的光纤自动导向控制装置，其特征在于：弹性导向杆设置了单轴柔性铰链，在弹性导向杆1左侧面和右侧面上均切除一个圆心分别在左侧面和右侧面上的同半径半圆柱，这两个切除的半圆柱圆心在弹性导向杆的相同高度处，且两个半圆柱并不相交；所述半圆柱的直径小于弹性导向杆的宽度。

6.根据权利要求1所述的一种适用于光纤绕环机的光纤自动导向控制装置，其特征在于：套筒支架前表面设置了A沉头螺纹孔，套筒支架左侧设置了B沉头螺纹孔，放置沉头螺钉于A沉头螺纹孔和B沉头螺纹孔内，用于锁紧弹性导向杆并使弹性导向杆的前后面和左右侧面均与夹紧槽的内壁重合不倾斜；动极板使用绝缘胶粘合在弹性导向杆左侧面和右侧面；套筒支架下方左右两侧靠边缘处对称设置了直螺纹孔，定极板对应直螺纹孔的位置设置了通孔与直螺纹孔对准，使左右两侧的定极板与动极板的间距值都为相同设计值，并拧入对应螺钉使之固定连接；套筒支架上方中心处设置了凹槽，用于与转向定位板的定位配合。

7.一种适用于光纤绕环机的光纤自动导向控制方法，其特征在于：将竖直设置的弹性导向杆作为前端敏感器件，首先初始对准，驱动二维线性平台带动弹性导向杆到初始位置，通过调节Z滑块速度定位弹性导向杆在光纤绕环机中的高度位置，当拉压力传感器负载值发生变化，即代表弹性导向杆接触到骨架，即刻停止Z滑块下降并上升预设值，Z轴定位完成；在绕环时给光纤提供一个排纤辅助侧向力，排纤辅助侧向力使弹性导向杆底端产生微小的形变量，该形变量对应相应的排纤辅助侧向力值；X滑块启动，将需要补偿的侧向力对应需要补偿的位移量，驱动控制二维线性平台，带动弹性导向杆顶端提供位移补偿以实时调节形变量始终保持一个恒定值，也就是使辅助侧向力始终保持恒定，即可保证光纤在预定光纤环上的精密缠绕。