CN106104347B - 可变铺设绞合 - Google Patents

Abstract

一种光学电缆包括：芯部构件；和以SZ配置围绕所述芯部构件卷绕的多个绞线，所述SZ配置具有至少两个反转区段和在所述至少两个反转区段之间沿纵向长度延伸的螺旋区段。所述卷绕绞线的螺旋铺设长度沿所述螺旋区段的所述纵向长度是可变的。一种形成光学电缆的方法包括：提供芯部构件，和利用多个绞线通过将所述绞线以SZ配置卷绕来围绕所述芯部构件，所述SZ配置包括在至少两个反转区段之间纵向延伸的螺旋区段。

Description

可变铺设绞合

本申请根据35U.S.C.§119要求2014年2月17日提交的美国临时申请案序列号第61/940,569号的优先权权益，所述申请的内容是本申请的基础并以全文引用方式并入本文中。

背景

松管电缆SZ绞合工艺的一个目标是以可能最快的速度将同样多的螺旋长度施加到电缆中。减少管件直径可能需要较小的中心构件，所述中心构件经历较高应变，还会引起对给定铺设长度来说电缆的螺旋“窗”的减小。常规松管电缆在反转部之间具有6-8匝，而反转部之间具有恒定铺设长度。反转部距离可基于机器技术、捆缚物设计和处理速度而稍微变化；然而反转部自然地具有较长铺设长度。平均铺设值典型地通过反转部之间的匝数和反转部之间的距离来计算。这个平均铺设值随螺旋区段中恒定铺设长度、匝数和反转部距离而变化。

概述

根据一个方面，在绞合工艺中输入绞合工艺中的附加螺旋长度，从而促进较小缓冲管的使用。在一个实施方案中，绞合机在RPM分布的选定区段期间更快地旋转。例如，可在典型地恒定旋转速度区段期间使用较快旋转。

用于SZ绞合的速度限制由实现反向切换所需的时间来控制。根据一个方面，绞合速度可在对反向切换进行绞合期间保持在第一速度下，并且绞合速度可在铺设的传统上恒定RPM部分期间增加至第二速度。根据一个方面，可能在不减小生产速度的情况下增加螺旋窗。

根据另一方面，增加拉伸窗以允许实现较小松管电缆。可因此例如有可能避免对增加纱线至电缆以减少应变的需要。

本公开的这些和其他优点将由本领域的技术人员参考以下书面说明书、权利要求书和附图来进一步理解和了解。

附图简述

对本公开的更完全理解可在结合附图时参考以下详述而获得，图中：

图1是示例性SZ电缆绞合设备的透视图。

图2是示例性空心轴电动机的透视图，示出通过固定螺钉附接到空心轴的引导构件的分解图。

图3是呈分线板(layplate)形式的图2的示例性引导构件的正视图，并且图4是所述示例性引导构件的横截面图，所述示例性引导构件具有中心孔、周围绞线引导孔和周边固定螺钉孔，所述中心孔被设定大小以使至少一个芯部构件通过。

图5是SZ电缆绞合设备的电子配置的示意图。

图6是包括SZ电缆绞合设备的SZ电缆成形系统的示意总图。

图7例示RPM的适度增加和降低。

图8是说明性实例，其中铺设长度以较长值在反转部处开始并且持续朝向反转部之间的螺旋区段的中点逐步拉紧移动。

图9例示电缆中的电动机速度分布，其中可使用薄膜挤出而省去捆缚物和水可溶胀胶带。

图10例示旋转角度。

图11例示未缠绕SZ路径。

图12例示绞合角度。

图13例示沿SZ绞合缓冲管的内部的最短路径。

图14例示SZ绞合管内部的路径长度比较。

图15例示考虑单匝SZ反转图案并与等效螺旋图案比较的SZ应变裕度(strainmargin)。

详述

现在参考本公开的实施方案，本公开的示例性实施方案例示在附图中。在以下描述中，相同元件和部件被指定相同参考数字或符号。此外，术语“上游”和“下游”是相对于形成SZ绞合电缆的方向来说，所述SZ绞合电缆在上游以各种未绞合绞合元件和任选至少一个芯部构件开始，并且在下游以形成的SZ绞合组件和SZ绞合电缆结束。

图1是示例性SZ电缆绞合设备(“设备”)10的透视图。设备10具有上游输入端11和下游输出端13。设备10沿轴线A1从上游到下游方向(如由箭头12指示)顺序地包括固定引导构件20S和至少一个空心轴电动机100，所述空心轴电动机包括可操作地设置在其中的可旋转引导构件20R。这里，术语“可旋转”是指以下事实：电动机100引起引导构件旋转，如下文更详细地描述。图1示出设备10的配置，所述设备具有多个轴向对准电动机100。示例性类型的电动机100是高精确度电动机，如伺服电动机。相邻电动机100间隔分开相应距离S，这在许多情况下取决于空间约束条件和以下事实：较大引导构件分离产生绞线中的较低张力变化。电动机100之间的典型间距S在0.1m与2m之间，并且在示例性实施方案中，间距是可调整的，如下文所述。所有电动机100之间的间距S可为相等的，或一些电动机之间的间距S可为相等的，而在其他实施方案中，任何电动机之间的间距S都不是相等的。在电动机100之间提供可变间距S可用于调整绞合工艺。下游的较大间距有助于最小化张力变化，而上游的短间距缩短了设备10的总长度并对张力变化的影响较小。

图2是电动机100的透视图。电动机100包括呈空心轴102形式的引导构件驱动机，所述空心轴由在所述引导构件驱动机中形成的轴向轴孔104界定。轴孔104的示例性大小在直径1英寸与直径3英寸之间，其中2英寸是适用于形成许多类型的SZ电缆的通常可利用的大小。如本文结合电动机100所使用的术语“空心轴”意图包括含有与电动机的旋转结构同心并且含在所述旋转结构内的贯穿通道。例如，适用于本文中并且在下文更详细讨论的某些类型的伺服电动机包括围绕空心轴并驱动空心轴的电感驱动转子。每一电动机100包括可操作地设置在轴孔104内的上述可旋转引导构件20R(参见图1)，以便引导构件随空心轴的旋转而旋转。可旋转的引导构件20R被设置在轴孔104中，并且由例如固定螺钉(如下文所述)、粘着剂、柔性或刚性安装构件或夹具或其他已知的固定手段来固定至空心轴102。

每一电动机100包括位置反馈装置106，如光学编码器(参见图5，在下文介绍并讨论)。位置反馈装置106提供关于空心轴102和因此可旋转引导构件20R的旋转位置和速度的信息(呈电信号S3的形式)。适用于设备10的示例性电动机100是由Computer OpticalProducts,Inc.,Chatsworth,California制得的CM-4000型空心轴电感驱动伺服电动机中的一种。适用于设备10的另一示例性电动机100是基于空心轴齿轮的电动机，如可购自Bodine ElectricCompany,Chicago,Illinois的那些电动机。

图3是引导构件20的正面图，并且图4是引导构件20的横截面图，所述引导构件可用作固定引导构件20S和/或用作可旋转引导构件20R。引导构件20呈圆形板(“分线板”)形式，其具有中心孔24以及布置在周边的较小导孔(例如，眼孔)28(例如示出了六个导孔)。中心孔24被设定大小以使至少一个芯部构件30通过，而导孔28被设定大小以使单个绞合元件(“绞线”)40通过。芯部构件30包括强度元件和/或电缆芯部构件。一个强度元件是玻璃加强塑料(GRP)、钢或当前用于SZ电缆中的类似强度元件。电缆芯部构件30包括缓冲管、光纤、光纤电缆、导线、绝缘线和当前用于SZ电缆中的类似芯部构件。示例性绞线40包括光纤、缓冲管、金属线、纺线、铜扭转对等。

引导构件20被布置在设备10中以便中心孔24在轴线A1上定中心，并且周边导孔28绕中心孔对称地布置。在至少一个芯部构件30和单个绞线40通过它们相应的孔时，引导构件20被配置来维持所述芯部构件和单个绞线呈局部间隔分开的配置。引导构件20任选地包括孔衬里44，所述孔衬里以促进芯部构件30和/或绞线40穿过引导构件的方式内衬于中心孔24和/或导孔28。孔衬里44优选地具有圆形边缘，所述圆形边缘减少芯部构件30和/或绞线40在它们通过其相应孔时被绊住、研磨、割破或切割的可能性。

参考图2至图4，可旋转引导构件20R包括周边固定螺钉孔25，并且空心轴102包括匹配螺钉孔25’，所述匹配螺钉孔被配置来使得可旋转引导构件通过对应固定螺钉27附接到空心轴。可旋转引导构件20R与固定引导构件20S相同或类似，并且两者都呈如图3和图4所示的分线板的形式。电动机100轴向地对准以便可操作地设置在其中的轴孔104和可旋转引导构件20R在轴线A1上定中心。

再次参考图1，固定引导构件20S和每一电动机100被安装至相应基座夹具120，所述基底夹具又安装至共同平台130，如基座板或桌面。基座夹具120被配置来在适当位置固定至平台130，或相对于平台130可调整位置。位置可调整性由将基座夹具120可滑动地安装至轨道140来实现，从而允许每一电动机100的轴向可调整性。可移动电动机100可沿轨道140轴向地移动并且被放置在一起用于“穿线(thread up)”，即，将至少一个芯部构件30和绞线40穿线穿过它们在各种可旋转引导构件20R中的相应的孔24和28，并且随后再次沿轨道轴向地移动以便间隔分开并在SZ绞合操作期间固定在选定位置，如下文所讨论。电动机100的位置可调整性允许间距S改变，以便设备10可被重新配置以用于形成不同类型的SZ电缆，或调节电缆成形工艺。基座夹具120和平台130(和任选的轨道140)被配置来使得电动机100可添加到设备10或从设备10移除。

继续参考图1以及图5的示意图，至少一个伺服驱动机150被电连接至对应的至少一个电动机100。每一伺服驱动机150又可操作地连接至控制器160。控制器160可包括处理器164和存储器单元166，所述存储器单元构成用于存储指令的计算机可读介质，所述指令如将由处理器在控制设备10的操作中实现的体现为电子传动分布的旋转关系。设备10也包括线速度监视装置172，所述线速度监视装置可操作地布置来测量SZ绞合组件226或芯部构件30行进穿过设备所处的速度。线速度监视装置172的示例性位置包括最下游电动机100和相邻SZ绞合组件226的下游(如图所示)，或固定引导构件20S和相邻芯部构件30的上游。也可使用中间位置。线速度监视装置172被电连接至控制器160并且向所述控制器提供线速度信号SL。

控制器160包括指令(即，利用存储在存储器单元166中的指令来编程)，所述指令根据旋转关系来控制每一电动机100的旋转速度和旋转反转。电动机100之间的这种旋转关系通过由控制器160提供至对应伺服驱动机150的电动机控制信号S1来实现。旋转关系被体现为电子传动。响应于所述旋转关系，每一伺服驱动机150向它的对应电动机100提供功率信号S2，所述功率信号S2向电动机供电并且根据旋转关系以选定速度和旋转方向来驱动所述电动机。位置反馈装置106提供位置信号S3，在示例性实施方案中，所述位置信号包括递增位置信息、速度信息和绝对(参考)位置。参考位置典型地为空心轴102的开始位置，而递增位置以定期的方式跟踪所述空心轴的旋转位置(例如，每次旋转36,000次计数)。空心轴102的旋转速度是旋转位置随时间的变化，并且是从含在信号S3中的位置信息获得。线速度信号SL提供线速度信息，所述线速度信息适用于与电动机100的旋转速度比较，以便确保旋转速度和线速度与设备10和正在制造的特定SZ电缆的操作参数一致。

对具有多个电动机100的设备10来说，每一电动机具有不同的旋转速度，其中旋转速度越小电动机驻留在上游越远处。对SZ绞合电缆来说，“反转部之间的匝”数n可有所变化，其中典型数量为n＝8。对反转部之间的这个示例性匝数来说，设备10在中性点(n＝0)处开始，在所述中性点处，所有绞线30以及旋转引导构件20R和固定引导构件20S是对准的。通过伺服驱动机150的操作，控制器160随后引起电动机100顺时针执行四匝，并随后反转并且逆时针执行八匝。注意，在前四个逆时针匝之后，设备10返回中性点并随后通过所述中性点。在八个逆时针匝之后，设备10反转并且进行八个顺时针匝。以这种方式，获得反转部之间的n＝8匝，其中可旋转引导构件20R在每一方向上围绕中性点转绕四匝。

用于电动机100的旋转关系是以类似方式针对反转部之间的不同匝数n、电动机的不同总数m和相邻引导构件之间的不同最大角度偏差θ_MAX来实现。设备10中需要的电动机100的数量m大体上取决于正在形成的SZ电缆的类型和相关因素，如反转部之间的最大匝数n和θ_MAX，所述θ_MAX又取决于引导构件直径、芯部构件30的大小和绞线40的大小。电动机100的典型数量m在1个至20个的范围变化，其中5个与12个之间的数量是用于广泛范围的SZ电缆应用的常用数量。

设备10可以多种方式来配置和操作。例如，不同于控制每一单个伺服驱动机150的控制器160，在一个实施方案中，伺服驱动机通过通信线路178链接在一起，并且通过电信号S4接收关于最下游电动机100的旋转的信息。上游伺服驱动机150随后计算出所需的电动机信号S2，需要所述信号来将适当的旋转关系(例如，通过电子传动)提供至所述伺服驱动机的相应电动机100。因此，控制器160通过信号S1将关于绞合分布(反转部之间的n匝、铺设长度等)的信息传输至第一(即，最下游)伺服驱动机150。每一上游伺服驱动机150通过相应信号S4接收用于在其直接前方的电动机100的主/从分布(例如，齿数比＝R)。因此，上游伺服驱动机150从动于最下游伺服驱动机。在这个实施方案中，控制器160主要用于初始化并随后监测设备10的操作。线速度信息通过控制器160提供至最下游伺服驱动机150(即，从线速度监视装置178提供至控制器160，并随后提供至最下游伺服驱动机)。

在相关实施方案中，控制器160通过信号S1将上述绞合分布信息传输至第一伺服驱动机150，而每一上游伺服驱动机接收主/从分布(例如，齿数比＝R)，所述主/从分布将所述上游伺服驱动机与下游伺服驱动机同步。因为每一上游伺服驱动机150从动于最下游伺服驱动机，所以每一伺服驱动机需要来自第一电动机100的位置反馈数据。线速度信息通过控制器160提供至第一伺服驱动机150。

在另一相关实施方案中，控制器160将上述绞合分布信息传输至第一伺服驱动机150。控制器160也基于将产生设备10的所需操作的完整绞合分布来计算用于每一上游电动机100的个别化绞合分布。在这种情况下，电动机100之间不存在旋转主/从关系。因为每一电动机100独立于其他电动机来操作，所以每一电动机需要来自线速度监视装置178的线速度反馈并仅需要它自己的位置信息。

因此，在一个实施方案中，每一电动机100被编程来以未必从属于“基础”旋转比率R的选定速度而旋转。电动机之间的旋转关系具有选用于优化SZ绞合工艺的非线性形式。两个相邻可旋转引导构件20R之间的旋转关系可最佳地可视化为“主”引导构件20R的角位置θ_M和对应“从”引导构件的角位置θ_S的函数。因此，对于旋转比率R固定的现有技术机械系统来说，从引导构件的角位置θ_S由函数θ_S＝R*θ_M来决定，所述函数是以θ的线性函数。对比来说，被编程到控制器160中的旋转关系可允许引导构件20的角位置与旋转速度之间的更多复杂函数关系。非线性旋转关系例如适用于最小化可在SZ绞合操作期间发生的张力尖峰(tension spike)。

图6是SZ电缆成形系统(“系统”)200的示意图，所述SZ电缆成形系统包括本公开的设备10。系统200包括典型地呈卷轴或“包装”形式的绞线存放容器210，所述绞线存放容器分别地保持并对单个绞线40和任选地一个或多个单个芯部构件30进行放线。系统200包括绞线导引装置220，所述绞线导引装置布置在绞线存放容器210的直接下游。绞线导引装置220可包括一系列滑轮(未示出)，所述滑轮收集并分配绞线40和至少一个芯部构件30。SZ电缆绞合设备10被布置在绞线导引装置220的直接下游，并且在它的输入端11处接收从绞线导引装置输出的绞线40和至少一个芯部构件30。设备10随后进行绞线绕至少一个芯部构件30的SZ绞合，如上文所述。绞线40和任选芯部构件30作为SZ绞合组件226退出设备10的输出端13处，如图6的插图A的近距离视图所示(也参见图1)。SZ绞合组件226由以SZ配置围绕至少一个芯部构件30缠绕的绞线40组成。

系统200包括涂布单元228，所述涂布单元被布置在设备10的直接下游。涂布单元包括挤出站230，所述挤出站被配置来接收SZ绞合组件226并且在所述SZ绞合组件上形成保护涂层229，如图6中的插图B的近距离视图所示，从而形成最终SZ电缆232。在示例性实施方案中，挤出站230包括十字头模具(未示出)，所述十字头模具被配置来将保护涂层挤出材料与SZ绞合组件组合。涂布单元228也包括冷却和干燥站240，所述冷却和干燥站被布置在挤出站的直接下游，并且冷却并干燥涂层228。最终SZ电缆232从涂布单元228出来，并且由收取单元250接收，所述收取单元张紧SZ电缆并且将其围绕收取卷轴260卷绕。

本公开的设备10消除了在可旋转引导构件20R之间的机械耦接，并且在这个意义上讲是无齿轮和无轴设备。注意，通过可旋转引导构件20R的绞线40不建立引导构件之间的机械耦接，因为绞线不是用于驱动引导构件的旋转。在没有与机械部件相关联的增加旋转惰性和轴承摩擦的情况下，对于给定铺设长度来说，更快反转时间和因此更高线速度是可能的。基于齿轮的SZ电缆绞合设备也在反转期间经受极其高的动态载荷。这对动力传动齿轮施加了大量应力，从而造成频繁维护的问题。无齿轮/无轴SZ电缆绞合设备10消除了这些类型的维护和可靠性问题。因为可旋转引导构件20R的运动是受电子控制，所以它们相对于其他板的旋转速度可根据旋转关系来编程以便实现旋转分布(包括复杂旋转分布)，所述旋转分布在绞线40上和至少一个芯部构件30上产生较平滑操作和较低张力变化。

图7例示在RPM分布的传统“恒定速度”区段期间RPM的适度增加和降低。这将产生反转部之间的可变螺旋长度。一匝的铺设长度在反转部之间的中程被最小化，并随后朝向反转部逐渐加长。在所例示的实施方案中，L1<L2。图8是说明性实例，其中铺设长度以较长值在反转部处开始并且持续朝向反转部之间的螺旋区段的中点逐步拉紧移动。如果图中的样品较长，那么铺设长度将开始增加，从而接近离开页面的下一个反转部。

根据本发明实施方案的一个方面，反转部的益处是有助于在反转部处偏移螺旋节距的伸长部分。与当今为8的标准相比，最佳值可在反转部之间的2-3匝的范围内。优势可在使用8匝的电缆设计中为最佳的；然而，甚至在反转部之间2-3匝的情况下仍有优势。

RPM分布由在RPM分布的“反转”部分处的机器能力限制。根据一个方面，绞合机可实现逐渐的速度增加并随后在RPM分布的传统“平坦”部分期间降低。绞合机可在仪器上没有任何额外磨损和撕裂的情况下，在RPM分布的传统“平坦”部分中实现逐渐的速度增加和降低。上述方面可通过如上文参考图1-6所讨论的空心轴电动机来实现。上述绞合机的能力改进了针对利用反转部之间的2+匝来操作的任何绞合机、在给定线速度下产生更多螺旋窗的能力。

根据另一方面，可使用薄膜挤出而省略捆缚物和水可溶胀胶带。在一个实例中，针对绞合旋转设定以下机器参数：3,000rpm的最大旋转速度；24,000rad/s/s的最大旋转加速度；和反转部之间为4的匝数。图9例示电动机速度分布。图10例示旋转角度。图11例示未缠绕SZ路径。图12例示绞合角度。

参看图13，针对螺旋绞合管，有时利用凭经验确定的SZ调整因素得到用于应变窗的常规设计规则。有可能通过假定光纤束始终与管壁的内部接触并且光纤束能够移动至最短路径来计算沿SZ绞合缓冲管内部的最短路径。调整蓝色线直到其具有最短长度。

参看图14，有可能使用数字技术来确定SZ绞合管内部的最短可能路径。已针对反转部之间的不同匝计数范围来进行这种确定，并且可绘制出感兴趣的结论，如图14所示。

参看图15，考虑单匝SZ反转图案并且将这种图案与等效螺旋形图案比较，来自分布的应变窗存在52％增加，这是典型地从新的直接驱动绞合机所预期的。如果现在匝数朝向我们当前使用的匝数增加，那么如图15所示益处减少。

本领域的技术人员将明白的是，可在不脱离如随附权利要求书中定义的本公开的精神或范围的情况下，对如本文所述的本公开的本发明实施方案做出各种修改。因此，本公开涵盖所述修改及变化，前提是所述修改和变化属于随附权利要求书和其等效物的范围内。

Claims (14)

1.一种光学电缆，其包括：

芯部构件；和

以SZ配置围绕所述芯部构件卷绕的多个绞线，所述SZ配置具有至少两个反转区段和在所述至少两个反转区段之间沿纵向长度延伸的螺旋区段，其中卷绕绞线的一匝的螺旋铺设长度沿所述螺旋区段的所述纵向长度是可变的；其中可变的所述螺旋铺设长度在所述至少两个反转区段之间沿着所述螺旋区段的所述纵向长度从所述反转区段到中程点逐渐减小。

2.如权利要求1所述的光学电缆，其中所述卷绕绞线的一匝的所述螺旋铺设长度朝向所述纵向长度的所述中程点最小化。

3.如权利要求1所述的光学电缆，其中所述螺旋区段包括至少两匝的围绕所述芯部构件的所述多个绞线。

4.如权利要求1所述的光学电缆，其进一步包括强度元件。

5.如权利要求4所述的光学电缆，其中所述强度元件包括玻璃加强塑料、或钢。

6.如权利要求1所述的光学电缆，其中所述多个绞线包括缓冲管、光纤、光纤电缆、导线和/或绝缘线。

7.如权利要求1所述的光学电缆，其进一步包括薄膜捆缚物挤出部，所述薄膜捆缚物挤出部覆盖所述螺旋区段和所述至少两个反转区段。

8.一种形成光学电缆的方法，所述方法包括：

提供芯部构件；

利用多个绞线通过将所述绞线以SZ配置卷绕来围绕所述芯部构件，所述SZ配置包括在至少两个反转区段之间纵向延伸的螺旋区段，其中卷绕绞线的一匝的螺旋铺设长度沿所述螺旋区段的纵向长度是可变的；

其中可变的所述螺旋铺设长度在所述至少两个反转区段之间沿着所述螺旋区段的所述纵向长度从所述反转区段到中程点逐渐减小。

9.如权利要求8所述的方法，其进一步包括：

提供用于形成所述光学电缆的绞合设备，其中所述绞合设备控制所述绞线的所述卷绕，以使得所述卷绕绞线的一匝的螺旋铺设长度朝向所述纵向长度的所述中程点最小化。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述绞合设备被控制来形成所述螺旋区段，所述螺旋区段具有至少两匝的围绕所述芯部构件的所述多个绞线。

11.如权利要求10所述的方法，其进一步包括：

向所述光学电缆提供强度元件。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述强度元件包括玻璃加强塑料、或钢。

13.如权利要求8所述的方法，其中所述多个绞线包括缓冲管、光纤、光纤电缆、导线和/或绝缘线。

14.如权利要求8所述的方法，其进一步包括：

挤出薄膜捆缚物以包涵所述螺旋区段和所述至少两个反转区段。