阅读说明：本技术 一种轮盘牵引式光纤拉锥机及其方法 (Wheel disc traction type optical fiber tapering machine and method thereof ) 是由 李建设 李旭 岳希锐 郭英 胡康宇 王晓燕 李曙光 毕卫红 卢辉斌 郭海涛 程同 于 2020-05-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种轮盘牵引式光纤拉锥机,其包括控制处理装置、动力传动装置、导向控制装置、轮盘牵引装置、加热与位移控制装置、光纤旋转装置、光功率监测装置以及工作平台。控制处理装置、动力传动装置、导向控制装置、轮盘牵引装置、加热与位移控制装置以及光纤旋转装置都固定于工作平台之上,光功率监测装置用来在光纤拉锥过程中通过对光纤透过光功率的监测来辅助评估操作的实时进程。本发明利用两个位置可调的相对轮盘来对操作光纤进行夹持固定,工作时两个轮盘逆向同速转动,并依靠系统齿轮间的啮合转动来将电机的受控转动转化为对光纤拉锥的受控牵引拉伸,依靠传动齿轮组的减速作用,可以精确控制拉锥过程。电阻加热装置传热稳定,受控性强。(The invention provides a wheel disc traction type optical fiber tapering machine which comprises a control processing device, a power transmission device, a guide control device, a wheel disc traction device, a heating and displacement control device, an optical fiber rotating device, an optical power monitoring device and a working platform. The control processing device, the power transmission device, the guide control device, the wheel disc traction device, the heating and displacement control device and the optical fiber rotating device are all fixed on the working platform, and the optical power monitoring device is used for assisting in evaluating the real-time process of operation by monitoring the optical power transmitted by the optical fiber in the optical fiber tapering process. The invention utilizes two relative wheel discs with adjustable positions to clamp and fix the operation optical fiber, the two wheel discs rotate reversely at the same speed during working, the controlled rotation of the motor is converted into the controlled traction and stretching of the optical fiber tapering by means of the meshing rotation between the system gears, and the tapering process can be accurately controlled by means of the deceleration action of the transmission gear set. The resistance heating device has stable heat transfer and strong controllability.)

一种轮盘牵引式光纤拉锥机及其方法

技术领域

本发明涉及光纤后处理领域，具体地涉及一种轮盘牵引式光纤拉锥机及其方法。

背景技术

我们知道，现代社会是一个高度信息化的社会，而信息化技术的发展和光纤技术的发展又息息相关，比如当前应用非常广泛的和研究非常火的宽带通信、激光技术、传感技术、物联网技术、大数据技术、5G通信、航天器导航等都离不开光纤技术的发现和发展。光纤的研究制备及其后处理技术都已经是现代社会发展必须要依仗的关键技术之一，因此其研究也越来越受到人们的重视。

锥形光纤是在正常光纤的基础上通过后处理技术进行拉锥处理而得到，因其独特的锥形结构可改变光在纤芯中的导光行为并显著改变光纤性能。比如锥区的形成会导致光从纤芯向倏逝场的泄露，基于锥形光纤的传感器可显著提高光对传感环境的感知能力，极大地提高传感效率；比如锥形区的形成还会极大地缩小纤芯区域的大小，从而极大地提高光纤的非线性效应；比如锥形光纤因为锥区两边尺寸的不同，很适合做不同尺寸光纤间进行熔接的过渡光纤；比如基于光纤集束拉锥的空分复用解复用器和非对称定向耦合的模分复用解复用器的实现都拉不开光纤拉锥技术的发明和发展。

光纤拉锥技术除了要适应传统光纤的拉制需求，还必须要能够对微结构光纤等特种光纤进行加热、拉锥或旋转等后处理操作。微结构光纤又叫光子晶体光纤，按照其导光机制一般可分为折射率导光型、带隙引导型、反谐振光纤等。因在光纤的包层或者纤芯中存在许多空气孔，而空气孔的大小、形状、位置和个数等会显著改变光纤的性能，并且这些空气孔可以根据需要进行任意设计，所以微结构光纤一经发明就成为光纤家族的重要成员并在光子器件等领域占据非常重要地位。

基于光纤加热并旋转处理而制作的螺旋光纤也是当前研究中的另外一个热点。螺旋光纤具有很重要的研究价值，比如圆双折射光纤在光纤传输和光纤传感器件方面有重要的应用，其中螺旋光纤是最容易实现且最有吸引力的圆双折射光纤之一；比如拓扑量子计算在实验与理论上引起了广泛关注,螺旋光纤系统因特殊的结构和物理属性使其有可能成为实现对退相干出错与非绝热出错均具有抗错性能的拓扑量子计算机基本单元(非绝热条件几何相移门)的理想方案；比如螺旋光纤在大模场面积光纤激光器和放大器上使用能够很好地实现单模操作等。因此研究螺旋光纤的制备技术也十分重要。

但目前对基于光纤后处理技术的螺旋光纤制备技术还很不成熟，所制备光纤实验与理论相差较大，所需要走的路还很长，当前螺旋光纤主要是在光纤制备阶段通过一边拉制一边旋转得到的。这种方法不利于对螺旋光纤的制备及处理，原因是光纤拉锥机并不普及，因此发展一种后处理技术十分关键。

目前国内外对光纤拉锥的方式主要有化学腐蚀法、机械抛磨法和熔融拉锥法等。其中，化学腐蚀法是利用特制的化学溶液,对浸泡在其中的光纤进行化学腐蚀,然后通过控制光纤不同部分的受腐蚀时间,来达到加工锥形光纤的目的。但是该方法所用的化学溶液腐蚀性强，在实施过程中存在一定危险性，可操控性较差，不易于控制，同时光纤拉锥装置稳定性差，所获得的成品表面粗糙，会大大增加光纤锥区的损耗。

机械抛磨法是利用机械的方法在普通光纤上运用微抛磨加工技术将其磨成圆锥形的一种方法，在实验抛磨过程中，由于光纤本身半径较小，仪器操作产生较大误差，导致成锥过程中材料损耗大，所得成品精度低，成品粗糙。同时采用机械抛磨进行光纤实验中对加工光纤的仪器和环境要求极高，从而导致制作锥形光纤的成本大大增高。此外，对于包层中具有微结构的特种光纤如果要进行拉锥，机械抛磨法将不适用，因为其在抛光中会将包层中的微结构破坏掉，导致后处理后光纤的性质完全不可控。

普通的熔融拉锥方法是将光纤除去涂覆层，露出长度为20-30mm的裸纤，用高温加热熔融并向两侧拉伸，最终在加热区形成锥体形式的特殊波导结构。加热方式一般采用氢氧焰加热，但是这种方法对操作环境和工作条件要求较高，氢气和氧气需要特殊的专门保存条件储存，在工作中操作不当还容易发生爆炸，且加热时是氢氧焰从下方向上方的光纤加热，很容易导致光纤受热不匀而断裂。解决此问题通常采用的方法是，在加热的同时不断旋转光纤，但这种方法并不能从根本上来解决光纤受热不匀的问题。这种方法对处理普通光纤的拉锥问题还基本可以胜任，但操作的光纤如果是微结构光纤则完全不可为，其原因是微结构光纤包层内具有很多个空气孔，而空气孔的存在会导致包层材料以类似蜂巢的方式存在，即空气孔和空气孔之间的连接区很薄，这样在加热过程中就会因空气和光纤基底材料的导热率差别太大而无限放大此种方法加热下的受热不均匀缺点，从而导致包层中靠外的光纤材料提前融化，而靠近纤芯的光纤材料还没有达到融融温度，这样在拉锥时光纤一拉就会断。还有一点，因气孔与气孔间的连接壁很薄，也会导致在这些区域的光纤基底材料很容易提前发生变形，导致光纤拉锥失败。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的问题，提供一种基于盒式电阻加热与轮盘牵引式拉锥的轮盘牵引式光纤拉锥机，并提供了一种制备具有旋转锥区的锥形光纤或制备具有局部旋转结构的螺旋光纤的制备手段和方法。其中，盒式的电阻加热方式有效地解决了光纤内受热不匀的问题，尤其是很好地解决对微结构光纤进行拉锥时的加热问题；轮盘牵引式拉锥利用齿轮间啮合将电机的转动减速传递到两个同速逆向转动的轮盘上，并利用在两个轮盘外侧圆周上安装的传动带来对光纤进行夹持牵引，拉锥牵引力输出更加平缓，拉锥流程更加可控，有利于提高拉锥效果；光纤旋转装置的引入既起到了固定待操作光纤端头的作用，又提供了螺旋光纤或具有旋转锥区的锥形光纤的制备手段和方法。

具体地，本发明提供一种轮盘牵引式光纤拉锥机，其包括工作平台、控制处理装置、动力传动装置、导向控制装置、轮盘牵引装置、加热与位移控制装置、光纤旋转装置、光功率监测装置以及工作平台；所述控制处理装置、动力传动装置、导向控制装置、轮盘牵引装置、加热与位移控制装置以及光纤旋转装置均固定在所述工作平台上；

所述动力传动装置借助于所述导向控制装置连接所述轮盘牵引装置实现对操作光纤的夹持与牵引；

所述动力传动装置包括电机、电机齿轮、传动齿轮、第一主齿轮、第二主齿轮、第一主轴和第二主轴，所述电机的输出轴连接所述电机齿轮，所述电机齿轮进一步与所述传动齿轮啮合，所述传动齿轮与所述第一主齿轮啮合，所述第一主齿轮与所述第二主齿轮啮合；

所述导向控制装置包括导向卡槽、转盘控制把手、转向桥连接轴、第一转向桥、第二转向桥、第一转向轴、第二转向轴、第一三孔连接件、第二三孔连接件、第一转向齿轮组、第二转向齿轮组、第一轮盘轴和第二轮盘轴；

所述第一主轴连接所述第一转向齿轮，所述第二主轴连接所述第二转向齿轮，所述第一转向齿轮组包括相互啮合的第一转向齿轮和第二转向齿轮，所述第二转向齿轮组包括相互啮合的第三转向齿轮和第四转向齿轮，所述导向卡槽呈T型结构，所述导向卡槽包括第一竖臂部、第二横臂部和第三横臂部，所述所述第一竖臂部开设有用于供所述转向桥连接轴移动的第一通孔，所述第一通孔的宽度略大于转向桥连接轴的直径，所述转向桥连接轴的第一端无固定约束于第一通孔内；所述第二横臂部和第三横臂部分别设置在所述第一竖臂部的两侧，所述第二横臂部和第三横臂部的端部分别开设有供第一主轴或第二主轴穿过的第二通孔和第三通孔，所述第一转向桥的第一端的端部与第二转向桥的第一端的端部嵌合形成嵌合部，所述嵌合部用于安装所述转向桥连接轴，所述第一转向桥的第二端的端部安装所述第一转向轴的第一端，所述第二转向桥的第二端的端部安装所述第二转向轴的第一端，所述第一转向轴的第二端安装在所述第一三孔连接件的中间的通孔内，所述第一三孔连接件的第一端的通孔套设在所述第一主轴上，所述第一三孔连接件的第二端的通孔套装在所述第一轮盘轴上，所述第一轮盘轴上固定安装所述第二转向齿轮，所述第一转向齿轮周向固定安装于所述第一主轴上；所述第二转向轴的第二端安装在所述第二三孔连接件的中间的通孔内，所述第二三孔连接件的第一端的通孔套设在所述第二主轴上，所述第二三孔连接件的第二端的通孔套装在所述第二轮盘轴上，所述第二轮盘轴上固定安装所述第四转向齿轮，所述第三转向齿轮周向固定安装于所述第二主轴上，在电机的带动下，所述第一主齿轮和第二主齿轮的转动分别带动所述第一主轴和第二主轴转动，所述第一主轴和第二主轴进一步带动第一转向齿轮和第三转向齿轮转动，所述第一转向齿轮和第三转向齿轮的转动分别带动第二转向齿轮和第四转向齿轮转动，进而分别带动第一轮盘轴和第二轮盘轴转动；

所述转盘控制把手与所述导向桥连接轴连接，拉动转盘控制把手，转向桥连接轴沿着导向卡槽移动，从而改变第一转向桥和第二转向桥所成夹角的大小，进而控制第一轮盘和第二轮盘的靠近或远离；

所述轮盘牵引装置包括第一轮盘和第二轮盘，所述第一轮盘借助于第一轮盘轴进行周向固定，所述第二轮盘借助于第二轮盘轴进行周向固定，并借助这两个轮盘轴来实现与导向控制装置的联动，所述第一轮盘与第二轮盘的外侧圆周上均覆盖一层夹持光纤用的传动带，光纤夹持固定于这两个传动带之间的空隙之中，传动带间的空隙大小由导向控制装置中的转盘控制把手来进行调节控制；

所述加热与位移控制装置用于进行加热及位移控制，所述加热与位移控制装置设置有温度测量模块，所述温度测量模块用来对光纤拉锥区的温度进行实时测量并反馈；

所述光纤旋转装置包括光纤固定夹具和旋转驱动电机，所述旋转驱动电机固定于所述工作平台上，并与所述控制处理装置进行通讯连接，所述光纤固定夹具用来固定拟操作光纤的其中一端；

所述光功率监测装置包括光源、光功率计以及光纤熔接机，所述光源用来提供功率监测的信号光，所述光功率计用来监测操作光纤的输出功功率，所述光纤熔接机主要用于将操作光纤的两端分别与光源的输出尾纤和光功率计的输入尾纤进行熔接来搭建功率监测工作平台；

所述控制处理装置包括中央处理模块、人机交互模块、工作信号输出模块和反馈信号输入模块，所述控制处理装置通过所述人机交互模块获取工作任务，经由中央处理模块处理并生成原始的流程行程、工作指令和输出信号数据，再经由工作信号输出模块对加热与位移控制装置中的电阻进行工作电流的控制输出，同时经由反馈信号输入模块接收由温度测量模块测量获得的实时温度反馈数据，并经中央处理模块对工作指令作出修正，重新向下分配工作信号数据；所述控制处理模块根据当前生成的流程行程、工作指令和输出信号数据，经工作信号输出模块向动力传动装置中的电机进行通讯控制，并在工作中根据光纤的实际处理进程需求进行动态调控。

优选地，所述加热与位移控制装置包括外壳、导轨、加热盒上盖、加热盒下盖、合页、加热电阻和温度测量模块，所述导轨两侧固定安装于外壳的两个相对端面上，所述加热盒下盖安装到导轨上，所述加热电阻安装于加热盒下盖上面，并且其长度可根据光纤需要加热的区域大小来进行选择性装配，导轨的使用可方便根据光纤加热区域的不同要求而进行相应的位置适配，所述加热盒上盖通过合页与加热盒下盖进行固定，所述加热盒上盖上在与下盖安装电阻的地方的对应位置处有用于对电阻进行夹持的凹槽，并在电阻安装处形成密闭性加热空间，所述电阻采用螺旋缠绕的摆放方式，在电阻的两头引出导线穿出加热下盖；

加热与位移控制装置中的电阻为钨丝，加热盒上盖和加热盒下盖的材料均为陶瓷。

优选地，所述光纤固定夹具包括旋转电机螺母和旋转夹具，所述旋转夹具包括内螺母安装型模具和外螺母安装型模具；

所述内螺母安装型模具的第一端设置有一字型开口，第二端为实心无开口的圆柱体，所述圆柱体以及一字型开口的圆周上开设有螺纹，所述第二端与旋转电机的旋转轴之间通过可拆卸装置固定，第一端的圆周半径略大于圆柱形第二端的圆周半径；

所述外螺母安装型模具的第一端设置锥形的一字型开口，第二端为实心无开口的圆柱体，所述圆柱体以及一字型开口的圆周上开设有螺纹，所述第二端与旋转电机的旋转轴之间通过可拆卸装置固定，第一端的圆周半径略小于圆柱形第二端的圆周半径。

优选地，所述轮盘的外侧圆周剖面为U形凹槽，U形凹槽内放置传动带，传动带的厚度略高于U形凹槽的深度；

所述导向卡槽的第一通孔为圆角长形槽口，第一通孔的宽度略大于转向桥连接轴的直径，所述导向卡槽的第二和第三通孔内分别利用轴承安装第一主轴和第二主轴。

优选地，电机齿轮、传动齿轮、第一主齿轮、第二主齿轮、第一转向齿轮、第二转向齿轮、第三转向齿轮以及第四转向齿轮均为直齿圆柱齿轮；

第一主齿轮与第二主齿轮的尺寸一致，第一转向齿轮与第三转向齿轮的尺寸一致，第二转向齿轮与第四转向齿轮的尺寸一致。

优选地，所述转盘控制把手包括把手部、把手齿条和连接部，所述连接部与所述转向桥连接轴固定连接，所述把手齿条设置在所述把手部和连接部，所述连接部内部设置有保护弹簧，所述保护弹簧焊接在所述连接部内部，通过控制外壳上的卡齿可控制转盘间空隙，拉起卡齿后能够将转盘控制把手拉出，后将把手拉至恰当位置后，放下卡齿，卡住把手齿条，从而固定转盘控制把手。

优选地，所述转向桥连接轴包括主轴体、筒套、导向柱以及弹簧底座，所述主轴体在所述导向卡槽的中间长槽口内部，所述弹簧底座设置在所述筒套底部，所述导向柱焊接在弹簧底座上，所述保护弹簧套在导向柱上并与弹簧底座焊接相连。

一种根据所述的轮盘牵引式光纤拉锥机制备普通锥形光纤的方法，其包括以下步骤：

S1、选择外螺母安装型模具作为光纤旋转装置中的旋转夹具的螺杆，将待操作光纤的第一端头穿过旋转电机螺母并斜向放置到旋转夹具的一字型开口中，然后固定待操作光纤使光纤处于静止状态；

S2、打开加热与位移控制装置的加热上盖，根据待操作光纤的加热需求选择合适的电阻尺寸并进行线路连接和安装固定，然后将步骤S1中待操作光纤的第二端头穿过加热与位移控制装置中的电阻，闭合加热上盖，调整加热与位移控制装置的位置使得加热位置合适；

S3、将转盘控制把手推入，使两个轮盘间距加大，将待操作光纤放置在两个轮盘中间，并使待操作光纤控制在轮盘高度的中间位置；

S4、拉出转盘控制把手，夹紧待操作光纤后，将卡齿放下后固定转盘控制把手；

S5、将待操作光纤的第二端头用光纤熔接机与光功率计的尾纤进行连接，启动光功率计和光源，对通过待操作光纤后传输的光功率进行监控测试；

S6、调整完毕后，开启总开关，通过人机交互模块输入待操作光纤的拉锥条件数据，经控制处理装置中的中央处理模块处理，给电阻通电并加热待操作光纤的拉锥区，待温度反馈达到拉锥条件时控制处理装置下发信号控制动力传动装置中的电机开始进行受控转动，此时拉锥开始，同时通过光功率计的监测数据来实时掌握拉锥进程，并随时通过人机交互将进程反馈给控制处理装置来对电阻和电机的通电电流进行调控以满足需求，直至拉锥结束；

S7、拉锥完成后关闭总开关，使用光纤熔接机或者切割刀将光纤的两头分别与光源和光功率计的尾纤断开，待光纤和加热电阻冷却后，拉起卡齿并推回转盘控制把手，将旋转电机螺母向靠近旋转电机方向旋转，掀开加热上盖，抽出待操作光纤，普通的锥形光纤制备完成。

一种根据所述的轮盘牵引式光纤拉锥机制备具有旋转锥区的锥形光纤的操作方法，其包括以下步骤：

S1、选择内螺母安装型模具作为光纤旋转装置中的旋转夹具的螺杆，将待操作光纤的第一端头装入旋转夹具的一字型开口中，然后将螺母从靠近旋转电机向远离旋转电机的方向旋进直至将第一端头固定良好；

S2、打开加热与位移控制装置的加热上盖，根据待操作光纤的加热需求选择合适的电阻尺寸并进行线路连接和安装固定，然后将步骤S1中待操作光纤的第二端头穿过加热与位移控制装置中的电阻，闭合加热上盖，调整加热与位移控制装置的位置使得加热位置合适；

S3、将转盘控制把手推入，使两个轮盘间距加大，将待操作光纤放置在两个轮盘中间，并使待操作光纤控制在轮盘高度的中间位置；

S4、拉出转盘控制把手，夹紧待操作光纤后，将卡齿放下后固定转盘控制把手；

S5、调整完毕后，开启总开关，通过人机交互模块输入待操作光纤的旋转拉锥条件数据，经控制处理装置中的中央处理模块处理，给电阻通电并加热待操作光纤的拉锥区，待温度反馈达到拉锥条件时控制处理装置下发信号控制动力传动装置中的电机开始进行受控转动，此时拉锥开始，在控制处理装置向动力传动装置中的电机下发信号的同时还要计算光纤旋转装置的旋转电机转速并下发控制信号，进而实现在拉锥的同时进行同步的旋转操作；

S6、旋转拉锥完成后关闭总开关，等至待操作光纤和电阻冷却后，拉起卡齿并推回转盘控制把手，将旋转电机螺母向靠近旋转电机方向旋转，掀开加热上盖，抽出待操作光纤，具有旋转锥区的锥形光纤制备完成。

一种根据所述的轮盘牵引式光纤拉锥机制备具有局部旋转结构的螺旋光纤的方法，其包括以下步骤：

S1、选择内螺母安装型模具作为光纤旋转装置中的旋转夹具的螺杆，将待操作光纤的第一端头装入旋转夹具的一字型开口中，然后将螺母从靠近旋转电机向远离旋转电机的方向旋进直至将第一端头固定良好；

S2、打开加热与位移控制装置的加热上盖，根据待操作光纤的加热需求选择合适的电阻尺寸并进行线路连接和安装固定，然后将步骤S1中待操作光纤的第二端头穿过加热与位移控制装置中的电阻，闭合加热上盖，调整加热与位移控制装置的位置使得加热位置合适；

S3、将转盘控制把手推入，使两个轮盘间距加大，将待操作光纤放置在两个轮盘中间，并使待操作光纤控制在轮盘高度的中间位置；

S4、拉出转盘控制把手，夹紧待操作光纤后，将卡齿放下后固定转盘控制把手；

S5、调整完毕后，开启总开关，通过人机交互模块输入光纤的旋转要求数据，经控制处理装置中的中央处理模块处理，给电阻通电并加热带操作光纤的拉锥区，同时通过控制处理装置的中央处理模块得到光纤旋转装置的旋转电机的控制信号，待温度反馈达到准许旋转启动的条件时控制处理装置下发旋转电机的受控启动信号，进行具有局部旋转结构的螺旋光纤的制备；

S6、螺旋光纤制备完成后关闭总开关，待光纤和加热电阻冷却后，拉起卡齿推回转盘控制把手，将旋转电机螺母向靠近旋转电机方向旋转，掀开加热上盖，抽出光纤，具有旋转锥区的锥形光纤制备完成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

①动力传动装置借助于导向控制装置连接轮盘牵引装置,将电机的绕轴转动转化为两个同速异向旋转的轮盘转动，进而通过安装于轮盘上的传动带对操作光纤进行夹持牵引，从而实现对光纤的拉锥。由于在发明中采用了齿轮啮合传递的方法将电机的旋转动力传递转化为最终的拉锥牵引力，而齿轮组的传递本身就具备了减速作用，因此最终获得的拉锥牵引力会更加柔和，再配合控制处理装置对电机的输出进行精细控制，就可以成功实现对不同品类光纤进行不同需求的精细拉锥操作，更高效保证在拉锥中光纤不被拉断，而这些都是现有技术亟待提高的地方。此外，靠两个轮盘上传动带的夹持，并靠一对同速异向旋转的传动带来对光纤进行柔性牵引，这些也极大地保障了对操作光纤的牵引保护，而这是对光纤进行硬性固定并刚性牵引的现有技术所完全不能比拟的。

②加热与位移控制装置利用加热电阻进行加热，并利用上下盒合作闭合的结构构建了一个相对密闭的盒式加热空间。盒式的电阻加热装置传热稳定且为四周型加热，因此易于对光纤快速加热，同时也可有效阻断空气顺畅进入工作区域的途径，在拉锥工艺上就从根本解决了光纤加热区域的局部氧化和老化问题，有利于制备高品质锥形或螺旋光纤。电阻加热没有明火，更加安全，电阻加热也很方便利用控制处理装置来对加热电流的大小、加热的时机、加热的温度曲线等作出精细化管控，因此可以很好地适应对采用具有不同熔融温度材料做基底的光纤拉锥需求。四周型加热方式也很好地解决了当前主流采用的氢氧焰加热带来的光纤受热不匀容易变形或者被拉断的问题，尤其是很好地解决了对微结构光纤的拉锥问题。针对实际的拉锥需求，可以根据需要加热的区域大小来灵活调节加热电阻的长度，并利用导轨移动来精细适配光纤的加热位置，保证加热区域的加热过程一次性完成，更加有利于保证光纤拉锥过程的流畅性和完美性，这是通常采用的火焰式加热所做不到的。

③光纤旋转装置可在工作过程中进行选择性启动。若在对光纤开始进行牵引拉锥时启动，则可直接拉制出具有旋转锥区的锥形光纤；若在没有启动光纤牵引、但启动了加热装置的情况下，则可以直接拉制出具有局部旋转结构的螺旋光纤。这种对光纤的局部旋转处理技术与能力也是在传统拉锥技术中亟待提高的地方。

附图说明

图1为本发明的工作平台的结构示意图；

图2为本发明的动力传动装置的结构示意图；

图3为本发明的轮盘牵引装置的结构示意图；

图4为本发明的导向控制装置的结构示意图；

图5为本发明的导向卡槽的结构示意图；

图6为本发明的三孔连接件的结构示意图；

图7为本发明的转向桥连接轴的半剖面结构示意图；

图8为本发明的转向桥连接轴与保护弹簧的配合关系示意图；

图9为本发明的转盘控制把手的结构示意图；

图10为本发明的转盘控制把手与保护弹簧和转向桥连接轴的配合关系示意图；

图11为本发明的固定转盘控制把手时卡齿与转盘控制把手的配合关系示意图；

图12为本发明的卡齿与转盘控制把手相互配合时的结构示意图；

图13a为本发明的第一导向桥和第二导向桥的结构示意图；

图13b为本发明的第一导向桥和第二导向桥的连接结构示意图；

图14为本发明的内部整体结构示意图之一；

图15为本发明的内部整体结构示意图之二；

图16为本发明的加热与位移控制装置结构示意图；

图17a为本发明的安装内螺母安装型模具的光纤旋转装置结构示意图；

图17b为本发明的安装外螺母安装型模具的光纤旋转装置结构示意图；

图18为本发明的控制处理装置结构示意图；

图19为本发明的控制处理装置内部配合关系示意图；

图20为本发明的整体示意图之一；以及

图21为本发明的整体示意图之二。

主要附图标记：

轮盘电机1、电机齿轮2、传动齿轮轴3、传动齿轮4、第一主齿轮5、第二主齿轮6、第一主轴7、第二主轴8、转向桥连接轴9、导向卡槽10、转盘控制把手11、第一转向轴12、第二转向轴13、第一转向桥14、第二转向桥15、第一三孔连接件16、第二三孔连接件17、第一转向齿轮18、第三转向齿轮19、第一轮盘轴20、第二轮盘轴21、第二转向齿轮22、第四转向齿轮23、第一轮盘24、第二轮盘25、把手部26、把手齿条27、连接部28、保护弹簧29、卡齿30、加热下盖31、加热上盖32、加热电阻33、导轨34、温度测量模块35、旋转电机36、旋转电机螺母37、旋转夹具38、中央处理模块39、人机交互模块40、工作信号输出模块41、反馈信号输入模块42、筒套91、导向柱92、弹簧底座93、主轴体94。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

具体地，本发明提供了一种轮盘牵引式光纤拉锥机，其包括控制处理装置、动力传动装置、导向控制装置、轮盘牵引装置、加热与位移控制装置、光纤旋转装置、光功率监测装置以及工作平台。

如图1所示为工作平台100，所有装置都组装在工作平台上。导向控制装置和加热与位移控制装置设置在工作平台内部，动力传动装置借助于导向控制装置连接轮盘牵引装置实现光纤的牵引。工作平台100的侧部设置有操作屏。

如图2所示为动力传动装置。动力传动装置包括轮盘电机1、电机齿轮2、传动齿轮轴3、传动齿轮4、第一主齿轮5、第二主齿轮6、第一主轴7和第二主轴8，电机1的输出轴连接电机齿轮2，电机齿轮2与传动齿轮4啮合，传动齿轮4与第一主齿轮5啮合，第一主齿轮5与第二主齿轮6啮合。传动齿轮4借助于传动齿轮轴3进行安装。

如图3所示为轮盘牵引装置。轮盘牵引装置包括第一轮盘24和第二轮盘25，第一轮盘24借助于第一轮盘轴20进行固定，第二轮盘25借助于第二轮盘轴21进行固定，光纤夹设在两个轮盘之间。第一轮盘24与第二轮盘25的外侧圆周上均覆盖一层夹持光纤用的传动带。

如图4所示为导向控制装置。导向控制装置包括转向桥连接轴9、导向卡槽10、转盘控制把手11、第一转向桥14、第二转向桥15、第一转向轴12、第二转向轴13、第一三孔连接件16、第二三孔连接件17、第一转向齿轮组以及第二转向齿轮组。其中，第一转向齿轮组包括相互啮合的第一转向齿轮18和第二转向齿轮22，第二转向齿轮组包括相互啮合的第三转向齿轮19和第四转向齿轮23，转盘控制把手11与转向桥连接轴9固定连接，导向卡槽10包括第一竖臂部、第二横臂部和第二横臂部，第一竖臂部开设有用于供转向桥连接轴9移动的第一通孔，第二横臂部和第二横臂部设置在第一竖臂部的两侧，第二横臂部和第二横臂部的端部分别开设有供第一主轴7或第二主轴8穿过的第二通孔，转向桥连接轴9的第一端安装在第一通孔内部，转向桥连接轴9的第二端安装在第一转向桥14的第一端的安装孔上，第一转向桥14的第二端的安装孔安装第一转向轴12的第一端，第一转向桥14的第一端的端部与第二转向桥15的第一端的端部嵌合，第二转向桥15的第二端的端部安装第二转向轴13的第一端。

第一转向轴12的第二端安装在第一三孔连接件16的中间的通孔内，第一三孔连接件16的第一端的通孔套设在第一主轴7上，第一三孔连接件16的第二端的通孔套设在第一轮盘轴20上，第一轮盘轴20上安装第二转向齿轮22，第一转向齿轮18安装在第一主轴7上。

第二转向轴13的第二端安装在第二三孔连接件17的中间的通孔内，第二三孔连接件17的第一端的通孔套设在第二主轴8上，第二三孔连接件17的第二端的通孔套设在第二轮盘轴21上，第二轮盘轴21上安装第四转向齿轮23，第三转向齿轮19安装在第二主轴8上。

在轮盘电机1的带动下，第一主齿轮5的转动带动第一主轴7转动，第一主轴7带动第一转向齿轮转动，第二主齿轮6的转动带动第二主轴8转动，第二主轴8带动第三转向齿轮转动，拉动转盘控制把手11，转向桥连接轴9沿着导向卡槽10移动，从而使第一转向桥14和第二转向桥15靠近或远离，从而在使第一轮盘24和第二轮盘25靠近或远离。

当轮盘牵引式光纤拉锥机准备工作时，将转盘控制把手11向图4中的右侧拉动，同时带动转向桥连接轴9沿着导向卡槽10向后移动，此时第一转向桥14与第二转向桥15嵌合位置向图右侧移动，使第一转向桥14与第二转向桥15之间的角度减小，同时带动第一转向轴12和第二转向轴13，使两个轴体向中间靠拢，因第一主轴7和第二主轴8位置固定，所以同时带动第一三孔连接件16和第二三孔连接件17，引起第一轮盘轴20和第二轮盘轴21距离缩短，在轮盘电机1尚未工作时，第一转向齿轮18和第三转向齿轮19基本静止不动，在拉动转盘控制把手11时第二转向齿轮22和第四转向齿轮23可自由移动。当传动装置开始工作时，同时带动第一主轴7和第二主轴8以及第三转向齿轮19、第一转向齿轮18、第二转向齿轮22和第四转向齿轮23，并带动第一轮盘轴20和第二轮盘轴21，带动第一轮盘24和第二轮盘25转动，轮盘牵引式光纤拉锥机进入工作状态。

在轮盘牵引式光纤拉锥机开始工作前，向图4图示位置的右侧拉动转盘控制把手11，使第一轮盘轴20和第二轮盘轴21靠近，第一轮盘24和第二轮盘25相切，将光纤夹在两个轮盘之间，即可开始拉锥。且拉锥过程中，可以通过控制电机1的转速来对最终的光纤拉锥效果进行控制，同时也可以保证光纤锥区的质量。

优选地，轮盘电机1应采用步进电机，采用步进电机可以精密控制轮盘旋转角度和速度。

优选地，如图5所示，导向卡槽10的第一通孔103为为圆角长形(或者叫T形)槽口，导向卡槽10的两个第二通孔104内分别设置有用于安装主轴的轴承。

优选地，如图6所示，第一三孔连接件16和第二三孔连接件17的通孔内也均设置有轴承。

优选地，如图7、8所示转向桥连接轴9包括筒套91、导向柱92、弹簧底座93以及主轴体94，主轴体94安装在导向卡槽10的第一通孔内部，弹簧底座93设置在筒套91内部，保护弹簧29套设在弹簧底座93上。

优选地，如图9、10所示，转盘控制把手11包括把手部26、把手齿条27和连接部28，连接部28与转向桥连接轴9固定连接，把手齿条27设置在把手部和连接部，连接部28内部设置有保护弹簧29，保护弹簧29焊接在连接部内部，把手部26设置在外壳外部。

如图11所示外壳的外部设置有对把手部进行固定的卡齿30，拉起卡齿30后能够将转盘控制把手11拉出，卡齿30在放下时能够卡在把手齿条中，固定转盘控制把手11的位置。

如图12所示为转盘控制把手剖面图，卡齿30放下后，卡住把手齿条，即可固定转盘控制把手。

如图13a和图13b所示，第一转向桥14的第一端设置有凸起，第二转向桥15的第一端设置有与凸起配合的凹槽，第一转向桥14和第二转向桥15的安装孔内分别设置有轴承。

如图14和15所示为将动力传动装置、导向控制装置、轮盘牵引装置进行组合后的示意图。

如图16所示为加热与位移控制装置。加热与位移控制装置包括加热下盖31、加热上盖32、加热电阻33、导轨34、温度测量模块35。温度测量模块，用于反馈加热与位移控制装置中的加热温度，便于控制光纤温度。

加热与位移控制装置的两导轨穿过加热下盖31的圆孔，且导轨固定在工作平台上，导轨34的方向与光纤方向平行，在工作时可以沿着导轨34移开盒式电阻加热装置，便于适配光纤加热位置，也便于直观观察光纤的拉锥状况。

加热与位移控制装置为盒式电阻加热装置，盒式电阻加热装置包括加热盒上盖、加热盒下盖和加热电阻，加热下盖和加热上盖之间使用合页进行连接，加热电阻采用螺旋缠绕的摆放方式，在加热电阻的两头引出导线穿出加热下盖。加热电阻33的尺寸可以根据实际得加热需求来进行相应的调整。

加热与位移控制装置的加热下盖31和加热上盖32之间使用合页进行连接。采用合页连接的方式，可以方便的更换其中的加热电阻，当加热电阻出现断裂或者短路问题时，无需抛弃整个加热装置；盒式结构加热也更加提高热效率，有利于高品质的光纤拉锥或形成螺旋结构。

在加热与位移控制装置工作前，掀开加热上盖31，将光纤穿过加热电阻33后闭合，闭合加热上盖32，然后等待控制处理装置释放加热电流控制信号即可对光纤进行受控加热。加热与位移控制装置中电阻为钨丝，盒式电阻加热装置中上下外壳均为陶瓷。

如图17a和图17b所示为光纤旋转装置。光纤旋转装置包括旋转电机36和光纤固定夹具。其中光纤固定夹具包括旋转电机螺母37和旋转夹具38。优选地，旋转电机应采用步进电机，采用步进电机可以精密控制光纤的旋转角度和速度。

优选地，光纤旋转装置中的旋转夹具38的螺杆可以选择内螺母安装型模具和外螺母安装模具。

内螺母安装型模具如图17a所示，其第一端为一字型开口、第二端为实心无开口的圆柱体，在圆柱的圆周上有螺纹，其中实心无开口的一端与旋转电机36的旋转轴之间通过可拆卸装置固定，而有一字型开口的一端则通过在一字开口中施加外应力扩张让开口两侧的半圆柱体略微向外倾斜岔开，使得其上螺纹区的圆周半径略微大于圆柱形另一端螺纹区的圆周半径。旋转电机螺母37的内螺纹恰好与旋转夹具38外侧圆周上的外螺纹适配。将光纤放置于一字型开口中，旋转电机螺母37向图17a的左侧旋动，可使旋转夹具38中的缝隙减小，从而夹紧光纤，当电机转动时可以带动光纤实现旋转，当处于加热区域的光纤因加热而变为熔融状态时，因电机旋转带来的扭力会在光纤的加热区域完全释放，而其他地方由于没有加热所以扭力对光纤形貌的改变可以忽略，从而完成具有旋转锥区的锥形光纤或者具有局部旋转结构的螺旋光纤的制备。

外螺母安装模具如图17b所示，其第一端为锥形的一字型开口、第二端为实心无开口的圆柱体，在圆柱的圆周上有螺纹，锥形一字型开口直径小于螺纹区的直径，这样的模具适用于即需要固定光纤一端有需要对光纤该端进行光纤熔接的情况，此时的工作方法是选择旋转夹具38的螺杆要长一点，并可以利用一字型开口将光纤200倾向固定于开口内，然后利用螺母37从螺杆的锥形区向螺纹区进行旋转固定，即螺纹的旋进方向是由远离电机向靠近电机行进，并且将光纤斜向从一字开口的边缘拉出来，该头要用光纤熔接机与光源或者光功率计的尾纤进行熔接，而光纤的另一端则要相应的与光功率计或光源的尾纤进行熔接来搭建光功率监测工作平台，通过对光纤熔融拉锥过程中的光功率变化来监控拉锥进程。

此处的内螺母安装型模具和外螺母安装型模具可以根据实际的制备需要进行选择，并通过可拆卸装置来实现模具与旋转电机的旋转轴之间的拆卸或固定。

如图18所示为控制处理装置。控制处理装置包括中央处理模块39、人机交互模块40、工作信号输出模块41和反馈信号输入模块42。图19所示为中央处理模块、人机交互模块、工作信号输出模块、反馈信号输入模块间的关系，控制处理模块接收人机交互模块的输入数据和工作信号输出模块收集得到的反馈数据并进行处理，生成相关指令再经工作信号输出模块向电机和加热电阻等进行工作状况控制。工作信号输出模块41连接中央处理模块39和加热与位移控制装置中的加热电阻33并下发加热指令，反馈信号输入模块42连接加热与位移控制装置的温度测量模块35与中央处理模块39并反馈实时温度数据。工作信号输出模块41还与动力传动装置中的电机1以及光纤旋转装置的电机36进行连接并实时下发中央处理器的指令。

如图20和21所示为轮盘牵引式光纤拉锥机的整体示意图，与实施例中的其他图配合，很好地示范了本发明所提出的一种轮盘牵引式光纤拉锥机的结构。本发明既可以用来制备普通锥形光纤，又可以用来制备具有旋转锥区的锥形光纤，还可以用来制备具有局部旋转结构的螺旋光纤。

实施例一

优选地，本发明提供一种轮盘式光纤拉锥机制备普通锥形光纤的控制办法，其包括以下步骤：

S1、光纤旋转装置中的旋转夹具的螺杆选择外螺母安装型模具，选择将操作光纤的第一端头穿过光纤旋转装置中的旋转电机螺母并斜向放置到光纤旋转装置的一字型开口中，然后利用螺母固定光纤不动。特别地，从螺母中间的圆周上一字开口中引出的光纤要适当长一点，并经熔接实现与光源的尾纤连接。

S2、打开加热与位移控制装置的加热上盖，根据操作光纤的加热需求选择合适的加热电阻尺寸并进行线路连接和安装固定，然后将S1中光纤的第二端头穿过加热与位移控制装置中的加热电阻，闭合加热上盖。调整加热与位移控制装置的位置使得加热位置合适。

S3、将转盘控制把手推入，使两轮盘间距增加，将光纤放置在两轮盘中间，并使光纤尽量控制在轮盘高度的中间位置。

S4、拉出转盘控制把手，夹紧光纤后，将卡齿放下，固定转盘控制把手。

S5、将操作光纤的第二端头用光纤熔接机与光功率计的尾纤进行连接。启动光功率计和光源，对通过光纤后传输的光功率进行监控测试。特别地，S5中的光功率计可以和S1中的光源进行位置互换。

S6、调整完毕后，开启总开关，通过人机交互模块输入光纤的拉锥条件数据，经控制处理装置中的中央处理模块处理，给加热电阻通电并加热光纤的拉锥区，待温度反馈达到拉锥条件时控制处理装置下发信号控制动力传动装置中的电机开始进行受控转动，此时拉锥开始。同时通过光功率计的监测数据来实时掌握拉锥进程，并随时通过人机交互将进程反馈给控制处理装置来对加热电阻和电机的通电电流进行过程控制，直至拉锥结束。

S7、拉锥完成后关闭总开关。使用光纤熔接机或者切割刀将光纤的两头分别与光源和光功率计的尾纤断开，待光纤和加热电阻冷却后，拉起卡齿推回转盘控制把手，将旋转电机螺母向靠近旋转电机方向旋转，掀开加热上盖，抽出光纤，普通的锥形光纤制备完成。

特别地，本步骤S1中也可以选择内螺母安装型模具，此时，该模具下光纤的第一端头无法实现与光源或者光功率计的尾纤熔接，因而拉锥进程无法依靠监控通光光功率的变化来实现，该模式下可通过在导轨上挪动加热盒来对锥区进行直观评判、或者借助精密测量仪器或借助光学成像等方法来对拉锥进程做出掌控。关于内螺母安装型模具的使用方法可以参照下面的实施例二中的相关步骤来设定。特别地，该挪动加热盒的方式也可以适用于对选择外螺母安装型模具时的拉锥过程的辅助监控和判断方法，可与光功率监测方法同步实施。

实施例二

优选地，本发明提供一种轮盘式光纤拉锥机制备具有旋转锥区的锥形光纤的控制办法，其包括以下步骤：

S1、光纤旋转装置中的旋转夹具的螺杆优选内螺母安装型模具，选择将操作光纤的第一端头装入光纤旋转装置的一字型开口中，然后将螺母从靠近旋转电机向远离旋转电机的方向旋进直至将第一端头固定良好。

S2、打开加热与位移控制装置的加热上盖，根据操作光纤的加热需求选择合适的加热电阻尺寸并进行线路连接和安装固定，然后将S1中光纤的第二端头穿过加热与位移控制装置中的加热电阻，闭合加热上盖。调整加热与位移控制装置的位置使得加热位置合适。

S3、将转盘控制把手推入，使两轮盘间距增加，将光纤放置在两轮盘中间，并使光纤尽量控制在轮盘高度的中间位置。

S4、拉出转盘控制把手，夹紧光纤后，将卡齿放下，固定转盘控制把手。

S5、调整完毕后，开启总开关，通过人机交互模块输入光纤的旋转拉锥条件数据，经控制处理装置中的中央处理模块处理，给加热电阻通电并加热光纤的拉锥区，待温度反馈达到拉锥条件时控制处理装置下发信号控制动力传动装置中的电机开始进行受控转动，此时拉锥开始。特别地，在控制处理装置向动力传动装置中的电机下发信号的同时还要同时计算光纤旋转装置的旋转电机转速并下发控制信号，进而实现在拉锥的同时进行同步的旋转操作。特别地，可以通过在导轨上挪动加热盒来对锥区进行直观评判、或者借助精密测量仪器或借助光学成像等方法来对拉锥进程做出掌控。

S6、旋转拉锥完成后关闭总开关。待光纤和加热电阻冷却后，拉起卡齿推回转盘控制把手，将旋转电机螺母向靠近旋转电机方向旋转，掀开加热上盖，抽出光纤，具有旋转锥区的锥形光纤制备完成。

本步骤S1中也可以选择外螺母安装型模具，该模具下对光纤的拉锥和旋转进程可通过在光纤的第一端头和第二端头分别熔接连接光源或光功率计尾纤并进而通过光纤通光光功率的监测来实现对进程的掌控。关于外螺母安装型模具的使用方法可以参照上面的实施例一中的相关步骤来设定。特别地，外螺母安装型模具的使用适用于旋转电机的旋转圈数较少(小于等于五圈)、旋转速度较慢(小于等于1圈/分钟)的情况。在该慢速和旋转圈数较少的条件下，可以通过手动调整第一端头所连接的光源或光功率计的角度或位置的方法来消除光纤旋转带来的影响。

实施例三

优选地，本发明还提供一种轮盘式光纤拉锥机制备具有局部旋转结构的螺旋光纤的控制办法，其包括以下步骤：

S1、光纤旋转装置中的旋转夹具的螺杆优选内螺母安装型模具，选择将操作光纤的第一端头装入光纤旋转装置的一字型开口中，然后将螺母从靠近旋转电机向远离旋转电机的方向旋进直至将第一端头固定良好。

S2、打开加热与位移控制装置的加热上盖，根据操作光纤的加热需求选择合适的加热电阻尺寸并进行线路连接和安装固定，然后将S1中光纤的第二端头穿过加热与位移控制装置中的加热电阻，闭合加热上盖。调整加热与位移控制装置的位置使得加热位置合适。

S3、S3、将转盘控制把手推入，使两轮盘间距增加，将光纤放置在两轮盘中间，并使光纤尽量控制在轮盘高度的中间位置。

S4、拉出转盘控制把手，夹紧光纤后，将卡齿放下，固定转盘控制把手。

S5、调整完毕后，开启总开关，通过人机交互模块输入光纤的旋转要求数据，经控制处理装置中的中央处理模块处理，给加热电阻通电并加热光纤的拉锥区，同时通过控制处理装置的中央处理模块得到光纤旋转装置的旋转电机的控制信号。待温度反馈达到准许旋转启动的条件时控制处理装置下发旋转电机的受控启动信号，进行具有局部旋转结构的螺旋光纤的制备。特别地，可以通过在导轨上挪动加热盒来对锥区进行直观评判、或者借助精密测量仪器或借助光学成像等方法来对拉锥进程做出掌控。

S6、螺旋光纤制备完成后关闭总开关。待光纤和加热电阻冷却后，拉起卡齿推回转盘控制把手，将旋转电机螺母向靠近旋转电机方向旋转，掀开加热上盖，抽出光纤，具有旋转锥区的锥形光纤制备完成。

S7、特别地，本步骤S1中也可以选择外螺母安装型模具，该模具下对光纤的拉锥和旋转进程可通过在光纤的第一端头和第二端头分别熔接连接光源或光功率计尾纤并进而通过光纤通光光功率的监测来实现对进程的掌控。关于外螺母安装型模具的使用方法可以参照上面的实施例一中的相关步骤来设定。特别地，外螺母安装型模具的使用适用于旋转电机的旋转圈数较少(小于等于五圈)、旋转速度较慢(小于等于1圈/分钟)的情况。在该慢速和旋转圈数较少的条件下，可以通过手动调整第一端头所连接的光源或光功率计的角度或位置的方法来消除光纤旋转带来的影响。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。