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

摘要：本文使用一套基于西門子S7-200系列可編程序控制器(PLC)的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)光纖毛細(xì)管自動剪切、收集和排布。系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)編碼器配合PLC高速計(jì)數(shù)器指令來測量長度，由二氧化碳激光器進(jìn)行毛細(xì)管的橫向剪切，通過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排布，同時(shí)可以顯示、設(shè)定切割長度和切割次數(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。這次通過用PLC(可編程控制器)對光纖制備條件進(jìn)行改造，由自動化設(shè)備對光纖毛細(xì)管進(jìn)行自動測量長度及實(shí)現(xiàn)剪切，設(shè)計(jì)了各種形狀自動接收器可以自動接收然后直接進(jìn)行預(yù)制棒的排布，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)制備過程自動化。

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，可以控制各種類型的機(jī)電一體化設(shè)備和生產(chǎn)過程。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，型號選用西門子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)精確的定長測量，通過四個(gè)LED七段顯示器可以實(shí)現(xiàn)顯示設(shè)定長度以及切割次數(shù)的功能。基于光纖毛細(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有碎渣。
1．1 定長測量
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量長度，手工剪切，需要改進(jìn)。旋轉(zhuǎn)編碼器是一種光電式旋轉(zhuǎn)測量裝置，它將被測的角位移直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(高速脈沖信號)。因此可將旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖信號直接輸出給PLC，利用PLC的高速計(jì)數(shù)器對此脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，以獲得測量結(jié)果。光纖毛細(xì)管的定長測量、定長控制由旋轉(zhuǎn)光電編碼器配合PLC的高速計(jì)數(shù)器一起實(shí)現(xiàn)。
定長控制包括測量和比較兩個(gè)部分，高速計(jì)數(shù)器有一組預(yù)置值，開始運(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)又重新開始。
測量物體的長度，需要將單位長度轉(zhuǎn)換成脈沖量，通過光電編碼器和PLC高速計(jì)數(shù)器記錄脈沖量的變化，以此達(dá)到測量長度的目的。測量長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，導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)動帶動編碼器旋轉(zhuǎn)并輸出高速脈沖信號來測量被切割物體的長度。設(shè)導(dǎo)向輪直徑為D，定尺長度為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
應(yīng)于被計(jì)量的光纖位移長度一信號步長為πD／P；所以到需要的定長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度的脈沖數(shù)為：每毫米脈沖數(shù)=200／120 π≈0．5348個(gè)脈沖／mm。