CN113625460B - 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 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

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。

Claims (7)

1.一种基于碰撞检测的耦合面自动平行对准方法，其特征在于，所述基于碰撞检测的耦合面自动平行对准装置，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)；
Y轴向调节结构(1)安装在左底座(12)上，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)上，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；利用基于碰撞检测的耦合面自动平行对准装置平行对准方法，包括以下步骤：
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)耦合面在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)，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＝f(Δd)，对装置进行校准，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。
2.如权利要求1所述的基于碰撞检测的耦合面自动平行对准方法，其特征在于，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。
3.如权利要求1所述的基于碰撞检测的耦合面自动平行对准方法，其特征在于，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。
4.如权利要求1所述的基于碰撞检测的耦合面自动平行对准方法，其特征在于，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。
5.如权利要求1所述的基于碰撞检测的耦合面自动平行对准方法，其特征在于，所述第一结构(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。
6.如权利要求1所述的基于碰撞检测的耦合面自动平行对准方法，其特征在于，所述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。
7.如权利要求1所述的基于碰撞检测的耦合面自动平行对准方法，其特征在于，所述防过度碰撞装置(11)为一机械阻尼滑轨。
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