传能空心光纤拉丝动力头装置设计

1、本科毕业设计（论文）开题报告课题名称：传能空心光纤拉丝动力头装置设计 学院（系）： 年级专业： 机电2班 学生姓名： 指导教师： 完成日期： 2015/3/30 1.说明选题的依据和意义，综述本课题国内外研究动态1.1 选题依据和意义空心光纤主要用于能量传送，可供X射线、紫外线和远红外线光能传输。空心光纤结构有两种：一是将玻璃作成圆筒状，其纤芯与包层原理与阶跃型相同。利用光在空气与玻璃之间的全反射传播。由于，光的大部分可在无损耗的空气中传播，具有一定距离的传播功能。二是使圆筒内面的反射率接近1，以减少反射损耗。为了提高反射率，有在简内设置电介质，使工作波段损耗减少的。空心光子晶体光纤能够通过空

2、气而不是玻璃导光，因此在很多应用领域它比传统的光纤更有优势并将最终取代传统的光纤。空心光子晶体光纤可以用标准的光纤拉制设备来制造。首先，将几百个薄壁毛细管堆积在一起制成半成品。然后经过套包层、拉丝、镀聚合物，得到尺寸和机械特性与标准单模光纤非常相似的光纤。空心光子晶体光纤的制造工艺发展非常迅速，甚至可以制造长度不限、光学性质一致的光纤 至少由熔融石英玻璃制成的空心光子晶体光纤可以达到这样的效果。因为实际上只有极少数光在玻璃中传输，所以空心光子晶体光纤的能量传输的能力要远远优越于传统的光纤。虽然空心光子晶体光纤的传输带宽很大程度上由包层的光子带隙决定，但是芯的尺寸和形状以及空心周围固体材料分布的

3、微小变化都会明显地改变光纤的光学性质。因此，当前很多研究工作围绕改善光纤设计以及相关制造工艺，就一点也不会让人觉得惊讶了。1.2 国外的发展现状目前国际上光纤拉丝机的设计制造主要指导思想有两个：一个是以欧洲工业发达国家（例如：德国、意大利、瑞典等）为代表，主张方向为发展高速的活套式、大型、直线式的光纤拉丝机;另一个是以日本等国家为代表，主张的发展方向为拥有较高的速度，并且与先进的辅助设备相结合，发展组合式光纤拉丝机。欧洲工业强国依托先进的电气工业、机械体系，最早在拉丝系统上取得巨大进步，极大地提高了光纤生产的质量。与欧洲国家相比，日本在拉丝机生产制造方面稍有差距， 但大量研究改进了简化电气控制

4、系统以及辅助设备等方面，是以拉丝机首先应做到操作维护要简单便捷为指导思想，通过高效先进的辅助设备去提高生产光纤的效率。1.3 国内的发展现状(1) 1990 年 11月，中国兵器工业 58 研究所设计了一个拉丝机多参量微机自控系统，该系统应用于 528 厂光纤面板、微通道板生产的拉丝工序，实现了拉丝全过程的闭环控制。(2)西安理工大学研究了模糊控制在光纤拉丝机中的应用，主要为了提高光纤生产率和光纤拉丝机的自动化程度，将模糊控制理论应用于光纤拉丝机控制系统中，从而实现对光纤拉丝机的闭环控制。(3) 燕山大学做基于虚拟仪器的塑料光纤拉丝机测控系统的研究时使用直流电机来控制转速。(4) 西安理工大学

5、研究的基于DSP的光纤拉丝机控制系统的设计中，使用两相混合式步进电机。2研究的基本内容，拟解决的主要问题 本课题研究的主要内容是传能空心光纤动力头装置设计，下面是总体方案涉及的几个方面：2.2光纤单丝拉制工艺对于结构为纤芯和包层的双层光纤,通常的拉制工艺方法有双坩埚法和棒管法。双坩埚法结构上是采用内外双层坩埚,如图1所示。首先将具有不同折射率的纤芯玻璃和包层玻璃分别装入具有同轴的内外层坩埚中,通过电加热两种玻璃材料达到焰融态,从具有同轴的漏嘴处汇聚下滴成纤,光纤单丝直径完全取决于漏嘴口的大小。此种方法的优点是玻璃原材料选用范围广,可以是块料玻璃、球料玻璃,而且玻璃原料不必制成像棒管法所需的光纤

6、预制棒、管形状;可实现连续生产,制造成本低。缺点是由于加热温度较高,容易造成玻璃的析晶;相互紧贴的两种材料间易发生材料扩散;在加料过程中,坩埚内部与外界空气存在温度差,易使空气混入产生气泡而影响光纤的传光性能;玻璃流动过程复杂,稳态控制较难,更难控制的是在制造双层坩埚时内外坩埚漏嘴的同轴度问题和双坩埚中双层玻璃材料的流量问题。 图1 双坩埚法 如图2所示的棒管法拉丝工艺示意图。一端装夹在光纤拉丝机的送料机构上,在步进电机的牵引下,另一端以一定的速度均匀地输送到管式电阻炉中,为获得尺寸均匀、透光性能良好的单根光纤,对加热温度要进行实时监控，电机匀速带动辑轮转动,这样就可以拉制出具有同心圆的双层圆

7、柱形光学纤维。所以拉丝过程双坩埚发相对棒管法而言要复杂很多。 图2 棒管发2.1拉丝轮张紧力调节机构光线拉丝机在拉丝过程中主要以拉丝轮之间的张力来调节拉丝的丝径，密度。其中拉丝轮要调节两轮之间的距离来增大张力，主要用张紧构件来实现张紧力的调节，在拉丝轮上都配有张力计。张紧方案有以下三种：方案一： 图3 张紧轮张紧方案二：图4 皮带装置张紧方案三：图5 张紧弹簧张紧比较以上三种方案，方案一 张紧轮张紧装置更加稳定，易于调节拉丝轮之间的张力；方案二皮带张紧张紧装置由于皮带弹性滑动的存在，故传动不平稳，会影响光纤质量。方案三张紧弹簧张紧装置，对调节弹簧的调节易于实现，由于弹力存在，张紧是的外张力会随

8、时变化，影响拉丝张力，故不稳定。综上，选择方案一。 2.3 光纤拉丝机中拉伸电机的选型生产出来的光纤质量是否合格关键在于能否对拉伸电机进行很好的控制，所以电机的选型是整个拉丝机系统中非常关键的一步。运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。这两种电机在使用性能和应用场合上存在着较大的差异，所以，在电机选型时要从以下几个方面考虑： 控制精度 五相混合式步进电机步距角一般为0.72°和 0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准 2500 线编码器的电机

9、而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036° 低频特性 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足。 矩频特性 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降；交流伺服电机为恒力矩输出，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 运行性能 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象

10、，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 速度响应性能 步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要 200400 毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，可用于要求快速启停的控制场合。综合以上因素，本控制系统选用交流伺服电机作为拉伸电机使用。2.4光纤丝径的在线检测 在拉丝的过程中采用非接触检测光纤丝径的方法，实时采得的丝径值信号用于拉丝机控制系统的反馈信号，该反馈信号将用于控制算法的输入信号。2.5光线控制系统的选择在光纤拉丝机控

11、制系统中应用了DSP数字控制器和单片机控制，都能够实现高精度的拉丝电机控制，从而使丝径值达到理想输出。故选用成本低，体积小，重量轻，易于实现的单片机控制。2.6拉丝机整体结构示意图如图 1-1 所示。拉丝机运行过程如下：先将预制棒悬挂于挂钩上，打开送给电机和拉伸电机使之运行，送给电机的转动使滑动丝杠动作，从而带动夹具运动使预制棒进入电炉中加热，过了一定时间玻璃混合物熔化，从电炉导出口流出，经过测径仪，在拉伸电机的拉力作用下，光纤一直向下运动，达到要求的长度后，光纤被剪断。由于光纤的材质不同，所以光纤预制棒熔化所需的温度不同。一般情况下，光纤预制棒的熔化温度为 600700之间，并且在拉伸光纤的

12、过程之中，电炉的温度基本上保持不变。电炉温度的调节可以由专用温度调节控制箱，并且电炉当前温度能够实时的显示在温度调节控制箱的前面板上。 预制棒的送给速度一般是恒定的，预制棒的送给速度由步进电机的转速控制。步进电机的转速由发的脉冲数的多少决定。 光纤拉丝机所拉出光纤的丝径值，粗细均匀，以及丝径的误差，这些关键还是在于对拉伸电机控制。图6 光纤拉丝机结构示意图 3. 研究步骤、方法及措施 3.1研究步骤（1）根据光纤拉丝机工作原理，完成动力头整体结构设计；（2）根据光纤拉丝所需速度，由单片机调控电机，完成动力头电器装置设计；（3）利用激光测径仪，测量光纤直径，并通过串口，返回给单片机；（4）使用光

13、纤切割刀，设计光线切断装置。3.2方法及措施1、运用机械设计手册进行工作平台的机械结构设计，确定基座、工作平台的结构尺寸，加肋板进行结构加固。2、通过阅读、分析关于机构的文献，选择传动机构以及伺服电机的安装方法。3、通过阅读、分析关于配重的文献，确定合理的配重质量以及机构各部件尺寸4、查找步进电机设计手册，选定步进电机的具体型号，并确定安装方法。5、查找伺服电机设计手册，选定伺服电机的具体型号，并确定安装方法。6、查找滑动丝杠设计手册，选定滑动丝杠的具体型号，并确定安装方法。7、根据机械设计方法，设计传动系统。四、研究工作进度第1-4周：完成毕业设计开题报告，收集相关资料，确定基本的技术案； 第5-7周：翻译有关外文资料，考虑总体方案，拿出绘制的总体方案图； 第8-9周：进行设计计算，包括工艺参数，结构尺寸，主要零件的校核； 第10-11周：绘制总体装配图、绘制零件图；第12-13周：绘制电器原理图、单片机的控制设计； 第14-16周：课题全面总结，撰写本科生毕业设计论文；第17周：完成论文，修改图纸，准备论文答辩。五、主要参考文献 1 杜泳根,汪廷世,李克明.拉丝机多参量微机自控系统J.中国兵工学会计算机应用学术交流会2李士勇.模糊控制.神经控制和智能控制论M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版