CN107001107A - 用于基于其粘度的预型件或管材牵拉的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本文提供一种预型件和管材牵拉的方法，所述方法基于通过计算玻璃部件在成型区中施加于正在被向下牵拉的丝束的吸持力来确定的控制成型区域粘度。可以通过确定施加于丝束的重力和牵拉装置施加于丝束的牵拉力来计算所述吸持力，其中所述吸持力等于所述重力和牵拉力的算术和的反向。还可以通过测量丝束中介于成型区与牵拉装置之间的点处的应力所致双折射，确定在与所述双折射对应的点处施加于丝束的力量值，并且通过对介于成型区与所述点之间丝束重量的重力效应校正所述力量值来计算吸持力。

Description

用于基于其粘度的预型件或管材牵拉的设备和方法
技术领域
本发明一般涉及制造玻璃预型件或管材，以及具体地涉及在拉制预型件或管材时通过测量和计算施加于预型件或管材的吸持力来控制预型件或管材的粘度。
背景技术
光学预型件、石英玻璃管或棒是通过将石英玻璃部件（例如，圆柱体、锭或将芯棒插入圆柱体内的非塌陷柱中棒（RIC）组件）沿垂直朝向引入加热区中以使下端开始软化和形成玻璃丝束来制造。然后将丝束置于牵拉装置中，例如包括一个或多个牵拉轮的装置。丝束的牵拉速率由牵拉轮的速度来控制，牵拉轮可以根据成型区域温度或粘度以及轮支承的丝束的重量施加向下或向上的力。
为了实现可重复制造工艺，必须针对给定预型件或管材尺寸、吞吐量和部件的几何形状来控制成型区域中（即，处于或刚好低于加热区处）石英玻璃部件的粘度。对于由非塌陷RIC组件进行预型件拉制尤其重要，因为当熔炉温度太高或太低（即，玻璃粘度太低或太高）时，芯棒玻璃将会以与外包层玻璃的牵拉速率不同的速率牵拉，这对于光纤应用会导致变形和非期望的波导。例如，当玻璃加热到2000 ℃时，+/- 10 ℃的变化对于粘度具有重大影响。目前控制预型件或管材牵拉的技术包括使用光测高温计来测量高于加热区、低于加热区的玻璃温度和/或加热元件的外表面的温度。但是，基于温度的控制预型件或管材牵拉的方法不可靠，因为所测得的高温计温度可能由于诸如照准高温计、高温计管上的遮挡物、高温计镜头的清洁度或传感器本身的校准和漂移等的变动因素而变化很大。因为粘度随温度具有指数关系（例如，在一些情况中，温度上30 ℃的变化可能导致粘度上200%的变化），所以即使测得的温度上微小的误差也会导致粘度中巨大的差异，并由此导致成型行为上的巨大差异。相应地，期望一种确定有效粘度并由此确定更精确的绝对牵拉温度然后将其用于控制预型件或管材牵拉的新方法。
发明内容
本发明提供用于确定玻璃预型件和管材制造工艺的成型区域的有效粘度的方法。在制造工艺过程中，将大块玻璃部件加热并由大块玻璃部件牵拉出丝束。使用牵拉装置来控制对丝束施加向上或向下力来牵拉丝束的速率。本发明还提供生产玻璃的细长部件的方法，其包括在成型区域处以一定温度加热大块玻璃部件，在所述成型区域处从所述大块玻璃部件牵拉出丝束，使用牵拉装置来控制从所述大块玻璃部件牵拉出丝束的速率，计算软化区域施加的吸持力，基于所述成型区域的期望粘度来确定所述吸持力是否等于期望吸持力，以及如果所述吸持力不等于所述期望吸持力，则调整所述成型区域的温度。在这些方法中，通过计算所述大块玻璃部件施加于所述丝束的吸持力并将所述吸持力与所述成型区域的粘度建立相关性。
在一些实施例中，通过确定施加于丝束的重力，确定牵拉装置施加于丝束的牵拉力，以及基于所述重力和牵拉力来计算大块玻璃部件施加于丝束的吸持力来计算吸持力。所述吸持力、牵拉力与重力之和等于0（因为恒定的牵拉速度，所以没有加速度，并且由此作用于丝束的净作用力为0）。
在一些其他实施例中，通过测量丝束中介于加热区域与牵拉装置之间的点处的应力所致双折射，确定在与测量的应力所致双折射对应的点处施加于丝束的力量值，并且通过对介于加热区域与所述点之间丝束重量的重力效应校正所述力量值来计算吸持力，以计算所述吸持力。
基于成型区域的粘度控制预型件或管材牵拉的设备包括用于将刚好高于成型区域上的大块玻璃部件加热的加热区、用于确定牵拉装置施加于丝束的力的系统和用于确定所述丝束的重量的系统。在一个实施例中，用于确定牵拉装置施加于丝束的力的系统是用于测量施加于牵拉装置的电动机的电压的伏特计，其中可以利用牵拉装置施加于丝束的力来校准所述电压。在另一个实施例中，用于确定牵拉装置施加于丝束的力的系统是安装于牵拉装置的一个或多个荷重元件。
附图说明
在结合附图阅读时，从下文详细描述更好地理解本发明。要强调的是，根据惯常实践，附图的多个特征部并非按比例绘制。相反，为了简明，随意地将多种特征部的尺寸进行放大或缩小。附图中包含的是如下附图：
图1是根据本发明实施例的用于形成玻璃预型件或管材的设备的示意图；
图2是示出施加于根据本发明公开的实施例的图1的设备形成的玻璃丝束的多种力的示意图；以及
图3A-3E是一系列曲线图，其示出在示范性预型件或管材牵拉工艺期间，吸持力（图3A）、牵拉力（图3B）、丝束长度（图3C）、玻璃温度（图3D）和牵拉速度（图3E）可如何与时间成函数地变化。
具体实施方式
参考图1，可以使用设备10以由大块玻璃部件120（例如，玻璃圆柱体或玻璃锭）形成玻璃丝束110。通过在加热区200中将玻璃部件120加热，玻璃部件120的下端将软化并形成丝束110。丝束110可以进入牵拉装置300，牵拉装置300包括驱动多个牵拉轮310的电动机305，其中牵拉轮310对丝束110施加向下力或向上力以控制从玻璃部件120的牵拉速率。向下力将增加牵拉速率，而向上力将降低牵拉速率。
参考图2，实施例采用设备10来通过计算成型区域210施加于玻璃丝束110上的吸持力Fh以确定成型区域210的粘度。成型区域210处的吸持力Fh主要是由于熔化的玻璃表面张力的微小且相对恒定贡献的玻璃粘度。由于粘度对温度呈指数性相关性，甚至成型区域处小的绝对温度变化都可能导致粘度的大变化，并且由此也导致吸持力Fh中的大变化。因此，对于预型件或管材牵拉，尤其对于要求包层对内芯比中失真最小的波导或光纤应用，控制成型区域处的吸持力Fh或有效粘度对于实现高质量和生产良率是比使用存在诸多不精确性的常规基于高温计的温度测量和控制更精确且灵敏的方式。如果吸持力Fh偏离基于成型区域210的期望粘度的期望吸持力，则可以校正向加热区提供的热以在成型区域210中实现期望的粘度。
为了确定吸持力Fh，应该将施加于玻璃丝束110的所有其他力纳入考虑：即，牵拉装置300施加的牵拉力Fp和重力Fg（即，成型区域210以下的丝束110的重量）。虽然图2中将牵拉力Fp示出为与吸持力Fh同向的向上力，但是如上文论述，牵拉装置300可以对丝束110施加向下力或向上力。相应地，将理解的是，如公式中所使用的，当牵拉装置300对丝束110施加与重力Fg反向的向上力时，Fp为正，以及当牵拉装置300对丝束110施加与重力Fg（在本文中按定义为负数）同向的向下力时，Fp为负。由于玻璃丝束以0加速度的恒定速度被牵拉而使施加于丝束110的净力为0（公式1），所以吸持力可以计算为作用于丝束110的其他力的算术和的反向（公式2）。
（1） Fh + Fp + Fg = 0
（2） Fh = - (Fg + Fp)
因此，可以通过确定施加于丝束110的重力Fg和牵拉力Fp的算术和来计算吸持力Fh。通过计算吸持力Fh，则可以确定成型区域210的有效粘度。
可以通过丝束110的质量m乘以万有引力常数g（例如，约为-9.81 m/s2，其中负号指示重力加速度或力的向下方向）来计算重力Fg（公式4）。丝束110的质量m等于丝束110的长度L乘以其横截面积A乘以丝束110的密度ρ（公式3）。
（3） m = L * A * ρ
（4） Fg = m * g = L * A * ρ * g
对于特定工艺和玻璃材料，丝束110的横截面积A和密度ρ是恒定的且预先确定的。在一些实施例中，横截面积A可以通过测量仪器410、420确定或验证。在一些实施例中，横截面积A的范围可以从约1 cm2至约400 cm2。二氧化硅玻璃丝束的密度ρ典型地为约2.2 g/cm3。但是，可设想较大以及较小横截面积和密度，例如对于二氧化硅以外的材料制成的玻璃丝束。注意对于管材，横截面积A不包括管材的中空内部（例如，对于外径d1和内径d2的管材，A = π[(d1/2)2-(d2/2)2]）。丝束的长度L通过测量形成丝束110的速度或使用跟踪系统510（图1）以确定丝束110的端部115的位置来确定。跟踪系统510可以包括摄像视觉系统、激光器系统或确定丝束110的端部115的垂直位置的机械装置。虽然图2示出跟踪系统510包括仅单个部件，但是跟踪系统510可以包括多个部件，例如，沿着丝束110垂直布置的一系列摄像头。
要注意的是，在典型的预型件或管材牵拉工艺中，玻璃丝束的长度（L）以及其重量（Fg）都增大，使得牵拉器力（Fp）也应该被增大才能保持恒定牵拉速度（以及保持作用于玻璃丝束的净力为0）（即，在温度或粘度相关的吸持力Fh保持恒定的同时施加更大向上力）。可以定期切断丝束110，在此情况中，需要对牵拉力Fp进行更大调整。图3A-3E示出在预型件或管材牵拉工艺期间，吸持力（Fh）、牵拉器力（Fp）、丝束长度（L）、玻璃温度和牵拉速度可如何与时间成函数地变化。牵拉器力（Fp）和丝束长度（L）的锯齿形行为是由于如下原因所致：（a）在牵拉过程中，牵拉器吸持的丝束的持续增大的长度和重量；（b）支承其且保持恒定牵拉速度所需的持续增大的牵拉器力；以及（c）丝束110定期切断和移除。
在一个实施例中，牵拉力Fp由施加于牵拉装置300的电压和牵拉轮310的转矩来确定。对于给定电动机，电动机施加的转矩可以基于施加于电动机的电压来确定。根据所述转矩，可以基于牵拉轮310的直径来计算牵拉力Fp，因为转矩的量值与测量转矩的位置与施加力的位置之间的力和距离的量值相关。可以由连接到牵拉装置的伏特计来测量施加于牵拉装置300的电压。
在另一个实施例中，通过测量直接安装于牵拉装置300的框架315的荷重元件320的输出来确定牵拉力Fp。荷重元件320是换能器，其将牵拉轮310施加于每个荷重元件320的应变仪（未示出）的力转换成电信号。然后可以测量所述电信号并将其与施加于应变仪的力建立相关性。示范性荷重元件包括液压荷重元件、气动荷重元件和应变仪荷重元件。在另一个实施例中，牵拉装置300可以包括如卡盘或夹钳（未示出）的握持装置，其卡在丝束上并在位于加热区200下方的塔上垂直移动。在此类实施例中，可以通过将荷重元件320安装到握持装置的臂体或机架来测量牵拉力Fp。
在另一个实施例中，可以通过测量丝束110内的应力所致双折射来确定吸持力Fh。应力所致双折射是指如玻璃的材料在由于机械应变所致的变形时的折射率的变化。机械应变的程度越大，折射率的变化越大。为了确定应力所致双折射的量值，可以将传感器610设在成型区域210处或下方，例如设在成型区域210与牵拉装置300之间的距离x处。偏振光源（未示出）可以将偏振光照射到丝束110上，并且可以由传感器610测量穿透丝束110的透射度。
距离x优选地保持得足够小，以使丝束110在测量机械拉伸应力所致双折射时仍处于约退火温度。如果距离x太大，则丝束110将开始从成型区域210中的退火温度冷却，且冷却程度所导致的热残余应力将被引入到丝束110中且必须予以考虑，从而使确定来自力Fh、Fp和Fg的纯机械所致应力大大地复杂化。
如先前论述，丝束110上的净力为0，因为丝束以恒定速度无加速地被牵拉。相应地，在沿着丝束的每个点处，均有等量值但是反向的向上力和向下力。反向的向上力和向下力可导致两种情况：（1）拉伸，其中丝束两端被牵拉，如绳子中那样且导致正应力；以及（2）压缩，其中丝束两端被推压，导致负应力。无论处于拉伸还是压缩，在丝束110处于约退火温度的情况下沿着丝束110上的任何点处，测得的机械所致应力S的量值乘以丝束A的横截面积等于此点处施加于丝束的向上力或向下力的量值：
（5） |S * A| = |向上力| = |向下力|
对于成型区域210与牵拉装置300之间且低于成型区域210距离x的一点，根据公式（6），向上力等于吸持力Fh减去所述点上方丝束的重量。
（6） （向上力） = Fh – (所述点上方的丝束重量) = Fh – |x * A * ρ * g|
根据上述的符号约定，其中g是负值，
（7） （向上力）= Fh + ( x * A * ρ * g )。
因为作用于丝束上的净力为0，所以向上力的量值等于向下力的量值，以及可以将公式（7）代入向上力的公式（5），得到公式（8）。使用公式（8），可以根据公式（9）来解Fh。
（8） S * A = Fh + ( x * A * ρ * g )
（9） Fh = ( S * A ) - ( x * A * ρ * g )
如公式（8）所示，当x逼近0时，吸持力Fh简单地变成S*A；否则吸持力Fh将是S * A加上点x上方丝束的重量（即，|x * A * ρ * g|）。
因为具体情况所导致的应力所致双折射的量值是丝束110的材料的已知属性，以及重力效应或校正（即，|x * A * ρ * g|）容易根据所有已知和基本常量的值（即，x、A、ρ和g）来确定，所以可以通过确定导致所测得的应力所致双折射（即，S * A）的力的量值来推导吸持力Fh。换言之，在本实施例中，可以根据已知距离x处的玻璃丝束内的应力来确定吸持力Fh，而无需直接测量持续变化的玻璃丝束长度L或牵拉力Fp。

Claims (23)

1. 一种测量玻璃预型件或管材制造工艺的成型区域的粘度的方法，其中所述制造工艺包括在加热区域中将大块玻璃部件加热，从所述大块玻璃部件的所述成型区域牵拉出丝束，以及使用牵拉装置来控制牵拉丝束的速率，所述方法包括：
计算所述成型区域施加于所述丝束的吸持力，以及
将所述吸持力与所述成型区域的粘度建立相关性。
2.如权利要求1所述的方法，其中使用所述吸持力以通过基于所述吸持力调整所述大块玻璃部件的所述加热来控制所述玻璃预型件或管材制造工艺。
3. 如权利要求1所述的方法，其中计算所述吸持力包括：
确定施加于所述丝束的重力；以及
确定所述牵拉装置施加于所述丝束的牵拉力，
其中所述吸持力、所述重力和所述牵拉力之和等于0。
4.如权利要求3所述的方法，其中确定所述重力包括确定所述丝束的长度和计算所述丝束的质量。
5.如权利要求3所述的方法，其中确定所述牵拉装置施加于所述丝束的所述牵拉力包括：
测量施加于所述牵拉装置的电压；
测量所述牵拉装置施加于所述丝束的转矩；以及
根据所述电压和所述转矩来计算所述牵拉力。
6.如权利要求3所述的方法，其中确定所述牵拉装置施加于所述丝束的所述牵拉力包括测量施加于所述牵拉装置的荷重元件的输出。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述牵拉装置包括卡在所述丝束上并垂直移动的握持装置。
8.如权利要求1所述的方法，其中计算所述吸持力包括：
测量所述丝束中位于所述加热区域处或下方的一点处的应力所致双折射；
确定在与所测得的应力所致双折射对应的点处施加于所述丝束的力量值；以及
通过对介于所述加热区域与所述点之间的丝束的重量的重力效应校正力量值来计算所述吸持力，其中如果所述点位于所述成型区域处，则所述校正为0。
9.如权利要求8所述的方法，其中测量所述丝束中的所述应力所致双折射包括：
将所述丝束置于传感器与偏振光源之间；
从所述偏振光源将偏振光照射到所述丝束上；以及
由所述传感器测量所述偏振光穿过所述丝束的透射度。
10. 如权利要求8所述的方法，其中在所述点处，所述丝束处于约所述玻璃丝束的退火温度处。
11.一种生产玻璃的细长部件的方法，所述方法包括
在加热区域中以一定温度加热大块玻璃部件；
在所述大块玻璃部件的成型区域处从所述大块玻璃部件牵拉出丝束；
使用牵拉装置来控制从所述大块玻璃部件牵拉出丝束的速率；
计算所述成型区域施加于所述丝束的吸持力；
确定所述吸持力是否等于基于所述成型区域的期望粘度的期望吸持力；以及
如果所述吸持力不等于所述期望吸持力，则调整所述加热区域的温度。
12. 如权利要求11所述的方法，其中计算所述吸持力包括：
通过确定所述丝束的长度并计算所述丝束的质量来确定施加于所述丝束的重力；以及
确定所述牵拉装置施加于所述丝束的牵拉力，
其中所述吸持力、所述重力和所述牵拉力之和等于0。
13.如权利要求12所述的方法，其中确定所述牵拉装置施加于所述丝束的所述牵拉力包括：
测量施加于所述牵拉装置的电压；
测量所述牵拉装置施加于所述丝束的转矩；
根据所述电压和所述转矩来计算所述牵拉力。
14.如权利要求12所述的方法，其中确定所述牵拉装置施加于所述丝束的所述牵拉力包括测量施加于所述牵拉装置的荷重元件的输出。
15.如权利要求11所述的方法，其中所述牵拉装置包括卡在所述丝束上并垂直移动的握持装置。
16.如权利要求11所述的方法，其中计算所述吸持力包括：
测量所述丝束中位于所述加热区域处或下方的一点处的应力所致双折射；
确定在与所测得的应力所致双折射对应的点处施加于所述丝束的力量值；以及
通过对介于所述加热区域与所述点之间的丝束的重量的重力效应校正力量值来计算所述吸持力，其中如果所述点位于所述成型区域处，则所述校正为0。
17.如权利要求16所述的方法，其中测量所述丝束中的所述应力所致双折射包括：
将所述丝束置于传感器与偏振光源之间；
从所述偏振光源将偏振光照射到所述丝束上；以及
由所述传感器测量所述偏振光穿过所述丝束的透射度。
18.一种测量玻璃预型件或管材制造工艺的成型区域的粘度的设备，其中所述制造工艺包括将大块玻璃部件加热，从所述大块玻璃部件牵拉出丝束，以及使用牵拉装置来控制牵拉丝束的速率，所述系统包括：
加热区，所述加热区用于将所述大块玻璃部件加热，其中所述成型区域位于所述加热区处或刚好低于所述加热区；
用于确定所述牵拉装置施加于所述丝束的力的系统；以及
用于基于所述丝束的重量和长度来确定所述丝束的重量的系统。
19.如权利要求18所述的设备，其中所述用于确定牵拉装置施加于所述丝束的力的系统包括用于测量施加于所述牵拉装置的电动机的电压的伏特计，其中可以将所述电压与所述牵拉装置施加于所述丝束的力建立相关性。
20.如权利要求18所述的设备，其中所述用于确定所述牵拉装置施加于所述丝束的力的系统包括安装于所述牵拉装置的一个或多个荷重元件。
21.如权利要求18所述的设备，其中所述牵拉装置包括卡在所述丝束上并垂直移动的握持装置。
22.如权利要求18所述的设备，其中用于确定所述丝束的重量的系统包括摄像视觉系统、激光器系统或确定所述丝束端部的垂直位置的机械装置。
23.如权利要求18所述的方法，其中所述用于确定所述丝束的重量的系统包括用于测量所述丝束的速度并基于所述丝束的所述速度来确定所述丝束的长度的系统。
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