Обзор на программное обеспечение SpliceLab для сварочного аппарата Fujikura серии FSM-100

Сварка в среде исследований и разработок часто требует инструментов, которых нет во встроенном программном обеспечении сварочного аппарата. Чтобы удовлетворить эти потребности, компания AFL разработала программную среду Splice Lab – это система исследований и разработок на базе программного комплекса, которая расширяет возможности сварочных аппаратов серий FSM-100 и LZM-100. Splice Lab состоит из группы файлов для различных функций и приложений.

1. Общие характеристики программного обеспечения

• Создание, измерение и архивирование конусов волокна с помощью сварочных аппаратов FSM100 Fujikura и лазерного процессора для обработки стекла на углекислом газе серии LZM;

• Простота проектирования геометрии конуса волокна и определения параметров станка для повторения желаемого процесса;
  

• Возможность управлять отдельными двигателями, инициировать и останавливать дугу или лазер, а также контролировать тепловую мощность;

• Инструменты геометрии, которые используют встроенные алгоритмы для определения диаметра конуса и расстояния между любыми двумя интересующими точками;

• Улучшенный контроль вращения для преодоления эффекта силы тяжести или неравномерного нагрева во время конуса;

• Мониторинг и контроль теплового конусного изображения (warm taper image – WTI) в реальном времени;

• Мониторинг и запись видео в реальном времени;

• Одно программное приложение для 6 типов сварочного аппарата: FSM-100M, FSM-100P, FSM-100M+, FSM-100P+, LZM-100 и LZM-110.

2. Конусообразное оптическое волокно (тейперы)

2.1 Общие положения о конусообразных волокнах

Конусообразные оптические волокна или тейперы (taper (от англ.яз.) – конус, суживать к концу что-либо), широко используются во многих различных компонентах волоконной оптики: комбайнеры, адаптеры поля мод в волоконной лазерной промышленности, зонды и датчики в биотехнологии, а также ответвители и мультиплексоры длин волн в телекоммуникациях. В зависимости от области применения используется как одномодовые так и многомодовые волокна.

На рисунке 1 обозначены основные определения, на которые необходимо обратить внимание:  

Рисунок 1 – Геометрия тейперированного волокна

Коэффициент конусности R представляет собой отношение исходного диаметра волокна к диаметру конической перетяжки. В большинстве случаев R может изменяться от 0,1 до 10, но в некоторых специальных применениях R>10. Когда подразумевается классический конус на оптическом волокне, тогда «талия» тоньше, чем у исходного волокна (R>1). Однако в некоторых случаях требуется протягивание волокна через зону нагрева без изменения диаметра волокна для теплового расширения сердцевины или отжига поверхности оболочки с R = 1.

2.2 Адиабатическое тейперирование

Адиабатические тейперы – это конусы, форма которых не изменяет основную моду в волокне. Оптическая энергия, переносимая основной модой, практически не изменяется, а потери из-за конуса очень малы. Этот тип конуса чрезвычайно важен во многих приложениях, особенно в волоконных лазерах высокой мощности.

Несмотря на то, что мода сердцевины исходного волокна преобразуется в моду оболочки на перетяжке с помощью конструкции нижнего конуса, эта мода может быть полностью преобразована обратно в ее основную моду сердцевины с помощью правильной конструкции верхней части конуса. Конусы, сформированные с обоих концах должны быть очень гладкими, а максимальный угол конуса должен быть ниже определенного порога в любом месте по всему конусу. Этот порог угла конуса обычно называют адиабатическим углом конуса, например, для волокна SMF-28 адиабатический угол конуса составляет 0,35 °. Однако угол адиабатического сужения зависит от конструкции самого волокна.

Для получения длинного конуса, такого как адиабатический конус, волокно можно вытягивать с одной стороны зоны нагрева и подавать с противоположной стороны. Направления подачи и вытягивания одинаковы. Но скорость подачи и скорость вытягивания разные, что позволяет контролировать коэффициент конусности (рис. 2). 

Рисунок 2 – Принцип работы со скоростями для создания тейпера: v1 – pulling speed (скорость тяги); v2 – feeding speed (скорость подачи)

Материал тейперированного волокна должен быть одинаков, следовательно, тейперы делаются на одном волокне и должен сохраняться закон:

Для сохранения баланса конусов с двух сторон должно соблюдаться отношение между скоростями вытягивания и оттяжки от желаемого отношения конусности в любом месте процесса конусности в формуле:

Линейный участок для нижней части конуса или верхней части дает самую короткую длину самого конуса для любого желаемого адиабатического угла. Этот угол оптимален для адиабатических конусов. Получение линейной конической области требует решения сложного аналитического уравнения с интегрированием. Программное обеспечение обеспечивает только линейные и синусоидальные формы конуса.

3. ПО для создания тейперов

Для создания тейпера необходимо установить множество параметров и переменных (рис. 3). Для получения качественного тейпера необходимы следующие параметры (в поле Physical Characteristics):

• Диаметр волокна;
• Диаметр «талии»;
• Длина нижнего/верхнего конуса и самого тейпера;
• Форма тейпера.

Рисунок 3 – Меню создания тейперов

Во вкладке «Управление» содержатся основные функции управления созданием тейперов:

• INITIATE (инициация): отвечает за перемещение двигателей в исходное положение. Важно! Загружать волокно необходимо после завершения инициации.

• XY ALIGNMENT (выравнивание по XY): пользователь проходит через процесс выравнивания X и Y для конуса без стыков или капилляра.

• TAPER (тейперирование): начало создания тейпера с текущими настройками.

• MEASURE (измерение): начало измерения конечной конусности по точкам на основе текущих настроек.

• STOP (стоп): останавливает любой текущий процесс, а также все двигатели.

• RESET (сброс): останавливает любой текущий процесс и сбрасывает все двигатели.

Максимальный коэффициент конусности за один проход составляет 10 для сварочного аппарата FSM-100 и стандартного LZM-100. Если коэффициент конусности больше 10, то программа будет предупреждать о диаметре «талии» и скорости движения, которые нельзя исправить, пока сам коэффициент не будет уменьшен.

Форму конуса можно выбрать индивидуально для верхней части или нижней части конусов. В настоящее время доступно только два варианта: линейный или синусоидальный.

В поле Heating пользователь может указать дополнительные меры по нагреву волокна перед непосредственным процессом создания тейпера. Эта функция позволяет подготовить нестандартные оптические волокна к тейперированию. Для большинства процессов тейперирования следует использовать гораздо меньшую мощность, чем при сварке волокон. Как правило, мощность тейперирования должна составлять 75 % мощности сварки для того же типа волокна.

Поле Rotation обеспечивает управление вращением подвижек во время изготовления тейперов, данная функция актуальна для сварочных аппаратов с тета-двигателями.

Вкладка Movement позволяет установить режим движения, скорость и режим развертки. Если выбрана автоматическая подача, как показано на рисунке 4, пользователь должен выбрать скорость вытягивания, и скорость подачи будет рассчитана программным обеспечением. Если выбрано Auto-Pulling, пользователь должен выбрать скорость подачи, и скорость вытягивания будет рассчитана программным обеспечением. Пределы выбранных пользователем скоростей зависят от коэффициента конусности и режима. 

Рисунок 4 – Меню Movement

Вкладка Warm Taper Image (WTI) используется для просмотра, управления и использования изображения с «теплым» конусом для управления в реальном времени. В данном меню пользователю доступно управление экспозицией камеры в сварочном аппарате. Для контроля WTI рекомендуется не изменять экспозицию после начала тейперирования.

Вкладка Measurement обеспечивает управление скоростью измерения и данные, возвращаемые после нажатия кнопки «MEASURE», то есть сохраняет данные в режиме онлайн (рис. 5). 

Рисунок 5 – Меню Measurement

Отчет по изготовлению тейпера создается отдельно. Лучше использовать формат excel, так как под него программное обеспечение более адаптировано.

Особой формой толстой двояковыпуклой оптической линзы является шаровая линза, обычно имеющая геометрическую форму шара (сферы) (рис. 6). Очень удобно формировать линзы на одном из концов оптического волокна, так как дает преимущества для сборки малогабаритных систем, следовательно, они отлично подходят для миниатюрной оптики. Шаровые линзы используются, в частности, в качестве коллиматоров пучка и для соединения волокна с объемным элементом оптики. 

Рисунок 6 – Формирование шаровой линзы в сварочном аппарате

Программное обеспечение способно точно измерить диаметр и форму линзы после ее изготовления, это важно для дальнейших экспериментальных или сборочных работ. Изображения шаровых линз легко анализируются и архивируются. ПО на столько оптимизировано, что у пользователя есть возможность провести измерения в автоматическом режиме или вручную.

Самым оптимальным способом для просмотра и анализа информации является использования формата excel (рис. 7). ПО сохраняет такие параметры как:

• График изменения диаметра волокна;
• Величину сдвига линзы относительно начального положения;
• Информацию о сварочном аппарате;
• Режим формирования линзы;
• Параметры используемого волокна. 

Рисунок 7 – Отчет по изготовлению линзы

Важные примечания по загрузке волокна для создания линзы: синие V-образные канавки могут располагаться далеко от центрального положения по сравнению с обычным режимом сварки волокон. В данном случае необходимо вручную отрегулировать полосу волокна и длину скола в держателе волокна, чтобы концы волокна оставались как можно ближе к краю экрана сварочного аппарата. Лучше всего, если конец сколотого волокна будет виден на краю экрана, как показано на рисунке 8. Если не обращать внимание на исходное положение волокна, то волокно и V-образная канавка могут автоматически перемещаться вперед в положение зазора, которое находится слишком близко к области нагрева в центре сварочного аппарата. Это может привести либо к нехватке места для хода двигателя, либо привести к сгоранию волоконных зажимов, поскольку одна из V-образных канавок и волоконных зажимов будет передвигаться в зону нагрева.

Рисунок 8 – Вид волокна для создания шариковой линзы

Следует учесть, что при остановке режимов изготовления линзы или тейпера обратно в режим вернуться нельзя. Необходимо заново инициировать работу.

В поле Physical Characteristics для создания шаровой линзы нужно указать выходные данные для линзы, а также входные параметры волокна. Это поле единственное, что отличает его от поля Physical Characteristics для тейперов, так как оно адаптировано под другую задачу (рис. 9). 

Рисунок 9 – Поле Physical Characteristics для создания шаровой линзы

При создании линзы главное, как можно точнее завести параметры волокна, так как любая разница в параметрах может повлиять на выходные значения линзы, например, если линзу формируется на волокне 125 мкм, но фактический диаметр составляет 124 мкм, то указать нужно 124 мкм!

Шаровая линза может быть изготовлена ​​либо из одного волокна (без сварки), либо с использованием двух волокон после их сварки. Некоторые режимы сварки и создания линзы уже указаны в программе. Волокно, которое будет удерживаться с прикрепленной шаровой линзой, всегда находится с правой стороны. Для операций с шаровой линзой без сварки необходимо загрузить одно волокно в правильное положение с правой стороны устройства для сварки.

Для параметров сварки волокон в режиме сварки сварочного аппарата обязательно необходимо провести специальную калибровку дуги. Межэлектродный зазор и высота электрода для сварки в этом режиме будут использоваться для шаровой линзы, поэтому необходимо выбирать большее значение зазора между электродами и нулевую высоту электрода, поскольку большой зазор между электродами обеспечивает достаточную тепловую мощность для шариковой линзы. Например, для сварки SMF-28 125 мкм обычно используется межэлектродный зазор 1 мм. Но для получения линзы 400 мкм следует использовать зазор между электродами 2,2 мм.

В рамках пакета программного обеспечения производители предоставляют возможность работать в собственном приложении для сбора и анализа данных – Data Collection. Приложение Data Collection используется для сбора различных параметров от сварочного аппарата после проведения работ по сварке, тейперированию или созданию линз. Он также используется для оценки потерь, для настройки параметров оценки для более точного соответствия реальным потерям.

Модуль Live Video отображает прямую трансляцию со сварочного аппарата. По умолчанию он начинает потоковую передачу при каждом открытии. При наведении указателя мыши на правый и левый пределы окна отображается панель управления, которая позволяет пользователям управлять клавишами, запускать и останавливать видео, делать снимки экрана и записывать видео в реальном времени для сохранения в формате wmv.

Программный пакет SpliceLab позволяет расширить возможности сварочного аппарата компании Fujikura серии FSM-100 и выше. Создание тейперов и линз позволяет увеличить эффективность стыковки на уровне микрооптики. Программный пакет также позволяет автоматизировать ряд процессов сварки оптических волокон.