CN1332693A - 提供通向卷绕着的光纤的内端的入口的光纤卷轴 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种光纤运输卷轴(22)、卷绕系统和用于将光纤易接近的引导计量部分自动卷绕到卷轴(22)上的方法。该卷轴包括藉由外侧凸缘(26)而分离的主筒和引导计量筒(24,28)。外侧凸缘(26)具有延伸至其外围的槽(32),该槽(32)提供引导计量筒与主筒之间的纤维通路,该槽(32)具有面向引导计量筒(28)的入口和面向主筒(24)的出口。该槽(32)倾斜成:当正卷绕到引导计量筒(28)上的纤维触及槽入口时,纤维被自动拉入到槽(32)中,而后藉由槽(32)引入到主筒(24)上。另一方面,本发明还揭示了具有形成在卷轴的凸缘(26D)上的多个曲线形相交肋(90)的高强度肋结构。

Description

提供通向卷绕着的光纤的内端的入口的光纤卷轴
本申请要求1998年12月30提交的美国临时申请60/114,516号和1999年1月12日提交的美国临时申请60/115,540号的利益。
发明背景
发明领域
本发明总的涉及光纤制造中的改进，更具体地，涉及一种用于提供通向卷绕在卷轴上的光纤的内层(under-wrap)入口的系统和方法的有利方面。
现有技术的描述
在制造过程的末尾，通常将光纤卷绕到一运输卷轴上，用以进行内部加工、输送给客户、以及在客户的工厂进行在后加工。为了能对纤维的整个长度进行诸如衰减之类的各种特性的测试，必须提供通向卷绕着的纤维的两个末端的入口。此外，为了能从任一末端上提取纤维样本来进行其它的光学和几何学测量，也同样须要具有通向纤维的两个末端的入口。
要获得通向纤维外端的入口是没有问题的。可按需简单地将来自该端的纤维自卷轴退绕。另一方面，由于纤维内端位于可能由卷绕在运输卷轴上的数百层纤维所构成的纤维卷之下，因此要提供通向纤维内端、也称之为“内层”的入口须要进行特殊的适应性调节。将“引导计量部分(lead meter)”连接在容易接近的内层。
目前已知的一种用于形成通向内层的入口的方法是一种低效且费时的人工处理过程，这在下文中将结合图1A—C进行描述。因此，须要一种易于提供通向光纤内层的入口的系统和方法。
发明概述
本发明提供了一种例如允许将光纤易接近的引导计量部分自动卷绕到卷轴上的运输卷轴和卷绕系统。一方面，本发明提供了一种包括籍由外侧凸缘而彼此分离的主筒部分和引导计量筒部分的卷轴；该外侧凸缘具有延伸至其外围的槽。该槽提供引导计量筒部分与主筒部分之间的纤维通路，该槽具有径向引导计量筒部分的入口和面向主筒部分的出口。该槽倾斜成：当正卷绕到引导计量筒部分上的纤维触及槽入口时，由于槽是倾斜的，因而纤维被拉入到该槽中，而后籍由该槽引入到主筒部分上。
另一方面，本发明包括具有一包含有多个曲线形相交肋的凸缘的光纤卷轴。较佳地，多个曲线形相交肋构成至少一排沿圆周方向延伸的、可显著加固卷轴的菱形加固部分。该卷轴还可具有一圆周肋和/或多个径向延伸的、加固用的肋。这些相交的倾曲线形肋还可与上述倾斜槽结合使用，以便提供一种高强度的光纤卷轴，其中纤维的引导计量部分和大量部分可籍由自动加工设备在卷绕完其中一部分后卷绕另一部分。
通过参阅下文中的详细描述和附图之后，本发明的其它特点和优点将变得一目了然。
附图简介
图1A和1B分别示出了现有技术中的一种运输卷轴的仰视图和侧视图。
图1C示出了图1A和1B所示的运输卷轴中的引导计量孔的特写图。
图2A和2B分别示出了本发明运输卷轴的第一实施例的仰视图和侧视图。
图2C示出了图2A和2B所示的运输卷轴中的外侧凸缘槽的特写图。
图3A—E示出了本发明运输卷轴在卷绕过程中的不同时刻的侧视图。
图4示出了外侧凸缘槽在纤维已完全从引导计量筒横穿至主筒时的特写图。
图5A—C示出了本发明运输卷轴的仰视图，其中示出了卷轴的各种操作参数。
图5D是组合的侧仰视图，其中还示出了“槽夹角”参数。
图6是本发明运输卷轴的一种平面状凸缘的实施例的侧视图。
图7A和7B分别示出了本发明一种“恒速”外侧凸缘槽的侧视图和仰视立体图。
图8A和8B分别示出了本发明一种“可控制加速度”的外侧凸缘槽的侧视图和仰视立体图。
图9A—C分别示出了本发明一种“延迟进入”的外侧凸缘槽的侧视图、仰视立体图和仰视图。
图10A和10B分别示出了本发明运输卷轴的侧视图和仰视图，其中光纤的引导计量端已由卡齿(snagger tooth)所截获。
图11示出了具有另一种肋结构的外侧凸缘的仰视图。
图12A和12B分别示出了本发明的一种具有抗横动轮廓的运输卷轴的侧视图和仰视图。
详述
在一种制造光纤的方法中，在加工的“拉伸”阶段，在拉伸塔中从一预制品中拉出纤维，然后将该纤维卷绕到一含有400公里那么多的光纤的大卷轴上。在加工的“筛选”阶段，使大卷轴“离线”，即，使其与拉伸塔的纤维输出相分离，接着将其放置到一离线筛选(OLS)机上。在那里将测试光纤的强度，并将该光纤卷绕到一运输卷轴上，接着又将其切割成用于进一步加工和运输的长度。典型地，在拉伸阶段，当光纤籍由一沿着大卷轴的长度来回地与卷轴并排行进的飞行头送入到该大卷轴上时，通过使该卷轴高速旋转而将光纤卷绕到大卷轴上。另一方面，在筛选阶段中可采用另一种卷绕技术，其中当将纤维送入到运输卷轴上时，通过使该卷轴高速旋转、并使该卷轴沿着其纵轴来回移动而将光纤卷绕到该运输卷轴上。然而，从以下叙述中应意识到的是，本发明适用于任一种类型的卷绕装置。
图1A和1B分别示出了一种现有技术中的光纤运输卷轴10的俯视图和侧视图。如图1B所示，该卷轴10包括一圆柱形主筒12以及第一和第二凸缘14和15，其中光纤环绕该圆柱形主筒进行卷绕，而第一和第二凸缘则限定了卷绕到主筒上的纤维的外侧界限。另外，该运输卷轴10包括一体地形成在第一凸缘14中的一内凹的圆柱形引导计量筒16(比例放大后进行绘制的)。该引导计量筒16包括引导计量凸缘部分18。最后，在第一凸缘14中设有引导计量孔20，从而提供了用于将光纤送入到引导计量筒16与主筒12之间的通路。图1C示出了第一凸缘14中的引导计量孔的特写图。
下面将描述是如何在图1A—C中所示的运输卷轴上提供内层入口的。首先，将绕有纤维的大卷轴装载到OLS机的释放侧上，然后将图1A—C所示类型的一空的运输卷轴装载到OLS机的接收侧上。第二步，从大卷轴上解开纤维的末端，然后使其穿过OLS机上的滑轮后至运输卷轴。第三步，使该纤维末端从运输卷轴的第一凸缘14的内侧穿过引导计量孔20。使足以环绕引导计量筒二十圈的、长度接近五一十米的纤维通过引导计量孔20，然后将它们人工(用手)卷绕到引导计量筒16上。一旦引导计量筒16卷绕完毕，则系住该末端，并起动OLS机，于是光纤就自动卷绕到位于运输卷轴10的第一和第二凸缘14与15之间的主筒12上，直到卷绕预定长度的纤维为止，然后再将另一个末端也系住。
卷绕到引导计量筒上的、五一十米长的纤维提供足量的纤维，以供下列测量之用，例如：(1)用于双端光学时间范畴反射计(0TDR)测量的光学通路，(2)采样以检查其它的光学和几何学特性，以及(3)该纤维供客户使用，用以进行附加的光学测量。
上述工艺存在着许多缺点。首先，该工艺、尤其是穿线并人工卷绕到引导计量筒上，是费时且繁琐的。此外，引导计量部分须要进入到一个狭窄的内凹区域中。而且，由于引导计量部分是穿线和人工卷绕的，因此必须使卷绕机停止运行，而在每次卷绕卷轴时再起动。因此，现有技术中的卷轴不易于使其全自动地进行卷绕。
除此之外，在一种典型的现有系统中，控制光纤在引导计量筒上的张力俨然成了一个问题。由于引导计量筒是人工卷绕的，因此引导计量部分的张力是凭感觉来控制的。因而在纤维中会产生不恰当的张力，从而不得不重新卷绕。而且，控制纤维通过引导计量孔时的张力也是一个问题。
本发明提供了一种有利的卷绕系统，它通过使光纤自动地卷绕到一种特别设计的运输卷轴的引导计量筒和主筒上来克服现有技术中的这些不足。图2A和2B分别示出了本发明的一种运输卷轴22的第一实施例的侧视图和仰视图。如图2A所示，卷轴22包括主筒24，光纤环绕该主筒进行卷绕。外侧和内侧凸缘26和27限定了卷绕在主筒24上的外侧界限。在该实施例中，这些凸缘上设有肋，以便轻巧的同时又具有一定强度。图11(在下文中将作描述)示出了一种可有利地使用在本发明中的肋图案的另一种实施例。
图2A和2B中所示的卷轴22还包括引导计量筒28，光纤的引导计量部分环绕该筒进行卷绕。不同于上述现有技术中的运输卷轴10的引导计量筒16的是，本发明的引导计量筒28不是内凹的，而是自外侧凸缘26轴向凸出。而且，本发明的引导计量筒28的宽度略大于现有技术中对应部分的宽度。引导计量筒28籍由外侧凸缘26而与主筒24相分离。外侧凸缘26和引导计量凸缘30限定了引导计量筒28的外侧界限。从图2A和2B中可清楚地看到，引导计量筒28和引导计量凸缘30沿着相同的纵轴放置，即与主筒24以及内侧和外侧凸缘26和27是同轴设置的。
图2A和2B中所示的运输卷轴在外侧凸缘26上具有槽32。该槽以小于90度的角度倾斜，更佳地，该槽以小于45度的角度倾斜。最佳地，该槽相对于凸缘的内侧表面90倾斜大约20度。该槽32为光纤提供了引导计量筒28与主筒24之间的通路。该槽32取代了上述现有技术中的卷轴中所发现的引导计量孔。它较佳地自主筒24和引导计量筒28的表面延伸至外侧凸缘26的外周。在该较佳实施例中，卷轴是由塑料注模而成的，其中在模制过程中，将槽32一体地模制在外侧凸缘26之中。
如下文中详细描述的那样，槽的几何图形被设计成：在纤维已卷绕到引导计量筒28上、且与槽32相接触之后，该纤维能加速横穿该槽并卷绕到主筒24上，并且在整个卷绕过程中没有任何中断。该槽被设计成：由于纤维是自引导计量筒横穿至主筒的，因此外侧凸缘26变成光纤可穿透的。换句话说，槽32起到用于将纤维从外侧凸缘26的一侧加速至另一侧的凸轮的作用，从而提供通向已卷绕在引导计量筒28上的内层的一单独部分的一完整的入口。这样就无需现有技术中所采用的人工穿线和引导计量卷绕过程。
图2C示出了外侧凸缘26中的槽32的放大图。如上所述，槽32将纤维从槽的入口侧34、即从引导计量筒28的方向朝着槽的出口侧36、即朝着主筒24的方向加速。该槽32是由两个相对表面、即导入表面38和工作表面40所限定的。如图示实施例中所示的，导入表面38和工作表面40最好彼此是不平行的。于是，槽的入口侧34要大于出口侧36。这种变窄可将未支承在凸缘的内表面上的纤维减至最少。较佳地，从凸缘的内侧表面90进行测量，导入表面38倾斜大约15度的角θ1。再次从内侧表面90进行测量，工作表面40倾斜大约20度的角θ2。
正如其名称所暗示的那样，导入表面38以一种可将张力峰值(spike)减至最小的可控方式将光纤以卷绕速度引入到槽32中。如图2A所示，该导入表面38可具有便于其导入功能的锥形部分42。类似地，正如其名称所暗示的那样，工作表面40使纤维侧向加速通过槽。如下文中详细描述的那样，运输卷轴的旋转使得光纤顶着工作表面40推进，从而促使加速。
参阅了图3A—F之后能更好地理解本发明的卷轴22的运行，其中图3A—F示出了处于卷绕过程的不同阶段上的运输卷轴22。出于图示的目的，这些图中的引导计量筒28要比正常宽度画得更宽些。
通过将空卷轴安装到一可旋转的芯轴组件上、并使光纤44的末端固定于引导计量筒28接近引导计量凸缘30，从而启动卷绕过程。在OLS过程中，这可通过将纤维44的末端人工系在引导计量筒28上来实现。一旦纤维44的末端连接在引导计量筒28上，卷轴22就旋转，并且纤维44开始卷绕到引导计量筒28上。
图3A示出了卷轴22处于将光纤44的引导计量段卷绕到引导计量筒28上的中间阶段时的侧视图。如图所示，引导计量筒28位于卷轴22的底部。这里所采用的术语“侧向”和“底部”仅仅是作图示用的，要意识到的是，卷轴可以任何适用的取向来进行卷绕，较佳地，卷轴的轴线呈水平状。光纤44籍由飞行头组件46被送入到卷轴。当纤维44卷绕到引导计量筒28上时，飞行头46以根据卷轴22的直径、纤维44的宽度和卷轴22的转速所计算得到的速度向上移动，这样卷轴22的旋转与飞行头46的移动相结合可使光纤44以均匀的螺线形卷绕到引导计量筒28和主筒24上，其中螺旋线中的每一行紧挨着前一行。介于螺旋线中连续的行之间的距离称之为卷绕“螺距”，它可通过改变飞行头46相对于旋转着的卷轴22向上或向下(或前后，这取决于卷绕取向)移动的速度进行调节的。在卷绕过程的此阶段中，由于飞行头46的速度与纤维的横贯速度、即光纤44的螺线形沿着引导计量筒28的长度前进的速度大致相等，因而纤维44相对于飞行头46的角度基本保持平直，即接近180度。
光纤44继续卷绕到引导计量筒28上，直到如图3B所示，飞行头46前进至光纤44触及外侧凸缘26的位置。此时，引导计量筒28已全部绕有光纤44。
飞行头46继续向上移动，只是由于卷绕到引导计量筒28上的纤维44的螺线形前进被外侧凸缘26而暂时被阻挡，因而使纤维的横贯速度停滞。于是，如图3C所示，飞行头46继续前进，只是由于外侧凸缘26的存在而使卷绕到引导计量筒28上的纤维44现在落后于飞行头46。
由于飞行头46横移超出外侧凸缘26的表面，因此纤维44顶着槽的导入表面38的锥形导入部分42推进。导入部分42的长度和锥度均必须足以使纤维42不会“滑越过”槽32。槽32的工作表面40、即与导入表面38相对的槽的表面被构成为：使纤维44加速通过槽32至外侧凸缘26的另一侧，而不会给纤维的张力和涂层造成令人难以接受的影响。下文中将进一步介绍槽的其它几何图形。
在图3D中，光纤44已加速通过槽32，并卷绕到主筒24上。由于实质上起到凸轮作用的槽32使纤维44加速，因而卷绕到卷轴22上的纤维44此时引导继续向上恒速移动的飞行头46。由于飞行头46此时落后于卷绕到主筒24上的纤维44，因此纤维44现在开始聚积于外侧凸缘26的槽出口侧。
如图3E所示，纤维44继续聚积，直到飞行头46“赶上”纤维44为止。此时，启动标准卷绕过程，其中飞行头46在外侧凸缘26与内侧凸缘27之间来回移动。由于槽32的角度和几何图形的缘故，一旦标准卷绕开始，光纤44就不会被拉回到槽32中。
图4示出了槽32在过渡时刻、即纤维44已由槽32加速通过外侧凸缘26时的特写图。
要意识到的是，在纤维源固定、旋转卷轴22沿着其纵轴上下移动的情况中，槽32起到相同的作用。
综上所述，一旦光纤44连接到引导计量筒28上，纤维44的引导计量段就会自动卷绕到引导计量筒28上，直到光纤44触及外侧凸缘26为止，此时，纤维44被加速通过槽32，接着又卷绕到卷轴22的主筒24上。因此，可彻底消除现有技术中通常所需的，将二十圈的纤维人工卷绕到引导计量筒上，从而显著地提高制造过程的效率。此外，本系统还具有其它的优点，这在下文中将予以描述。
本发明的运输卷轴22具有多个操作参数，如图5A—E所示。图5A示出了本发明运输卷轴22的仰视图，其中出于图示的目的，已去除了引导计量凸缘。引导计量筒28较佳地覆有一层弹性、泡沫塑料或其它具有回弹力的衬垫材料48，以便防止纤维受损。在图5A中，纤维44刚好由紧挨着的锥形导入部分42拉至“槽入口点”50。正如其名称所暗示的那样，槽入口点50是纤维44实际进入槽、并开始其加速时所处的点。如图5A所示，该槽入口点50接近外侧凸缘26的圆周，但未与其邻接。
在图5B中，卷轴22继续旋转，光纤44现在已加速通过槽至“槽出口点”52，即纤维44离开槽32时所处的点。紧挨着槽出口点52的外侧凸缘26的区域包括“槽导出区域”54。如图5B所示，槽出口点52位于外侧凸缘26的圆周中的、较槽入口点50更深的一个点上。一旦纤维44离开了槽32和槽出口点52，则它就卷绕到卷轴的主筒上。
图5C示出了槽入口点与槽出口点之间的关系。如图5C所示，包含有槽入口点50的第一半径56和包含有槽出口点52的第二半径58形成了锐角54。该角54被称之为“槽夹角”。另外，所测得的、槽入口点60与槽出口点62之间的深度差被称之为“加速区域的深度”64。
图5D是组合的侧仰视图，它示出了槽32与槽夹角54之间的关系。此外，图5D示出了三个附加参数一引导计量筒直径66、外侧凸缘直径68和外侧凸缘厚度70。图中还示出了“槽压力角”72(θ2)，该角系由槽的工作表面与外侧凸缘所形成的角。如图5D所示，该槽压力角小于45度。
一个重要的操作参数是依次决定卷轴转速的纤维线速度。另一个操作参数是作为纤维卷绕螺距的函数的飞行头横动速度。对于凸缘，操作参数包括槽夹角(在下文中将作描述)和凸缘厚度。
转速、槽夹角和凸缘厚度决定了诸如横贯时间、速度、加速度和纤维张力中的变化之类的横贯作用(event)时间和纤维所有的运动及动力响应。飞行头横过凸缘时的速度和凸缘厚度决定了纤维冲击到槽入口边缘的可能性，并且还控制了当飞行头横向通过凸缘时纤维聚积的圈数和在凸缘内侧落后于纤维聚积的滞后。
槽32被设计成使纤维44只能单向横穿外侧凸缘26。倘若在标准卷绕期间，纤维44触及槽的出口侧36，则不会给纤维造成任何伤害，并且纤维44也不会被拉入到槽32之中。
已开发了槽32和外侧凸缘26的其它几种实施例。已开发了与平面状、即非锥形的外侧凸缘(如图6所示)一起使用的两种基本的槽构造。如图6所示，该外侧凸缘26具有矩形拐角74，并且其外表面76呈平面状。
第一种实施例即所谓的“恒速”槽，其中该槽的形式最为简单。图7A和7B中示出了这种槽，它们分别示出了一种具有外侧凸缘26a的多件式卷轴设计的侧视图和局部立体图，其中该外侧凸缘包含有一恒速槽32a。采用该多件式设计以测试各种槽构造。因此，虽然图中仅仅示出了凸缘的一段，但在实际执行中，该槽最好形成在类似于图2A中所示的一完整的圆形凸缘构件中。该槽32a的工作表面40a是切割通过卷轴的外侧凸缘26a的一简单的平表面。切口边缘处的半径用作为将纤维引导通过槽的表面。一旦纤维接合到槽32a中，该纤维被迅速加速至其最大速度，接着以该速度行进，直到其完全横穿外侧凸缘26a为止。在这种槽构造中，当纤维进入槽区域时，它被高度加速。这些高加速度会给纤维中的张力产生冲击，这样就会显著地削弱当纤维卷绕时对其的张力控制。然而，试验表明，由该实施例所引起的张力冲击和张力控制的损失是可接受的，因此，这种构造对于形成引导计量入口而言是可行的。
图8A和8B分别示出了一种具有外侧凸缘26b的多件式卷轴设计的侧视图和局部仰视立体图，其中该外侧凸缘26b包含有一“可控制加速度”的槽32b，其工作表明40b包括排列成“S”结构40b的两段抛物线。第一抛物线最初呈现了较图7A和7B中所示的恒速槽对纤维更为平缓的角度，从而减小了纤维在槽入口点处的加速度。与恒速槽相比，工作表面40b中的抛物线可延长纤维加速的持续时间。然而，虽然其持续时间被延长了，但却降低了加速幅度。相对于第一抛物线反向弯曲的第二抛物线使纤维在离开槽32b之前减速。将离开速度减至最小有助于保持对纤维的张力控制。
如上文中结合图3D和3E所述的那样，包含有本发明的系统会导致纤维44聚积在外侧凸缘26的主筒侧24上。这种聚积是由于槽32使纤维44以快于飞行头46向上移动的速度加速通过凸缘26的作用而引起的。由于卷绕到卷轴22上的光纤44在飞行头46“赶上”之前先到达外侧凸缘26的主筒侧24，因此在标准卷绕开始之前，已有数圈纤维44卷绕到外侧凸缘26处的主筒24上。
纤维聚积在外侧凸缘26处的主筒24上会导致：当纤维44的额外的层卷绕到主筒24上而位于聚积纤维的顶部时，该纤维44会略有些弯曲。这样在纤维堆积时就会形成回路(loop)。纤维的细微弯曲会引起由OTDR测试所检测的衰减损耗。接着卷绕在这些最初卷绕的纤维顶部的其后的若干纤维层往往会因使堆积的纤维上的压力增大而使问题恶化。倘若此类损耗超出一定程度，则须要在将这些纤维运送给客户之前重新进行卷绕。这种聚积所带来的另一个问题在于，纤维的堆积会进一步影响余下的纤维的卷绕质量。由于其后纤维层的堆积，因而会使这种聚积扩大。
解决这一问题的一种途经是以接近凸缘厚度、通常为3/8英寸的螺距来卷绕纤维。然而，由于机器加快了卷绕速度，因而以必需的螺距进行卷绕的能力就变得愈发困难。因此，已针对聚积问题开发了外侧凸缘26和槽32的其它的几何图形。
针对聚积问题的卷轴22的一种实施例即在外侧凸缘26上包含有一锥形部。图2B中示出了该锥形部78，这将在下文中予以描述。采用具有锥形外表面的外侧凸缘26可缓解该聚积问题。该锥形部78用于使纤维延迟进入到槽32中。于是，纤维聚积就会偏移至卷轴凸缘26的引导计量侧28。在聚积发生在卷轴外侧、即引导计量筒28上的情况下，由于纤维不会受到卷绕在其顶部的诸纤维层的压力，因而可缓解衰减问题。因此，较平面状、非锥形的凸缘而言，采用锥形凸缘是较佳的，可形成损耗最小的引导计量，并可简化设备的设计。
除了采用锥形凸缘设计之外，还可通过采用一种改进的槽设计来使聚积偏向引导计量筒。图9A—C分别示出了包含此类设计的外侧凸缘26c的侧视图、仰视立体图和仰视图。如图9A—C所示，已将槽的工作表面40c的一部分切除，以便形成偏斜表面80。该切除部分用于使槽接合点82更靠近主筒，从而使得飞行头46超出光纤44正常进入槽32c的位置前进若干圈。另外，由切除部分所形成的偏斜表面80用于使接近工作表面的光纤44偏斜，直到到达接合点82为止。倘若需要的话，该延迟进入槽可与锥形凸缘设计相结合。
也可采用其它的结构来解决纤维聚积在外侧凸缘的主筒侧上的问题。例如，可以利用机器控制来使飞行头在外侧横动点处的加速度和速度足以以大于25米/秒的速度形成小于两根纤维的最大聚积。用于减小此种聚积的机理还可通过额外地加强机器控制来实现。此外，还可在横动的同时采用一种低质量且高加速度的“辅助”装置，以便在凸缘的整个宽度上使最后一个滑轮、和纤维瞬间加速。或者，可籍由螺线管驱动的致动器来瞬间保持纤维，直到最后那个滑轮超出凸缘为止，然后再释放纤维。
在更为复杂的系统中，可根据旋转着的卷轴的径向位置来给纤维的横向移动定时，以使纤维进入槽中时不会与凸缘或槽表面相接触。这种技术虽然在低速运行时是简单可行的，但在高速运行时就会变得越来越困难。槽的尺寸(即宽度和角度)和设备的线速度决定了系统的需求。
在1998年3月16日提交的、且转让给本申请受让人的美国专利申请号09/042,489(要求于1997年3月25日所提交的临时申请号60/041,371的利益)中揭示了一种有利于与本发明相结合的自动拉伸卷绕机，在此整个地援引其内容和附图以作参考。所述自动拉伸卷绕机包括一拉伸机，其中在发生光纤断头之后，该纤维继续由一牵引器拉伸，并由一吸收器收集。在一系列运动控制程序之后，用于保持纤维中的张力的吸收器将纤维引入至接近卷轴凸缘的一卡齿。
可将本发明的卷轴与该自动拉伸卷绕机结合使用，以便构成一自动系统。在每次运输卷轴卷绕完毕后，机器可自动切断纤维，如上所述截获纤维末端后，再将其固定到卡齿上。图10A—B分别示出了具有已被卡齿截获的一伸出的纤维末端84的运输卷轴的侧视图和仰视图。
一旦纤维末端84被卡住，则光纤就如上所述地卷绕到引导计量筒28上，加速通过槽之后，又卷绕到主筒24上。当运输卷轴卷绕完毕后，割断纤维。接着，当一新的卷轴移入到卷绕位置时，利用吸收器来获取自由末端。
除上述优点之外，本系统还具有许多其它的优点。自引导计量筒至主筒的纤维入口的几何图形可减小现有技术中典型的卷轴和卷绕过程中所固有的、与细微弯曲的影响有关的损耗。在一种典型的现有系统中，当人工卷绕引导计量部分时，较小的引导计量孔和张力控制的缺乏常常会引起过度的细微弯曲。该细微弯曲接着又会从根本上引起将由OTDR测试所测得的一种衰减损耗—耦合损耗。目前，用于补救因细微弯曲而使OTDR“峰化(peak)”的这种无能的方法是退绕整个引导计量部分，并减轻弯曲应力。本发明开有槽的卷轴通过采用纤维从外侧凸缘的一侧至另一侧的逐步过渡、其中能显著地减小细微弯曲的危险、并且在卷绕引导计量部分时、在纤维上施加可控张力来缓解这个问题。
另外，本发明有利于自动去除引导计量部分。通过对卷绕机的控制进行编程，可在纤维通过卷轴的外侧凸缘内的槽之前，先将数层纤维堆积到引导计量筒上。这纯粹的效果是为了包绕和保持住第一层。这种卷绕模式可有利地与卡齿布局相结合，其中光纤84的末端自引导计量筒延伸至卡齿。这种结合有利于以两种方式来自动去除引导计量部分。一种是使纤维的引导计量端自引导计量筒伸出，以便利用自动设备来方便地定位。第二种是引导计量筒上的包绕保持住纤维，并能通过牵拉自由端、以使纤维脱离卡齿来简单地去除纤维。包绕可防止纤维在其末端被牵拉时散开。
本系统的另一个优点存在于纤维的现场安装过程中。对于纤维电缆(cabler)而言，标准的工艺是在纤维离开引导计量孔这一时刻割断纤维。这是为了防止当纤维加工完成时，在纤维通过引导计量孔的地方发生高张力断裂。许多电缆线路在卷轴用完之前不会自动停止。由于纤维可在槽外退绕并远离引导计量筒，因此其外部具有一体成形的引导计量筒的、具有开有槽的凸缘的卷轴无须割断纤维。此项技术具有两个好处。第一，它花费很少的时间来准备卷轴以进行加工。第二，不会因切割而给卷轴造成损害。
本发明所揭示的槽的又一个有利特点在于，不同于例如美国专利号4,696,438中所描述的其它现有技术中的槽的是，本发明中的槽可使卷绕而成的纤维卷的侧面最少地暴露给构件。槽倾斜地穿透到卷轴凸缘中有助于保护纤维卷。
另外，本发明中的槽技术还可使用在更为传统的“大卷轴”模式中。例如，上述1998年3月16日提交的美国专利申请号09/042,489(要求于1997年3月25日所提交的临时申请号60/041,371的利益)中揭示了一种自动拉伸卷绕机，其中利用卡截技术来截获用于卷绕到大卷轴上的光纤的一端。如本文中所述，该卡截技术使得“卡截端”停留在卷轴凸缘的内侧面上。由于多种原因，卡截端停留在卷轴凸缘的外侧面上也是有利的。采用本发明中所揭示的卷轴和卷绕系统可通过在卷轴凸缘的外侧面上截获卡截端、并利用上述凸缘中的槽来将纤维从凸缘外侧移动到凸缘内侧、以便进行卷绕来得以实现。
图11示出了一种外侧凸缘26d的仰视图，该外侧凸缘包含有一种可有利地用于实施本发明的肋图案。其中可包含有与图8b中所示的相同的槽32，以便在卷绕过程中，光纤可容易地从引导计量部分移动至主要部分。当然，要理解的是，该肋图案也可以不采用此类槽。如图11所示，外侧凸缘26d较佳地结合有三种类型的肋：径向肋86、圆周肋88和曲线形肋90，当然也可单独使用。径向肋86较佳地为等距离间隔的直线形肋，这些直线形肋自圆周肋88径向延伸至凸缘26d的外围，并朝着外围锥削。圆周肋88为圆形肋，它同时提供用于上述引导计量形成加工的功能表面、以及径向肋86与曲线形肋90之间的结构带。要理解的是，圆周肋88略高于曲线形肋90和径向肋86延伸，以便提供功能表面。尤其，径向肋86终止于邻近圆周肋88的一点上。
图11所示的曲线形肋90将凸缘硬度与高强度对重量之比结合在一起，并且还便于利用注模加工来进行制造。多个顺时针弯曲的曲线形肋90a与多个逆时针弯曲的曲线形肋90b相交，以形成一种纠缠加固结构。较佳地，曲线形肋90a、90b相交于多个点。更佳地，曲线形肋90a、90b相交于引导计量筒28，也相交于圆周肋88。径向延伸的肋86较佳地自交点89向外延伸。
由于如图11所示，曲线形肋90协作相交以形成至少第一和较佳地、第二排环绕凸缘的圆周延伸的菱形支承部分而提高了强度。肋90的曲线形形状、再加上用于形成菱形支承结构的斜交便于利用注模加工来进行模制。当然，较佳地是，同样也能在内侧凸缘上形成类似或者相同的加固结构，例如曲线形相交肋、圆周肋以及/或者径向肋。此外，虽然图11中仅仅示出了曲线形相交肋的一种类型，但还可采用其它多种弯曲形状。
图12A和12B示出了槽32的另一个重要特点。当无论出于何种原因、须要将纤维沿与原来的卷绕方向(由箭头A所示)的相反方向(由箭头B所示)重新卷绕到卷轴上时，这个特点就显得极为重要。例如，某些成品用户可能希望在纤维上作进一步的处理或涂层后再将其重新卷绕到卷轴上。如图12A所示，从卷轴中心朝着图26的内侧表面90(图2C)看，槽32的后缘92在其最外的径向长度上具有一抗横动轮廓94。该轮廓94较佳地具有复合圆弧(radiused)表面，即沿着两个正交方向的一圆弧。当然，圆弧、斜坡及其组合、或者其它的非线性轮廓也同样能提供类似的效果。该轮廓94可防止纤维在反向卷绕时不经意地向后横穿过槽32。
如图12A所示，例如，轮廓94可包括一径向组成部分94a，其中后缘92沿径向方向在凸缘26的径向终止部分附近脱离直线路径。此外，从图12B中可清楚地看到，后缘92上的轮廓94还可包括沿着其长度的轴向非线性组成部分94b，即该轮廓自内侧表面90沿轴线方向延伸至凸缘26。该组成部分94b还可包括复合圆弧、全圆弧、斜坡及其组合、或者能进一步将纤维在反向卷绕时向后横穿过槽32的可能性降至最小的其它类似形状。
圆弧、斜坡或者其它轮廓的适当的数量或程度将根据卷绕速度和状态来确定。由于卷绕角度的缘故，适当的轮廓94实质上消除了再次横穿槽32的机会。例如，但不受此限制，在具有半径为12厘米的凸缘和卷轴半径为7.5厘米的卷轴中，已确定的是，半径约为1.0到5.0毫米之间的轴向组成部分94b和半径为大约3.5毫米的径向组成部分94a、再加上外围附近3.0毫米的直线段提供了可理想地使卷轴头超出凸缘26大约3毫米而不会有任何抵抗横穿槽32的情况发生的状态。
虽然上述描述包括使本技术领域中的那些熟练技术人员能够实施本发明的细节，但应意识到的是，该描述只是作说明用的，本发明的众多变型和变化对于本技术领域中的那些具有这些指导利益的熟练技术人员而言是一目了然的。因此，本发明仅仅是由附加的权利要求来限定的，这些权利要求在现有技术所允许的前提下被范围较宽地进行解释。

Claims (40)

1.一种用于接纳光纤的卷轴，包括：
籍由外侧凸缘而彼此分离的主筒和引导计量筒，
所述外侧凸缘具有延伸至其外围的槽，所述槽提供所述引导计量筒与主筒之间的纤维通路，所述槽具有面向引导计量筒的入口和面向主筒的出口，并以小于90度的角度倾斜。
2.如权利要求1所述的卷轴，其特征在于，所述槽倾斜成：当正卷绕到所述引导计量筒上的纤维触及所述槽入口时，所述纤维被拉入到槽之中，接着再籍由槽引入到所述主筒上。
3.如权利要求1所述的卷轴，其特征在于，所述槽包括导入表面和与所述导入表面相对的工作表面，所述槽的导入表面相对于所述外侧凸缘的紧邻部分形成钝角，所述工作表面相对于所述外侧凸缘的紧邻部分形成锐角。
4.如权利要求3所述的卷轴，其特征在于，所述槽的导入表面包含有锥形部分，以便当纤维以加工线速度卷绕到卷轴上时，所述纤维不会滑越过所述槽。
5.如权利要求3所述的卷轴，其特征在于，由所述工作表面相对于所述外侧凸缘的紧邻部分所形成的角小于大约45度。
6.如权利要求3所述的卷轴，其特征在于，由所述工作表面相对于所述外侧凸缘的紧邻部分所形成的角约为20度。
7.如权利要求3所述的卷轴，其特征在于，所述工作表面相对于所述外侧凸缘倾斜成：使纤维自所述槽入口加速至所述槽出口，同时对纤维张力和涂层的影响最小。
8.如权利要求3所述的卷轴，其特征在于，所述工作表面与所述导入表面是不平行的。
9.如权利要求7所述的卷轴，其特征在于，所述槽出口要比所述槽入口来得窄。
10.如权利要求1所述的卷轴，其特征在于，所述凸缘包括多个曲线形相交肋。
11.如权利要求10所述的卷轴，其特征在于，所述多个曲线形相交肋构成至少一排沿圆周方向延伸的菱形加固部分。
12.如权利要求10所述的卷轴，其特征在于，所述多个曲线形相交肋构成多排径向间隔、且沿圆周方向延伸的棱形加固部分。
13.如权利要求10所述的卷轴，其特征在于，还包括一圆周肋。
14.如权利要求10所述的卷轴，其特征在于，还包括多个径向延伸的肋。
15.如权利要求10所述的卷轴，其特征在于，所述多个曲线形相交肋自邻近所述引导计量筒的一点延伸至一圆周肋。
16.如权利要求1所述的卷轴，其特征在于，还包括：多个自邻近所述引导计量筒的一点延伸至一圆周肋的曲线形相交肋，以及多个自所述圆周肋朝着所述卷轴的一凸缘的最外围延伸的径向肋。
17.如权利要求1所述的卷轴，其特征在于，还包括形成在所述槽的后缘上的抗横动轮廓。
18.如权利要求17所述的卷轴，其特征在于，所述抗横动轮廓包括一轴向部分。
19.如权利要求17所述的卷轴，其特征在于，所述抗横动轮廓包括一径向部分。
20.一种光纤卷轴，包括：
具有第一和第二凸缘的主要卷绕部分，所述各凸缘具有对内表面，
邻近其中一个凸缘设置的引导计量部分，
延伸至其中一个凸缘的外围的槽，所述槽相对于所述对内表面以小于大约45度的角度倾斜，其中，所述槽提供一纤维通路，以使纤维在卷绕期间可从所述引导计量部分横动至主要部分。
21.一种光纤卷轴，包括：
具有第一和第二凸缘的主要部分，在所述主要部分上适于卷绕大量的光纤，
籍由所述第一凸缘而与所述主要部分相分离的引导计量部分，在所述引导计量部分上适于卷绕引导计量段，所述第一凸缘具有对内表面，
形成在所述第一凸缘内的倾斜且径向延伸的槽，所述槽自所述第一凸缘的径向外围以相对于所述对内表面大约20度的角向内径向延伸，其中，所述槽提供一光纤通路，以使纤维可从所述引导计量部分横动至主要部分。
22.一种用于将纤维卷绕在卷轴上的系统，包括：
具有籍由外侧凸缘而分离的主筒和引导计量筒的卷轴，所述外侧凸缘具有延伸至其外围的槽，所述槽提供所述引导计量筒与主筒之间的纤维通路，所述槽具有面向所述引导计量筒的入口和面向所述主筒的出口，并以小于大约45度的角度倾斜，
所述卷轴被安装成，可相对于纤维源绕一纵轴旋转，以便当卷轴旋转、且来自所述纤维源的纤维被卷绕到所述引导计量筒上时，在所述纤维的引导计量段被卷绕到引导计量简上之后，纤维触及所述槽入口。
23.如权利要求22所述的系统，其特征在于，所述槽倾斜成：当正卷绕到所述引导计量筒上的纤维触及所述槽入口时，所述纤维被拉入到槽之中，接着再籍由槽引导到所述主筒上。
24.如权利要求22所述的系统，其特征在于，所述纤维源包括一飞行头。
25.一种用于将纤维卷绕到卷轴上的方法，包括下列步骤：
(a)提供具有籍由外侧凸缘而分离的主筒和引导计量筒的卷轴，所述外侧凸缘具有延伸至其外围的槽，所述槽提供所述引导计量筒与主筒之间的纤维通路，所述槽具有面向所述引导计量筒的入口和面向所述主筒的出口，所述槽以小于大约90度的角度倾斜，
(b)将纤维卷绕到所述引导计量筒上，
(c)使纤维横穿所述槽，以及
(d)将纤维卷绕到所述主筒上。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括：提供具有一槽的外侧凸缘，所述槽倾斜成：当正卷绕到所述引导计量筒上的纤维触及所述槽入口时，所述纤维被拉入到槽之中，接着再籍由槽引导到所述主筒上。
27.如权利要求25所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括：将所述卷轴安装成，可相对于纤维源绕一纵轴旋转，以便当卷轴旋转、且来自所述纤维源的纤维被卷绕到所述引导计量筒上时，在所述纤维的引导计量段被卷绕到引导计量筒上之后，纤维触及所述槽入口。
28.一种光纤卷轴，包括：具有多个曲线形相交肋的凸缘。
29.如权利要求28所述的卷轴，其特征在于，所述多个曲线形相交肋构成至少一排沿圆周方向延伸的菱形加固部分。
30.如权利要求28所述的卷轴，其特征在于，所述多个曲线形相交肋构成多排径向间隔、且沿圆周方向延伸的棱形加固部分。
31.如权利要求28所述的卷轴，其特征在于，所述多个曲线形相交肋在多个位置上彼此相交。
32.如权利要求28所述的卷轴，其特征在于，所述凸缘还包括一圆周肋。
33.如权利要求32所述的卷轴，其特征在于，所述多个曲线形相交肋终止于所述圆周肋。
34.如权利要求33所述的卷轴，其特征在于，所述曲线形相交肋相交于处于所述圆周肋上的诸交点上。
35.如权利要求34所述的卷轴，其特征在于，还包括与所述诸交点径向对齐的多个径向延伸的肋。
36.如权利要求28所述的卷轴，其特征在于，所述凸缘具有多个径向延伸的肋。
37.如权利要求28所述的卷轴，其特征在于，所述多个曲线形相交肋自邻近所述引导计量筒的一点延伸至一圆周肋。
38.如权利要求28所述的卷轴，其特征在于，所述多个曲线形相交肋相交于邻近所述引导计量筒的诸点上。
39.一种光纤卷轴，包括：
(a)适于接纳大量光纤的主要纤维接纳部分，
(b)自所述主要接纳部分延伸的第一和第二凸缘，
(c)位于其中至少一个凸缘上的多个曲线形相交肋，以及
(d)自其中一个凸缘延伸、且适于接纳光纤的引导计量段的次要纤维接纳部分。
40.一种光纤卷轴，包括：
(a)适于接纳大量光纤的主要接纳部分，
(b)自所述主要接纳部分延伸的第一和第二凸缘，
(c)位于其中至少一个凸缘上的多个曲线形相交肋，
(d)自其中一个凸缘延伸、且适于接纳光纤的引导计量段的次要接纳部分，以及
(e)自邻近所述次要接纳部分的凸缘的外围部分延伸至该凸缘中的倾斜槽，其中，光纤适于在次要与主要接纳部分之间移动。
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