CN109828334B - 一种全自动化熔接机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动化熔接机，所述熔接机包括切割系统、光纤熔接系统、龙门架以及多维度移动平台，所述龙门架固定在所述多维度移动平台的一侧边，所述光纤熔接系统上端与所述龙门架活动连接，下端固定在所述多维移动平台上；所述切割系统固定装设在所述多维度移动平台上，所述切割系统用于切割光纤，所述光纤熔接系统用于对切割后光纤按照设定要求熔接在一起；所述多维度移动平台用于改变切割方向，实现不同的切割要求；其中，所述光纤熔接系统包括光纤旋转系统、光纤熔接电极针和光纤成像系统；所述切割系统包括热剥装置和切割装置；本发明能够实现对光纤的全自动切割和熔接操作，有利于光纤熔接效率的提升。

Description

一种全自动化熔接机

技术领域

本发明属于超声波熔接机技术技术领域，具体涉及一种全自动化熔接机。

背景技术

光纤通信技术是指以光纤为传输介质的通信方式，因其传输间隔远、信息容量大、通信品质高等特点在当今信息传输范畴发挥着重要作用，是“信息高速公路”的基石。光传输技术是指利用全反射原理让光在玻璃制成的纤维中传导。它作为光电信号传递的重要介质，在通信领域被广泛使用，对于推动航天事业、装备制造、电子信息的发展发挥着重要的作用。通常情况下，制备光纤的步骤中，要进行的必要步骤是在裸光纤添加预涂覆层进行保护。涂覆层的作用是隔离外界潮湿、添加光纤的机械强度、防止外力造成的光纤弯曲损耗，延长了光纤的使用时长。在进行光纤熔接时，就需要在不侵害纤芯内部构造的前提上，先剥除一段固定长度外层的护套以及内层的涂覆层，使光纤裸露于外侧，以便于光纤端子的制备和光纤纤芯的熔接。

现有技术进行光纤涂覆层剥离时，大多使用人工光纤剥线钳剥离光纤，此种剥离方式容易破坏光纤内部构造，使光纤表面划伤、纤芯断裂，缩短了光链路的传输间隔而且传输精确度差，效率低、剥离尺寸有限，对于长距离的光纤涂覆层剥离，显得极为困难；与此同时，人工剥离光纤难以实现不同微细光纤切割长度的控制；传统斜角光纤的切割是在显微镜下进行操作；操作者以熟练技巧掌握好切割工具，调整非保持光纤与切割工具所需的最佳角度，在显微镜下对准，再进行切割，以保证各种探测器所需的光纤斜角度，这种方法的操作成本过高，且切割的精度较低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中光纤剥离容易划伤光纤、效率低，以及光纤切割成本高、切割精度低的问题，提供一种全自动化熔接机；具体技术方案如下：

一种全自动化熔接机，所述熔接机包括切割系统、光纤熔接系统、龙门架以及多维度移动平台，所述龙门架固定在所述多维度移动平台的一侧边，所述光纤熔接系统上端与所述龙门架活动连接，下端固定在所述多维移动平台上；所述切割系统固定装设在所述多维度移动平台上，所述切割系统用于切割光纤，所述光纤熔接系统用于对切割后光纤按照设定要求熔接在一起；所述多维度移动平台用于改变切割方向，实现不同的切割要求；其中：

所述光纤熔接系统包括光纤旋转系统、光纤熔接电极针和光纤成像系统，所述光纤成像系统活动连接于所述龙门架上，用于采集光纤在切割和熔接过程的图像信息；且所述光纤熔接电极针设置在所述光纤成像系统正下方，用于熔接光纤；所述光纤旋转系统设置在所述光纤成像系统两侧，用于调整光纤的熔接方向；

所述切割系统包括热剥装置和切割装置，所述热剥装置与所述光纤成像系统设置在同一水平面上，且固定安装在所述切割装置的一侧，所述切割装置用于切割光纤，所述热剥装置用于剥离光纤的涂覆层。

与现有技术相比，本发明的全自动化熔接机的有益效果为：本发明可以实现光纤的自动切割和热剥操作，同时通过结合光纤成像系统可提升在切割过程中对光纤的监控操作，实时掌握切割工作的进程，以此提升切割的精度；保证切割的顺利进行；而全自动的切割和熔接操作，可有效提升光纤的熔接效率。

附图说明

图1为本发明实施例中所述全自动化熔接机的结构图示意；

图2为本发明实施例中所述光纤熔接系统的结构图示意；

图3为本发明实施例中所述光纤熔接电极针的结构装置图示意；

图4为本发明实施例中所述光纤成像系统的结构图示意；

图5为本发明实施例中所述切割系统的结构组成图示意；

图6为本发明实施例中所述多维度移动平台的结构图试音；

图7为本发明实施例中用于调节三棱镜的平台高度调节装置图示意

标识说明：1-光纤熔接系统、2-光纤旋转系统、3-光纤熔接电极针、4-光纤成像系统、5-切割装置、6-热剥装置、7-多维度移动平台、8-龙门架。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参阅图1，在本发明实施例中，提供了一种全自动化熔接机，所述熔接机包括光纤熔接系统1、切割系统、龙门架8以及多维度移动平台7，龙门架8固定在多维度移动平台7的一侧边，光纤熔接系统1上端与龙门架8活动连接，下端固定在多维移动平台7上；切割系统固定装设在多维度移动平台7上，切割系统用于切割光纤，光纤熔接系统1用于对切割后光纤按照设定要求熔接在一起；多维度移动平台7用于改变切割方向，实现不同的切割要求；其中，光纤熔接系统1包括光纤旋转系统2、光纤熔接电极针3和光纤成像系统4，光纤成像系统4活动连接于龙门架8上，用于采集光纤在切割和熔接过程的图像信息；且光纤熔接电极针3设置在光纤成像系统4正下方，用于熔接光纤；光纤旋转系统2设置在光纤成像系统4两侧，用于调整光纤的熔接方向；切割系统包括切割装置5和热剥装置6，热剥装置6与光纤成像系统4设置在同一水平面上，且固定安装在切割装置5的一侧，切割装置5用于切割光纤，热剥装置6用于剥离光纤的涂覆层。

参阅图2，在本发明实施例中，以东方马达PKP523N12A-L 型5相步进电机驱动作为主要动力源对光纤旋转系统进行详细说明，由于整个熔接机用于光纤的熔接，而光纤尺寸较小，因此本发明中光纤旋转系统采用了蜗轮与蜗杆组合装置进行传动，电机驱动带动末尾处的轮毅进行转动，从而与旁侧的大齿轮形成齿轮结构，大齿轮的转动带动了蜗杆的转动，使咬合紧密的蜗轮进行转动从而调节了旋转夹具的角度。这样可是使得两轴线交错为90°，蜗杆为主动件，蜗轮为从动件，使旋转运动成为一个减速运动，角度的调节更加细腻精确稳定平滑。优选的，本发明的光纤旋转系统具有紧凑，传动平稳、噪声低等优点，最重要的是，它使得本装置可以在两个维度之间进行传动，提高了装置的空间利用效率，节省了体积。另外，光纤旋转装置采用270°大角度蜗轮设计，使光纤的调节角度范围提升。双加盖保证光纤的平行状态，盖内嵌有探灯，在盖紧时使光纤内有光路确保在光纤溶解耦合过程中光路的一一对应，保证准确率。装置为蜗轮设置的滑动槽，克服了重力对于旋转同心度的影响，使得旋转夹具始终围绕光纤的中心进行旋转。本装置的第三亮点为它的多功能多芯茎光纤应用性：众所周知，在多模光纤中，芯的直径是50μm和62.5μm两种， 大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为8μm~10μm，常用的是9/125μm。在工程学中多功能性能够提高装置的利用率与有效性，本装置同时满足了多种芯茎光纤的旋转夹持装载需要。针对不同芯茎的光纤，可以通过可更换可拆卸的不同规格的对应铣块进行夹持，这样就大大增加了装置的实用性，提高了资源的利用效率，并且一一对应的铣沟也保证了对光纤的适配性。

参阅图3，在本发明实施例中，光纤熔接电极针采用三电极放电设计，具体的，三电极放电设计利用三相位不同相驱动波形两两驱动高压包，通过及时转换正负放电方向进行换相放电。如此循环，当频率高达一定程度时，会达到击穿空气的效果，击穿空气后会产生一个瞬间的电弧即产生三角形电弧。三角形电弧与双电极电弧有着不同的结构，三电极电弧可产生更加均匀可控的热场。电弧会产生高温，将已经对准的两条光纤的前端融化，由于光纤是二氧化硅材质，很容易达到熔融状态的，然后两条光纤稍微向前推进，于是两条光纤就粘在一起了，实现光纤的快速熔接操作。

优选的，可利用并联实现3n（n=1、2、3.......电极放电）实现光纤熔接电极针对光纤的熔接操作。

参阅图4，在本发明实施例中，光纤成像系统通过设置的光源系统来实现对光纤的图像信息采集，具体的，光源系统分为两部分，第一部分是用于x，y，z方向上的三维校准的LED光源。第二部分是用于截面对准的LED光源。双加盖保证光纤的平行状态，盖内嵌有探灯，在盖紧时使光纤内有光路确保在光纤溶解耦合过程中光路的一一对应，保证准确率。

在本发明实施例中，采用LED光源与传统光源相比，具备如下优点：

①使用寿命长，使用寿命可达100000小时；

②无热辐射；采用半导体发光，环保无污染；

③能耗低，待机时的电力消耗几乎为零；

为了保证采集得到的光纤图像信息准确，在采集过程中还包括平面校准和轴面校准，其中：

平面校准

当LED灯提供光源使两根待熔接的光纤通过透镜在光学镜头CMOS上成像后，摄像头读取视频流，将视频传至Microblaze处理器，并在显示屏上显示出来。图像用FPGA进行灰度化、平滑等数字图像处理，处理后的图像进行直线检测，进而判断光纤的轮廓是否对齐。根据判断的信息来FPGA向32单片机发送相应的指令，32单片机得到相应的指令后，进而控制电机驱动模块，进行XYZ方向上的校准；FPGA经过数字图像处理判断XYZ方向上是否均以校准完毕。

轴面校准：

通过图像处理算法，调节三维微纳移动装置基台后，光纤在沿着纵向平面方向已经对齐，此时通过算法控制电机驱动，使反射棱镜平台上升至指定高度，通过棱镜反射优化光路使两端光纤轴面信道对齐情况成像于上端摄像头。将摄像头所采集的信息图像存储至MAT对象，将此信息图像转化为灰度图，并进行高斯模糊，将输出图像进行霍夫圆检测，同时建立3float容器circles对象，用于储存霍夫圆检测所获得的信道圆心位置坐标及其半径大小。将其圆心位置坐标输入轴面对齐坐标算法，与预设位置进行比较，算法将输出其与预设坐标的相对位置，并传输信息给下位机STM32单片机，控制单片机对五相步进电机进行相应转动操作，以达到调节光纤信道位置的作用。循环执行以上操作，进行实时图像处理与光纤轴面位置调。

在本发明实施例中，由于光纤具有用紫外光固化、由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙等组成的一层弹性涂料，俗称涂覆层，从而使切割不便，基于此，本发明通过对涂覆层通过热剥装置剥除的方式来增加切割的便利性；具体的，参阅图5，本发明通过将热剥装置和切割装置结合的方式解决此问题；其中，在热剥槽下加入星河电子X9-J3030加热装置，并且内置测温电阻，对光纤进行加热，由于光纤涂覆层的热膨胀因子系数远远高于内部，使得光纤的涂覆层能够干净快速的被剥除，并且没有任何划痕。此时凸轮传动运动过来的切割刀片更易将其完整按照要求进行切割；切割装置采用东方马达PKP523N12A-L 型5相步进机作为动力源，控制系统中电机的选用，通常选用步进电机和交流伺服电机作为驱动电机。如若选用伺服电机作为驱动，由于拉锥平台对于精度要求比较高，所以选用的伺服电机需要有较大的编码器线数来得到较小的步进角，与此同时需要较高的驱动器脉冲频率，此种方案虽说相对步进电机具有响应快、平稳性好、精度高的优点，但是对其进行控制的方法更为复杂、花费更多；虽然步进电机的驱动系统常用于开环控制，但是在具有高精度需求的情况下可以采用闭环控制系统，可靠性得到保障，配备减速器适合于高精度的场合，可以组建结构相对比较简单而且花费较少，所以拉伸运动驱动装置选用步进电机的驱动系统。运用凸轮结构带动切割刀片进行线性运动从而完成光纤的切割,只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便。切割刀片均为日本进口刀片，切割角度选定后，由凸轮结构带动刀片进行切割，切割后无毛刺，光纤切面干净平整。

参阅图6，在本发明实施例中，多维度位移平台主要以X,Y,Z三标准立体坐标轴方向为本装置的整体移动方向。其中以5相步进电机为主动模块，优选的，在本实施例中，通过MISUMI MCSSC20-4-5型联轴器与TBI公司生产的SFKR00601-DFC7-150-P0型优质滚珠丝杆进行连接，再通过丝杆的被动传动使移动平台在MISUMI公司生产的SEBWL9G-100和SEB8G-40型号直线导轨上进行移动，从而使整体装置完成空间坐标的移动与转换。本装置采用东方马达PKP523N12A-L 型5相步进机，安装尺寸为28mm，其励磁最大静止扭矩0.052N・m,转子转动惯量J为9×10^-7kg・m^2，基本步距角为0.72°。整个三维调节维纳移动装置基台具有滑动平稳，可调节最小长度均匀细密等特点，极其符合本机械结构对于整体空间坐标移动的高精密度要求。

参阅图7，在本发明实施例中，为了保证光纤成像系统得到的图像质量，本发明使用三棱镜反射光纤内部光线的原理（热剥器夹盖内藏有探灯，待夹盖盖紧后探灯亮起），使得光纤内的光线可以由三棱镜反射至位于焦点上方的图像处理摄像头中，以此达到观察光纤截面的待熔接角度状态的目的。由于对三棱镜有高度升降的要求，因此本装置采用由东方马达PKP523N12A-L 型5相步进机作为动力源，通过与之配套的联轴器带动直径为5mm的丝杆进行旋转，传动螺杆的好坏对于拉锥速度、定位精度、配合间隙有很大的影响，因为小导程螺杆具有传动效率高、平稳性好及分辨率高的特点，所以本结构选用螺距为 2mm 的双向滚珠螺杆。滑动导轨的好坏对于承载能力大小及拉伸运动平稳性的好坏具有很大影响。从而使得三棱镜的高度按照相关要求进行升降。三棱镜的角度也可以根据实际需要进行调整，通过采取配套的精密螺纹副，调节精密螺纹副的进出，使得三棱镜得以被推动，从而使三棱镜的角度得以调整。

综上可知，本发明提供的全自动熔接机的工作原理为：首先把调好的光纤放到切割装置上，此时探灯亮起，使得光纤内部的光路被照亮，通过平台高度调节装置调整三棱镜的高度，使得光纤内的光通过三棱镜的反射使其截面的图像反射到上方的光纤成像系统内，通过摄像头的分析与控制旋转夹具的旋转，使得光纤达到一个适合耦合的角度，紧接着位于两光纤前方的摄像头开始采集图像，然后分析两光线是否共线，同心，再通过三维维纳平台装置调节两根光纤的空间坐标，从而使两根光纤调整到合适的空间位置，最后由三维维纳调节平台装置使得两根光纤接近，藤仓放电电极进行放电，使两根光纤完成耦合。

对于有切割需求的光纤，我们先将光纤放入热剥器的沟道内，用夹盖夹紧，同时用三维维纳调节平台装置牵引光纤，加热装置正常工作，使得光纤热膨胀，通过热剥器使得涂敷层被剥下，此时再驱动电机使凸轮结构运作，驱使切割刀片对光纤进行切割

与现有技术相比，本发明的全自动化熔接机的有益效果为：本发明可以实现光纤的自动切割和热剥操作，同时通过结合光纤成像系统可提升在切割过程中对光纤的监控操作，实时掌握切割工作的进程，以此提升切割的精度；保证切割的顺利进行；而全自动的切割和熔接操作，可有效提升光纤的熔接效率。

以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (1)

1.一种全自动化熔接机，其特征在于，所述熔接机包括切割系统、光纤熔接系统、龙门架以及多维度移动平台，所述龙门架固定在所述多维度移动平台的一侧边，所述光纤熔接系统上端与所述龙门架活动连接，下端固定在所述多维度移动平台上；所述切割系统固定装设在所述多维度移动平台上，所述切割系统用于切割光纤，所述光纤熔接系统用于对切割后光纤按照设定要求熔接在一起；所述多维度移动平台用于改变切割方向，实现不同的切割要求；其中：

所述光纤熔接系统包括光纤旋转系统、光纤熔接电极针和光纤成像系统，所述光纤成像系统活动连接于所述龙门架上，用于采集光纤在切割和熔接过程的图像信息；且所述光纤熔接电极针设置在所述光纤成像系统正下方，用于熔接光纤；所述光纤旋转系统设置在所述光纤成像系统两侧，用于调整光纤的熔接方向；

所述切割系统包括热剥装置和切割装置，所述热剥装置与所述光纤成像系统设置在同一水平面上，且固定安装在所述切割装置的一侧，所述切割装置用于切割光纤，所述热剥装置用于剥离光纤的涂覆层；

光纤熔接电极针采用三电极放电设计，为了保证采集得到的光纤图像信息准确，在采集过程中还包括平面校准和轴面校准，其中：

平面校准

当LED灯提供光源使两根待熔接的光纤通过透镜在光学镜头CMOS上成像后，摄像头读取视频流，将视频传至Microblaze处理器，并在显示屏上显示出来，图像用FPGA进行灰度化、平滑等数字图像处理，处理后的图像进行直线检测，进而判断光纤的轮廓是否对齐，FPGA根据判断的信息来向STM32单片机发送相应的指令，STM32单片机得到相应的指令后，进而控制电机驱动模块，进行XYZ方向上的校准；FPGA经过数字图像处理判断XYZ方向上是否均以校准完毕；

轴面校准：

通过图像处理算法，调节三维微纳移动装置基台后，光纤在沿着纵向平面方向已经对齐，此时通过算法控制电机驱动，使反射棱镜平台上升至指定高度，通过棱镜反射优化光路使两端光纤轴面信道对齐情况成像于上端摄像头，将摄像头所采集的信息图像存储至MAT对象，将此信息图像转化为灰度图，并进行高斯模糊，将输出图像进行霍夫圆检测，同时建立3float容器circles对象，用于储存霍夫圆检测所获得的信道圆心位置坐标及其半径大小，将其圆心位置坐标输入轴面对齐坐标算法，与预设位置进行比较，算法将输出其与预设坐标的相对位置，并传输信息给下位机STM32单片机，控制单片机对五相步进电机进行相应转动操作，以达到调节光纤信道位置的作用，循环执行以上操作，进行实时图像处理与光纤轴面位置调。