特種光纖熔接機高速推進系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

賀永亮

（中電科儀器儀表（安徽）有限公司，安徽 蚌埠 233010）

0 引 言

隨著“寬帶中國”戰(zhàn)略的實施，我國已經(jīng)成為全球最主要的光纖光纜市場和全球最大的光纖光纜制造國，取得了引人注目的成就[1]。但是，在特殊性能和用途的特種光纖領(lǐng)域，我國和國外還有較大的差距。中國“光纖之父”趙梓森院士認為，國內(nèi)特種光纖產(chǎn)業(yè)面臨的主要問題是核心技術(shù)的缺失，其中一個很重要的因素就是尚未有國產(chǎn)化的成熟商用特種光纖參數(shù)測試和專用的熔接處理設(shè)備。因此，快速突破特種光纖熔接處理系統(tǒng)的關(guān)鍵共性技術(shù)，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化產(chǎn)品，滿足我國特種光纖研制及應(yīng)用過程中的熔接處理需求，具有很高的戰(zhàn)略性和急迫性。傳統(tǒng)的光纖熔接機大都采用步進電機對光纖進行推進，優(yōu)點是控制簡單，缺點是推進速度較慢。尤其是當分辨率提高時，需要選用大減速比的步進電機。

1 推進系統(tǒng)原理分析

本設(shè)計采用無刷電機直接驅(qū)動方式，原理如圖1所示。選用雙軸無刷電機，一端驅(qū)動直線滑軌，另一端驅(qū)動正弦編碼器。直線滑軌和編碼器都在電機的軸上，具有堅固、緊密、速度快以及沒有回程差等優(yōu)點。在高分辨率系統(tǒng)中，長壽命、低磨損很重要，無刷直流電機滿足此要求[2]。

圖1 推進系統(tǒng)原理框圖

根據(jù)系統(tǒng)需求，選用1024線的正弦編碼器。編碼器有3路輸出信號A、B、I，其中A、B是相位相差90°的正弦波，I是索引信號，即編碼器旋轉(zhuǎn)一周會輸出一個索引信號。AB經(jīng)過過零比較器，可提供粗略位置信息。將AB進行插值，可獲得一個正弦波周期內(nèi)的精調(diào)位置信息?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)獲得的位置信息，通過驅(qū)動電路驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。正弦編碼器與電機同軸，不存在回程差。但是，直線滑軌與無刷電機通過絲杠傳動，它們之間存在回程差。這可通過初始定位裝置確定直線滑軌的初始位置，然后往一個方向推動滑軌，即可消除這種回程差。

2 推進系統(tǒng)設(shè)計

2.1 無刷電機驅(qū)動

運動的物體具有慣性，高速系統(tǒng)中必須考慮慣性的影響。為了縮短熔接時間，直線滑軌必須高速運動。當距離目標位置較近時，需通過減速消除慣性的影響。一般情況下，無刷電機的調(diào)速大都通過改變PWM波形的占空比來實現(xiàn)[3]。特種光纖熔接機需要左右兩路推進，兩部分推進原理相同。無刷電機驅(qū)動原理，如圖2所示。選用雙全橋驅(qū)動器L298作為無刷電機的驅(qū)動芯片，每一路有3個輸入IN1、IN2、EN。控制系統(tǒng)發(fā)出的PWM信號直接輸入到IN1，同時經(jīng)過反相器的PWM信號輸入到IN2。為了保證電機可靠的啟停，系統(tǒng)還需要控制EN。同時，考慮到電機換向及啟停時對電路的影響以及運行中可能產(chǎn)生的抖動，還需考慮保護電路的設(shè)計。

2.2 電機位置檢測

正弦編碼器用于檢測電機的位置，由碼盤和底座組成。底座包含激光源和檢測電路。系統(tǒng)中底座固定不動，碼盤隨電機轉(zhuǎn)動，碼盤上的狹縫與底座狹縫相對運動。底座檢測電路會輸出相位差為90°的正弦波。為了檢測電機的絕對位置，碼盤上還有一個索引孔。此索引孔確定的絕對位置可以精確到一個增量步距[4]。編碼器輸出的正余弦信號輸入到過零比較器后，輸出兩路相位差為90°的方波。對這兩路方波進行計數(shù)，分辨率可達到編碼器分辨率的4倍。對于1024線的編碼器，分辨率可達4 096。同時，將正弦信號輸入到一個8位分辨率的AD，通過對電壓的比對，可將一個周期的正弦波細分為1/256倍。因此，電機轉(zhuǎn)動的角分辨率約為0.000 4°，完全滿足特種光纖熔接機對推進系統(tǒng)0.001°分辨率的要求。

2.3 推進系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

控制系統(tǒng)選用ARM Cortex嵌入式處理器，采用C語言編程。系統(tǒng)初始化階段，先進行硬件狀態(tài)的自檢。如果直線滑軌未在初始位置，則電機反轉(zhuǎn)，否則電機正轉(zhuǎn)。此時檢測正弦編碼器輸出的位置信息，則可檢測電機編碼器是否正常工作，然后將直線滑軌反向驅(qū)動到初始位置，再正向前進特定的距離以消除回差，至此系統(tǒng)初始化完成。

當用戶在直線滑軌上放入光纖后，控制系統(tǒng)自動計算光纖需要推進的距離，再根據(jù)距離計算PWM的占空比，使能驅(qū)動器，推動直線滑軌前進。同時，根據(jù)正弦編碼器反饋的位置信息（A、B、I）調(diào)整光纖需要推進的距離，進而再改變PWM的占空比，直至光纖推進到合適的位置。在這個過程中，檢測、運算、控制都是實時進行的。雖然現(xiàn)在單片機的性能與以前相比有很大提升，但在三角函數(shù)的運算方面還存在欠缺。因此，在進行軟件設(shè)計時，精調(diào)位置的計算需進行特別處理。一種簡單的處理方法就是遵循軟件設(shè)計中的“時空原則”，即以時間換空間和以空間換時間。

3 推進系統(tǒng)性能測試

推進精度是推進系統(tǒng)最重要的性能指標。特種光纖的包層直徑覆蓋80 μm、500 μm。在進行推進精度測試時，選擇包層直徑125 μm的光纖進行測試。為了測試推進精度，需要搭建測試平臺。測試平臺主要包括高放大倍數(shù)的光纖攝像頭和PC機。攝像頭對待測光纖進行成像，并實時傳輸?shù)絇C機。光纖推進的距離可以通過軟件進行測算。每一次測試前均將直線滑軌推進到初始位置，然后往前推進固定的距離，在與軟件測算的距離進行對比，即可獲得推進精度。在整個推進范圍內(nèi)，選取多個測試點進行測試，具體的測試數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可以看出，在各個測試點，推進精度均優(yōu)于0.1 μm。

圖2 無刷電機驅(qū)動原理圖

還可利用自動測試技術(shù)，對整個測試范圍進行逐點掃描測試。推進系統(tǒng)和光纖攝像頭通過串行接口接入到PC機，PC機控制推進系統(tǒng)前進一定的步數(shù)，再通過光纖圖像識別光纖實際前進的步數(shù)，記錄二者的差值并繪制推進精度曲線，如圖3所示。從圖3可以看出，在整個測試范圍，推進精度指標都滿足要求。

表1 推進精度測試數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

在特種光纖生產(chǎn)與應(yīng)用過程中，需要使用熔接處理設(shè)備。此設(shè)備涉及光、機、電以及系統(tǒng)集成等交叉領(lǐng)域技術(shù)，研制難度大。此類產(chǎn)品一直被國外廠家壟斷，價格居高不下。高速推進系統(tǒng)設(shè)計是特種光纖熔接設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一，而此項關(guān)鍵技術(shù)的兩個核心點是高速和高精度。文章提出了一種新的直接驅(qū)動輔以編碼器位置檢測的技術(shù)，從測試數(shù)據(jù)來看可以滿足系統(tǒng)要求。需要注意，本方法涉及多領(lǐng)域技術(shù)，熔接處理設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境也較為復(fù)雜，因此它的長期可靠性還需進一步驗證。

圖3 逐點掃描測試結(jié)果