沈陽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 光纖連接器是用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與儀表、設(shè)備與光纖、光纖 與光纖之間的非永久性固定連接，是光纖通信系統(tǒng)中各種裝置連接必不可少的器 件，也是目前使用量最大的光纖器件，因此，光纖連接器加工受到工程界和學(xué)術(shù) 界廣泛關(guān)注隨著對光纖連接器性能要求的不斷提高和應(yīng)用數(shù)量的不斷增加，現(xiàn) 有的光纖連接器加工設(shè)備及加工技術(shù)越來越難以滿足其發(fā)展要求。而我國對光纖 連接器端面加工中的關(guān)鍵設(shè)備光纖連接器端面研磨機(jī)的研發(fā)與國外存在很大差 距。所以研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的光纖連接器端面研磨機(jī)，對推動我國光纖連接 器端面加工及精密與超精密加工技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。 本文詳細(xì)闡述了光纖連接器的功能、應(yīng)用、型號分類、技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)及存在 問題等；分析了光纖連接器端面加工機(jī)理、相關(guān)加工技術(shù)及材料的去除模式對光 纖連接器表面的質(zhì)量影響：在充分研究國內(nèi)外各種光纖連接器端面研磨機(jī)的基礎(chǔ) 上。研制了一臺雙驅(qū)動兩自由度行星式光纖連接器端面研磨機(jī)，利用u g 建立了此 研磨機(jī)整機(jī)三維模型，并完成了此研磨機(jī)氣動系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的設(shè)計；采用虛擬 樣機(jī)技術(shù)，對雙驅(qū)動兩自由度行星式光纖連接器端面研磨機(jī)研磨運(yùn)動軌跡進(jìn)行了 仿真研究，分析了系稈轉(zhuǎn)速與研磨盤自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速比值、系稈長度、光纖連接器端面 中心點(diǎn)與內(nèi)齒輪中心點(diǎn)的距離三個主要參數(shù)對研磨運(yùn)動軌跡變化及研磨加工質(zhì)量 的影響；確定了在得到理想研磨運(yùn)動軌跡時上述主要參數(shù)比較理想的參數(shù)組合， 并仿真得出了符合光纖連接器加工要求的研磨運(yùn)動軌跡圖形；通過研究研磨運(yùn)動 軌跡及研磨速度對光纖連接器端面加工質(zhì)量的影響，給出了本文設(shè)計的光纖連接 器端面研磨機(jī)不同研磨加工階段的系桿轉(zhuǎn)速與研磨盤自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速比值；確定了本研 磨機(jī)能得到高質(zhì)量光纖連接器端面加工條件下，系桿和內(nèi)齒輪驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速范 圍；通過樣機(jī)制造，為后續(xù)的光纖連接器端面加工實(shí)驗及相關(guān)技術(shù)研究提供了實(shí) 驗平臺 本課題對光纖連接器端面加工所涉及的相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的研究，對提高光纖 連接器端面加工質(zhì)量，改善光纖連接器性能具有實(shí)際意義。 關(guān)鍵詞：行星式：研磨機(jī)；虛擬樣機(jī)技術(shù)；運(yùn)動軌跡；仿真 沈陽理1 ：大學(xué)碩十學(xué)位論文 a b s t r a c t f i b e rc o n n e c t o r , u s e df o rt h en o n - p e r m a n e n tr i g i dc o n n e c t i o ni nt h ef i e l d so f e q u i p m e n tt oe q u i p m e n t , e q u i p m e n tt oi n s t r u m e n t ，e q u i p m e n tt of i b e ra n df i b e rt of i b e r , i st h ea b s o l u t e l yn e c e s s a r yd e v i c ef o rt h ec o n n e c t i o no fd i f f e r e n tk i n do fa p p a r a t u si n t h ef i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hi sw i d e l yu s e dc u r r e n t l y t h e r e f o r e ，m o r ea n d m o r ep e o p l ep a ya t t e n t i o nt ot h ee q u i p m e n ta n dt h et e c h n i q u eu s e di nm a c h i n i n gt h e f i b e r c o b n e c i f o r a l o n g w i t h t h e c o n t i n u o u s l yi m p r o v i n g r e q u i r e m e n t s o f f i b e r c o n n e c t o r p e f f o m m c ea n dt h ei n c r e a s i n gn u m b e ro fa p p l i c a t i o n s ，e x i s t i n ge q u i p m e n ta n d t e c h n o l o g ya r em o r ea n dm o r ed i f f i c u l tt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so ff i b e rc o n n e c t o r h o w l s , o c t , t h e r ei sab i gg a pb e t w e e nc h i n aa n df o r e i g nc o u n t r i e si nt h er e s e a r c ho f k e y e q u i p m e n t si ne n d - f a c ep r o t s $ s oi t i ss i g n i f i c a n tt om a n u f a c t u r eak i n do ff i b e r c o n n e c t o re n d f a c et a p p i n gm a c h i n ew i t ht h ep r o p r i e t a r yi n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s ， w h i c hw i l lp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to ff i b e rc o n n e e t o re n d - f a c em a c h i n i n ga n d p r e c i s i o n s u p e r - p r e c i s i o nm a c h i n i n gt e c h n o l o g yo f o u rc o u n t r y t h ef u n c t i o n , a p p l i c a t i o n , t y p ec l a s s i f i c a t i o n ，t e c h n i c a li n d e xs t a n d a r d sa n do t h e r p r o b l e m so ff i b e rc o n n e c t o fa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h e e f f e c t so ff i b e re n m l e 虻1 o r e n d - f a c ep r o c e s s i n gm e c h a n i s m , p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dm a t e r i a lr e m o v a lm o d e lo n m l r f a t q u a l i t yo ff i b e rc o n n e c t o ra r ea n a l y z e d ；w i t l lr e s p e c tt ot h ef i b e rc o n n e c t o r e n d - f a c el a p p i n gm a c h i n e b a s e do nt h es u r v e yo fc u r r e n ts t a t u so fa b o a r 也ak i n do f p l a n e t a r yf i b e rc o n n e c t o re n d f a c el a p p i n gm a c h i n ew i t hd o u b l ed r i v ea n dt w od e g r e e s o ff r e e d o mi sd e v e l o p e d , t h ei n t e g r a t e d3 d - m o d e lo fl a p p i n gm a c h i n ei sb u i l t 誦t hu g a n dt h ed e s i g n so fp n e u m a t i cs y s t e ma n de l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m 黜a c c o m p l i s h e d ； t h eg r i n d i n gt r a c e so f p l a n e t a r yf i b e rc o n n e c t o re n d - f a c el a p p i n gm a c h i n ea r es i m u l a t e d u s i n gv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g ya n da d a m s ，t h ee f f e c t so f t h r e em a j o rp a r a m e t e r s i n c l u d i n gt h er a t i oo fr e v o l v i n ga l t or o t a t i n gv e l o c i t ya n ds e l f - r o t a t i n gv e l o c i t y ，t h e l e n g t ho fr e v o l v i n ga r m , t h ed i s t a n c eb e t w e e nc e n t e rp o i mo ff i b e re n m l l x f l l o re n d - f a c e a n di n n e rg e a ro ng r i n d i n gi r a c e sc h a n g ea n dg r i n d i n gq u a l i t ya 塢扣m i y 刁e d w h e n a c h i e v i n gt h ei d e a lg r i n d i n gt l a e e s ，t h ec o m b i n a t i o no ft h em a j o rp a r a m e t e r sa b o v ei s 沈陽理工大學(xué)碩十學(xué)位論文 d e t e r m i n e d , a n dt h eg r i n d i n gt r a c e sw h i c h m e e tr e q u i r e m e n to ff i b e rc o n n e c t o re n d - f a c e p r o c e s s i n ga r ca c h i e v e d ；a c c o r d i n gt ot h ee f f e c to f f i n d i n gt r a c e sa n dv e l o c i t yo f f i b e r c o n n e c t o re n d - f a c el a p p i n gm a c h i n ew h i c hi s d e v e l o p e di nt h ep a p e r , t h ev e l o c i t y r a n g e so fm o t o r sw h i c hd r i v i n gt h er e v o l v i n ga l t na n di n n e rg e a ra r ed e t e r m i n e d ；t h e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rr e s e a r c h i n go nt h ee x p e r i m e n to ff i b e rc o n n e c t o re n d - f a c e p r o c e s s i n ga n dt e c h n o l o g yi sp r o v i d e db yt h em o d e lm a c h i n em a n u f a c t u r i n g t h er e s e a r c ho f t e c h n i q u e sa n d m a c h i n ef o rm a c h i n i n gf i b e rc o n n e c t o re n d - f a c ei nt h i s p a p e ri sc o n t r i b u t e dt op r o m o t et h eq u a l i t yo ff i b e rc o n n e c t o re n d - f a c ea n dt h e p e r f o r m a n c eo f f i b e rc o n n e c t o ri np r a c t i c a lp r o c e s s i n g k e yw o r d s ：p l a n e t a r y ；l a p p i n gm a c h i n e ；v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ；m o t i o nt r a c e s ； s i m u l a t i o n 沈陽理工大學(xué) 碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，由作者本 人獨(dú)立完成的。有關(guān)觀點(diǎn)、方法、數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)的引用己在文中指出， 并與參考文獻(xiàn)相對應(yīng)。除文中已注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任 何其他個人或集體已經(jīng)公開發(fā)表的作品成果。對本文的研究做出重要 貢獻(xiàn)的個人和集體，均己在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本 聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 儲e t ；霸月彳e t 期 ：弘而年歲月彳 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解沈陽理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文 的規(guī)定，即：沈陽理工大學(xué)有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué) 位論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)沈陽理工 大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可 以采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 學(xué)位論文作者簽名：嘻亭貿(mào)指導(dǎo)教師簽名： e t 期：擁年j 同佃日 期： 第1 章緒論 第1 章緒論 1 1 選題背景 光纖通信是以光纖為傳輸媒質(zhì)，以光信號為信息載體的通信方式?，F(xiàn)代通信網(wǎng) 的三大支柱是光纖通信、衛(wèi)星通信和無線電通信，而其中光纖通信是主體。光纖 在信息高速公路的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中具有不可替代的作用。國內(nèi)外光纖通信發(fā)展都 非常迅速，1 9 7 6 年美國在亞特蘭大進(jìn)行的現(xiàn)場試驗，標(biāo)志著光纖通信從基礎(chǔ)研究 發(fā)展到了商業(yè)應(yīng)用的新階段。此后，光纖通信技術(shù)不斷創(chuàng)新：光纖從多模發(fā)展到 單模，工作波長從o 8 5 胛1 發(fā)展猻1 3 1p m 和1 5 5 膽l ( 短波長向長波長) ，傳輸速 率從幾十m b s 發(fā)展至幾十g b s l - - n 。隨著技術(shù)的進(jìn)步和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的形成，光纖價 格不斷下降，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。目前光纖已成為信息寬帶傳輸?shù)闹饕劫|(zhì)，光 纖通信系統(tǒng)將成為未來國家信息基礎(chǔ)設(shè)施的支柱。在許多發(fā)達(dá)國家，生產(chǎn)光纖通 信產(chǎn)品的行業(yè)已在國民經(jīng)濟(jì)中占重要地位。 作為傳輸信息的工具光纖技術(shù)的發(fā)展直接影響著網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，因此許多 國家就光纖傳輸相關(guān)技術(shù)做了很多研究。光纖連接器端面研磨機(jī)在光纖傳輸領(lǐng)域 應(yīng)用廣泛，其技術(shù)備受世人關(guān)注。 光纖連接器端面研磨機(jī)是一種用來研磨光纖連接器端面的機(jī)器，光纖連接器 端面加工質(zhì)量和光纖連接器性能對光傳輸信號質(zhì)量有很大影響，而提高光纖連接 器端面加工質(zhì)量和光纖連接器性能必須依靠光纖連接器端面研磨機(jī)來完成，所以 光纖連接器端面研磨機(jī)對光纖傳輸起著很大作用。 日本和歐美在光纖連接器端面研磨機(jī)研制技術(shù)上處于世界領(lǐng)先地位，我國的 光纖連接器端面研磨機(jī)生產(chǎn)規(guī)模不大，有些是外資或者合資企業(yè)，還有一些企業(yè) 雖然在生產(chǎn)，但是生產(chǎn)的型號比較單一，滿足不了國內(nèi)市場的需求。為了滿足國 內(nèi)市場對光纖連接器端面研磨機(jī)日益增長的需求，減小光纖連接器端面加工技術(shù) 與世界先進(jìn)水平的差距，本課題針對光纖連接器端面研磨設(shè)備設(shè)計與光纖連接器 端面研磨拋光加工技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。 沈陽理r 大學(xué)碩十學(xué)位論文 1 2 光纖通訊及光纖連接器 1 2 1 光纖通信技術(shù) 光纖通信是當(dāng)今世賽上最有發(fā)展前途的通信技術(shù)，其通信過程是一個電交光、 光變電的過程。光纖通信系統(tǒng)由光端機(jī)、中繼器和光纜所組成，具有頻帶寬、通 信容量大、衰耗小、抗干擾能力和保密性強(qiáng)、造價低等優(yōu)點(diǎn)。從理論上講，一根 頭發(fā)絲粗細(xì)的光纖可傳送1 0 0 萬路高質(zhì)量的電視節(jié)目，或1 0 0 億路電話；從實(shí)際 上講，有可能同時提供幾百萬個電話通路1 2 - 3 1 。目前光纖通信技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于 郵電通信，廣播電視、計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)、交通管理等許多方面，圖1 1 為光纖通信系統(tǒng) 的基本組成。 發(fā)射卜一基本光纖傳輸系繞l 接收 電信號ii 光信號 光信號l i 電信號 1 i 一麗廣1 i 劉藕廣 圖1 1 光纖通信系統(tǒng)的基本組成 光發(fā)射機(jī)：由半導(dǎo)體光源( 核心) 、驅(qū)動器和調(diào)制器組成。功能是將待發(fā)送的 電信號進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換出的光信號最大限度的注入光纖中進(jìn)行傳輸。它 的組成框圖如圖1 2 。結(jié)構(gòu)參數(shù)：發(fā)送功率，d b m 概念。光源光譜特性：輸出光功 圖1 2 光發(fā)射機(jī)組成框圖 率足夠大，調(diào)制頻率足夠高，譜線寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長 第1 章緒論 穩(wěn)定，器件壽命長。 光纖線路：由光纖、光纖接頭和光纖連接器組成。功能是把來自光發(fā)射機(jī)的 光信號，以盡可能小的畸變和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)。 光接收機(jī)：由光電檢測器( 核心) 、放大器和相關(guān)電路組成。功能是把將光纖 傳來的光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并對轉(zhuǎn)換出的電信號進(jìn)行放大和恢復(fù)，光接收機(jī)組 成框圖見圖1 3 。 光輸入一臣弓 翌一臣圈罵 圖1 3 光接收機(jī)組成框圖 光纖通信的優(yōu)點(diǎn)剛：( 1 ) 容許頻帶很寬，傳輸容量很大；( 2 ) 損耗很小，中繼 距離很長且誤碼率很??；( 3 ) 重量輕、體積??；( 4 ) 抗電磁干擾性能好；( 5 ) 泄漏小， 保密性能好；( 6 ) 節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用。 光纖通信的應(yīng)用領(lǐng)域 2 - 3 1 ：( 1 ) 通信網(wǎng)；( 2 ) 構(gòu)成因特網(wǎng)的計算機(jī)局域網(wǎng)和廣域 網(wǎng)；( 3 ) 有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)；( 4 ) 綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)。 1 2 2 光纖連接器的分類及對準(zhǔn)方式 光纖連接器，俗稱活接頭，主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中設(shè)備問、設(shè)備與儀表間、設(shè)備 與光纖間以及光纖與光纖間的非永久性固定連接，是光纖通信系統(tǒng)中各種裝置連 接所必不可少的器件，也是目前使用量最大的光纖器件i 3 j 。正是由于連接器的使用， 使得光通道問的可拆式連接成為可能，從而為光纖提供了測試入口，方便了光系 統(tǒng)的調(diào)測與維護(hù)；又為網(wǎng)路管理提供了媒介，使光系統(tǒng)的轉(zhuǎn)接調(diào)度更加靈活。光 纖連接器在光通信系統(tǒng)、光信息處理系統(tǒng)、光學(xué)儀器儀表中被廣泛應(yīng)用。目前， 光通信正朝著超高速、大容量、長距離的方向發(fā)展，同時又大力開發(fā)c a t v 、光 纖局域網(wǎng)和用戶系統(tǒng)，使光纖到路邊、到家庭，這就對光纖連接器的品種規(guī)格和 性能提出更高的要求。由于本地通信網(wǎng)絡(luò)的逐步光纖化，城域網(wǎng)和用戶接入網(wǎng)需 求的上升，近年來全球光纖連接器市場的總需求量不斷擴(kuò)大，預(yù)計未來十年的年 沈陽理工大學(xué)碩十學(xué)位論文 增長率將在2 0 左右。國際電信聯(lián)盟( r r u ) 將光纖連接器定義為“用以穩(wěn)定的、但 不是永久的連接兩根或多根光纖的無源組件”( c c r r r 第v l 研究組1 9 9 2 年3 月于 日內(nèi)瓦通過) j 。 精密陶瓷插針及其研磨工藝的研制成功，徹底解決了光纖的對接難題，使得 活動光纖連接器的性能指標(biāo)大為改善。之后，經(jīng)過對陶瓷插針端面形狀的不斷改 進(jìn)，使連接器的指標(biāo)得到更大的提高。目前，活動光纖連接器的插入損耗已經(jīng)達(dá) 到小于0 2 d b ，回波損耗也可達(dá)到4 0 d b ( p c 面) 和6 5 d b ( a p c 面) 以上，為光 纖連接器的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)【4 l 。 光纖活動連接器是連接兩根光纖或光纜形成連續(xù)光通路且可以重復(fù)裝拆的無 源器件。其外形與普通電纜連接器有點(diǎn)相似，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械加工精度 要求高。主要技術(shù)要求是插入損耗小，拆卸方便，互換性好，重復(fù)插拔的壽命長。 使用中要求能承受機(jī)械振動和沖擊以及一定的溫度和濕度環(huán)境條件。對于野外使 用的光纖測試儀表中，是目前使用數(shù)量最多的無源器件。直接調(diào)制直接檢測式光 纖通訊系統(tǒng)，可以盡量減少使用無源器件的種類和數(shù)量，但光纖活動連接器還是 必不可少的。 由于光纖連接器在光纖通信系統(tǒng)中具有重要的作用，因此各國的廠家對此投 入了大量的人力、物力，進(jìn)行了積極和深入的研究。經(jīng)過多年來的研究和開發(fā)， 光纖連接器已經(jīng)形成了門類齊全、品種繁多的系列產(chǎn)品，各種類型的特點(diǎn)也逐漸 分明。光纖活動連接器種類甚多，按結(jié)構(gòu)來分，可分為調(diào)心型和非調(diào)心型；按光 纖芯數(shù)分還有單芯、多芯之分；按傳輸媒介的不同可分為單模光纖連接器和多模 光纖連接器；按連接方式可分為對接耦合式和透鏡耦合式，有f c , s c ，s t , m u ，i _ c 等；按光纖相互接觸關(guān)系可分為平面接觸式和球面接觸式等；其中使用最多的是 非調(diào)心對接耦合式光纖活動連接器，如平面對接式( f c 型) 光纖活動連接器，直 接接觸式( p c 型) 光纖活動連接器和矩形( s c 型) 光纖活動連接器等。就連接 器的插芯直徑來分，有2 5 r a m 的( 如f c 型連接器及s c 型連接器) 。也有1 2 5 r a m 的( 如m u 型連接器及l(fā) c 型連接器) 等；就連接器的材料來分有氧化鋯陶瓷材 料、s u s 材料、玻璃材料、塑料材料、金屬材料等；但對于檢測儀器來說，一般 分為p c 及a p c 兩種i t 4 1 。下面是光纖連接器的具體型號分類l ； 1 平面對接f c 型光纖活動連接器 第1 章緒論 典型的f c 型光纖活動連接器如圖1 4 所示。主要由插針體、光纖、套筒等幾 部分組成。一邊的插針體裝有發(fā)射光纖、另一邊的插針體裝有接收光纖，將兩者 同時插入套筒中，再將螺旋擰緊，就實(shí)現(xiàn)了光纖的對接耦合。f c 型連接器采用金 屬螺紋連接結(jié)構(gòu)，插針體采用外徑2 5 m m 的精密陶瓷插針。f c 型連接器是目前世 界上使用量最大的品種，也是我國采用的主要品種。f c 連接器大量用于光纜干線 系統(tǒng)，其中f c a p c 連接器用在要求高回波損耗的場合，如c a t v 網(wǎng)等。我國已 制訂了f c 型連接器的國家標(biāo)準(zhǔn)。按規(guī)定要求，插頭應(yīng)可以互換，反復(fù)插拔數(shù)千 次而不影響其主要指標(biāo)。由凰1 4 所示中看出，兩插針體相互對接，其對接面拋磨 成平面，外套有一個彈簧對中套管，使其壓緊并精確對中定位。 光纖套管，插針粘結(jié)劑 圖1 4f c 連接器對接原理 2 直接接觸p c 型光纖活動連接器 f c 連接器所連接的兩光纖處于平面接觸狀態(tài)，端面間不免有小量的空氣縫隙。 哪怕縫隙很小，在石英玻璃與空氣之間也會產(chǎn)生菲涅耳反射。反射光回射到激光 器就會引起額外的噪聲和波形失真。解決的辦法是把插針套管端面拋磨成凸球面， 使被連接的兩光纖端面直接接觸，實(shí)現(xiàn)p c ( 物理接觸) 結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)已證實(shí)p c 型光 纖活動連接器的插入損耗小、反射光小( 即反射損耗大) 性能穩(wěn)定，特別適用于 高速光纖通信系統(tǒng)。在制造工藝方面，p c 型與f c 型不同之處，在于插針套筒( 包 括光纖) 凸球面端面的研磨拋光。形成凸球面端面的方法很多，為了獲得精確曲 率半徑的球面套管端面，可以在拋光盤薄薄的拋光層下面，墊上一層橡膠，使拋 光盤成為彈性盤。 3 矩形( s c ) 型光纖活動連接器 s c 型連接器是由日本n r r 公司設(shè)計開發(fā)的，采用插拔式結(jié)構(gòu)，外殼采用矩形 沈陽理 大學(xué)碩士學(xué)位論文 結(jié)構(gòu)，采用工程塑料制造，容易作成多芯連接器，插針體為外徑2 5 r a m 的精密陶 瓷插針。它的主要特點(diǎn)是不需要螺紋連接，直接插拔，操作空間小，便于密集安 裝。按其插針端面形狀也分為球面接觸的s c p c 和斜球面接觸的s c a p c 兩種結(jié) 構(gòu)。s c 型連接器廣泛用于光纖用戶網(wǎng)中。我國已制訂了s c 型連接器的國家標(biāo)準(zhǔn)。 f c 與p c 等光纖活動連接器，一般都是螺旋耦合型或卡口耦合型，在安裝時 需要留有一定空間以便耦合部分的旋轉(zhuǎn)，這樣就不能滿足高密度安裝的要求。在 光纖用戶網(wǎng)等場合，使用的是s c 型光纖活動連接器。s c 光纖活動連接器體積小， 只需軸向操作，不用旋轉(zhuǎn)，能自鎖和開啟，最適合于高密度安裝。s c 型光纖活動 連接器采用塑料模塑工藝制造，插針套管是氧化鋯整體型，端面磨成凸球面，插 針尾部入口呈錐形，便于光纖插入。 s c 型光纖活動連接器的裝配步驟，首先是選擇插針套管。為實(shí)現(xiàn)單模光纖的 低插入損耗，裸光纖與氧化鋯內(nèi)微孔的允許間隙小于l g m ，應(yīng)根據(jù)所使用的光纖 嚴(yán)格選擇內(nèi)微孔孔徑合適的插針套管。然后將裸光纖穿入插針微孔，用適當(dāng)?shù)恼?合劑將光纖固定于微孔內(nèi)，待固化之后將端面研拋成凸球面。 4 s t 型連接器 s t 型連接器是由a t t 公司設(shè)計開發(fā)的，采用帶鍵的卡口式鎖緊結(jié)構(gòu)，插針 體為外徑2 s m m 的精密陶瓷插針，插針的端面形狀通常為p c 面。它的特點(diǎn)主要 是使用非常方便，大量用于光纖用戶網(wǎng)中。我國己制訂了s t p c 型連接器的國家 標(biāo)準(zhǔn)。 5 l c 型連接器 l c 型光纖連接器是朗訊公司( l u c e n t ) 開發(fā)的一種小型連接器，該連接器采 用插拔式鎖緊結(jié)構(gòu)，外殼為矩形，用工程塑料制成，帶有按壓鍵。由于它的陶瓷 插針的外徑僅為1 2 5 m m ，其外形尺寸也相應(yīng)減少，大大提高了連接器在光配線架 中的密度。通常情況下，l c 連接器是以雙芯連接器的形式使用，但需要時也可分 開為兩個單芯連接器。 6 m u 型光纖連接器 m u 型光纖連接器是日本n r r 公司開發(fā)的一種小型連接器，該連接器采用如 s c 型連接器那樣的插入鎖緊結(jié)構(gòu)，外殼與s c 型連接器相似，但由于采用了外徑 為1 2 5 m m 的陶瓷插芯，其尺寸要小得多，截面尺寸僅為9 x 6 ( m m ) 2 ，而s c 型連接 第1 章緒論 器的截面尺寸為1 3 1 0 ( r a m ) 2 ，因此與s c 型連接器相比，它可大大提高安裝密度， 特別適用于新型的同步終端設(shè)備和用戶線路終端。 7 帶狀光纖連接器 為了便于帶狀光纖的連接，很多公司設(shè)計了帶狀光纖連接器，該類型連接器 采用的也是插拔式鎖緊結(jié)構(gòu)。如a m p 公司的m r r j 連接器( 2 芯) ，s e i c o r 公司 的m i n i m t 連接器( 4 芯) ，b e r g 的m a c 連接器( 1 8 芯) 等。 8 d 礬4 7 2 5 6 型光纖連接器 這是一種由德國開發(fā)的連接器，d 礬是德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的表示，其后面的數(shù)字 為標(biāo)準(zhǔn)號。這種連接器采用的插針和耦合套筒的結(jié)構(gòu)尺寸與f c 型相同，端面處理 采用p c 研磨方式。與f c 型連接器相比，其結(jié)構(gòu)要復(fù)雜一些，內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)中有 控制壓力的彈簧，可以避免因插接壓力過大而損傷端面。另外，這種連接器的機(jī) 械精度較高，因而介入損耗值較小。 9 雙錐型連接器( b i c o n i c a lc o n n e c t o r ) 這類光纖連接器中最有代表性的產(chǎn)品是由美國貝爾實(shí)驗室開發(fā)研制，由兩個 經(jīng)精密模壓成形的端頭呈截頭圓錐形的匠筒插頭和一個內(nèi)部裝有雙錐形塑料套筒 的耦合組件組成。據(jù)有關(guān)資料介紹其最大介入損耗值為o 7 d b ，平均為疆2 8 d b 。已 見報導(dǎo)的商用型號為2 0 1 6 。 光纖連接器的對準(zhǔn)方式有兩種 4 1 ：用精密組件對準(zhǔn)和主動對準(zhǔn)。 高精密組件對準(zhǔn)方式是最常用的方式，這種方法是將光纖穿入堯固定在插頭 的支撐套管中，將對接端口進(jìn)行打磨或拋光處理后，在套筒耦合管中實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn)。 插頭的支撐套管采用不銹鋼、鑲嵌玻璃或陶瓷的不銹鋼、陶瓷套管、鑄模玻璃纖 維塑料等材料制作。插頭的對接端進(jìn)行研磨處理，另一端通常采用彎曲限制構(gòu)件 來支撐光纖或光纖軟線以釋放應(yīng)力。耦合對準(zhǔn)用的套筒一般是由陶瓷、玻璃纖維 增強(qiáng)塑料( f r p ) 或金屬等材料制成的兩半合成的、緊固的圓筒形構(gòu)件做成的。為使 光纖對得準(zhǔn)，這種類型的連接器對插頭和套筒禍合組件的加工精度要求很高，需 采用超高精密鑄模或機(jī)械加工工藝制作。這一類光纖連接器的介入損耗在似1 8 3 0 ) d b 范圍內(nèi)。 主動對準(zhǔn)連接器對組件的精度要求較低，可按低成本的普通工藝制造。但在 裝配時需采用光學(xué)儀表( 顯微鏡、可見光源等) 輔助調(diào)節(jié)，以對準(zhǔn)纖芯。為獲得 沈陽理工大學(xué)碩十學(xué)位論文 較低的插入損耗和較高的回波損耗，還需使用折射率匹配材料。 1 2 3 光纖連接器的性能及技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn) 光纖連接器的性能，首先是光學(xué)性能，此外還要考慮光纖連接器的互換性、 重復(fù)性、抗拉強(qiáng)度、溫度和插拔次數(shù)等。 光學(xué)性能：對于光纖連接器的光性能方面的要求，主要是插入損耗和回波損 耗這兩個最基本的參數(shù)。 插入損耗( i n s e r t i o nl o 囝即連接損耗，是指因連接器的導(dǎo)入麗引起的鏈路有效 光功率的損耗。插入損耗越小越好，一般要求應(yīng)不大于0 5 d b 。 回波損耗( r e t u r nl o s s ，r e f l e c t i o nl o s s ) 是指連接器對鏈路光功率反射的抑制 能力，其典型值應(yīng)不小于2 5 d b 。實(shí)際應(yīng)用的連接器，插針表面經(jīng)過了專門的研磨 拋光處理，可以使回波損耗更大，一般不低于4 5 d b 。 互換性、重復(fù)性：光纖連接器是通用的無源器件，對于同一類型的光纖連接 器，一般都可以任意組合使用、并可以重復(fù)多次使用，由此而導(dǎo)入的附加損耗一 般都在小于0 2 d b 的范圍內(nèi)。 抗拉強(qiáng)度：對于做好的光纖連接器，一般要求其抗拉強(qiáng)度應(yīng)不低于9 0 n 。 溫度：一般要求，光纖連接器必須在一4 0 c 0 至+ 7 0 c o 的溫度下能夠正常使用。 插拔次數(shù)：目前使用的光纖連接器一般都可以插拔1 0 0 0 次以上。 為了保證光纖連接器的品質(zhì)和互換性以及光通信的質(zhì)量，國際標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)對光 纖連接器的各項技術(shù)指標(biāo)制定了i e c 國際標(biāo)準(zhǔn)，具體數(shù)值見表1 1 。 表1 1 光纖連接器的各項技術(shù)指標(biāo)制定了i e c 國際標(biāo)準(zhǔn) 檢測項目脫標(biāo)準(zhǔn) 球面偏心工咀) 5 0 以內(nèi) 球面半徑r ( m ) p c s p c 1 0 2 5 a _ p c 5 1 2 光纖高度h ( m ) p c s p c- - 0 1 + o ，0 5 a p c0 1 a p c 角度( d e g ) a p c 未規(guī)定一般為- - - - 0 5 定位健角度( d e g ) a p c未規(guī)定一般為o 5 第1 章緒論 根據(jù)i e c 國際標(biāo)準(zhǔn)，一般對p c 型的光纖連接器主要進(jìn)行以下幾個項目的檢查 ( 見圖1 6 ) ： e 垂手蔫囊 ，懈 插蒼 【 圖1 6p c 和a p c 光纖連接器的主要檢查項目 1 球面半徑( r a d i u so fc u r v a t u r e ) ：一般光纖連接器的端面被研磨成球面，球 面半徑r 的大小必須在i e c 國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍以內(nèi)。 2 光纖商度h ( h b e rh e i g h t ) ：由于光纖和插芯的材料不同，硬度也不同；所以 研磨時的消耗量也不同，從而光纖和插芯問會有高度差，這個高度差就是光纖高 度。光纖高度必須滿足i e c 國際標(biāo)準(zhǔn)的要求。必須指出的是，根據(jù)i e c 國際標(biāo)準(zhǔn)， 光纖高度比插蒼端面低，也就是連接器端面為凹時的光纖高度符號為正。這與有 些廠家測量儀器的定義不同。 辦 3 球面頂點(diǎn)偏心l ( a p e xo f f s e t ) ：光纖連接器一般以連接器的插芯的中心為基 準(zhǔn)。但是，在研磨光纖連接器時，得到的球面的頂點(diǎn)不一定在連接器插芯的中心。 從而產(chǎn)生球面頂點(diǎn)偏心誤差。球面頂點(diǎn)偏心l 也必須滿足i e c 國際標(biāo)準(zhǔn)的要求。 4 對a p c 型的光纖連接器，除要進(jìn)行以上p c 型的光纖連接器的3 個項目的檢 查外，還要檢查。 5 a p c 角度( a p ca n g l e ，一般以8 度為標(biāo)準(zhǔn)) ：a p c 角度又稱為研磨傾斜角度， 在i e c 國際標(biāo)準(zhǔn)中定義為在光纖連接器的插芯的中心軸上，并且與先端球面相切 的平面和與插芯的中，f i , 軸垂直的平面之間的夾角。 6 定位鍵角度( k e ye r r o r ) ：定位鍵角度為連接器的定位鍵位置和研磨面傾斜 方向之間的角度，在i e c 國際標(biāo)準(zhǔn)中定義為通過傾斜研磨光纖連接器的插芯的中心 軸和定位鍵的中心軸的平面a 以及在插芯的中心軸上，并且與先端球面相切的平 面垂直的平面b 之間的夾角。a p c 光纖連接器的定位鍵角度的定義示于圖1 7 。 沈陽理丁大學(xué)碩士學(xué)位論文 韶平五 各z 夢 定位越 圖1 7a p c 光纖連接器的定位鍵角度的定義 各種活動連接器性能參數(shù)見表1 2 ： 表1 2 各種活動連接器性能參數(shù) 型號反射損耗( d 8 )插入損耗( d 8 ) f 6 0 6 50 1 5 s c6 50 6 s t5 0o 5 1 2 4 光纖連接器存在的加工技術(shù)問題 從上面對光纖連接器的介紹，可知f c 型光纖連接器端面研磨成平面，p c 型 和s c 型光纖連接器端面研磨成凸球面。各種光纖連接器必須具備損耗低、體積小、 重量輕、可靠性高、便于操作和互換性好以及價格低廉等特點(diǎn)。插入損耗、回波 損耗是光纖連接器最重要的參數(shù)指標(biāo)。 一、產(chǎn)生插入損耗的機(jī)理有兩方面： 1 光纖公差引起的固有損耗主要由光纖制造公差，即纖芯尺寸、數(shù)值孔徑、 纖芯包層同心度和折射率分布失配等因素產(chǎn)生。 2 連接器加工裝配引起的固有損耗這是由連接器加工裝配公差，即端面間 隙、軸線傾角、橫向偏移和菲涅爾反射及端面加工精度等因素產(chǎn)生的。 二、光纖連接器的回波損耗： 光纖連接器的回波損耗是指光纖連接處，后向反射光相對輸入光的比率的分 貝數(shù)，表示在加工光纖端面上反射回來的光減少量，在輸入光功率一致的條件下， 后向反射光功率越小，回波損耗值越大【l 】。 回波損耗表達(dá)式為嗍： 第1 章緒論 r l - - 1 0 咯 ( 1 1 ) 式中：民回波損耗，d b ； 只反射光功率，w ； 只輸入光功率，w 。 在光纖連接器對接處產(chǎn)生回波是山菲涅爾反射造成的，即光線在遇到兩種折 射率不同的晃面時會導(dǎo)致一部分入射光變?yōu)榉瓷涔鈒 q 。因此，如果兩光纖對接處存 在端面間隙、或者光纖端面存在高折射率的變質(zhì)層1 7 4 1 ，都會造成光纖連接器的回 波損耗唧。 由于返回光的存在，影響了激光二極管光源的激振穩(wěn)定性，這種光在有線電 視上就會形成所謂的重影，劣化信號品質(zhì)。 發(fā)射光纖和接收光纖的相對幾何位置、光纖斷面情況和光纖本身特性參數(shù)不 匹配，都會產(chǎn)生連接損耗。如果發(fā)射光纖和接收光纖特性參數(shù)完全相同，它們的 斷面完全理想，從幾何位置來說它們配合得很好，則其連接損耗就會很小，反之 則損耗很大1 4 1 。 就光纖連接器的關(guān)鍵元件插頭支撐套管和耦合套筒爵言，妒2 5 m m 韻插針及配 套的耦合套筒將得到較大發(fā)展，以此為基礎(chǔ)已開發(fā)出f c 、s t 、s c 、d i n 4 7 2 5 5 6 、 7 m i n i b n c 、g f s 1 1 1 3 、5 3 0 等多種型號的光纖連接器，而且其技術(shù)也在不斷進(jìn)行 改進(jìn)，改進(jìn)的目的是努力降低介入損耗，盡可能提高回波損耗，并改善連接器的 機(jī)械耐力( 重復(fù)插拔性能) 和溫度性能。目前改進(jìn)工作主要是從兩個方面著手的h ： 其一為制作材料。由于陶瓷材料與石英玻璃材料的熱匹配性好，理化性能穩(wěn) 定，加工精度高，機(jī)械耐力好，因此越來越受到重視估計短期內(nèi)，以精密陶瓷 制作的插針套管和耦合套筒將繼續(xù)占主導(dǎo)地位。 目前使用較多的陶瓷材料是氧化鋁和3 t o o l 氧化釔不完全穩(wěn)定的氧化鋯 ( p s z ) 。其中氧化鋁的硬度較高，研磨精度也比較高，但對研磨設(shè)備的要求也較 高，且彎曲強(qiáng)度低、粒度大，碰到堅硬表面時易碎裂。而氧化鋯( p s z ) 的彎曲強(qiáng) 度和斷裂強(qiáng)度較氧化鋁要高得多，且其硬度小、顆粒小，易于進(jìn)行研磨拋光，但 由于其場式模量較小，因而在進(jìn)行研磨時需要先進(jìn)的加工工藝?？偟膩碚f，使用 氧化鋯( p s z ) 較氧化鋁要可靠得多。由于需要不斷進(jìn)行插拔，因此耦合套筒必須 沈陽理1 = 大學(xué)碩士學(xué)位論文 具有良好的耐磨性和一定的彈性，所以，理想的組合是用氧化鋁制作插針套管， 用氧化鉻制作耦合套筒。 其二是改進(jìn)插針體( 套管) 對接端端面的對接方式和端面的加工工藝。目前隨 著系統(tǒng)速率的不斷提高，p c ( 物理接觸) 型正在逐步取代f c ( 平面接觸) 型；對于 p c 型研磨的工藝也在不斷進(jìn)行改進(jìn)，入工研磨正逐漸為機(jī)器研磨所取代；出現(xiàn)了 a p c ( a d v a n c ep h y s i c a lc o n t a n t ) 技術(shù)，即在傳統(tǒng)p c 研磨的基礎(chǔ)上，再用二氧化硅 磨片或微粉進(jìn)行超精細(xì)研磨，以減小因光纖連接器對接端面處折射率不匹配對介 入損耗和回波損耗性能的影響。這種不匹配是由研磨受力所產(chǎn)生的損傷層造成的。 一般經(jīng)p c 研磨后，損傷層的折射率約為1 5 4 ，高于光纖纖芯的折射率( 1 4 6 ) ，而 經(jīng)過a p c 研磨處理的端面，其折射率約為1 4 6 ，接近或達(dá)到纖芯的折射率。要制 造高回波損耗的光纖連接器，既不能使用氧化鋁砂紙干式拋光的方法，也不能采 用氧化硅砂紙干式拋光的方法；為使拋光后的光纖連接器不出現(xiàn)光纖凹陷現(xiàn)象， 應(yīng)優(yōu)先選用氧化硅砂紙濕式拋光法，拋光時間應(yīng)控制在2 0 3 0 s 御。 在連接器生產(chǎn)工藝中，主要可分為三部份，見圖1 8 f g l 圖1 8 連接器生產(chǎn)工藝 其中研磨及測試部分對生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)光纖端面最為關(guān)鍵l 。光纖連接器的端面一般 研磨成平面或球形，直接影響到研磨效果的主要因素有： 運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定的研磨機(jī)、優(yōu)質(zhì)的研磨砂紙、研磨片的使用、以及對研磨壓力時間 的合理選擇卿。 從以上可知，連接器的介入損耗和回波損耗性能是衡量連接器性能好壞的關(guān) 鍵指標(biāo)，而光纖端面質(zhì)量，如聞隙、形狀、光潔度，在很大程度上影響這些參數(shù)指 標(biāo)的好壞，所以光纖端面的研磨的效果就顯得非常重要。選擇先進(jìn)的研磨設(shè)備并摸 索出與之相適應(yīng)的成熟的研磨工藝是保證光纖連接器質(zhì)量的關(guān)鍵| 9 1 。 第1 章緒論 1 3 光纖連接器端面研磨機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 光纖連接器端面研磨機(jī)它分類很多，可分為手動和自動，可以加工平面，圓 錐藤，棱錐面等，研磨機(jī)配有不同的夾具，可以研磨不同型號的光纖連接器。研 磨盤的運(yùn)動方式比較典型的有行星式運(yùn)動、擺動、8 字形運(yùn)動。另外標(biāo)準(zhǔn)配置還配 有研磨拋光膠墊，拋光片等各類高級研磨拋光機(jī)耗材。 日本和歐美的光纖連接器端面研磨機(jī)技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位。日本扇港公司 在光纖研磨機(jī)制造領(lǐng)域技術(shù)先進(jìn)，最新推出了一種機(jī)型為0 f l 一1 5 ，它的很多功能 都很先進(jìn)。這種機(jī)器具有壓力及轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)的特點(diǎn)，這是目前唯一具有此性能 的研密拋光機(jī)，這種機(jī)器具有良好的人機(jī)操作界面，彩色的觸摸屏操作，1 5 組5 步的研密拋光程序存儲，使用時指定研磨拋光程序既可自動執(zhí)行，帶有密碼鎖定 功能，非相關(guān)人員不能執(zhí)行操作，保證了研磨拋光程序的正確性。不必每一步都 調(diào)整壓力、轉(zhuǎn)速、時間等參數(shù)，大大節(jié)省入力，可研磨拋光的型號包括f e 、s c 、 m u 、l c 、e 2 0 0 0 、m t r j 、m t 等，研磨拋光的種類包含p c 、a p c 、u p c 、a d p c 、 a n g l ef l a t 等，研磨拋光的數(shù)量為：1 2 頭，部分夾具可拋光1 6 頭，拋光時可提 供3 0 0 2 5 0 0 克的壓力，轉(zhuǎn)速1 0 0 2 8 0 r p m 可調(diào)，可選配1 9 種研磨拋光夾具， 幾乎包含了目前所有的連接器種類及型號，在加工高性能的光纖時，o f i 卜1 5 不 僅可以最大程度的保證質(zhì)量，而且可以保證高性能生產(chǎn)效率，此種型號的研磨拋 光機(jī)目前在很多國家都有著良好的口碑。此外0 f l 一1 5 a 是o f l 一1 5 的改進(jìn)型號， 可提供3 0 0 7 0 0 0 克的壓力，可研磨拋光最多2 4 頭的夾具，觸摸屏為黑白兩色， 其他的性能與o f l - - 1 5 相同。 國內(nèi)的光纖連接器端面研磨機(jī)生產(chǎn)規(guī)模不大，有些是外資或者合資企業(yè)，還 有些企業(yè)雖然在生產(chǎn)，但是生產(chǎn)的型號比較單一，滿足不了國內(nèi)市場的需求。 國內(nèi)有關(guān)光纖連接器端面研磨機(jī)的研究很少。目前，國內(nèi)使用的光纖連接器端面 研磨機(jī)主要依靠進(jìn)口，為了滿足國內(nèi)市場對光纖連接器端面研磨機(jī)日益增長的需 求，應(yīng)該加大在這方面的研究與生產(chǎn)。 目前，國外先進(jìn)的光纖連接器端面研磨機(jī)的發(fā)展趨勢可以歸納為以下幾點(diǎn)： 1 高精度，隨著現(xiàn)代加工技術(shù)的不斷發(fā)展，加工設(shè)備精度的不斷提高及加工工藝的 不斷改進(jìn)，光纖連接器端面研磨機(jī)的加工精度也不斷提高。2 多功能化，通過更 沈陽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 換夾具，在同一臺光纖連接器端面研磨機(jī)上能完成不同型號連接器的加工。3 高 效率、自動化，現(xiàn)在國外的先進(jìn)的光纖連接器研磨機(jī)的加工效率相對以前有了很 大提高，使單臺研磨機(jī)的單位時間的工作量大大提升，更能滿足大批量生產(chǎn)的需 求?？刂频臄?shù)字化和智能化代替了手動控制，降低了操作者的工作強(qiáng)度，提到了 工作效率。 國內(nèi)光纖連接器端面研磨機(jī)的研究還基本處于起步階段，發(fā)展趨勢還主要是模 仿和學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)，關(guān)于國內(nèi)自主研發(fā)的光纖連接器端面研磨機(jī)的產(chǎn)品和資料 很少，有些學(xué)者在對光纖連接器端面加工實(shí)驗中所用的研磨機(jī)基本都是國外生產(chǎn)的 研磨機(jī)。隨著國內(nèi)光纖通訊和光纖連接器行業(yè)的快速發(fā)展，開發(fā)擁有本國自主知識 產(chǎn)權(quán)的光纖連接器端面研磨機(jī)具有重要意義。 1 ，4 本課題研究內(nèi)容 在充分研究國外各種先進(jìn)光