基于PLC的微結(jié)構(gòu)光纖毛細(xì)管自動(dòng)剪切收集排布系統(tǒng)

摘要：本文使用一套基于西門(mén)子S7-200系列可編程序控制器(PLC)的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)光纖毛細(xì)管自動(dòng)剪切、收集和排布。系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)編碼器配合PLC高速計(jì)數(shù)器指令來(lái)測(cè)量長(zhǎng)度，由二氧化碳激光器進(jìn)行毛細(xì)管的橫向剪切，通過(guò)替換各種形狀光纖毛細(xì)管收集器可以收集并進(jìn)行各種形狀光纖的自動(dòng)排布，同時(shí)可以顯示、設(shè)定切割長(zhǎng)度和切割次數(shù)。
關(guān)鍵詞：微結(jié)構(gòu)光纖；可編程序控制器；編碼器；顯示；二氧化碳激光器

0 引言
    微結(jié)構(gòu)光纖是一種由有序或無(wú)序的空氣孔構(gòu)成的微結(jié)構(gòu)包層的新穎光纖。具有許多傳統(tǒng)光纖難以達(dá)到的優(yōu)良特性，因此在許多領(lǐng)域，如光纖激光器和放大器、非線性光學(xué)、光纖通信、光纖傳感等許多方面都有著重要的應(yīng)用。人們對(duì)微結(jié)構(gòu)光纖的理論研究取得了一定成就，但是其制備工藝一直是一個(gè)難點(diǎn)。最常采用的堆積法，是將毛細(xì)管截成合適長(zhǎng)度緊密堆積在套管中，堆積成六邊形或者其他結(jié)構(gòu)，中心的毛細(xì)管被去除或者用實(shí)心棒代替以造成缺陷。迄今為止丹麥和巴斯大學(xué)采用最多的還是傳統(tǒng)的堆積法，其制作工藝復(fù)雜，給光纖毛細(xì)管帶來(lái)了很大的污染。微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒是制備微結(jié)構(gòu)光纖的第一環(huán)節(jié)，它的好壞會(huì)直接影響后面的光纖質(zhì)量，因此光纖制備工藝亟待改造。這次通過(guò)用PLC(可編程控制器)對(duì)光纖制備條件進(jìn)行改造，由自動(dòng)化設(shè)備對(duì)光纖毛細(xì)管進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量長(zhǎng)度及實(shí)現(xiàn)剪切，設(shè)計(jì)了各種形狀自動(dòng)接收器可以自動(dòng)接收然后直接進(jìn)行預(yù)制棒的排布，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)制備過(guò)程自動(dòng)化。

1 系統(tǒng)硬件介紹
    PLC是一種基于數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)，轉(zhuǎn)為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的電子控制裝置，可以控制各種類(lèi)型的機(jī)電一體化設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程。它有體積小、組裝靈活、可靠性高等各種優(yōu)點(diǎn)。因此整個(gè)系統(tǒng)由PLC作為主控部件，型號(hào)選用西門(mén)子S7-200系列，采用PLC高速計(jì)數(shù)器指令和光電編碼
器可以實(shí)現(xiàn)精確的定長(zhǎng)測(cè)量，通過(guò)四個(gè)LED七段顯示器可以實(shí)現(xiàn)顯示設(shè)定長(zhǎng)度以及切割次數(shù)的功能?；诠饫w毛細(xì)管的材質(zhì)及其特性考慮，切割部分采用二氧化碳激光器，可以實(shí)現(xiàn)剪切切口平整并且沒(méi)有碎渣。
1．1 定長(zhǎng)測(cè)量
    光纖毛細(xì)管是微結(jié)構(gòu)光纖制備的重要原材料，現(xiàn)有的條件只能由人手工測(cè)量長(zhǎng)度，手工剪切，需要改進(jìn)。旋轉(zhuǎn)編碼器是一種光電式旋轉(zhuǎn)測(cè)量裝置，它將被測(cè)的角位移直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)(高速脈沖信號(hào))。因此可將旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖信號(hào)直接輸出給PLC，利用PLC的高速計(jì)數(shù)器對(duì)此脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，以獲得測(cè)量結(jié)果。光纖毛細(xì)管的定長(zhǎng)測(cè)量、定長(zhǎng)控制由旋轉(zhuǎn)光電編碼器配合PLC的高速計(jì)數(shù)器一起實(shí)現(xiàn)。
    定長(zhǎng)控制包括測(cè)量和比較兩個(gè)部分，高速計(jì)數(shù)器有一組預(yù)置值，開(kāi)始運(yùn)行時(shí)裝入第一個(gè)預(yù)置值，當(dāng)前計(jì)數(shù)值等于預(yù)置值或者有外部復(fù)位信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生中斷。發(fā)生當(dāng)前計(jì)數(shù)值等于預(yù)置值的中斷時(shí)，設(shè)置下一階段的輸出，設(shè)置第一個(gè)預(yù)置值和第一個(gè)輸出狀態(tài)，循環(huán)又重新開(kāi)始。
測(cè)量物體的長(zhǎng)度，需要將單位長(zhǎng)度轉(zhuǎn)換成脈沖量，通過(guò)光電編碼器和PLC高速計(jì)數(shù)器記錄脈沖量的變化，以此達(dá)到測(cè)量長(zhǎng)度的目的。測(cè)量長(zhǎng)度傳感器采用光電編碼器，采用A相計(jì)數(shù)輸入，光電編碼器的電源由PLC自身的輸出直流電源24V提供(L+,M)。旋轉(zhuǎn)編碼器安裝示意圖見(jiàn)圖1。

    用聯(lián)軸器將光電編碼器與光纖導(dǎo)向輪連接固定，使之能夠同步轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)并輸出高速脈沖信號(hào)來(lái)測(cè)量被切割物體的長(zhǎng)度。設(shè)導(dǎo)向輪直徑為D，定尺長(zhǎng)度為M，P為編碼器每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)，光電編碼器機(jī)械軸每轉(zhuǎn)一周位移為πD，則編碼器每發(fā)生一個(gè)脈沖對(duì)
應(yīng)于被計(jì)量的光纖位移長(zhǎng)度一信號(hào)步長(zhǎng)為πD／P；所以到需要的定長(zhǎng)M時(shí)，所需的脈沖數(shù)為MP／πD。設(shè)定高速計(jì)數(shù)器的設(shè)定值為MP／πD，當(dāng)前值等于設(shè)定值時(shí)，由PLC發(fā)出指令控制C02激光器發(fā)出切割脈沖，并復(fù)位計(jì)數(shù)器，重新讀入當(dāng)前設(shè)定值。設(shè)導(dǎo)向輪直徑D為120mm，光電編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)助200個(gè)／轉(zhuǎn)。可以計(jì)算出被切割物體每毫米長(zhǎng)度的脈沖數(shù)為：每毫米脈沖數(shù)=200／120 π≈0．5348個(gè)脈沖／mm。
1．2 二氧化碳激光器切割
    由于光纖毛細(xì)管直徑細(xì)而易碎，用普通的剪切裝置不僅容易造成光纖毛細(xì)管的折斷損壞，而且容易生成玻璃碎渣，對(duì)微結(jié)構(gòu)光纖的排布造成干擾。而采用C02激光來(lái)切割完全可以避免這些問(wèn)題的產(chǎn)生。C02激光切割具有切割質(zhì)量好、切割材料范圍廣、可進(jìn)行立體切割、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)。系統(tǒng)由CO2激光器和3個(gè)定位輪組成，其中這3個(gè)定位輪的軸心不在同一直線上，使光纖經(jīng)過(guò)時(shí)，光纖的徑向會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力，由于石英毛細(xì)管具有一定的柔軟性，若沒(méi)有外損傷時(shí)，毛細(xì)管可順利通過(guò)定位輪而不折斷，當(dāng)激光照到毛細(xì)管時(shí)，激光會(huì)使毛細(xì)管壁產(chǎn)生一定的缺陷，這時(shí)毛細(xì)管在定位輪的作用下折斷。由PLC控制C02激光器。
1．3 顯示設(shè)置
    在此次設(shè)計(jì)中采用具有鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)功能的芯片CD4513驅(qū)動(dòng)共陰極LED七段顯示器，此裝置需要顯示的數(shù)據(jù)為四位自然數(shù)，即需要四個(gè)CD4513芯片。CD4513的數(shù)據(jù)輸入端A-D共用PLC的四個(gè)輸出端，其中A為最低位，D位最高位。LE是鎖存使能輸入端，在LE信號(hào)的上升沿將數(shù)據(jù)輸入端BCD數(shù)鎖存在芯片內(nèi)的寄存器中，并將該數(shù)譯碼后顯示。如果輸入的不是十進(jìn)制數(shù)，顯示器熄滅。LE為高電平時(shí)，顯示的數(shù)不受數(shù)據(jù)輸入信號(hào)的影響。此次四個(gè)顯示器占用PLC的輸出點(diǎn)數(shù)為8個(gè)。西門(mén)子S7-200系列PLC是繼電器輸出模塊，所以在與CD4513相連的PLC各輸出端與“地”之間分別接一個(gè)2kΩ的電阻，以避免在輸出繼電器的觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)CD4513的輸入端懸空。
1．4 收集及排布
    此次的創(chuàng)新設(shè)計(jì)了光纖收集器，如下圖4所示的工裝。此工裝由八塊木板組成，在工裝的兩端安裝卡箍，固定位置，并可通過(guò)卡箍的螺絲調(diào)節(jié)此工裝的內(nèi)切圓的直徑大小。在每一塊木板的伸出臂正面都有一個(gè)半圓形的凹槽，與孔表面的半圓突起相配合，如此木板的相對(duì)位置和伸縮變化會(huì)更加可靠，精準(zhǔn)度較高，運(yùn)動(dòng)平滑不會(huì)對(duì)光纖毛細(xì)管造成損壞，而且此工裝操作方便簡(jiǎn)單。拉制好的毛細(xì)管會(huì)自動(dòng)掉進(jìn)八邊形模具筒內(nèi)，當(dāng)毛細(xì)管數(shù)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，將模具筒拆下。調(diào)整模具筒內(nèi)的八邊形大小，并在調(diào)整過(guò)程中同時(shí)通過(guò)機(jī)械振動(dòng)的方法使內(nèi)部毛細(xì)管達(dá)到最緊密堆積；之后在其內(nèi)部引入缺陷作為光纖的纖芯(如實(shí)芯或空芯)或其他結(jié)構(gòu)(如蜂窩狀)。然后將毛細(xì)管的兩端熔在一起，把模具簡(jiǎn)拆下即可得到要拉制的八邊形微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)用西門(mén)子S7-200PLC配套的編程軟件STEP7-Microsoft／WIN32來(lái)實(shí)現(xiàn)。
    為了使整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)思路更加清晰，將它分為幾個(gè)部分：
    (1)主程序。開(kāi)機(jī)調(diào)用顯示子程序，用首次掃描存儲(chǔ)器位SMO．1，在第一個(gè)掃描周期調(diào)用包含HDEF的子程序來(lái)定義高速計(jì)數(shù)器。對(duì)按鍵I0．2、I0．3、I0．4的防抖及延時(shí)設(shè)定，手動(dòng)增(減)數(shù)按鍵程序，分單擊、連續(xù)按鍵2s后每秒加(減)1，連續(xù)按鍵8s后每秒加10。程序中VW300用來(lái)存儲(chǔ)設(shè)定值，VW320存儲(chǔ)實(shí)際測(cè)量值，VW340存儲(chǔ)切割次數(shù)，VW2030為待顯示數(shù)據(jù)通道。
    (2)子程序O。由SF數(shù)值轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換顯示三組數(shù)據(jù)。將VW2030的當(dāng)前值中的4位BCD數(shù)傳送給4只顯示器，先后分別給4只顯示器送數(shù)的時(shí)序是由移位寄存器MB0提供的。在初始狀態(tài)時(shí)，僅MO．O為“1”狀態(tài)，其余各位為“0”狀態(tài)。移位寄存器得到T39和T40提供的周期為0．4s的方波移位脈沖信號(hào)，M0．1～M0．4先后變?yōu)?ldquo;1”狀態(tài)。整數(shù)轉(zhuǎn)換為BCD碼指令將VW2030的當(dāng)前值轉(zhuǎn)換為4位BCD碼并存放在VW2中，V3．0為個(gè)位數(shù)的最低位，V2．7為千位數(shù)的最高位。M0．1為“1”狀態(tài)時(shí)，將V3．3～V3．0中的個(gè)位數(shù)送給Q0．3～Q0．0，即送給CD4513的數(shù)據(jù)輸入端，200ms后在片選信號(hào)Q0．4的下降沿，將個(gè)位數(shù)鎖存進(jìn)最上面的CD4513。M0．2為“l”狀態(tài)時(shí)，將V3．4～V3．7中的十位數(shù)送給第二只的CD4513，M0．3為“1”狀態(tài)，將V2．0～V2．3中的百位數(shù)送給第三只的CD4513，M0．4為“1”狀態(tài)，將V2．4～V2．7中的千位數(shù)送給最后一只的CD4513。送完成個(gè)數(shù)后，M0．5變?yōu)?ldquo;1”狀態(tài)，它的常開(kāi)觸點(diǎn)接通，將移位寄存器MB0和M3．1復(fù)位。
    (3)高速計(jì)數(shù)器。由指令向?qū)?duì)高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行設(shè)置，寫(xiě)入預(yù)置值和當(dāng)前值，設(shè)置控制字節(jié)。
    (4)中斷程序。當(dāng)前值等于預(yù)置值時(shí)，即測(cè)量長(zhǎng)度到達(dá)時(shí)，接通C02激光器，由PLC對(duì)其進(jìn)行控制，讓它進(jìn)行精確的切割，高速計(jì)數(shù)器重新載入新的預(yù)置值和當(dāng)前值。

3 結(jié)束語(yǔ)
    基于PLC的微結(jié)構(gòu)光纖毛細(xì)管自動(dòng)剪切收集排布系統(tǒng)可以精確地控制切割長(zhǎng)度，而且可以實(shí)現(xiàn)光纖制備過(guò)程的全自動(dòng)化，使微結(jié)構(gòu)光纖原材料避免與人及外界進(jìn)行過(guò)多接觸，避免了污染，降低了光纖損耗，提高了拉制光纖成功率。通過(guò)更換光纖收集器可以進(jìn)行各種形狀的光纖排布。整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，安全可靠，性能優(yōu)良，十分實(shí)用，極大提高了生產(chǎn)效率。