（机械电子工程专业论文）光纤连接器端面研磨机的设计及运动仿真分析.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 光纤连接器是用于实现系统中设备与设备、设备与仪表、设备与光纤、光纤 与光纤之间的非永久性固定连接，是光纤通信系统中各种装置连接必不可少的器 件，也是目前使用量最大的光纤器件，因此，光纤连接器加工受到工程界和学术 界广泛关注随着对光纤连接器性能要求的不断提高和应用数量的不断增加，现 有的光纤连接器加工设备及加工技术越来越难以满足其发展要求。而我国对光纤 连接器端面加工中的关键设备光纤连接器端面研磨机的研发与国外存在很大差 距。所以研制具有自主知识产权的光纤连接器端面研磨机，对推动我国光纤连接 器端面加工及精密与超精密加工技术的发展具有重要意义。 本文详细阐述了光纤连接器的功能、应用、型号分类、技术指标标准及存在 问题等；分析了光纤连接器端面加工机理、相关加工技术及材料的去除模式对光 纤连接器表面的质量影响：在充分研究国内外各种光纤连接器端面研磨机的基础 上。研制了一台双驱动两自由度行星式光纤连接器端面研磨机，利用u g 建立了此 研磨机整机三维模型，并完成了此研磨机气动系统和电控系统的设计；采用虚拟 样机技术，对双驱动两自由度行星式光纤连接器端面研磨机研磨运动轨迹进行了 仿真研究，分析了系秆转速与研磨盘自转转速比值、系秆长度、光纤连接器端面 中心点与内齿轮中心点的距离三个主要参数对研磨运动轨迹变化及研磨加工质量 的影响；确定了在得到理想研磨运动轨迹时上述主要参数比较理想的参数组合， 并仿真得出了符合光纤连接器加工要求的研磨运动轨迹图形；通过研究研磨运动 轨迹及研磨速度对光纤连接器端面加工质量的影响，给出了本文设计的光纤连接 器端面研磨机不同研磨加工阶段的系杆转速与研磨盘自转转速比值；确定了本研 磨机能得到高质量光纤连接器端面加工条件下，系杆和内齿轮驱动电机的转速范 围；通过样机制造，为后续的光纤连接器端面加工实验及相关技术研究提供了实 验平台 本课题对光纤连接器端面加工所涉及的相关技术和设备的研究，对提高光纤 连接器端面加工质量，改善光纤连接器性能具有实际意义。 关键词：行星式：研磨机；虚拟样机技术；运动轨迹；仿真 沈阳理1 ：大学硕十学位论文 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 诵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 坞扣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 沈阳理工大学硕十学位论文 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 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 储e t ；霸月彳e t 期 ：弘而年岁月彳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：嘻亭贸指导教师签名： e t 期：拥年j 同佃日 期： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题背景 光纤通信是以光纤为传输媒质，以光信号为信息载体的通信方式。现代通信网 的三大支柱是光纤通信、卫星通信和无线电通信，而其中光纤通信是主体。光纤 在信息高速公路的基础设施建设中具有不可替代的作用。国内外光纤通信发展都 非常迅速，1 9 7 6 年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信从基础研究 发展到了商业应用的新阶段。此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到 单模，工作波长从o 8 5 胛1 发展狲1 3 1p m 和1 5 5 胆l ( 短波长向长波长) ，传输速 率从几十m b s 发展至几十g b s l - - n 。随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价 格不断下降，应用范围不断扩大。目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光 纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。在许多发达国家，生产光纤通 信产品的行业已在国民经济中占重要地位。 作为传输信息的工具光纤技术的发展直接影响着网络经济的发展，因此许多 国家就光纤传输相关技术做了很多研究。光纤连接器端面研磨机在光纤传输领域 应用广泛，其技术备受世人关注。 光纤连接器端面研磨机是一种用来研磨光纤连接器端面的机器，光纤连接器 端面加工质量和光纤连接器性能对光传输信号质量有很大影响，而提高光纤连接 器端面加工质量和光纤连接器性能必须依靠光纤连接器端面研磨机来完成，所以 光纤连接器端面研磨机对光纤传输起着很大作用。 日本和欧美在光纤连接器端面研磨机研制技术上处于世界领先地位，我国的 光纤连接器端面研磨机生产规模不大，有些是外资或者合资企业，还有一些企业 虽然在生产，但是生产的型号比较单一，满足不了国内市场的需求。为了满足国 内市场对光纤连接器端面研磨机日益增长的需求，减小光纤连接器端面加工技术 与世界先进水平的差距，本课题针对光纤连接器端面研磨设备设计与光纤连接器 端面研磨抛光加工技术进行了相关研究。 沈阳理r 大学硕十学位论文 1 2 光纤通讯及光纤连接器 1 2 1 光纤通信技术 光纤通信是当今世赛上最有发展前途的通信技术，其通信过程是一个电交光、 光变电的过程。光纤通信系统由光端机、中继器和光缆所组成，具有频带宽、通 信容量大、衰耗小、抗干扰能力和保密性强、造价低等优点。从理论上讲，一根 头发丝粗细的光纤可传送1 0 0 万路高质量的电视节目，或1 0 0 亿路电话；从实际 上讲，有可能同时提供几百万个电话通路1 2 - 3 1 。目前光纤通信技术已被广泛应用于 邮电通信，广播电视、计算机联网、交通管理等许多方面，图1 1 为光纤通信系统 的基本组成。 发射卜一基本光纤传输系绕l 接收 电信号ii 光信号 光信号l i 电信号 1 i 一丽广1 i 刘藕广 图1 1 光纤通信系统的基本组成 光发射机：由半导体光源( 核心) 、驱动器和调制器组成。功能是将待发送的 电信号进行电光转换，并将转换出的光信号最大限度的注入光纤中进行传输。它 的组成框图如图1 2 。结构参数：发送功率，d b m 概念。光源光谱特性：输出光功 图1 2 光发射机组成框图 率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长 第1 章绪论 稳定，器件寿命长。 光纤线路：由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。功能是把来自光发射机的 光信号，以尽可能小的畸变和衰减传输到光接收机。 光接收机：由光电检测器( 核心) 、放大器和相关电路组成。功能是把将光纤 传来的光信号进行光电转换，并对转换出的电信号进行放大和恢复，光接收机组 成框图见图1 3 。 光输入一臣弓 翌一臣圈骂 图1 3 光接收机组成框图 光纤通信的优点刚：( 1 ) 容许频带很宽，传输容量很大；( 2 ) 损耗很小，中继 距离很长且误码率很小；( 3 ) 重量轻、体积小；( 4 ) 抗电磁干扰性能好；( 5 ) 泄漏小， 保密性能好；( 6 ) 节约金属材料，有利于资源合理使用。 光纤通信的应用领域 2 - 3 1 ：( 1 ) 通信网；( 2 ) 构成因特网的计算机局域网和广域 网；( 3 ) 有线电视网的干线和分配网；( 4 ) 综合业务光纤接入网。 1 2 2 光纤连接器的分类及对准方式 光纤连接器，俗称活接头，主要用于实现系统中设备问、设备与仪表间、设备 与光纤间以及光纤与光纤间的非永久性固定连接，是光纤通信系统中各种装置连 接所必不可少的器件，也是目前使用量最大的光纤器件i 3 j 。正是由于连接器的使用， 使得光通道问的可拆式连接成为可能，从而为光纤提供了测试入口，方便了光系 统的调测与维护；又为网路管理提供了媒介，使光系统的转接调度更加灵活。光 纤连接器在光通信系统、光信息处理系统、光学仪器仪表中被广泛应用。目前， 光通信正朝着超高速、大容量、长距离的方向发展，同时又大力开发c a t v 、光 纤局域网和用户系统，使光纤到路边、到家庭，这就对光纤连接器的品种规格和 性能提出更高的要求。由于本地通信网络的逐步光纤化，城域网和用户接入网需 求的上升，近年来全球光纤连接器市场的总需求量不断扩大，预计未来十年的年 沈阳理工大学硕十学位论文 增长率将在2 0 左右。国际电信联盟( r r u ) 将光纤连接器定义为“用以稳定的、但 不是永久的连接两根或多根光纤的无源组件”( c c r r r 第v l 研究组1 9 9 2 年3 月于 日内瓦通过) j 。 精密陶瓷插针及其研磨工艺的研制成功，彻底解决了光纤的对接难题，使得 活动光纤连接器的性能指标大为改善。之后，经过对陶瓷插针端面形状的不断改 进，使连接器的指标得到更大的提高。目前，活动光纤连接器的插入损耗已经达 到小于0 2 d b ，回波损耗也可达到4 0 d b ( p c 面) 和6 5 d b ( a p c 面) 以上，为光 纤连接器的广泛应用奠定了基础【4 l 。 光纤活动连接器是连接两根光纤或光缆形成连续光通路且可以重复装拆的无 源器件。其外形与普通电缆连接器有点相似，但其内部结构复杂，机械加工精度 要求高。主要技术要求是插入损耗小，拆卸方便，互换性好，重复插拔的寿命长。 使用中要求能承受机械振动和冲击以及一定的温度和湿度环境条件。对于野外使 用的光纤测试仪表中，是目前使用数量最多的无源器件。直接调制直接检测式光 纤通讯系统，可以尽量减少使用无源器件的种类和数量，但光纤活动连接器还是 必不可少的。 由于光纤连接器在光纤通信系统中具有重要的作用，因此各国的厂家对此投 入了大量的人力、物力，进行了积极和深入的研究。经过多年来的研究和开发， 光纤连接器已经形成了门类齐全、品种繁多的系列产品，各种类型的特点也逐渐 分明。光纤活动连接器种类甚多，按结构来分，可分为调心型和非调心型；按光 纤芯数分还有单芯、多芯之分；按传输媒介的不同可分为单模光纤连接器和多模 光纤连接器；按连接方式可分为对接耦合式和透镜耦合式，有f c , s c ，s t , m u ，i _ c 等；按光纤相互接触关系可分为平面接触式和球面接触式等；其中使用最多的是 非调心对接耦合式光纤活动连接器，如平面对接式( f c 型) 光纤活动连接器，直 接接触式( p c 型) 光纤活动连接器和矩形( s c 型) 光纤活动连接器等。就连接 器的插芯直径来分，有2 5 r a m 的( 如f c 型连接器及s c 型连接器) 。也有1 2 5 r a m 的( 如m u 型连接器及l c 型连接器) 等；就连接器的材料来分有氧化锆陶瓷材 料、s u s 材料、玻璃材料、塑料材料、金属材料等；但对于检测仪器来说，一般 分为p c 及a p c 两种i t 4 1 。下面是光纤连接器的具体型号分类l ； 1 平面对接f c 型光纤活动连接器 第1 章绪论 典型的f c 型光纤活动连接器如图1 4 所示。主要由插针体、光纤、套筒等几 部分组成。一边的插针体装有发射光纤、另一边的插针体装有接收光纤，将两者 同时插入套筒中，再将螺旋拧紧，就实现了光纤的对接耦合。f c 型连接器采用金 属螺纹连接结构，插针体采用外径2 5 m m 的精密陶瓷插针。f c 型连接器是目前世 界上使用量最大的品种，也是我国采用的主要品种。f c 连接器大量用于光缆干线 系统，其中f c a p c 连接器用在要求高回波损耗的场合，如c a t v 网等。我国已 制订了f c 型连接器的国家标准。按规定要求，插头应可以互换，反复插拔数千 次而不影响其主要指标。由凰1 4 所示中看出，两插针体相互对接，其对接面抛磨 成平面，外套有一个弹簧对中套管，使其压紧并精确对中定位。 光纤套管，插针粘结剂 图1 4f c 连接器对接原理 2 直接接触p c 型光纤活动连接器 f c 连接器所连接的两光纤处于平面接触状态，端面间不免有小量的空气缝隙。 哪怕缝隙很小，在石英玻璃与空气之间也会产生菲涅耳反射。反射光回射到激光 器就会引起额外的噪声和波形失真。解决的办法是把插针套管端面抛磨成凸球面， 使被连接的两光纤端面直接接触，实现p c ( 物理接触) 结构。现已证实p c 型光 纤活动连接器的插入损耗小、反射光小( 即反射损耗大) 性能稳定，特别适用于 高速光纤通信系统。在制造工艺方面，p c 型与f c 型不同之处，在于插针套筒( 包 括光纤) 凸球面端面的研磨抛光。形成凸球面端面的方法很多，为了获得精确曲 率半径的球面套管端面，可以在抛光盘薄薄的抛光层下面，垫上一层橡胶，使抛 光盘成为弹性盘。 3 矩形( s c ) 型光纤活动连接器 s c 型连接器是由日本n r r 公司设计开发的，采用插拔式结构，外壳采用矩形 沈阳理 大学硕士学位论文 结构，采用工程塑料制造，容易作成多芯连接器，插针体为外径2 5 r a m 的精密陶 瓷插针。它的主要特点是不需要螺纹连接，直接插拔，操作空间小，便于密集安 装。按其插针端面形状也分为球面接触的s c p c 和斜球面接触的s c a p c 两种结 构。s c 型连接器广泛用于光纤用户网中。我国已制订了s c 型连接器的国家标准。 f c 与p c 等光纤活动连接器，一般都是螺旋耦合型或卡口耦合型，在安装时 需要留有一定空间以便耦合部分的旋转，这样就不能满足高密度安装的要求。在 光纤用户网等场合，使用的是s c 型光纤活动连接器。s c 光纤活动连接器体积小， 只需轴向操作，不用旋转，能自锁和开启，最适合于高密度安装。s c 型光纤活动 连接器采用塑料模塑工艺制造，插针套管是氧化锆整体型，端面磨成凸球面，插 针尾部入口呈锥形，便于光纤插入。 s c 型光纤活动连接器的装配步骤，首先是选择插针套管。为实现单模光纤的 低插入损耗，裸光纤与氧化锆内微孔的允许间隙小于l g m ，应根据所使用的光纤 严格选择内微孔孔径合适的插针套管。然后将裸光纤穿入插针微孔，用适当的粘 合剂将光纤固定于微孔内，待固化之后将端面研抛成凸球面。 4 s t 型连接器 s t 型连接器是由a t t 公司设计开发的，采用带键的卡口式锁紧结构，插针 体为外径2 s m m 的精密陶瓷插针，插针的端面形状通常为p c 面。它的特点主要 是使用非常方便，大量用于光纤用户网中。我国己制订了s t p c 型连接器的国家 标准。 5 l c 型连接器 l c 型光纤连接器是朗讯公司( l u c e n t ) 开发的一种小型连接器，该连接器采 用插拔式锁紧结构，外壳为矩形，用工程塑料制成，带有按压键。由于它的陶瓷 插针的外径仅为1 2 5 m m ，其外形尺寸也相应减少，大大提高了连接器在光配线架 中的密度。通常情况下，l c 连接器是以双芯连接器的形式使用，但需要时也可分 开为两个单芯连接器。 6 m u 型光纤连接器 m u 型光纤连接器是日本n r r 公司开发的一种小型连接器，该连接器采用如 s c 型连接器那样的插入锁紧结构，外壳与s c 型连接器相似，但由于采用了外径 为1 2 5 m m 的陶瓷插芯，其尺寸要小得多，截面尺寸仅为9 x 6 ( m m ) 2 ，而s c 型连接 第1 章绪论 器的截面尺寸为1 3 1 0 ( r a m ) 2 ，因此与s c 型连接器相比，它可大大提高安装密度， 特别适用于新型的同步终端设备和用户线路终端。 7 带状光纤连接器 为了便于带状光纤的连接，很多公司设计了带状光纤连接器，该类型连接器 采用的也是插拔式锁紧结构。如a m p 公司的m r r j 连接器( 2 芯) ，s e i c o r 公司 的m i n i m t 连接器( 4 芯) ，b e r g 的m a c 连接器( 1 8 芯) 等。 8 d 矾4 7 2 5 6 型光纤连接器 这是一种由德国开发的连接器，d 矾是德国工业标准的表示，其后面的数字 为标准号。这种连接器采用的插针和耦合套筒的结构尺寸与f c 型相同，端面处理 采用p c 研磨方式。与f c 型连接器相比，其结构要复杂一些，内部金属结构中有 控制压力的弹簧，可以避免因插接压力过大而损伤端面。另外，这种连接器的机 械精度较高，因而介入损耗值较小。 9 双锥型连接器( b i c o n i c a lc o n n e c t o r ) 这类光纤连接器中最有代表性的产品是由美国贝尔实验室开发研制，由两个 经精密模压成形的端头呈截头圆锥形的匠筒插头和一个内部装有双锥形塑料套筒 的耦合组件组成。据有关资料介绍其最大介入损耗值为o 7 d b ，平均为疆2 8 d b 。已 见报导的商用型号为2 0 1 6 。 光纤连接器的对准方式有两种 4 1 ：用精密组件对准和主动对准。 高精密组件对准方式是最常用的方式，这种方法是将光纤穿入尧固定在插头 的支撑套管中，将对接端口进行打磨或抛光处理后，在套筒耦合管中实现对准。 插头的支撑套管采用不锈钢、镶嵌玻璃或陶瓷的不锈钢、陶瓷套管、铸模玻璃纤 维塑料等材料制作。插头的对接端进行研磨处理，另一端通常采用弯曲限制构件 来支撑光纤或光纤软线以释放应力。耦合对准用的套筒一般是由陶瓷、玻璃纤维 增强塑料( f r p ) 或金属等材料制成的两半合成的、紧固的圆筒形构件做成的。为使 光纤对得准，这种类型的连接器对插头和套筒祸合组件的加工精度要求很高，需 采用超高精密铸模或机械加工工艺制作。这一类光纤连接器的介入损耗在似1 8 3 0 ) d b 范围内。 主动对准连接器对组件的精度要求较低，可按低成本的普通工艺制造。但在 装配时需采用光学仪表( 显微镜、可见光源等) 辅助调节，以对准纤芯。为获得 沈阳理工大学硕十学位论文 较低的插入损耗和较高的回波损耗，还需使用折射率匹配材料。 1 2 3 光纤连接器的性能及技术指标标准 光纤连接器的性能，首先是光学性能，此外还要考虑光纤连接器的互换性、 重复性、抗拉强度、温度和插拔次数等。 光学性能：对于光纤连接器的光性能方面的要求，主要是插入损耗和回波损 耗这两个最基本的参数。 插入损耗( i n s e r t i o nl o 囝即连接损耗，是指因连接器的导入丽引起的链路有效 光功率的损耗。插入损耗越小越好，一般要求应不大于0 5 d b 。 回波损耗( r e t u r nl o s s ，r e f l e c t i o nl o s s ) 是指连接器对链路光功率反射的抑制 能力，其典型值应不小于2 5 d b 。实际应用的连接器，插针表面经过了专门的研磨 抛光处理，可以使回波损耗更大，一般不低于4 5 d b 。 互换性、重复性：光纤连接器是通用的无源器件，对于同一类型的光纤连接 器，一般都可以任意组合使用、并可以重复多次使用，由此而导入的附加损耗一 般都在小于0 2 d b 的范围内。 抗拉强度：对于做好的光纤连接器，一般要求其抗拉强度应不低于9 0 n 。 温度：一般要求，光纤连接器必须在一4 0 c 0 至+ 7 0 c o 的温度下能够正常使用。 插拔次数：目前使用的光纤连接器一般都可以插拔1 0 0 0 次以上。 为了保证光纤连接器的品质和互换性以及光通信的质量，国际标准机构对光 纤连接器的各项技术指标制定了i e c 国际标准，具体数值见表1 1 。 表1 1 光纤连接器的各项技术指标制定了i e c 国际标准 检测项目脱标准 球面偏心工咀) 5 0 以内 球面半径r ( m ) p c s p c 1 0 2 5 a _ p c 5 1 2 光纤高度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 未规定一般为- - - - 0 5 定位健角度( d e g ) a p c未规定一般为o 5 第1 章绪论 根据i e c 国际标准，一般对p c 型的光纤连接器主要进行以下几个项目的检查 ( 见图1 6 ) ： e 垂手蔫囊 ，懈 插苍 【 图1 6p c 和a p c 光纤连接器的主要检查项目 1 球面半径( r a d i u so fc u r v a t u r e ) ：一般光纤连接器的端面被研磨成球面，球 面半径r 的大小必须在i e c 国际标准规定的范围以内。 2 光纤商度h ( h b e rh e i g h t ) ：由于光纤和插芯的材料不同，硬度也不同；所以 研磨时的消耗量也不同，从而光纤和插芯问会有高度差，这个高度差就是光纤高 度。光纤高度必须满足i e c 国际标准的要求。必须指出的是，根据i e c 国际标准， 光纤高度比插苍端面低，也就是连接器端面为凹时的光纤高度符号为正。这与有 些厂家测量仪器的定义不同。 办 3 球面顶点偏心l ( a p e xo f f s e t ) ：光纤连接器一般以连接器的插芯的中心为基 准。但是，在研磨光纤连接器时，得到的球面的顶点不一定在连接器插芯的中心。 从而产生球面顶点偏心误差。球面顶点偏心l 也必须满足i e c 国际标准的要求。 4 对a p c 型的光纤连接器，除要进行以上p c 型的光纤连接器的3 个项目的检 查外，还要检查。 5 a p c 角度( a p ca n g l e ，一般以8 度为标准) ：a p c 角度又称为研磨倾斜角度， 在i e c 国际标准中定义为在光纤连接器的插芯的中心轴上，并且与先端球面相切 的平面和与插芯的中，f i , 轴垂直的平面之间的夹角。 6 定位键角度( k e ye r r o r ) ：定位键角度为连接器的定位键位置和研磨面倾斜 方向之间的角度，在i e c 国际标准中定义为通过倾斜研磨光纤连接器的插芯的中心 轴和定位键的中心轴的平面a 以及在插芯的中心轴上，并且与先端球面相切的平 面垂直的平面b 之间的夹角。a p c 光纤连接器的定位键角度的定义示于图1 7 。 沈阳理丁大学硕士学位论文 韶平五 各z 梦 定位越 图1 7a p c 光纤连接器的定位键角度的定义 各种活动连接器性能参数见表1 2 ： 表1 2 各种活动连接器性能参数 型号反射损耗( d 8 )插入损耗( d 8 ) f 6 0 6 50 1 5 s c6 50 6 s t5 0o 5 1 2 4 光纤连接器存在的加工技术问题 从上面对光纤连接器的介绍，可知f c 型光纤连接器端面研磨成平面，p c 型 和s c 型光纤连接器端面研磨成凸球面。各种光纤连接器必须具备损耗低、体积小、 重量轻、可靠性高、便于操作和互换性好以及价格低廉等特点。插入损耗、回波 损耗是光纤连接器最重要的参数指标。 一、产生插入损耗的机理有两方面： 1 光纤公差引起的固有损耗主要由光纤制造公差，即纤芯尺寸、数值孔径、 纤芯包层同心度和折射率分布失配等因素产生。 2 连接器加工装配引起的固有损耗这是由连接器加工装配公差，即端面间 隙、轴线倾角、横向偏移和菲涅尔反射及端面加工精度等因素产生的。 二、光纤连接器的回波损耗： 光纤连接器的回波损耗是指光纤连接处，后向反射光相对输入光的比率的分 贝数，表示在加工光纤端面上反射回来的光减少量，在输入光功率一致的条件下， 后向反射光功率越小，回波损耗值越大【l 】。 回波损耗表达式为嗍： 第1 章绪论 r l - - 1 0 咯 ( 1 1 ) 式中：民回波损耗，d b ； 只反射光功率，w ； 只输入光功率，w 。 在光纤连接器对接处产生回波是山菲涅尔反射造成的，即光线在遇到两种折 射率不同的晃面时会导致一部分入射光变为反射光l q 。因此，如果两光纤对接处存 在端面间隙、或者光纤端面存在高折射率的变质层1 7 4 1 ，都会造成光纤连接器的回 波损耗唧。 由于返回光的存在，影响了激光二极管光源的激振稳定性，这种光在有线电 视上就会形成所谓的重影，劣化信号品质。 发射光纤和接收光纤的相对几何位置、光纤断面情况和光纤本身特性参数不 匹配，都会产生连接损耗。如果发射光纤和接收光纤特性参数完全相同，它们的 断面完全理想，从几何位置来说它们配合得很好，则其连接损耗就会很小，反之 则损耗很大1 4 1 。 就光纤连接器的关键元件插头支撑套管和耦合套筒爵言，妒2 5 m m 韵插针及配 套的耦合套筒将得到较大发展，以此为基础已开发出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 等多种型号的光纤连接器，而且其技术也在不断进行 改进，改进的目的是努力降低介入损耗，尽可能提高回波损耗，并改善连接器的 机械耐力( 重复插拔性能) 和温度性能。目前改进工作主要是从两个方面着手的h ： 其一为制作材料。由于陶瓷材料与石英玻璃材料的热匹配性好，理化性能稳 定，加工精度高，机械耐力好，因此越来越受到重视估计短期内，以精密陶瓷 制作的插针套管和耦合套筒将继续占主导地位。 目前使用较多的陶瓷材料是氧化铝和3 t o o l 氧化钇不完全稳定的氧化锆 ( p s z ) 。其中氧化铝的硬度较高，研磨精度也比较高，但对研磨设备的要求也较 高，且弯曲强度低、粒度大，碰到坚硬表面时易碎裂。而氧化锆( p s z ) 的弯曲强 度和断裂强度较氧化铝要高得多，且其硬度小、颗粒小，易于进行研磨抛光，但 由于其场式模量较小，因而在进行研磨时需要先进的加工工艺。总的来说，使用 氧化锆( p s z ) 较氧化铝要可靠得多。由于需要不断进行插拔，因此耦合套筒必须 沈阳理1 = 大学硕士学位论文 具有良好的耐磨性和一定的弹性，所以，理想的组合是用氧化铝制作插针套管， 用氧化铬制作耦合套筒。 其二是改进插针体( 套管) 对接端端面的对接方式和端面的加工工艺。目前随 着系统速率的不断提高，p c ( 物理接触) 型正在逐步取代f c ( 平面接触) 型；对于 p c 型研磨的工艺也在不断进行改进，入工研磨正逐渐为机器研磨所取代；出现了 a p c ( a d v a n c ep h y s i c a lc o n t a n t ) 技术，即在传统p c 研磨的基础上，再用二氧化硅 磨片或微粉进行超精细研磨，以减小因光纤连接器对接端面处折射率不匹配对介 入损耗和回波损耗性能的影响。这种不匹配是由研磨受力所产生的损伤层造成的。 一般经p c 研磨后，损伤层的折射率约为1 5 4 ，高于光纤纤芯的折射率( 1 4 6 ) ，而 经过a p c 研磨处理的端面，其折射率约为1 4 6 ，接近或达到纤芯的折射率。要制 造高回波损耗的光纤连接器，既不能使用氧化铝砂纸干式抛光的方法，也不能采 用氧化硅砂纸干式抛光的方法；为使抛光后的光纤连接器不出现光纤凹陷现象， 应优先选用氧化硅砂纸湿式抛光法，抛光时间应控制在2 0 3 0 s 御。 在连接器生产工艺中，主要可分为三部份，见图1 8 f g l 图1 8 连接器生产工艺 其中研磨及测试部分对生产优质光纤端面最为关键l 。光纤连接器的端面一般 研磨成平面或球形，直接影响到研磨效果的主要因素有： 运转稳定的研磨机、优质的研磨砂纸、研磨片的使用、以及对研磨压力时间 的合理选择卿。 从以上可知，连接器的介入损耗和回波损耗性能是衡量连接器性能好坏的关 键指标，而光纤端面质量，如闻隙、形状、光洁度，在很大程度上影响这些参数指 标的好坏，所以光纤端面的研磨的效果就显得非常重要。选择先进的研磨设备并摸 索出与之相适应的成熟的研磨工艺是保证光纤连接器质量的关键| 9 1 。 第1 章绪论 1 3 光纤连接器端面研磨机发展现状及趋势 光纤连接器端面研磨机它分类很多，可分为手动和自动，可以加工平面，圆 锥藤，棱锥面等，研磨机配有不同的夹具，可以研磨不同型号的光纤连接器。研 磨盘的运动方式比较典型的有行星式运动、摆动、8 字形运动。另外标准配置还配 有研磨抛光胶垫，抛光片等各类高级研磨抛光机耗材。 日本和欧美的光纤连接器端面研磨机技术处于世界领先地位。日本扇港公司 在光纤研磨机制造领域技术先进，最新推出了一种机型为0 f l 一1 5 ，它的很多功能 都很先进。这种机器具有压力及转速连续可调的特点，这是目前唯一具有此性能 的研密抛光机，这种机器具有良好的人机操作界面，彩色的触摸屏操作，1 5 组5 步的研密抛光程序存储，使用时指定研磨抛光程序既可自动执行，带有密码锁定 功能，非相关人员不能执行操作，保证了研磨抛光程序的正确性。不必每一步都 调整压力、转速、时间等参数，大大节省入力，可研磨抛光的型号包括f e 、s c 、 m u 、l c 、e 2 0 0 0 、m t r j 、m t 等，研磨抛光的种类包含p c 、a p c 、u p c 、a d p c 、 a n g l ef l a t 等，研磨抛光的数量为：1 2 头，部分夹具可抛光1 6 头，抛光时可提 供3 0 0 2 5 0 0 克的压力，转速1 0 0 2 8 0 r p m 可调，可选配1 9 种研磨抛光夹具， 几乎包含了目前所有的连接器种类及型号，在加工高性能的光纤时，o f i 卜1 5 不 仅可以最大程度的保证质量，而且可以保证高性能生产效率，此种型号的研磨抛 光机目前在很多国家都有着良好的口碑。此外0 f l 一1 5 a 是o f l 一1 5 的改进型号， 可提供3 0 0 7 0 0 0 克的压力，可研磨抛光最多2 4 头的夹具，触摸屏为黑白两色， 其他的性能与o f l - - 1 5 相同。 国内的光纤连接器端面研磨机生产规模不大，有些是外资或者合资企业，还 有些企业虽然在生产，但是生产的型号比较单一，满足不了国内市场的需求。 国内有关光纤连接器端面研磨机的研究很少。目前，国内使用的光纤连接器端面 研磨机主要依靠进口，为了满足国内市场对光纤连接器端面研磨机日益增长的需 求，应该加大在这方面的研究与生产。 目前，国外先进的光纤连接器端面研磨机的发展趋势可以归纳为以下几点： 1 高精度，随着现代加工技术的不断发展，加工设备精度的不断提高及加工工艺的 不断改进，光纤连接器端面研磨机的加工精度也不断提高。2 多功能化，通过更 沈阳理工大学硕士学位论文 换夹具，在同一台光纤连接器端面研磨机上能完成不同型号连接器的加工。3 高 效率、自动化，现在国外的先进的光纤连接器研磨机的加工效率相对以前有了很 大提高，使单台研磨机的单位时间的工作量大大提升，更能满足大批量生产的需 求。控制的数字化和智能化代替了手动控制，降低了操作者的工作强度，提到了 工作效率。 国内光纤连接器端面研磨机的研究还基本处于起步阶段，发展趋势还主要是模 仿和学习国外先进技术，关于国内自主研发的光纤连接器端面研磨机的产品和资料 很少，有些学者在对光纤连接器端面加工实验中所用的研磨机基本都是国外生产的 研磨机。随着国内光纤通讯和光纤连接器行业的快速发展，开发拥有本国自主知识 产权的光纤连接器端面研磨机具有重要意义。 1 ，4 本课题研究内容 在充分研究国外各种先进光