特種光纖熔接機(jī)高速推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)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(guó)”戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)已經(jīng)成為全球最主要的光纖光纜市場(chǎng)和全球最大的光纖光纜制造國(guó)，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(guó)和國(guó)外還有較大的差距。中國(guó)“光纖之父”趙梓森院士認(rèn)為，國(guó)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(gè)很重要的因素就是尚未有國(guó)產(chǎn)化的成熟商用特種光纖參數(shù)測(cè)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(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品，滿足我國(guó)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(jī)大都采用步進(jìn)電機(jī)對(duì)光纖進(jìn)行推進(jìn)，優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是推進(jìn)速度較慢。尤其是當(dāng)分辨率提高時(shí)，需要選用大減速比的步進(jìn)電機(jī)。

1 推進(jìn)系統(tǒng)原理分析

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

圖1 推進(jìn)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(hào)A、B、I，其中A、B是相位相差90°的正弦波，I是索引信號(hào)，即編碼器旋轉(zhuǎn)一周會(huì)輸出一個(gè)索引信號(hào)。AB經(jīng)過過零比較器，可提供粗略位置信息。將AB進(jìn)行插值，可獲得一個(gè)正弦波周期內(nèi)的精調(diào)位置信息。控制系統(tǒng)根據(jù)獲得的位置信息，通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。正弦編碼器與電機(jī)同軸，不存在回程差。但是，直線滑軌與無刷電機(jī)通過絲杠傳動(dòng)，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(gè)方向推動(dòng)滑軌，即可消除這種回程差。

2 推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)

運(yùn)動(dòng)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(shí)間，直線滑軌必須高速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)距離目標(biāo)位置較近時(shí)，需通過減速消除慣性的影響。一般情況下，無刷電機(jī)的調(diào)速大都通過改變PWM波形的占空比來實(shí)現(xiàn)[3]。特種光纖熔接機(jī)需要左右兩路推進(jìn)，兩部分推進(jìn)原理相同。無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理，如圖2所示。選用雙全橋驅(qū)動(dòng)器L298作為無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，每一路有3個(gè)輸入IN1、IN2、EN。控制系統(tǒng)發(fā)出的PWM信號(hào)直接輸入到IN1，同時(shí)經(jīng)過反相器的PWM信號(hào)輸入到IN2。為了保證電機(jī)可靠的啟停，系統(tǒng)還需要控制EN。同時(shí)，考慮到電機(jī)換向及啟停時(shí)對(duì)電路的影響以及運(yùn)行中可能產(chǎn)生的抖動(dòng)，還需考慮保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。

2.2 電機(jī)位置檢測(cè)

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

2.3 推進(jìn)系統(tǒng)的軟件實(shí)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(jìn)行硬件狀態(tài)的自檢。如果直線滑軌未在初始位置，則電機(jī)反轉(zhuǎn)，否則電機(jī)正轉(zhuǎn)。此時(shí)檢測(cè)正弦編碼器輸出的位置信息，則可檢測(cè)電機(jī)編碼器是否正常工作，然后將直線滑軌反向驅(qū)動(dòng)到初始位置，再正向前進(jìn)特定的距離以消除回差，至此系統(tǒng)初始化完成。

當(dāng)用戶在直線滑軌上放入光纖后，控制系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算光纖需要推進(jìn)的距離，再根據(jù)距離計(jì)算PWM的占空比，使能驅(qū)動(dòng)器，推動(dòng)直線滑軌前進(jìn)。同時(shí)，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(jìn)的距離，進(jìn)而再改變PWM的占空比，直至光纖推進(jìn)到合適的位置。在這個(gè)過程中，檢測(cè)、運(yùn)算、控制都是實(shí)時(shí)進(jìn)行的。雖然現(xiàn)在單片機(jī)的性能與以前相比有很大提升，但在三角函數(shù)的運(yùn)算方面還存在欠缺。因此，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，精調(diào)位置的計(jì)算需進(jìn)行特別處理。一種簡(jiǎn)單的處理方法就是遵循軟件設(shè)計(jì)中的“時(shí)空原則”，即以時(shí)間換空間和以空間換時(shí)間。

3 推進(jìn)系統(tǒng)性能測(cè)試

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

從表1可以看出，在各個(gè)測(cè)試點(diǎn)，推進(jìn)精度均優(yōu)于0.1 μm。

圖2 無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

還可利用自動(dòng)測(cè)試技術(shù)，對(duì)整個(gè)測(cè)試范圍進(jìn)行逐點(diǎn)掃描測(cè)試。推進(jìn)系統(tǒng)和光纖攝像頭通過串行接口接入到PC機(jī)，PC機(jī)控制推進(jìn)系統(tǒng)前進(jìn)一定的步數(shù)，再通過光纖圖像識(shí)別光纖實(shí)際前進(jìn)的步數(shù)，記錄二者的差值并繪制推進(jìn)精度曲線，如圖3所示。從圖3可以看出，在整個(gè)測(cè)試范圍，推進(jìn)精度指標(biāo)都滿足要求。

表1 推進(jìn)精度測(cè)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(jī)、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(guó)外廠家壟斷，價(jià)格居高不下。高速推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是特種光纖熔接設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一，而此項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的兩個(gè)核心點(diǎn)是高速和高精度。文章提出了一種新的直接驅(qū)動(dòng)輔以編碼器位置檢測(cè)的技術(shù)，從測(cè)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(zhǎng)期可靠性還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖3 逐點(diǎn)掃描測(cè)試結(jié)果