本发明涉及调整光学预制件形状的方法和设备，具体说来，所涉及的是产生一个用于管和棒工艺过程中的预制棒的方法和设备，以便提供沿着预制棒的长度方向具有预定形状的光学预制件。 光学纤维需求量增加，就要求努力提高公知的修正化学气相沉积（MCVD）工艺过程（参见美国专利4，217，027）的生产率。然而MCVD工艺过程的生产率，要受到在管内进行沉积的基底管壁厚度的局限。为得到具有最佳几何及光学特性的光纤，预制件的芯～包层的质量比必须被限定在规定的范围内。增加基底管的质量以便获得较大的预制件，就要求将基底管壁做得厚一些。然而，增加基底管壁的厚度，就会降低向含反应物的气体传热的速率，从而增大沉积每层玻璃颗粒所需地时间。如果基底管壁太厚了，那末就会出现导热不足，从而导致气泡的产生或不完全熔结。
提高MCVD工艺过程生产率的方法之一，首先是生产一种比所要求的芯～包层质量比大一些的带内包层的预制件。将这种带内包层的预制件嵌入被称之为外包层的玻璃管中，然后裹紧在预制件上，称之为棒～管工艺。所希望的是，预制件周围材料由于外包层而产生的任何附加的壁厚不均匀度应降为最低。
假如内包层不是很平直，那末在将棒嵌入管中时就要遇到困难;在将管裹紧在棒上时，也会出现问题。尚未发现预制件同管的内表面的接触在目前所感兴趣的校验水平下是有害的。然而，对于目前所感兴趣的校验水平，径向因素是有害的。外包层管与带内包层的预制件之间在径向的不同心度应当减至最小，否则最后拉伸出来的光纤芯可能太偏心，妨碍拉伸光纤间的恰当联接。
光纤预制管的矫直是已知的，譬如可以参见美国专利4，477，273所述的光学预制管矫直及成形所用的方法和设备。
有必要采用而又未在已有技术中被使用的是，采用自动化的方法及设备以制成适于在棒～管工艺过程中能够可靠地嵌入管中的、基本上为平直的预制棒。所寻求的方法和设备，最好能够适合现有的设备，而且在条件的变化下是可控的。
使用本发明所述的方法和设备，就能克服上述已有技术存在的问题。将一根细长的由玻璃材料制作的、用作光纤原料的基底支撑起来，使其能绕着穿过它的端部的转轴旋转。然后让此基底绕该转轴旋转。使施加作用力的装置在沿着转轴的方向上运动的同时朝向基底运动，直到转动着的基底与施力装置彼此衔接时为止。当施力装置同转动的基底周围预定的部分保持连续衔接时，便产生一个信号。根据此信号，施力装置朝向转轴渐进的运动即行中止。
倘若基底不是圆的或者基底的横截面偏离穿过其端部的转轴，那么当它转动时，与施力装置贴近的部分将移近转轴，使施力装置与基底失去衔接，并使施力装置又朝向纵轴渐进运动。施力装置脱开时，使所产生的信号中断。
当所产生的信号能够维持一段预定的时间，这相应于基底旋转时施力装置与基底周围预定部分连续衔接，基底的每个连续的截面就被确定为合格的。作为这种工艺过程的结果，此基底所具有的纵轴沿其长度方向基本上是直的，基本上是与转轴同心的，而且横截面基本上是共心地布置在纵轴周围的圆形。
一种能够产生由光学玻璃材料制作的、基本上是平直的且其截面为圆形的基底的设备，它包括能将基底悬挂起来以使其可绕穿过基底端部的转轴旋转的装置，以及能够将作用力施加在基底长度方向上每一连续区域上的装置。此施力装置被支撑起来，以便能在朝向基底转轴的第一方向上作渐进运动，并且在常态下是偏离此方向的。而且这种设备还能让施力装置在朝向转轴作渐进运动的同时在沿转轴的方向上运动。信号发生装置常态下偏向与第一方向相反的第二方向。
在操作过程中，施力装置朝向基底的转轴作渐进运动，直到转动基底的一部分与施力装置彼此衔接为止。这就引起信号发生装置在第一方向上的运动，并且向与施力装置联在一起的控制装置提供一个信号。只要施力装置与基底保持适当的衔接，该信号就持续下去。在旋转的时候，如果基底长度周围任何部分是椭圆形的，或者基底的横截面偏离穿过其端部的转轴，那么施力装置就可能失去衔接并朝向转轴移动，从而引起操作信号的中断。当所产生的信号至少能够持续一段预定的时间时，基底长度的每部分就被确认为其平直度和椭圆度是合格的。在这个条件得到满足时，控制装置就要中断施力装置朝向转轴的渐进运动。此预定时间选择为，在施力装置每次朝基底移动时施力装置与基底周围一个预定的部位的衔接时间。
在本发明的最佳实施例中，这种方法和设备被用来在玻璃成形材料在一个管内被沉积之后、且管随后被裹紧成棒以后对光学玻璃预制棒进行矫直和成形。然而这种方法和设备也可以用在其它方面，诸如用在整个裹紧法过程中。按这种方式，在裹紧的每次操作中，所得到的预制棒的平直度和椭圆度是被控制的。
图1为提供光学预制棒及实现本发明的方法原理的设备的透视图;
图2为喷焰装置、矫直及成形装置的局部视图以及横穿预制棒产生的加热区的温度曲线图;
图3为用于改变光学预制棒外形的图1所示设备的局部纵剖面图;
图4为使用轧辊形式的矫直及成形装置在整形时一种预制棒形状的示意图;
图5为旋转时图4所示预制棒的端面图;
图6为使用轧辊改变预制棒外形时具有一定偏心量的预制棒示意图;
图7为旋转时图6所示预制棒的端面图;
图8为具有相当大的偏心量的另一种预制棒的示意图;
图9A，9B及9C为图8所示预制棒处在沿长度不同位置时的端面图;
图10为具有相当大偏心的预制棒与轧辊衔接时的局部放大侧视图;
图11及图12为具有椭圆形外形的预制棒以及经过本发明所述设备调整以后该预制棒的端面图;
图13为按照本发明所述方法及设备调整外形后嵌入外包层管的预制棒图。
现在参看图1，其所表示的设备20，包括矫直及成形用的设备22，被用来产生如预制棒24那样具有特殊光学性能的细长玻璃基底，使其具有预定的几何特性。这些几何特性是指：具有基本上为平直的纵轴;在沿纵轴的每一点上横截面基本上是圆的，而且是围绕纵轴同心配置的。
该设备20还包括对玻璃基底管（图中未示出）进行加热的装置，以便提供可从中拉伸出光导纤维的玻璃预制棒24;参见美国专利4，271，027。在气相反应物被输送给玻璃管的时候，对玻璃管进行加热;参见美国专利4，276，243。
设备20一般还包括一台带头座33和尾座34的车床32，头座及尾座被用来可旋转地支撑玻璃原管的端部，以使其能够绕着穿过车床主轴（图中未示出）的轴线35旋转。玻璃管的端部卡在车床32的主轴上。车床32还安有一个滑动托板36，能在头座33及尾座34之间沿车床作往复运动。装在托板36上的是喷焰装置40以及矫直和成形用的设备22。喷焰装置40被用来提供可燃气体流以便产生指向玻璃管的火焰。通过将来自燃烧气体的热限制在所要求的玻璃管表面面积上，喷焰装置40就能在玻璃管的表面上建立具有温度曲线的加热区41（参见图2）。喷焰装置40装在滑动托板36上，喷焰装置40相对于玻璃管的运动，将引起加热区沿玻璃管长度方向的移动。
适合于这种应用的喷焰装置，在美国专利4，231，777及4，477，244中已经给出。喷焰装置40包括由托架43支撑的炉套42，而托架43受支座45的支撑，装在滑动托板36上。
这样安装喷焰装置40，是为了使其相对于穿过头座33和尾座34之间的车床32的中心线运动，以便对基底玻璃管产生适当的制约。在沉积过程中，当喷焰装置沿着旋转的玻璃管作往复运动时，对玻璃管的制约对于控制沿玻璃管连续区域的温度曲线是有帮助的。在基底管经过沿积之后，被裹紧在固体棒上。它可以通过将转速从大约75转/分减到20转/分，并将加热区的温度提高到大约1800℃来完成。在裹紧的一半过程，每次操作都是如图1那样从右到左进行的。然后在靠近尾座34处将管夹紧，再从左到右进行裹紧操作。
现在叙述预制管的矫直和成形用的设备22，由图1及图3可以看出，以接触机构50的形式出现的施力装置位于邻近喷焰装置40的地方。在最佳实施例中，接触机构50包括一个由石墨制作的轧辊52。轧辊52固定在支承于轴承座56中的轴承54-54上。此接触机构也可采用其它形式，例如金属管。比较有利的是让轧辊在任一位置发生磨损之后在轴承中旋转到其它方位。
轧辊52安装在数字60所标记的设备上，后者被固定在车床的滑动托板上。从图3可清楚地看出，此设备包括一个90°的齿轮变速箱62，它是靠步进电机64驱动的。从齿轮箱62伸出来的是传动螺杆66，它的顶端与装在平台68中的带内螺纹的螺纹件啮合。平台68的运动靠4个连杆70-70导向，连杆与平台68的下底面相连，并可在齿轮箱上的孔内作往复运动。
附着在平台68上的是带支点74和U形端部76的悬臂底板72。装在悬臂底板U形端部76的顶部78上并与其绝缘的是第一个电接点80。该电接点80包括一个伸向悬臂底板72的悬垂部分82。
以枢轴的方式装在支点74上的是杠杆84，在其一端85上装有伸向第一电接点80并与杠杆84绝缘的第二电接点86。第二电接点的上端距离第一电接点80的下端大约为0.018厘米。
装在杠杆84上的配重砝码88，能在支点74与第二电接点86之间调节。在最佳实施例中，由杠杆上的端部85的端面到支点74中心的距离，大约是该支点中心至杠杆另一端距离的两倍。配重砝码88使杠杆的端部85在常态下偏向下方，如图3所示。杠杆84的端部向下的运动，是通过一个上端与杠杆84的底面衔接的可调止动销加以控制的。
在杠杆84的另一端部92上安装有支架96。支架96被用来可旋转地支承轴承座56，其中装有轧辊52。如图3所示，支架96装在杠杆84上，以使轧辊的横向中心线能同架在头座33及尾座34之间的预制棒24的纵轴线100对准。配重砝码88使轧辊52偏向上方，如图3所示，应当注意，预制棒24的端部保持在车床32上转轴的主轴上，彼此相互对正。
一般说来，设备22的操作是使平台68如图3那样朝上运动以使轧辊52抬高。当轧辊52同预制棒24衔接时，杠杆84将产生如图3的逆时针方向的转动。这就引起第二个电接点86朝上运动到跟第一个电接点80的悬垂部分82相接，并使控制步进电机的电路（图中未示出）接通。由于支架74沿杠杆的位置，只要轧辊52朝下运动大约0.005～0.008厘米，就将引起第二个电接点朝上运动越过0.018厘米的间隙与第一个电接点相接。
电接点80及86起着双重作用。不仅它们的相互接触能够接通电路，而且它们还能协同提供止动作用，使杠杆84的端部85向上的运动停止。
电接点80和86是同可编程序的控制器90相连的，而后者又同步进电机相连。控制器90使平台68朝上作渐进运动，且在电接点闭合一段预定时间的情况下，使朝上的运动中断。
在最佳实施例中，设备20的矫直及成形部分22，还包括使预制棒24衔接表面具有基本上低于预制棒的温度的装置。轴承座56用来保存去离子水之类的冷却液，可通过杠杆84及支架96内的管道（图中未示出）供给。将去离子水供给轧辊52与玻璃管衔接的表面上使其清洁，并可避免石墨辊粘在预制棒上。去离子水流到侧板上并落入下方的排水池中（图中未示出）。水还能在轧辊52与预制棒之间形成一个界面，起到一个衬层的作用，以防止预制棒表面受到破坏。
在使用设备20对预制件进行加工的过程中，玻璃管是置于车床32上的，一端在头座33中，另一端则焊接（参见图1）在支撑于尾座34中的排气管97上。随着喷焰装置40多次沿头座33至尾座34的方向上运动，基底管被转动。在每次操作时，注入的反应物从头座的一端送入基底管，而废气在尾座的一端排出;参见美国专利4，278，459。
在最佳实施例中，进行沿积后，进行裹紧操作的前半部过程。然后将邻近尾座端的管壁紧压在一起。这样做，可以防止潮气和污垢在裹紧时进入管中。然后在相反的方向上进行余下的裹紧操作。
在裹紧期间，当喷焰装置40数次从头座向尾座运动，并在裹紧的后一半过程从尾座向头座运动时，以高于沉积期间的温度进行加热。在裹紧的后一半过程每次操作结束时，滑动托板36都迅速地返回到尾座，以开始另一个周期。
裹紧过程中，在基底管被裹紧成固体预制棒之后，石墨辊52将借助可编程序的控制器90产生向上的运动，以便同邻近尾座34的旋转预制棒衔接（参见图4）。它的竖直位置是预制棒横截面轨迹的函数。轧辊52被部分地推到预制棒内，并在喷焰装置40的中心线101之外的预定距离“d”（参见图2）的加热区内使软化的玻璃发生移动。假如需要，轧辊52能够强制棒与头座33及尾座34之间的转轴对准。因而轧辊52被用来使预制棒长度的连续区段向上运动，直到各自基本上都能同心地分布在车床32两卡盘之间的转轴上为止。在矫直及成形期间，预制棒24的转速大约是75转/分。
预制棒24矫直及成形方法的重要参数有：滑动托板的速度;车床主轴的转速以及接触机构50同预制棒24的衔接处相对于加热区的位置。还有一个重要的参数就是加热区内玻璃的温度。这要取决于输送给喷焰装置的氢气和氧气的速度。在最佳实施例中，输送给喷焰装置的氢气大约是每分钟130升，氧气大约是每分钟65升。
加热区41是当火焰通过预制棒时在喷焰装置40附近形成的，但是不难想到，它通常并不与火焰的中心线101同心，而是尾随其后（参见图2）。最高温度区的某点滞后于喷焰装置40的距离d，是喷焰装置40速度的函数，速度愈大，拖后的距离愈大。由于预制棒24有一定的厚度，而且喷焰装置40是沿预制棒运动的，故加热区滞后于喷焰装置。
接触机构50必须在玻璃充分软化的位置同预制棒24衔接，以使其能够发生形变。还有，喷焰装置40与接触机构的排列方式，应使玻璃与轧辊52衔接之后再行凝固。此衔接点必须不是在玻璃经受高温的那一点，因为高温会消除凝固。
由于加热区的位置难以确定，所以轧辊52可以参照喷焰装置的中心线101来定（参见图2）。喷焰装置40的中心线101与轧辊52的中心轴105之间的距离d，称之为拖后距离，它处于在长度区段玻璃充分软化到不受预制棒内部较少软化层的干扰而能够变形的地方。此外，与轧辊52衔接的区域必须充分冷却，以在石墨辊沿着预制棒长度方向运动到下一个连续区段时保持这种变形。在最佳实施例中，流过石墨辊52的水能够提供一个理想的动态冷却区，借以在逐渐矫直过的预制棒上建立凝固。在最佳实施例中，距离d为3.5厘米左右。如果距离超出给定的范围，那么与轧辊52接触的玻璃就太冷了以致不能很好地变形。此外，轧辊52的水冷，对于防止石墨辊粘附在玻璃管上是有益的，而且对于由来自玻璃管的火焰引起的任何剥落物的冲洗是有效的。
施力装置、轧辊52跟预制棒24的衔接及脱离方式，对于预制棒的良好矫直和变形是重要的。从图4中可看出，轧辊52是在滑动托板36以大约每分钟8到10厘米的速度沿车床身运动时运动到第一给进阶段107的。在这个调节期间，车床上的预制棒24以75转/分的速度产生旋转。对于理解本发明更有意义的另一种表示转速的方式是，预制棒24转速大约为每0.4秒转0.5周。
图4中的第一给进阶段107，是靠轧辊52迅速达到的。通过可编程序的控制器90控制步进电机64，以使平台68朝着预制棒的转轴向上运动到达X位置，此位置总是超出任何预制棒最大预期轨迹而与预制棒转轴隔开的。本发明所述的方法能使变形的预制棒所具有的横截面在面积上实际等于变形之前的横截面，而且基本上是圆的。此外，如在上文中所述，变形后的预制件的纵轴100基本上是直的，其横截面是围绕轴线同心分布的。
步进电机64所控制的轧辊52，首先是以粗动方式（第一给进阶段107）向上运动的，然后以细调方式（第二给进阶段109）朝上运动。按照正常的细调方式控制步进电机64使轧辊向上运动，每步大约为0.0036厘米。然后在粗动方式期间，用扩程器使向上运动的每步大约是0.0108厘米。粗动方式被用来使轧辊52从参考位置X迅速地运动到跟预制棒24首次衔接。一开始，预制棒24占据图4实线表示的位置，并且环绕转轴35旋转，如图5所示。最好是使轧辊与预制棒的首次衔接点恰好是夹紧区的一边（参见图4）从图5中可看到，预制棒24有一个轻微的偏心，当该预制棒旋转时，此偏心就能使它作轻微的环绕运动。
在轧辊52同预制棒首次衔接之后，当该预制棒作轻微绕动时（参见图5），在细调方式期间，轧辊以0.0036厘米的步长朝上运动。朝上增加的步长，是在近似0.1～0.2秒的时间间隔内完成的。
在细调方式期间，产生所谓0.4秒的搜索动作。在轧辊52同预制棒首次衔接之后，使轧辊运动到预制棒中大约0.005～0.008厘米的一段距离。其结果是电接点86发生运动，穿过0.018厘米的间隙，与第一个电接点80衔接。在轧辊52跟预制棒24的衔接持续0.4秒时（这相当于预制棒大约转动了整个360°的一半），便假定在该位置横截面是圆的，而且轴线基本上是直的并与穿过车床32的头座33及尾座34的旋转轴中心线共线。在滑动托板36以大约9.6厘米/分的速度沿预制棒方向运动时出现这种衔接情况。控制器90大约每秒钟要查寻20次0.4秒搜索条件是否满足。
这时，有几种适当的选择。其一是轧辊52保持在相对于转轴35的现有水平面上，而不作更多的调节。另外一种情况是当轧辊移过预制棒时若发生脱离，就使轧辊52向上运动到重新跟预制棒24衔接。经过多次后，两种情况都能产生合格的预制棒。然而如果由于某种原因，轧辊跟预制棒的首次衔接点进一步向左而处在颈口收缩区处（如图4所示），那么距转轴固定间隔的轧辊，将逆着玻璃质量增大的方向运动，其结果是使玻璃遭到破坏。
在最佳实施例中，存在着接通及断开电接点80和86的固定周期。在0.4秒搜索得到满足之后，出现一个大约为5.0秒的脉冲，在该脉冲的持续时间内，滑动托板36前进了大约0.8厘米。在5秒过去之后，平台68朝下运动到使轧辊52中断同预制棒的衔接，而且0.4秒的搜索条件不再得到满足。电接点86也要与电接点80脱开。随后立刻就是，当滑动托板36沿预制棒24方向运动时，轧辊52再一次朝上运动到再启动另一个周期，它包括一个0.4秒搜索。换句话说，在轧辊52每次跟预制棒衔接0.4秒之后，步进电机64受控使轧辊同预制件脱离，从而使0.4秒窗口条件无法继续得到满足。当这种情况出现时，步进电机64受控驱使平台68以及轧辊52向上运动，滑动托板则沿预制棒前进，直至0.4秒窗口条件再一次得到满足为止。其结果是预制棒的形状持续受到监控和调整。
也可以采用进一步的精加工。如果在每个5秒的窗口时间内轧辊52都跟轴线35保持固定的距离，由于残留的环绕运动而使轧辊跟预制棒脱开，那么控制器90能使轧辊再一次向上运动到与棒衔接。
重要的是当轧辊52与预制棒衔接时，使预制棒的绕动累积地变得愈来愈小，直至消失。在最佳实施例中，两种整形操作都被采用。这时候的预制棒，具有所寻求的几何特性，其纵轴100基本上是和转轴35同心的（参见图4及图5的点划线）。
现在来看图6和图7，这里显示的基底棒24的偏心更显著。在图6中预制棒24的原始构形以实线表示。再一次看出，轧辊52以粗动方式107从位置X向上运动直至同预制棒衔接。然而由于偏心，细调方式109可能要求实际大于0.0036厘米的向上给进，直至0.4秒的窗口搜索得到满足为止。这是由于预制棒横截面绕动的增大会使轧辊的位置比以前更进一步脱离主轴的中心线（参见图6及图7中以实线表示的绕动的棒）。
从图8和图9中还可看出，预制棒24还可能有甚至更严重的偏心，从而产生更大的环绕运动。在这种情况下，细调方式109甚至要求更大的给进，直至意味着预制棒在此位置上是矫直了的0.4秒窗口条件得到满足。参照图9A，9B及9C，它们表示的是轧辊52相对预制棒24沿长度方向的几种位置。比较图9A及9B可以看出，绕动是减小的，而在图9C的位置上消失。在改变形状之后，如图8的中央点划线表示的那样，预制棒24具有一个基本上跟转轴35同心的纵轴。在图10中，所表示的是轧辊52相对于预制棒的偏心部分的位置。当轧辊52向右运动时，可以对预制棒进行矫直并使其具有圆形截面。
在图11及图12中，所表示的是非圆形的预制棒24及使用轧辊之类的施力装置使其变形的情况。从图11中可以看到，预制棒大体上是椭圆形的，以致于当它旋转时沿其边缘的较低部分将与轧辊52脱离接触。这种脱离将使控制器90让平台朝上运动直至轧辊52再一次同预制棒24彼此衔接为止。
经过矫直之后，如图13所示，变形后的预制棒24被插入一个外包层管120中，随后再将管裹在预制棒上。于是按照公知的方法就能从加外包层的预制棒中拉伸出光纤来。
当然，上述设备只是简单地说明了本发明。然而本领域的熟练人员可以根据本发明的原理设计出其它设备来，这将属于本发明的构思及范围之内。