阅读说明：本技术 一种基于碰撞检测的耦合面自动平行对准装置及对准方法 (Coupling surface automatic parallel alignment device and method based on collision detection ) 是由 卫炀 毛玉政 陈琳 黄钊 王少华 袁钊 王琳楠 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及光通信、光纤传感技术领域,具体涉及一种基于碰撞检测的耦合面自动平行对准装置及对准方法；包括：X轴向调节机构(2),Y轴向调节结构(1),Z轴向调节机构(3),横方向旋转调节结构(4),竖方向旋转调节结构(5),压拉力传感器(6),第二结构夹具(7),第一结构夹具(8)及防过度碰撞装置(11)；本发明采用将第一结构与压拉力传感器固连,将第二结构旋转特定角度碰撞第一结构耦合面,利用压拉力传感器检测碰撞接触,从而控制Y轴向调节结构(1)运动,利用两次碰撞的位移差值调整旋转角度及方向。本发明有效克服人眼或图像处理对准方法带来的误差,操作简单快捷,大幅提高平行对准效率及精度。(The invention relates to the technical field of optical communication and optical fiber sensing, in particular to a coupling surface automatic parallel alignment device and an alignment method based on collision detection; the method comprises the following steps: the device comprises an X axial adjusting mechanism (2), a Y axial adjusting mechanism (1), a Z axial adjusting mechanism (3), a transverse direction rotating adjusting mechanism (4), a vertical direction rotating adjusting mechanism (5), a pressure and tension sensor (6), a second structure clamp (7), a first structure clamp (8) and an excessive collision preventing device (11); the Y-axis adjusting mechanism comprises a first structure, a second structure, a pressing and pulling force sensor, a Y-axis adjusting structure (1) and a pressure-pulling force sensor, wherein the first structure is fixedly connected with the pressing and pulling force sensor, the second structure rotates for a specific angle to collide with a coupling surface of the first structure, the pressing and pulling force sensor is used for detecting collision contact, and therefore the rotation angle and the direction are adjusted by utilizing a displacement difference value of two times of collision. The invention effectively overcomes errors brought by human eyes or an image processing alignment method, is simple and quick to operate, and greatly improves the parallel alignment efficiency and precision.)

一种基于碰撞检测的耦合面自动平行对准装置及对准方法

技术领域

本发明涉及光通信、光纤传感技术领域，具体涉及一种基于碰撞检测的耦合面自动平行对准装置及对准方法。

背景技术

在光通信及光传感应用领域中，如光通信领域中PLC与光纤阵列的耦合对准，光纤陀螺传感器中SLD光源与尾纤对准等，实现两种不同结构耦合面的平行对准必不可少。目前的对准手段主要采用手动6维调节架调节两个耦合面的相对位置，通过俯视及端面显微镜成像，肉眼观察判断两个耦合面是否大致平行，再通过实时监测光功率计的输出功率变化，精细调节实现平行对准。利用这种方案平行对准，工艺流程复杂，工艺耗时长，生产效率低。随着光通信及光传感应用的市场需求持续增长，提高耦合精度及生产效率迫在眉睫，传统的耦合对准方式已无法满足要求。目前产业化实现自动对准平行的方法，主要是利用图像识别代替肉眼观测，但由于两个耦合面尺寸不同，CCD采集的图像往往不在同一平面上且端面可能存在缺陷，容易造成图像阴影模糊，识别误差变大，从而导致对准精度下降。

发明内容

本发明针对现有装置技术存在的不足，提供一种基于碰撞检测的耦合面自动平行对准装置及对准方法。为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种基于碰撞检测的耦合面自动平行对准装置，主要包括：X轴向调节机构2，Y轴向调节结构1，Z轴向调节机构3，横方向旋转调节结构4，竖方向旋转调节结构5，压拉力传感器6，第二结构夹具7，第一结构夹具8及防过度碰撞装置11；

具体的，Y轴向调节结构1安装在左底座12，横方向旋转调节机构4安装在Y轴向调节结构1上，竖方向旋转调节机构5安装在横方向旋转调节机构4上，第二结构夹具7通过转接件与竖方向旋转调节机构5连接；Z轴向调节机构3安装在右底座13，X轴向调节机构2安装在Z轴向调节机构3上，第一结构夹具8通过转接件与X轴向调节机构2连接，第一结构夹具8与压拉力传感器6直接固连。

所述第二结构夹具7位于横方向旋转调节机构4与竖方向旋转调节机构5旋转轴的交点上。

所述第二结构夹具7上安装第二结构9，第一结构夹具8上安装第一结构10，第一结构10和第二结构9上表面应保证处于同一水平高度。

第一结构10和第二结构9的耦合面间距不应过大，一般在0.5厘米至3厘米之间。

X轴向调节机构2，Y轴向调节结构1，Z轴向调节机构3，横方向旋转调节结构4，竖方向旋转调节结构5均安装步进电机。

一种基于碰撞检测的耦合面自动平行对准方法，基本步骤如下：

步骤1，将第二结构9和第一结构10分别安装第二结构夹具7和第一结构夹具8上，初步调节所述的平行对准装置，使第一结构10与第二结构9耦合面基本持平且基本处于同一高度面上。

步骤2，进行竖方向上的平行对准，控制竖方向旋转调节结构5将第二结构9沿顺时针或逆时针方向旋转α角，第二结构9在Y轴向与第一结构10耦合面接触，可以发生碰撞。

步骤3，控制Y轴向调节结构1前进，使第二结构9碰撞第一结构10耦合面，在压拉力传感器6检测到碰撞压力达到设定阈值时，立即停止Y轴向调节结构1前进，记录Y轴向调节结构1从起始运动至碰撞检测停止运动的相对位移d1。

步骤4，控制Y轴向调节结构1将第二结构9复原至初始位置及偏转状态，控制竖方向旋转调节结构5使第二结构9沿相反方向旋转α角，控制Y轴向调节结构1前进再次碰撞第一结构10耦合面，在压拉力传感器6检测到碰撞压力达到设定阈值时，停止运动并记录Y轴向调节结构1从起始运动至碰撞检测停止运动的相对位移d2；

步骤5，利用两次位移的差值Δd＝d1-d2与两耦合面初始夹角θ的函数关系θ＝fΔd，对平行对准装置进行校准，绘制Δd-θ关系曲线，从而得到不同Δd值对应的θ角，按照Δd取值大小及正负情况，调整相应的旋转角度和转动方向，实现竖方向的平行对准；

步骤6，在横方向上，采取同样的方法，首先将第二结构9沿顺时针或逆时针方向旋转α角，运动碰撞检测，记录滑台运动位移d3；复原后反向旋转α角，记录滑台从起始运动至碰撞停止前进的位移d4。

步骤7，通过两位移的差值d3-d4判断耦合面是否平行，根据位移差与第二结构9与第一结构10耦合面夹角关系，调整相应旋转角度，根据差值的正负确定旋转方向，实现横方向上平行对准。

所述步骤5的函数关系与第二结构9与第一结构10耦合面大小及第二结构夹具7相对于旋转轴交点的安装误差相关。

与现有技术相比，本发明具有以下有效效果：

本发明采用将第一结构与压拉力传感器固连，将第二结构旋转特定角度碰撞第一结构耦合面，利用压拉力传感器检测碰撞接触，从而控制滑台运动，记录滑台运动位移，再反方向旋转相同角度使其碰撞，利用两次碰撞的位移差值调整旋转角度及方向。本发明通过控制步进可实现完全自动对准平行，有效克服人眼或图像处理对准方法带来的误差，操作简单快捷，大幅提高平行对准效率及精度。

附图说明

图1为本发明采用的耦合面自动平行对准装置结构

图2为竖方向两个耦合面不平行的示意图

图3为竖方向俯视平行对准的原理示意图

图4为不同误差下旋转位移差值与耦合面夹角关系曲线

具体实施方式

为了使本发明方案的技术方案及优势更加清楚明了，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细、完整地描述，本发明的实施方式包括但不限于以下方式：

见图1，一种基于碰撞检测的耦合面自动平行对准装置主要包括：X轴向调节机构2，Y轴向调节结构1，Z轴向调节机构3，横方向旋转调节结构4，竖方向旋转调节结构5，压拉力传感器6，第二结构夹具7，第一结构夹具8及防过度碰撞装置11；

具体的，Y轴向调节结构1安装在左底座12，横方向旋转调节机构4安装在Y轴向调节结构1上，竖方向旋转调节机构5安装在横方向旋转调节机构4上，第二结构夹具7通过转接件与竖方向旋转调节机构5连接；Z轴向调节机构3安装在右底座13，X轴向调节机构2安装在Z轴向调节机构3上，第一结构夹具8通过转接件与X轴向调节机构2连接，第一结构夹具8与压拉力传感器6直接固连。

所述第二结构夹具7位于横方向旋转调节机构4与竖方向旋转调节机构5旋转轴的交点上。

所述第二结构夹具7上安装第二结构9，第一结构夹具8上安装第一结构10，第一结构10和第二结构9上表面应保证处于同一水平高度。

第一结构10和第二结构9的耦合面间距不应过大，一般在0.5厘米至3厘米之间。

X轴向调节机构2，Y轴向调节结构1，Z轴向调节机构3，横方向旋转调节结构4，竖方向旋转调节结构5均安装步进电机。

一种基于碰撞检测的耦合面自动平行对准方法，基本步骤如下：

步骤1，将第二结构9和第一结构10分别安装第二结构夹具7和第一结构夹具8上，初步调节所述的平行对准装置，使第一结构10与第二结构9耦合面基本持平且基本处于同一高度面上，见图2。

步骤2，进行竖方向上的平行对准，控制竖方向旋转调节结构5将第二结构9沿顺时针或逆时针方向旋转α角，第二结构9在Y轴向与第一结构10耦合面接触，可以发生碰撞，见图3。

步骤3，控制Y轴向调节结构1前进，使第二结构9碰撞第一结构10耦合面，在压拉力传感器6检测到碰撞压力达到设定阈值时，立即停止Y轴向调节结构1前进，记录Y轴向调节结构1从起始运动至碰撞检测停止运动的相对位移d1。

步骤4，控制Y轴向调节结构1将第二结构9复原至初始位置及偏转状态，控制竖方向旋转调节结构5使第二结构9沿相反方向旋转α角，控制Y轴向调节结构1前进再次碰撞第一结构10耦合面，在压拉力传感器6检测到碰撞压力达到设定阈值时，停止运动并记录Y轴向调节结构1从起始运动至碰撞检测停止运动的相对位移d2；

步骤5，利用两次位移的差值Δd＝d1-d2与第二结构9与第一结构10耦合面初始夹角θ的函数关系θ＝fΔd，对平行对准装置进行校准，绘制Δd-θ关系曲线，见图4，从而得到不同Δd值对应的θ角，按照Δd取值大小及正负情况，调整相应的旋转角度和转动方向，实现竖方向的平行对准；

步骤6，在横方向上，采取同样的方法，首先将第二结构9沿顺时针或逆时针方向旋转α角，运动碰撞检测，记录滑台运动位移d3；复原后反向旋转α角，记录滑台从起始运动至碰撞停止前进的位移d4。

步骤7，通过两位移的差值d3-d4判断第二结构9与第一结构10耦合面是否平行，根据位移差与第二结构9与第一结构10耦合面夹角关系，调整相应旋转角度，根据差值的正负确定旋转方向，实现横方向上平行对准。

所述步骤5的函数关系与第二结构9与第一结构10耦合面大小及第二结构夹具7相对于旋转轴交点的安装误差相关。

为了更好地体现本发明的优势，我们采用本发明方案进行实验，X轴向调节机构2，Y轴向调节结构1，Z轴向调节机构3，横方向旋转调节结构4，竖方向旋转调节结构5的步进电机精度为50nm，旋转整步精度0.003°，压拉力传感器灵敏度为0.3克力。第二结构9耦合尺寸1.5mm×2.5mm，第一结构10耦合尺寸为1.8mm×3mm，调整第二结构9与第一结构10耦合面初始夹角-3°<θ<3°肉眼可分辨，旋转角度α＝4°以逆时针旋转角度为正。设定压拉力传感器检测阈值为0.3克力时停止运动，此时不会对耦合面造成碰撞损伤，通过理论计算可得到Δd-θ在不同的夹具安装误差安装误差分别取下的关系曲线，如图4。实验中利用该曲线关系进行校准，根据Δd取值大小及正负情况，调整相应的旋转角度和转动方向，很好地实现了竖方向的平行对准。