CN106989692A - 光纤预制棒的测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了光纤预制棒的测量方法及装置，其中测量装置包括：车床，具有夹持光纤预制棒的夹具；丝杆，转动安装在车床上；轨道；分度盘支架，具有与丝杆螺纹配合的螺纹孔，分度盘支架与轨道滑动配合，丝杆转动时，带动分度盘支架沿轨道的长度方向移动；步进电机，用于驱动丝杆转动；分度盘，安装在分度盘支架上，且分度盘的轴线与夹具轴线重合，分度盘用于外套在光纤预制棒上；三个激光测距笔，设置在分度盘上，且绕分度盘轴线均匀设置，各激光测距笔发射点距分度盘轴线的距离相同，激光测距笔用于向分度盘的中心发射光线并采集发射点与对应光纤预制棒测量点之间的距离信息。本申请通过三个激光测距笔能够实现非接触式测量。

Description

光纤预制棒的测量方法及装置
技术领域
本发明涉及光纤预制棒领域，具体涉及光纤预制棒的测量方法及装置。
背景技术
轴类、圆柱形量规、玻璃棒体等圆柱形棒体在使用中，通常情况下弯曲值是其关键的技术指标，尤其是应用在高速旋转运动的场合，例如传动轴存在弯曲，在高速旋转过程中，弯曲部位产生的离心力会导致两端装夹的轴承磨损更快。因此，在生产这类产品过程中，弯曲值检测技术尤为关键。
在光纤预制棒生产制造过程中，对生产材料，如OVD沉积工艺中的沉积靶材、MCVD或PCVD沉积用的套管等，检测弯曲度的技术非常关键。如果这些沉积靶材或套管弯曲度偏大会导致光纤预制棒芯子与包层的同心度偏差大，预制棒报废。甚至会在沉积过程中，因弯曲甩动的离心力过大，导致靶材或套管出现断裂。
现在对光纤预制棒弯曲度的主流检测手法是：将棒体装夹在车床上或支架上，旋转棒体，通过肉眼寻找棒体甩动较大的点位，再用千分表对着这个点位测量其甩动的幅度值；或是用千分表测量棒体上多个点位的甩动幅度值，取其中最大幅度值为棒体的弯曲值。这种检测方法存在以下缺陷：
一、使用千分表测量出的数据是一个数值，并不能描述出棒体的弯曲方向；
二、该测量方法是接触式测量，不适用于测量高温的棒体或对表面有特殊要求的棒体。
发明内容
本发明针对上述问题，克服至少一个不足，提出了光纤预制棒的测量方法及装置。
本发明采取的技术方案如下：
一种光纤预制棒的测量方法，包括以下步骤：
1)将待检测的光纤预制棒固定在夹具上，将三个激光测距笔绕夹具轴线的方向均匀设置，三个激光测距笔分别为第一激光测距笔、第二激光测距笔和第三激光测距笔，各激光测距笔的发射点均指向夹具的轴线，各发射点距夹具轴线的距离均为L；
2)建立直角坐标系：指定夹具轴线上的其中一点为原点，第一激光测距笔发射的光线方向为X轴方向，夹具的轴线方向为Z轴方向，同时垂直与X轴和Z轴的方向为Y轴方向；
3)沿夹具轴线方向同步移动三个激光测距笔，且记录三个激光测距笔在Z轴的坐标ZP，控制激光测距笔向夹具轴线方向发射光线，并采集发射点与对应光纤预制棒测量点之间的距离信息，其中第一激光测距笔测得的值为L1，第二激光测距笔测得的值为L2，第三激光测距笔测得的值为L3；
测得的三个测量点的坐标分别为(XA，YA，ZP)，(XB，YB，ZP)，(XC，YC，ZP)，其中XA＝L-L1，YA＝0，XB＝(L-L2)cos120°，YB＝(L-L2)sin120°，XC＝(L-L3)cos240°，YC＝(L-L3)sin240°；
4)三个激光测距笔对应的光纤预制棒圆心P的坐标为(XP，YP，ZP)，根据三点确定一个外接圆的几何关系，求得XP和YP：
5)计算得到圆心P点在ZP处的弯曲值Bow和光纤预制棒半径R：
6)计算得到圆心P点在ZP处的弯曲方向θ，当(XP，YP)在第一或第四象限时，当(XP，YP)在第二或第三象限时，
本方法通过用三束垂直于Z轴的激光(且激光方向均对准Z轴)，测量光纤预制棒表面同一圆周上三个点在平面直角坐标系中的坐标位置，再以三点确定一个圆的几何关系计算出该圆的圆心坐标和半径，圆心到Z轴的距离就是光纤预制棒对应测量位置处的弯曲值，Z轴的对应点到圆心的方向就是棒体在该测量圆周点位的弯曲方向。
本方法通过激光测距笔能够实现非接触式的测量；通过本方法能够快速方便的得到光纤预制棒在ZP处所对应的弯曲值Bow、光纤预制棒半径R以及弯曲方向θ，从而后期可以根据测量的数据对加工设备或工艺进行分析，通过优化流程等来保证预制棒的生产质量。
可选的，还包括建模步骤：通过数据组(XP，YP，ZP)和对应的半径R对光纤预制棒进行建模。
现有的方法无法描述光纤预制棒的弯曲形状是彩虹形弯曲还是波浪线形弯曲还是螺旋形弯曲等。而本方法能够根据测得的数据进行快速的建模，从而能够描述出光纤预制棒的实际弯曲形状，比如采用Solidworks等三维绘图软件进行建模，从而能够形象地显示出光纤预制棒的弯曲形状。
可选的，步骤1)中三个激光测距笔均安装在分度盘上，所述分度盘外套在光纤预制棒上。
本申请还公开了一种光纤预制棒的测量装置，包括：
车床，车床上具有夹具，所述夹具用于夹持待检测的光纤预制棒；
丝杆，转动安装在车床上，所述丝杆的轴线与所述夹具的轴线平行；
轨道，设置在车床上，沿丝杆的长度方向设置；
分度盘支架，具有与所述丝杆螺纹配合的螺纹孔，分度盘支架与所述轨道滑动配合，丝杆转动时，带动分度盘支架沿轨道的长度方向移动；
步进电机，用于驱动所述丝杆转动；
分度盘，安装在分度盘支架上，且分度盘的轴线与夹具轴线重合，分度盘用于外套在光纤预制棒上；
三个激光测距笔，设置在分度盘上，且绕分度盘轴线均匀设置，各激光测距笔发射点距分度盘轴线的距离相同，激光测距笔用于向分度盘的中心发射光线并采集发射点与对应光纤预制棒测量点之间的距离信息。
通过三个激光测距笔能够实现非接触式测量；通过丝杆和轨道的配合，能够实现控制分度盘沿夹具轴线方向精确移动。本申请的设备能够实现上述光纤预制棒的测量方法。
可选的，还包括控制器，所述步进电机和激光测距笔均信号连接所述控制器，所述控制器用于控制步进电机转动，记录分度盘支架的位置，以及接收分度盘支架在对应位置时，三个激光测距笔采集到的距离信息。
可选的，所述控制器为计算机。
使用计算机和步进电机控制测量装置延光纤预制棒轴线方向上进行扫描，可以得到光纤预制棒轴向上不同点位的轴向坐标、弯曲值和半径，通过三维绘图软件即可将光纤预制棒的外形重建，形象地显示出光纤预制棒的弯曲形状。
可选的，所述分度盘上具有环形槽，环形槽上安装有连接块，所述连接块与环形槽滑动定位配合，所述激光测距笔可拆卸安装在连接块上。
滑动定位配合，指的是连接块能够调节位置，且调节到位后能够固定住。通过设置环形槽和连接块能够调节激光测距笔的位置，从而使激光测距笔之间的夹角为120°，激光测距笔可拆卸安装在连接块，这样能够方便激光测距笔的安装和拆卸，且也方便校准激光测距笔与分度盘圆心的距离。
本发明的有益效果是：本方法通过激光测距笔能够实现非接触式的测量；通过本方法能够快速方便的得到光纤预制棒在ZP处所对应的弯曲值Bow、光纤预制棒半径R以及弯曲方向θ，从而后期可以根据测量的数据对加工设备或工艺进行分析，通过优化流程等来保证预制棒的生产质量。
附图说明：
图1是本发明光纤预制棒的测量装置的结构示意图；
图2是光纤预制棒弯曲测量原理示意图。
图中各附图标记为：
1、车床；2、步进电机；3、夹具；4、光纤预制棒；5、分度盘；6、环形槽；7、连接块；8、激光测距笔；9、分度盘支架；10、丝杆；11、第一激光测距笔；12、第二激光测距笔；13、第三激光测距笔。
具体实施方式：
下面结合各附图，对本发明做详细描述。
如图2所示，一种光纤预制棒的测量方法，包括以下步骤：
1)将待检测的光纤预制棒4固定在夹具上，将三个激光测距笔绕夹具轴线的方向均匀设置(相邻两个激光测距笔之间的夹角为120°)，三个激光测距笔分别为第一激光测距笔11、第二激光测距笔12和第三激光测距笔13，各激光测距笔的发射点均指向夹具的轴线，各发射点距夹具轴线的距离均为L；
2)建立直角坐标系：指定夹具轴线上的其中一点为原点，第一激光测距笔发射的光线方向为X轴方向，夹具的轴线方向为Z轴方向，同时垂直与X轴和Z轴的方向为Y轴方向；
3)沿夹具轴线方向同步移动三个激光测距笔，且记录三个激光测距笔在Z轴的坐标ZP，控制激光测距笔向夹具轴线方向发射光线，并采集发射点与对应光纤预制棒测量点之间的距离信息(如图2所示，对应的测量点为A、B、C)，其中第一激光测距笔测得A处的值为L1，第二激光测距笔测得B处的值为L2，第三激光测距笔测得C处的值为L3；
测得的三个测量点的坐标分别为(XA，YA，ZP)，(XB，YB，ZP)，(XC，YC，ZP)，其中XA＝L-L1，YA＝0，XB＝(L-L2)cos120°，YB＝(L-L2)sin120°，XC＝(L-L3)cos240°，YC＝(L-L3)sin240°；
4)三个激光测距笔对应的光纤预制棒圆心P的坐标为(XP，YP，ZP)，根据三点确定一个外接圆的几何关系，求得XP和YP：
5)计算得到圆心P点在ZP处的弯曲值Bow和光纤预制棒半径R：
6)计算得到圆心P点在ZP处的弯曲方向θ，当(XP，YP)在第一或第四象限时，当(XP，YP)在第二或第三象限时，
本方法通过用三束垂直于Z轴的激光(且激光方向均对准Z轴)，测量光纤预制棒表面同一圆周上三个点在平面直角坐标系中的坐标位置，再以三点确定一个圆的几何关系计算出该圆的圆心坐标和半径，圆心到Z轴的距离就是光纤预制棒对应测量位置处的弯曲值，Z轴的对应点到圆心的方向就是棒体在该测量圆周点位的弯曲方向。
本方法通过激光测距笔能够实现非接触式的测量；通过本方法能够快速方便的得到光纤预制棒在ZP处所对应的弯曲值Bow、光纤预制棒半径R以及弯曲方向θ，从而后期可以根据测量的数据对加工设备或工艺进行分析，通过优化流程等来保证预制棒的生产质量。
于本实施例中，在测试上面的数据后，可以进行建模步骤：通过数据组(XP，YP，ZP)和对应的半径R对光纤预制棒进行建模。
现有的方法无法描述光纤预制棒的弯曲形状是彩虹形弯曲还是波浪线形弯曲还是螺旋形弯曲等。而本方法能够根据测得的数据进行快速的建模，从而能够描述出光纤预制棒的实际弯曲形状，比如采用Solidworks等三维绘图软件进行建模，从而能够形象地显示出光纤预制棒的弯曲形状。
如图2所示，于本实施例中，步骤1)中三个激光测距笔均安装在分度盘5上，分度盘5外套在光纤预制棒4上。
如图1所示，为了实现上文的测量方法，本实施例还公开了一种光纤预制棒的测量装置，包括：
车床1，车床1上具有夹具3，夹具3用于夹持待检测的光纤预制棒4；
丝杆10，转动安装在车床1上，丝杆10的轴线与夹具3的轴线平行；
轨道，设置在车床1上，沿丝杆10的长度方向设置；
分度盘支架9，具有与丝杆10螺纹配合的螺纹孔，分度盘支架9与轨道滑动配合，丝杆10转动时，带动分度盘支架9沿轨道的长度方向移动；
步进电机2，用于驱动丝杆10转动；
分度盘5，安装在分度盘支架9上，且分度盘5的轴线与夹具轴线重合，分度盘5用于外套在光纤预制棒4上；
三个激光测距笔8，设置在分度盘5上，且绕分度盘轴线均匀设置，各激光测距笔发射点距分度盘轴线的距离相同，激光测距笔8用于向分度盘5的中心发射光线并采集发射点与对应光纤预制棒4测量点之间的距离信息。
通过三个激光测距笔8能够实现非接触式测量；通过丝杆10和轨道的配合，能够实现控制分度盘5沿夹具轴线方向精确移动。本申请的设备能够实现上述光纤预制棒4弯曲测量方法。
于本实施例中，还包括控制器(图中未画出)，步进电机2和激光测距笔8均信号连接控制器，控制器用于控制步进电机转动，记录分度盘支架的位置，以及接收分度盘支架在对应位置时，三个激光测距笔采集到的距离信息。于本实施例中，控制器为计算机。使用计算机和步进电机2控制测量装置延光纤预制棒4轴线方向上进行扫描，可以得到光纤预制棒4轴向上不同点位的轴向坐标、弯曲值和半径，通过三维绘图软件即可将光纤预制棒4的外形重建，形象地显示出光纤预制棒4的弯曲形状。
如图1所示，于本实施例中，分度盘5上具有环形槽6，环形槽6上安装有连接块7，连接块7与环形槽6滑动定位配合，激光测距笔8可拆卸安装在连接块7上。滑动定位配合，指的是连接块7能够调节位置，且调节到位后能够固定住。通过设置环形槽6和连接块7能够调节激光测距笔8的位置，从而使激光测距笔8之间的夹角为120°，激光测距笔8可拆卸安装在连接块7，这样能够方便激光测距笔8的安装和拆卸，且也方便校准激光测距笔8与分度盘5圆心的距离。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种光纤预制棒的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将待检测的光纤预制棒固定在夹具上，将三个激光测距笔绕夹具轴线的方向均匀设置，三个激光测距笔分别为第一激光测距笔、第二激光测距笔和第三激光测距笔，各激光测距笔的发射点均指向夹具的轴线，各发射点距夹具轴线的距离均为L；
2)建立直角坐标系：指定夹具轴线上的其中一点为原点，第一激光测距笔发射的光线方向为X轴方向，夹具的轴线方向为Z轴方向，同时垂直与X轴和Z轴的方向为Y轴方向；
3)沿夹具轴线方向同步移动三个激光测距笔，且记录三个激光测距笔在Z轴的坐标ZP，控制激光测距笔向夹具轴线方向发射光线，并采集发射点与对应光纤预制棒测量点之间的距离信息，其中第一激光测距笔测得的值为L1，第二激光测距笔测得的值为L2，第三激光测距笔测得的值为L3；
测得的三个测量点的坐标分别为(XA，YA，ZP)，(XB，YB，ZP)，(XC，YC，ZP)，其中XA＝L-L1，YA＝0，XB＝(L-L2)cos120°，YB＝(L-L2)sin120°，XC＝(L-L3)cos240°，YC＝(L-L3)sin240°；
4)三个激光测距笔对应的光纤预制棒圆心P的坐标为(XP，YP，ZP)，根据三点确定一个外接圆的几何关系，求得XP和YP：
X P = ( X B 2 + Y B 2 - X C 2 - Y C 2 ) × Y A + ( X C 2 + Y C 2 - X A 2 - Y A 2 ) × Y B + ( X A 2 + Y A 2 - X B 2 - Y B 2 ) × Y C 2 × [ ( Y C - Y B ) × X A + ( Y A - Y C ) × X B + ( Y B - Y A ) × X C ]
Y P = ( X C 2 + Y C 2 - X B 2 - Y B 2 ) × Y A + ( X A 2 + Y A 2 - X C 2 - Y C 2 ) × X B + ( X B 2 + Y B 2 - X A 2 - Y A 2 ) × X C 2 × [ ( Y C - Y B ) × X A + ( Y A - Y C ) × X B + ( Y B - Y A ) × X C ]
5)计算得到圆心P点在ZP处的弯曲值Bow和光纤预制棒半径R：
B o w = X P 2 + Y P 2
R = ( X P - X A ) 2 + ( Y P - Y A ) 2
6)计算得到圆心P点在ZP处的弯曲方向θ，当(XP，YP)在第一或第四象限时，当(XP，YP)在第二或第三象限时，
2.如权利要求1所述的光纤预制棒的测量方法，其特征在于，还包括建模步骤：通过数据组(XP，YP，ZP)和对应的半径R对光纤预制棒进行建模。
3.如权利要求1所述的光纤预制棒的测量方法，其特征在于，步骤1)中三个激光测距笔均安装在分度盘上，所述分度盘外套在光纤预制棒上。
4.一种光纤预制棒的测量装置，其特征在于，包括：
车床，车床上具有夹具，所述夹具用于夹持待检测的光纤预制棒；
丝杆，转动安装在车床上，所述丝杆的轴线与所述夹具的轴线平行；
轨道，设置在车床上，沿丝杆的长度方向设置；
分度盘支架，具有与所述丝杆螺纹配合的螺纹孔，分度盘支架与所述轨道滑动配合，丝杆转动时，带动分度盘支架沿轨道的长度方向移动；
步进电机，用于驱动所述丝杆转动；
分度盘，安装在分度盘支架上，且分度盘的轴线与夹具轴线重合，分度盘用于外套在光纤预制棒上；
三个激光测距笔，设置在分度盘上，且绕分度盘轴线均匀设置，各激光测距笔发射点距分度盘轴线的距离相同，激光测距笔用于向分度盘的中心发射光线并采集发射点与对应光纤预制棒测量点之间的距离信息。
5.如权利要求4所述的光纤预制棒的测量装置，其特征在于，还包括控制器，所述步进电机和激光测距笔均信号连接所述控制器，所述控制器用于控制步进电机转动，记录分度盘支架的位置，以及接收分度盘支架在对应位置时，三个激光测距笔采集到的距离信息。
6.如权利要求5所述的光纤预制棒的测量装置，其特征在于，所述控制器为计算机。
7.如权利要求4所述的光纤预制棒的测量装置，其特征在于，所述分度盘上具有环形槽，环形槽上安装有连接块，所述连接块与环形槽滑动定位配合，所述激光测距笔可拆卸安装在连接块上。
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