DE69415291T2

DE69415291T2 - Roboterisierte Maschine zum quadrupolen Wickeln von Lichtleitfasern

Info

Publication number: DE69415291T2
Application number: DE69415291T
Authority: DE
Inventors: James A. Moorpark California 93021 Henderson; Joseph A. Chatsworth California 91311 Sammertano
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1994-01-14
Filing date: 1994-11-23
Publication date: 1999-06-24
Anticipated expiration: 2014-11-24
Also published as: EP0663364A2; DE69415291D1; US5405485A; EP0663364B1; EP0663364A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft generell eine Einrichtung zum Wickeln optischer Faserwicklungen. Diese Erfindung betrifft insbesondere die Herstellung optischer Faserwicklungen, die zur Anwendung bei optischen Faserrotationssensoren geeignet sind.
Es ist gefunden worden, daß ein optischer Faserrotationssensor, der die Leistungserfordernisse für Führungs- und Navigationssysteme erfüllt, eine Abtastwicklung mit quadrupoler Wicklungssymmetrie aufweisen sollte. Quadrupole Wicklungssymmetrie wird durch Teilung einer kontinuierlichen optischen Faserlänge in zwei Quellenspulen und Wickeln der optischen Faser von jeder Spule auf eine Winde erhalten. Zuerst wird eine einzelne Lage der optischen Faserwicklung auf die Winde gewickelt. Dann werden von jeder Quellenspule abwechselnd duale optische Faserlagen auf die Winde gewickelt. Eine duale Lage besteht aus zwei Lagen, die derart zu einer über einer inneren Lage ausgebildeten äußeren Lage angeordnet ist, daß die Wicklung der äußeren Lage endet, wo die innere Lage beginnt. Die optische Faser wird dann auf die Winde gewickelt, bis von jeder Quellenspule ausgewählte gleiche Längen auf der Winde plaziert sind.
Das quadrupole Wicklungsmuster bewahrt die Symmetrie und das Zentrum der Faser und vermindert deshalb Phasenfehler aufgrund einer Änderung thermischer Bedingungen. In optischen Faserrotationssensoren durch thermische Gradienten verursachte Phasenfehler sind bei N. J. Frigo, "Compensation of Linear Sources of Non-reciprocity in Sagnac-Interferometers" SPIE Proceedings Fiber Optic and Laser Sensors, Vol. 412, pp. 288- 271 (April 5, 1983) beschrieben.
Die Basisstruktur optischer Faserwicklungen mit quadrupoler Wicklungssymmetrie ist im US-Patent Nr. 4 856 900 erläutert, welches mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 korrespondiert, welches am 15. August 1989 an Ivancevic erteilt worden ist, und welches Litton Systems, Inc. gehört. Eine mit quadrupoler Wicklungssymmetrie versehene Wicklung weist die Eigenschaft auf, daß Faserlängen, die äquidistant zum Zentrum der Spule sind, derart nahe benachbart sind, daß sie im wesentlichen die gleiche Temperatur aufweisen. Deshalb sind Temperaturgradienten um das Zentrum der quadrupol gewickelten Wicklung symmetrisch. Phasenfehler aufgrund des Shupe- Effekts sind deshalb ebenfalls derart symmetrisch, daß Shupe- Effekt-Phasenfehler auf entgegengesetzten Seiten des Zentrums der Wicklung entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen und dazu tendieren, einander unwirksam zu machen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Das von der Erfindung zu lösende Problem liegt darin, einen selbstragenden roboterisierten Wicklungswickler zur Herstellung einer quadrupolen optischen Faserwicklung mit einem Minimum an manuellen Operationen bereitzustellen.
Dieses Problem wird durch eine im Anspruch 1 definierte Einrichtung zur Herstellung einer optischen Faserwicklung gelöst.
Die Einrichtung ist gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung so ausgebildet, daß sowohl eine erste als auch zweite Ablaufführungsanordnung eine Stirnkopfplatte und eine mit der Stirnkopfplatte verbundene Faserübertragungsspule aufweisen. Die Faserübertragungsspule ist so konfiguriert, daß ein Bereich der optischen Faser, der zur Herstellung einer Wicklung verwendet wird, um sie herumgewickelt ist. Mit der Stirnkopfplatte ist eine Tänzerrolle verbunden und so angeordnet, daß die optische Faser von der Faserübertragungsspule unter der Tänzerrolle ver läuft. Mit der Stirnkopfplatte ist eine Antriebsrolle verbunden und so angeordnet, daß die optische Faser über der Antriebsrolle verläuft. Mit der Stirnkopfplatte ist ein Feaserführungsrolle verbunden und so ausgebildet, daß sie die optische Faser zu einem Ort neben der Spule zur Herstellung der Faserwicklung leitet. Mit der Tänzerrolle ist ein Tänzer- Motor/Kodierer zum Detektieren, wenn die Tänzerrolle von einer ausgewählten Null-Position zur Anzeige der Spannung in der Faser abweicht. Mit der Faserübertragungsspule sind ein Abspulmotor und eine Bremseinrichtung verbunden, um die Spannung in der Faser in Abhängigkeit von Signalen aus dem Tänzer-Motor/Kodierer einzustellen.
Eine noch andere besondere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist einen Antriebskodierer zum Messen einer Länge der optischen Faser, die von der Spule ausgegeben wird, und eine Klemmrolle auf, um die Faser gegen die Antriebsrolle zu drücken und um zu verhindern, daß die Faser über die Antriebsrolle schlüpft, wenn die Faser aus der Spule ausgegeben wird.
Eine weitere besondere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Epoxidharz-Auftragungsanordnung auf, die so konfiguriert ist, daß sie demontierbar mit der roboterisierten Manipulatoranordnung zur Bewegung zu einem Ort neben der Wicklung gekoppelt ist, um Epoxidharz auf die Wicklung aufzubringen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Einrichtung zum Wickeln optischer Faserwicklungen mit quadrupoler Symmetrie bereit. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung stellt eine sechsgradige Bewegungssteuerung eines roboterisierten Faserübertragungs- und Sensorspulenmanipulators bereit, der quadrupolig gewickelte Wicklungen herstellen kann. Diese Wicklungen sind zur Verwendung bei der Konstruktion eines optischen Faserrotationssensors geeignet. Die vorliegende Erfindung vermeidet die Verwendung von Gleitringen, die bei bisherigen Wicklungswicklerkonstruktionen verwendet sind. Der Wicklungswickler gemäß der vorliegenden Erfindung kann alle kritischen Geometrie- und Wickelparameter dynamisch und genau steuern. Der Wicklungswickler nach der vorliegenden Erfindung weist den zusätzlichen Vorteil auf, daß die Notwendigkeit des Eingriffs seitens eines Operateurs während des Wicklungsprozesses eliminiert ist. Die Wickelzeit wird von drei Tagen, die zur manuellen Wicklung einer optischen Faserrotationssensorspule erforderlich ist, auf eine Stunde reduziert, wobei gleichzeitig die Qualität der Wicklungen verbessert wird.
Ein Verständnis der Aufgaben der vorliegenden Erfindung und ein vollständigeres Verständnis ihrer Struktur und ihres Betriebsverfahrens kann durch das Studium der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnungen gewonnen werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Draufsicht, welche die grundsätzlichen strukturellen Komponenten eines Wicklungswicklers zur Herstellung einer Wicklung darstellt, der die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpert;
Fig. 2 ist eine partielle Querschnittsansicht des Wicklungswicklers nach Fig. 1;
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht eines Spulen- und Flanschaufbaus, auf dem eine optische Faserwicklung unter Verwendung des Wicklungswicklers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gewickelt werden kann;
Fig. 4 ist eine Vorderansicht der Ablaufführungsanordnung nach Fig. 3;
Fig. 5 ist eine Draufsicht auf die Ablaufführungsanordnung nach den Fig. 3 und 4;
Fig. 6 ist eine Rückansicht der Ablaufführungsanordnung nach den Fig. 3 bis 5;
Fig. 7 ist eine Bodenansicht der Ablaufführungsanordnung nach den Fig. 3 bis 6;
Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht einer in der Ablaufführungsanordnung nach den Fig. 3 bis 7 enthaltenen Antriebsrolle;
Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht einer in der Ablaufführungsanordnung nach den Fig. 3 bis 7 enthaltenen Faserführungsrolle;
Fig. 10 ist eine Draufsicht eines Wicklungswicklers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 ist eine Vorderansicht des Wicklungswicklers nach Fig. 10;
Fig. 12 ist eine linke Endansicht des Wicklungswicklers nach den Fig. 10 und 11;
Fig. 13 ist eine Draufsicht auf eine Ablaufführungsträgeranordnung, die im Wicklungswickler nach den Fig. 11 und 12 enthalten ist; und
Fig. 14 bis 19 sind Flußdiagramme einer zur Steuerung des Wicklungswicklers gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Software.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Grundstruktur

Die Fig. 1 und 2 stellen die generelle Struktur des Wicklungswicklungswicklers 30 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Der Wicklungswickler ist auf einer Trägereinrichtung 32 befestigt. Der Wicklungswickler 30 enthält ein Paar Faserablaufführungsanordnungen 34 und 36 und ein Paar Ablaufführungsbefestigungsträgeranordnungen 38 und 40. Die erste Ablaufführungsbefestigungsträgeranordnung 38 weist ein Paar Ablaufführungsbefestigungsstationen 1 und 2 auf. Die zweite Ablaufführungsbefestigungsträgeranordnung 40 weist ein Paar Ablaufführungsbefestigungsstationen 3 und 4 auf.
Der Wicklungswickler 30 ist so konstruiert, daß er auf einer Spule 42 eine optische Faserwicklung mit quadrupoler Symmetrie bildet. Die Spule 42 weist Flansche 43A und 43B auf, welche die Enden der auf der Spule 42 gebildeten optischen Faserwicklung definieren.
Der Wicklungswickler 30 enthält außerdem ein Paar Motoren 44 und 46 zum Drehen der Ablaufführungsbefestigungsträgeranordnung 38 bzw. 40. Der Motor 44 ist über einen Schaft 48 mit der Spule 42 verbunden, so daß der Motor 44 auch die Spule 42 mit der Ablaufführungsbefestigungsträgeranordnung 38 dreht.
Nach Fig. 2 weist der Wicklungswickler 30 außerdem eine roboterisierten Manipulatoranordnung 50 zum Bewegen der Ablaufführungsanordnungen 34 und 36 in ausgewählte Positionen während Wicklungswickeloperationen auf. Die Manipulatoranordnung 50 und die erste und zweite Ablaufführungsanordnung 34 und 36 enthalten elektrische und mechanische Koppler derart, daß die Manipulatoranordnung 50 sich selbst mechanisch an den Ablaufführungsanordnungen 34 und 36 anbringen und geeignete elektrische Verbindungen zur Zufuhr elektrischer Energie an sie herstellen kann. Die robotorerisierte Manipulatoranordnung 50 kann ein Applied-Robotics-Iota-Roboter oder ein Äquivalent dazu sein. Solche Roboter sind kommerziell erhältlich und werden deshalb hier nicht detailliert beschrieben.
Die erste und zweite Ablaufführungsanordnung 34 und 36 weisen identische Struktur auf. Deshalb wird nur die erste Ablaufführungsanordnung 34 detailliert beschrieben. Nach den Fig. 1 bis 3 enthält die erste Ablaufführungsanordnung 34 eine Ablaufführungsstirnkopfplatte 60, auf welcher andere Komponenten der ersten Ablaufführungsanordnung 34 befestigt sind.
Nach den Fig. 1 und 2 ist auf der ersten Ablaufführungsstirnkopfplatte 60 eine erste Faserübertragungsspule 62 drehbar befestigt. Der Motor wird zum Wickeln einer optischen Faser von einer Spule (nicht gezeigt) auf die Faserübertragungsspule vor dem Wickeln einer optischen Faserwicklung verwendet. Bei Wicklungswickeloperationen wird eine optische Faser von der ersten Faserübertragungsspule 62 zur Spule 42 übertragen.
Nach den Fig. 2 und 4 läuft von der ersten Faserübertragungsspule 62 eine optische Faser 70 über eine erste Tänzerrolle 72. Die optische Faser 70 läuft dann über eine erste Antriebsrolle 74, die ebenfalls drehbar an der ersten Ablaufführungsstirnkopfplatte 60 befestigt ist. An der ersten Ablaufführungsstirnkopfplatte 60 ist unmittelbar über der ersten Antriebsrolle 74 eine erste Klemmrolle 75 drehbar befestigt. Die erste Klemmrolle 75 übt eine abwärts gerichtete Kraft auf die optische Faser 70 aus, um zu verhindern, daß diese über die erste Antriebsrolle 74 schlüpft.
Nach dem Lauf über die erste Antriebsrolle 74 läuft die optische Faser 70 über eine erste Faserführungsrolle 78, die durch einen ersten Faserführungsarm 80 mit der Ablaufführungsstirnkopfplatte 60 verbunden ist. Die erste Faserführungsrolle leitet die optische Faser 70 zur Spule 42 und gibt die optische Faser 70 an die Spule 42, um darauf eine optische Faserwicklung zu bilden.
Die zweite Ablaufführungsanordnung 36 enthält eine zweite Faserübertragungsspule 81, eine zweite Tänzerrolle 82, eine zweite Antriebsrolle 84, eine zweite Klemmrolle 86, eine zweite Faserführungsrolle 88 und einen zweiten Faserführungsarm 90, die im wesentlichen identisch zur ersten Ablaufführungsanordnung 34 sind. Nach Fig. 1 ist die zweite Ablaufführungsanordnung 36 in dem Fall, daß die erste Ablaufführungsanordnung 34 neben der Spule 42 ist, im räumlichen Abstand von der Spule 42 angeordnet und an der ersten Ablaufführungsbefestigungsträgeranordnung 38 angebracht.
Nach den Fig. 1 und 2 ist die roboterisierte Manipulatoranordnung 50 an einer Stütze 92 befestigt. Die roboterisierte Manipulatoranordnung 50 enthält einen roboterisierten Werkzeugwechsler 94, der mit einem R-Achsenmanipulator 93 verbunden ist, welcher wiederum auf x-, y- und z-Achsenstufen 96, 98 bzw. 100 befestigt ist. Die roboterisierte Manipulatoranordnung 50 enthält auch einen roboterisierten Werkzeugwechsler 94, der mit der y-Achsenstufe 98 verbunden ist. Der roboterisierte Werkzeugwechsler 94 ist der Begleiter eines roboterisierten Kupplers 102, der auf der Unterseite der Ablaufführungsstirnkopfplatte 60 fixiert ist. Der roboterisierte Werkzeugwechsler 94 und der roboterisierte Kuppler 102 sind zusammengekuppelt, wenn die erste Ablaufführungsanordnung 34 an der roboterisierten Manipulatoranordnung 50 zu befestigen ist. Ein ähnlicher roboterisierter Kuppler 104 ist an der Unterseite der zweiten Ablaufführungsanordnung 36 befestigt und wird verwendet, wenn die zweite Ablaufführungsanordnung mit der roboterisierten Manipulatoranordnung 50 verbunden ist. Entweder nur die Ablaufführungsanordnung 34 oder Ablaufführungsanordnung 36 ist zu einem Zeitpunkt mit der roboterisierten Anordnung verbunden.

Grundlegendes Betriebsverfahren

Die Wicklungswickeloperation beginnt mit dem Schritt des Wickelns der ganzen zur Bildung der optischen Faserwicklung zu benutzenden Faser auf die Faserübertragungsspule 62. Dieser Schritt wird als "Vollübertragung" bezeichnet. Dann wird die Hälfte der Faser auf die zweite Faserübertragungsspule 81 übertragen. Dieser Schritt ist die "Halbübertragung". Sowohl der Voll- als auch Halbübertragungsschritt werden unter der Steuerung eines Computers unter der Steuerung einer geeigneten Software ausgeführt. Der hier beigefügte Anhang enthält eine Quellencodeliste für Computersoftware, die in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthalten ist. Die roboterisierte Manipulatoranordnung 50 bewegt dann die erste Ablaufführungsanordnung 34 zu einem in Fig. 1 gezeigten Ort, so daß die erste Faserführungsrolle 78 neben der Spule 42 und dem Flansch 43A ist. Der Motor 44 dreht dann die Spule 42, die erste Ablaufführungsbefestigungsträgeranordnung 38 und die zweite Ablaufführungsanordnung 36, die bei der Station 2 an der ersten Ablaufführungsbefestigungsträgeranordnung 38 angebracht ist. Der x-Achsenmanipulator 96 überträgt die erste Ablaufführungsanordnung 34 entlang der x-Achse in Verbindung mit der Drehung des Motors 44 und der Spule 42 zur Bildung der ersten optischen Faserlage auf der Spule 42. Die Drehung der zweiten Ablaufführungsanordnung 36 mit der Spule bewirkt dort während der Bildung der ersten Lage, daß noch kein Nettoablauf der optischen Faser 70 von der zweiten Ablaufführungsanordnung 36 zur Spule 42 vorhanden ist.
Die roboterisierte Manipulatoranordnung 50 parkt dann die erste Ablaufführungsanordnung 34 bei der Station 3 der zweiten Ablaufführungsbefestigungsträgeranordnung 40. Nach dem Parken der ersten Ablaufführungsanordnung 34 bewegt sich die roboterisierte Manipulatoranordnung 50 neben die Station 2 der ersten Ablaufführungsbefestigungsträgeranordnung 38, um die zweite Ablaufführungsanordnung 36 aufzunehmen. Die zweite Ablaufführungsanordnung 36 wird dann so bewegt, daß der zweite Faserführungsarm 90 neben der Spule 42 und dem Flansch 43B ist. Die Motoren 44 und 46 drehen sich dann in Verbindung mit der Spule 42, wobei die zweite Ablaufführungsanordnung 36 linear entlang der x-Achse bewegt wird, um eine zweite Lage der optischen Faserwicklung auf der Spule 42 zu bilden. Nach Bildung der zweiten optischen Faserlage kehrt die Richtung der linearen Bewegung der zweiten Ablaufführungsanordnung 36 um, so daß eine dritte Lage der optischen Faserwicklung auf der Spule 42 gebildet wird. Der Motor 46 dreht die erste Ablaufführungsanordnung 34 mit der gleichen Rate und in der gleichen Richtung wie die Spule 42 rotiert. Deshalb gibt es während der Bildung der zweiten und dritten Lage der optischen Faserwicklung keinen Nettoablauf einer optischen Faser von der ersten Ablaufführungsanordnung 34 zur Spule 42.
Die zweite Ablaufführungsanordnung 36 wird dann bei der Station 2 der ersten Ablaufführungsbefestigungsträgeranordnung 38 geparkt. Die roboterisierte Manipulatoranordnung 50 nimmt dann die erste Ablaufführungsanordnung 34 von der Station 3 auf und verwendet sie zur Bildung der vierten und fünften Lage, wobei die zweite Ablaufführungsanordnung 36 mit der Spule 42 gedreht wird. Die oben beschriebenen Schritte werden dann wiederholt, so daß zwei Lagen der optischen Faserwicklung sowohl von der ersten Ablaufführungsanordnung 34 als auch der zweiten Ablaufführungsanordnung 36 in alternierender Aufeinanderfolge gebildet werden, bis die gewünschte Zahl Lagen gebildet ist.
Wie nachfolgend beschrieben kann wegen des ungehinderten Zugangs zur Spule nach der Wicklung jeder Lage Epoxidharz oder ein anderer geeigneter Klebstoff bei der Bildung jeder Lage auf die optische Faserwicklung aufgebracht werden. Nach Fig. 3 kann von einem Ende der Spule 42 eine Mutter 110 entfernt werden, so daß dann der Flansch 43A von der Spule 42 abgenommen werden kann. Eine auf der Spule 42 zwischen den Flanschen 43A und 43B ausgebildete optische Faserwicklung 112 kann von der Spule abgestreift werden, nachdem das Epoxidharz ausgehärtet ist. Die resultierende optische Faserwicklung 112 ist dann selbstragend und benötigt die Spule 42 oder die Flansche 43A und 43B nicht, um die Faserwicklung in ihrer gewünschten Konfiguration zu halten.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

Die Fig. 4 bis 13 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Insbesondere nach den Fig. 4 und 5 enthält eine Ablaufführungsanordnung 120 eine Ablaufführungsstirnkopfplatte 122. Auf Ablaufführungsstirnkopfplatte 122 ist eine Faserübertragungsspule 121 befestigt. Von der Faserübertragungsspule 121 wird eine optische Faser 123 zu einer Tänzeranordnung 124 transportiert. Die Tänzeranordnung 124 enthält eine Tänzerrolle 126 die auf einem Tänzerrollenschaft 128 drehbar befestigt ist. Der Tänzerrollenschaft 128 ist mit einem ersten Ende 130 eines Tänzerarmes 132 verbunden. Der Tänzerarm 132 ist durch einen Schaft 134 drehbar auf der Ablaufführungsstirnkopfplatte 122 befestigt. Am Tänzerarm 132 ist nahe bei dessen Ende 138 ein Gegengewicht 136 befestigt.
Nach Verlauf unter der in Fig. 4 dargestellten Tänzerrolle 126 läuft die optische Faser 123 über eine Präzisionsantriebsrolle 140, die auf der Ablaufführungsstirnkopfplatte 122 links über der Tänzerrolle 126 befestigt ist. An der Ablaufführungsstirnkopfplatte 122 ist eine Klemmrolle 142 befestigt und so angeordnet, daß sie auf die optische Faser 123 eine Kompressionskraft ausübt, um zu verhindern, daß die optische Faser 123 schlüpft, wenn sie über die Präzisionsantriebsrolle 140 läuft. Die Klemmrolle 142 ist an einem Klemmrollenarm 144 mit einem ersten Ende 146 befestigt, das drehbar an der Ablaufführungsstirnkopfplatte 122 befestigt ist. Zwischen der Ablaufführungsstirnkopfplatte 122 und dem zweiten Ende 150 des Klemmrollenarms 144 ist eine Klemmrollenfeder 148 befestigt. Die Klemmrollenfeder 148 ist zusammengedrückt, so daß sie die Klemmrolle 142 gegen die Präzisionsantriebsrolle 140 drückt.
Nach Durchgang über die Präzisionsantriebsrolle 140 läuft dann die optische Faser 123 zu einer Faserführungsrolle 154. Die Faserführungsrolle 154 ist drehbar an einem ersten Ende 156 eines Faserführungsrollenarms 158 befestigt. Ein zweites Ende 160 des Faserführungsrollenarms 158 ist drehbar an der Ablaufführungsstirnkopfplatte 122 befestigt. Die optische Faser 123 geht dann wie oben in Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschrieben von der Faserführungsrolle 154 zur Spule 42.
Nach Fig. 9 ist die Faserführungsrolle 154 detaillierter dargestellt. Im Ende 156 des Faserführungsrollenarms 158 ist ein Schaft 162 befestigt. Eine Unterlegscheibe 163 und eine Mutter 164 halten die Faserführungsrolle 154 auf dem Schaft 162. Das Faserführungsrolle 154 weist einen zentralen Abschnitt 166 und einen dünnen äußeren Abschnitt 167 auf. Der zentrale Abschnitt 166 ist so ausgebildet, daß er Stabilität erzeugt. Der dünne äußere Abschnitt 167 ist so ausgebildet, daß er zwischen die Flansche 43A und 43B paßt und die optische Faser so auf die Spule legt, daß die Enden der Spule nahe bei den Flanschen 43A und 43B sind. Der dünne äußere Abschnitt weist eine pheriphere Nut 168 auf, in welche die optische Faser paßt, wenn sie über die Faserführungsrolle 154 läuft.
Nach den Fig. 4 bis 7 enthält die Ablaufführungsanordnung 120 einen ersten roboterisierten Kuppler 170, der zum Anbringen der Ablaufführungsanordnung 120 an Ablaufführungsbefestigungsträgeranordnungen 172 und 174 verwendet ist, die in den Fig. 10 und 11 gezeigt sind. Die Ablaufführungsanordnung 120 weist auch einen zweiten roboterisierten Kuppler 176 auf, der zum Verbinden der Ablaufführungsanordnung 120 mit der roboterisierten Manipulatoranordnung 50 verwendet ist. Der zweite roboterisierte Kuppler 176 enthält sowohl mechanische als auch elektrische Verbinder zur mechanischen Verbindung der Ablaufführungsanordnung 120 mit der roboterisierten Manipulatoranordnung 50 und zum Zuführen elektrischer Energie an sie. Der Wicklungswickler 30 gemäß der vorliegenden Erfindung vermeidet auf diese Weise die Verwendung von Gleitringen, die bei bekannten Wicklungswicklereinrichtungen zum Erzeugen elektrischer Energie bei zum Wickeln optischer Faserwicklungen verwendeten Spulen und Rollen verwendet werden.
Nach den Fig. 4 bis 8 enthält die Ablaufführungsanordnung 120 einen Ablaufmotor 180, der mit der Faserübertragungsspule 121 über einen Schaft 182 verbunden ist. Mit dem Ablaufmotor 180 ist eine Ablaufmotorbremse 183 zur Erzeugung einer Bremskraft verbunden. Am Tänzer ist über einen Schaft 134 ein Tänzer-Motor/Kodierer 184 befestigt. Der Ablaufmotor 180 und der Tänzer-Motor/Kodierer 184 sind zur Aufrechterhaltung einer konstanten Spannung der optischen Faser 123 verbunden. Die Spannung in der optischen Faser 123 muß zum Wickeln optischer Faserwicklungen, die für optische Faserrotationssensoranwendungen geeignet sind, gesteuert werden. Wenn die Spannung zu niedrig ist, werden die Wicklungen nicht auf der Spule befestigt. Wenn die Spannung zu hoch ist, graben sich die Wicklungen in vorher auf die Spule aufgebrachte Lagen. Variationen der Faserspannung verursachen auch Variationen des Brechungsindexes der Faser, was Fehler im optischen Faserrotationssensor verursacht. Der Ablaufmotor 180 und der Tänzer-Motor/Kodierer 184 halten den Tänzer in einer Nullposition, wenn sich die Spule 42 dreht, um Faser von der Faserübertragungsspule 121 an die Spule 42 abzugeben. Die Tänzerrolle 126 und das Gegengewicht 136 sind so eingestellt, daß eine vorbestimmte Kraft auf die optische Faser 123 ausgeübt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die abwärtsgerichtete Kraft an der Tänzerrolle 126 das Gewicht einer Masse von 10 Gramm, wenn die Tänzerrolle 126 sich in der in der Fig. 4 gezeigten Null-Position bei im wesentlichen horizontaler Position des Tänzerarmes 132 befindet. Diese Kraft wird gerade zwischen dem Abschnitt der optischen Faser 123 zwischen der Tänzerrolle 126 und der Faserübertragungsspule 121 und dem Abschnitt der optischen Faser 123 zwischen der Tänzerrolle 126 und der Präzisionsantriebsrolle 140 geteilt.
Der Tänzer-Motor/Kodierer 184 detektiert Abweichungen der Tänzerrolle 126 von ihrer Null-Position und sendet ein Signal zum Ablaufmotor 180 und der Ablaufmotorbremse 183, um entweder die Spannung an der optischen Faser 123 zu erhöhen oder zu reduzieren. Wenn die Spannung in der optischen Faser 123 zu erhöhen ist, wird die Ablaufmotorbremse 183 aktiviert, um ein Verzögerungsdrehmoment auf den Schaft 182 auszuüben. Wenn die Spannung in der optischen Faser 123 zu erniedrigen ist, wird der Ablaufmotor 180 aktiviert, um die Faserübertragungsspule 121 wie in Fig. 4 gezeigt im Gegenuhrzeigersinn zu drehen.
Nach Fig. 8 ist die Präzisionsantriebsrolle 140 auf einem Antriebsschaft 190 befestigt, der sich durch die Ablaufführungsstirnkopfplatte 122 erstreckt. Am Schaft 190 ist ein Antriebskodierer 192 befestigt, der so konfiguriert ist, daß er die Länge der an die Spule 42 abgegebenen optischen Faser 123 mißt. Die Präzisionskodiererrolle ermöglicht eine präzise Messung aller Wicklungen im Uhrzeiger- und Gegenuhrzeigersinn unter Verwendung der Formel L = πdN, wobei d der Spulendurchmesser und N die Windungszahl sind.
Die Ablaufführungsanordnung 120 enthält außerdem einen Faserführungsarmmotor 200, der am besten den Fig. 5 und 7 zu entnehmen ist. Der Faserführungsarmmotor 200 ist über einen Schaft 202 an der Ablaufführungsstirnkopfplatte 122 befestigt. Am Schaft 202 ist auch eine Faserführungsarmbremse 204 befestigt. Der Faserführungsarmmotor 200 wird zum Plazieren des Faserführungsrollenarmes 158 und der Faserführungsrolle 154 in einer Position zum Wickeln der optischen Faserwicklung und zum Zurückziehen der Faserführungsrolle 154 von der Nähe der Flansche 43A und 43B verwendet, wenn die Ablaufführungsanordnung 120 die Ausführung ihrer genannten Schritte bei der Wicklungswickeloperation vollendet hat. Die Faserführungsarmbremse 204 wird zum in Position halten des Faserführungsrollenarmes 158 während des Wicklungswickelns mit der Abgabefüh rungseinrichtung 120 oder während sich die Ablaufführungsanordnung 120 in ihrer Speicherposition bei einer der Befestigungsträgeranordnungen 172 und 174 befindet.
Der Faserführungsrollenarm 158 enthält auch einen Giereinstellmechanismus 210. Giereinstellung bedeutet hier die Einstellung des Winkels des Faserführungsrollenarmes 158 in der Zeichenebene der Fig. 7. Zum Einstellen des Faserführungsrollenarmes 158 und der Faserführungsrolle 154 derart, daß die optische Faser 123 richtig von der Ablaufführungsanordnung 120 zur Spule 42 transportiert wird, kann eine Schraube 212 leicht angezogen oder gelockert werden. Insbesondere kann es notwendig sein, den Winkel der Faserführungsrolle 154 einzustellen, um zu verhindern, daß die optische Faser 123 aus der Nut 168 springt, wenn die Wicklung gewickelt wird.
Nach den Fig. 10 und 11 ruht der Wicklungswickler gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise auf einem Granitblock 230. Eine Stützkonstruktion 232 hält den Granitblock 230 in einem gewünschten Abstand über dem Boden (nicht gezeigt) oder dgl. Auf dem Granittisch 230 ruht eine Wicklungswicklerstützanordnung 234.
Die Wicklungswicklerstützanordnung 234 enthält ein Paar Motorbefestigungsanordnungen 240 und 242, die an entgegengesetzten Enden der Sützanordnung 234 befestigt sind. An der Motorbefestigungsanordnung 240 ist ein Motor 244 befestigt, und an der Motorbefestigungsanordnung 242 ist ein Motor 246 befestigt. Der Motor 244 ist so konfiguriert, daß er eine Spindel 250 betreibt, und der Motor 246 ist so konfiguriert, daß er einen Spiegel 253 betreibt.
An der Spindel 250 ist die Befestigungsträgeranordnung 172 ist befestigt, die sich mit der Spindel dreht, wenn der Motor 244 eingeschaltet ist. Nach Fig. 13 kann die Befestigungsträgeranordnung 172 ein Paar roboterisierte Kuppler 256 und 258, einen oder mehrere Abstandshalter 260 und ein Gegengewicht 262 enthalten. Die Befestigungsträgeranordnung 174 ist im wesentlichen identisch zur Befestigungsträgeranordnung 172 und enthält ein Paar roboterisierte Kuppler 266 und 268, Abstandhalter 270 und ein Gegengewicht 272. Die Befestigungsträgeranordnung 174 dreht sich mit der Spindel 252, wenn sich der Motor 276 auf der Stützanordnung 234 befindet.
Die roboterisierte Manipulatoranordnung 50 ist auf der Stütze 234 befestigt und befindet sich zwischen der Befestigungsträgeranordnung 172 und der Befestigungsträgeranordnung 174. Der roboterisierte Werkzeugwechsler 94 ist an einem roboterisierten Aufnehmer 273 befestigt, der an der z- Achsenanordnung 100 befestigt ist. Die z-Achsenanordnung 100 ist nach Fig. 11 mit der x-Achsenanordnung 96 verbunden.
Nach den Fig. 10 und 12 enthält der Wicklungswickler 30 eine pneumatische Epoxidharz-Auftragungsanordnung 300. Ein Rotatorarm 302 verbindet die pneumatische Epoxidharz- Auftragungsanordnung 300 mit der Motorbefestigung 240. Die pneumatische Epoxidharz-Auftragungsanordnung 300 enthält einen roboterisierten Kuppler 310, den die roboterisierte Manipulatoranordnung 50 zum Positionieren der pneumatischen Epoxidharz-Auftragungsanordnung 300 zum Aufbringen von Epoxidharz auf jede Lage der Wicklung nach deren Bildung. Die pneumatische Epoxidharz-Auftragungsanordnung 300 enthält eine Spritze 312, eine Nadel 314 und eine Kelle 316. Epoxidharz wird unter der Steuerung des Computers und der Software aus der Spritze 312 durch die Nadel 314 auf die Faserwicklung gedrückt. Die roboterisierte Manipulatoranordnung 50 bewegt die pneumatische Epoxidharz-Auftragungsanordnung 300 entlang der Länge der Spule 42 beim Drehen der Spule 42, so daß Epoxidharz auf die ganze Wicklung aufgebracht wird. Der Epoxyidharzroboter ein zweiachsiger Lagermechanismus. Der Epoxidharzroboter bewegt die Epoxidharzauftragspritze 312 zu einem Ort über der Spule 42 und zwischen den Flanschen hinab. Die erste optische Faserlage auf der Spule wird dann mit geeigne tem Epoxidharz behaftet. Das Epoxidharz wird dann vorzugsweise mit ultravioletter Strahlung gehärtet, bevor die zweite optische Faserlage auf die Spule gewickelt wird.
Die Ablaufführungsanordnung sind an einer der Befestigungsträgeranordnungen 172, 174 befestigt, während das Epoxidharz auf die Wicklung aufgebracht wird.
Nach Fig. 10 ist an der Stütze 234 eine Mengenablaufspindel 322 über einen Stützträger 324 befestigt. Ein Mengenablaufmotor 320 treibt die Mengenablaufspindel an, um eine vorbestimmte optische Fasermenge auf sie zu wickeln. Die optische Faser wird dann zur Faserübertragungsspule 121 transferiert. Eine Hälfte der Faser wird dann vor Beginn des Wickelns der Wicklung zu einer ähnlichen Faserübertragungsspule transferiert, die in einer in Fig. 10 gezeigten zweiten Ablaufführungsanordnung 350 enthalten ist.
Die Erfindung weist gegenüber dem Stand der Technik mehrere Vorteile auf. Die Faserführung erlaubt eine präzise Kontrolle der Faseraufbringung innerhalb der Flansche der Sensorspule aufgrund einer schmalen Breite (> 0,076 cm) ((> 0,030 Zoll)) und einer großen Länge (> 2,54 cm) ((> 1,00 Zoll)). Da die Ablaufführungsanordnungen 120 und 350 vom Bereich der Flansche 43A und 43B entfernt werden, kann Epoxidharz auf jede Lage der Wicklung aufgebracht werden. Die Mechanismen der Ablaufführungsanordnungen 120 und 350 erlauben eine präzise Steuerung der Länge und Spannung der zur die Spule 42 ablaufenden Faser. Die Erfindung benötigt viel weniger Operateureingriffe als es bei bisherigen Wicklungswickelmaschinen möglich ist.

Beschreibung der Software und des Wicklungswickelverfahrens

Die Flußdiagramme nach den Fig. 14 bis 19 stellen die Folge der Operateurschritte und Computer- und Roboteroperationen zum Wickeln einer Wicklung dar. In den Flußdiagrammen wird auf den Quellencode bezug genommen, der dieser Anmeldung als Anhang beigefügt ist. Beispielsweise enthält der Wicklerhauptmenüblock nach Fig. 14 die Bezeichnung "SRC 243", um die Stelle des Wicklerhauptmenüs im Quellencode anzuzeigen.
Nach Fig. 14 wählt der Operateur zur Herstellung einer neuen Wicklung START NEW COIL (BEGINNE NEUE WICKLUNG) aus einem Menü auf dem Computermonitor. Das Menü enthält auch BULK TRANSFER (MENGENTRANSFER), WIND COIL (WICKLE WICKLUNG), DATA BASE (DATENBASIS) und MAINTENANCE (BEIBEHALTUNG). Nach der Wahl von START NEW COIL erscheint ein Datenschirm. Der Operateur gibt Daten für die Wicklungsseriennummer, die Operateuridentifikation und eine Fasermenge ein.
Der Operateur wählt BULK TRANSFER aus dem Wicklungswickelmenü. Nach Fig. 15 gibt der Operator die Mengentransferparameter für die Länge der bei der Herstellung einer neuen Wicklung zu verwendenden Faser ein. Eine typische optische Faserwicklung zur Verwendung in einem optischen Faserrotationssensor hat 200 Meter optische Faser, die in 40 Lagen aus 48 Windungen mit jeweils einer Spannung von 3,00 Gramm gewickelt ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die resultierende Wicklung einen Außendurchmesser von etwa 32 Millimeter. Bei einer typischen Mengenübertragungs- bzw. - transferoperation werden 215,00 Meter optische Faser dadurch auf die erste Faserübertragungsspule gewickelt, daß 11 Lagen aus 106 Windungen mit jeweils einer Spannung von 10 Gramm hergestellt werden.
Der Operateur wählt zwei saubere Faserübertragungsspulen und befestigt sie an der Mengenübertragungsspule 322. Die vollständige Länge der zu verwendenden Faser wird dann mengenmäßig zur Faserübertragungsspule 322 übertragen. Die Faserübertragungsspule 121 wird dann an der ersten Faserablaufführungsanordnung 503 befestigt. Dann wird eine ähnliche leere Faserübertragungsspule an der zweiten Faserablaufführungsanordnung 350 befestigt. Eine zur Herstellung der Wicklung zu verwendende Hälfte der Länge der optischen Faser wird dann von der ersten Faserübertragungsspule 121 zur zweiten Faserübertragungsspule übertragen. Die Ablaufführungsanordnung en 120 und 350 werden dann an der Ablaufführungshalteanordnung 172 angebracht.
Der Operateur stellt sicher, daß die Daten in der Wicklungsparametertabelle für ein quadrupoles Wickeln korrekt sind und drückt dann die ESC-Taste auf der Computertastatur.
Der Operateur wählt als nächstes die Epoxidharzparameter für die Wicklung. In den 10 ml-Epoxidharzzylinder wird ein Minimum von 6 ml Epoxidharz gegeben. Der Epoxidharzzylinder wird im Epoxidharzhalter plaziert und bringt die Luftleitung an der pneumatischen Epoxidharz-Auftragungsanordnung 300 an.
Der Operateur wählt dann LEARN SPOOL GEOMETRY (LERNE SPULENGEOMETRIE), und der Computer speichert Signale, welche die Flanschorte und den Durchmesser der Nabe anzeigen, auf welche die Wicklung zu wickeln ist.

Claims

1. Einrichtung zur Herstellung einer optischen Faserwicklung mit einer Trägereinrichtung (32), einer ersten (38) und einer zweiten Ablaufführungsbefestigungseinrichtung (40), die beide mit der Trägereinrichtung (32) verbunden sind, einer Spule (42), die mit der ersten Ablaufführungsbefestigungseinrichtung (38) verbunden ist, einem ersten Motor (44), der mit der ersten Ablaufführungsbefestigungseinrichtung (38) verbunden und konfiguriert ist, um die erste Ablaufführungsbefestigungseinrichtung (38) und die Spule (42) zu drehen, wobei die zweite Ablaufführungsbefestigungseinrichtung (40) geeignet ist, sich mit derselben Geschwindigkeit und in derselben Richtung wie die Spule (42) zu drehen, wobei eine erste Ablaufführungsanordnung (34) demontierbar mit der zweiten Ablaufführungsbefestigungseinrichtung (40) verbunden ist, wobei eine zweite Ablaufführungsanordnung (36) demontierbar mit einer Ablaufführungsbefestigung an der ersten Ablauffitrungsbefestigungseinrichtung (38) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ferner eine roboterisierte Manipulatoranordnung (50) aufweist, die konfiguriert ist, um eine von der ersten und zweiten Ablaufführungsanordnung (34, 36) ausgewählte Ablaufführungsanordnung von einer der Ablaufführungsbefestigungsanordnungen (38, 40) zu trennen und die ausgewählte Ablaufführungsanordnung zu einem Ort neben der Spule (42) zu bewegen, so daß eine Schicht der optischen Faser zu der Spule (42) von der ausgewählten Ablaufführungsanordnung ausgegeben wird, wenn die Spule (42) und die erste Ablaufführungsbefestigungseinrichtung (38) sich relativ zu der ausgewählten Ablaufführungsanordnung drehen, und daß die Trägereinrichtung (32) eine Trägerstütze ist und daß die Ab laufführungsbefestigungseinrichtungen (38, 40) Ablaufführungsbefestigungsstützeinrichtungen sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der ersten und zweiten Ablaufführungsanordnung (34, 36)

eine Stirnkopfplatte (60),

eine Faserübertragungsspule (62), die mit der Stirnkopfplatte (60) verbunden und so konfiguriert ist, daß ein Bereich der optischen Faser, der zur Herstellung einer Wicklung verwendet wird, um sie herumgewickelt ist,

eine Tänzerrolle (72), die mit der Stirnkopfplatte (60) verbunden und so angeordnet ist, daß die optische Faser (70) von der Faserübertragungsspule (62) unter der Tänzerrolle (72) verläuft,

eine Antriebsrolle (74), die mit der Stirnkopfplatte (60) verbunden und so angeordnet ist, daß die optische Faser (70) über der Antriebsrolle (74) verläuft, wobei eine Faserführungsrolle (78) mit der Stirnkopfplatte (60) verbunden und so konfiguriert ist, daß sie die optische Faser (70) zu einem Ort neben der Spule (42) zur Herstellung der Wicklung leitet,

einen mit der Tänzerrolle (72) verbundenen Tänzer- Motor/Kodierer (184) zur Anzeige, wenn die Tänzerrolle (72) von einer ausgewählten Null-Position abweicht, um die Spannung in der Faser anzuzeigen und

einen Abspulmotor (180) und eine Bremseinrichtung (183) aufweist, die mit der Faserübertragungsspule (62) verbunden sind, um die Spannung in der Faser in Antwort auf Signale von dem Tänzermotor/Kodierer (184) einzustellen.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, wobei ferner ein Antriebskodierer (192) zum Messen einer Länge der optischen Faser (123), die von der Spule (42) ausgegeben wird, vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, wobei ferner eine Klemmrolle (75) vorgesehen ist, um die Faser (70) gegen die Antriebsrolle (74) zu drücken, um zu verhindern, daß die Faser (70) über die Antriebsrolle (74) schlüpft, wenn die Faser (70) aus der Spule (42) ausgegeben wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei ferner eine Epoxydharz-Auftragungsanordnung (300) vorgesehen und so konfiguriert ist, daß sie demontierbar mit der roboterisierten Manipulatoranordnung (50) zur Bewegung zu einem Ort neben der Wicklung gekoppelt ist, um Epoxydharz auf die Wicklung aufzubringen.