基于TRIZ理論的BOSA濾波片裝配系統(tǒng)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

段 偉，唐 佳

（1.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410000；2.中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410000）

0 引言

隨著中國云計(jì)算，大數(shù)據(jù)，三網(wǎng)融合等一系列互聯(lián)網(wǎng)基建行業(yè)的發(fā)展，光通信行業(yè)呈現(xiàn)持續(xù)高速增長的態(tài)勢。光通信行業(yè)產(chǎn)品主要有光纖，光器件，光設(shè)備，其中，有源光器件是將電信號與光信號互相轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件[1]。典型的有源光器件有TOSA（光發(fā)射組件），ROSA（光接收組件）和BOSA（光發(fā)射接收組件）。

BOSA濾波片裝配作為BOSA關(guān)鍵工藝之一，目前的裝配過程主要由人工在顯微鏡下用鑷子操作完成，有少數(shù)企業(yè)使用BOSA濾波片裝配裝備，但只能單獨(dú)完成0度濾波片或者45度濾波片的裝配，自動化程度低?？傮w來說，自動化程度和裝配效率有待提高。

基于上述原因，所以本文通過分析BOSA濾波片裝配的工藝過程，應(yīng)用TRIZ理論，給出一種BOSA濾波片裝配系統(tǒng)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案具有實(shí)際意義。

1 BOSA濾波片裝配分析

1.1 BOSA結(jié)構(gòu)與原理

圖1 BOSA結(jié)構(gòu)一

目前，BOSA產(chǎn)品的具體結(jié)構(gòu)在行業(yè)中沒有形成標(biāo)準(zhǔn)，最常見的BOSA產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有兩種，如圖1和圖2所示。濾光片底座（Filter Holder）的上開孔對應(yīng)耦合光電二極管（PD），右開孔對應(yīng)裝配半導(dǎo)體激光器（LD），左開孔對應(yīng)耦合光纖尾纖（Pigtail）。在底座中心位置，45°濾波片放置在45°角的斜面上，0°濾波片水平放置在對應(yīng)凹槽內(nèi)。0°濾波片和45°濾波片屬于光學(xué)窄帶通濾波片，利用光學(xué)干涉原理讓所選波長在一定帶寬內(nèi)通過[2]。0°濾波片鍍膜阻擋其他光線干擾目標(biāo)光信號。45°濾波片的LD照射面鍍增透膜，LD發(fā)射光信號經(jīng)過濾波片進(jìn)入光纖尾纖從而進(jìn)入光纖通訊系統(tǒng)。45°濾波片的PD接收面鍍增反膜，從光纖尾纖的傳來的光信號經(jīng)濾波片反射，傳輸進(jìn)入PD轉(zhuǎn)化為電信號。BOSA同時具有TOSA和ROSA功能，實(shí)現(xiàn)單纖雙向信號傳輸，減小了光模塊的體積并提高了單纖通訊容量[3]。

圖2 BOSA結(jié)構(gòu)二

1.2 BOSA濾波片裝配工藝分析

BOSA濾波片裝配工藝是點(diǎn)膠貼裝：先在濾波片位置兩側(cè)的點(diǎn)膠槽或者限位面處點(diǎn)膠，然后貼裝對應(yīng)的0度濾波片或者45°濾波片，最后高溫固化。

常見的兩種BOSA結(jié)構(gòu)主要區(qū)別在于底座中心位置45°斜面上的限位面，直接影響著濾波片的裝配工藝。對于結(jié)構(gòu)一，如圖1所示，限位面在圖示45°濾波片右上方，水平放置無法靠重力限位，所以裝配45°濾波片時必須將底座從圖示位置順時針旋轉(zhuǎn)90°裝夾，再進(jìn)行濾波片裝配。對于結(jié)構(gòu)二，限位面在圖示45°濾波片右下方，可以水平裝夾同時完成0°和45°濾波片裝配。BOSA結(jié)構(gòu)二能夠快速完成兩種濾波片點(diǎn)膠貼裝，而且只需要一次高溫固化，效率更高，更具有發(fā)展前景。

通過以上分析，如何通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)把兩種濾波片裝配工序結(jié)合起來適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)的BOSA底座成為貼裝系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文的BOSA濾波片裝配系統(tǒng)主要針對結(jié)構(gòu)二的BOSA產(chǎn)品，同時能夠滿足結(jié)構(gòu)一的裝配需求。

2 TRIZ發(fā)明基本方法

TRIZ理論，即“發(fā)明問題解決理論”（英文翻譯為The Theory of Inventive Problem Solving），是由前蘇聯(lián)發(fā)明家G.S.Altshuller（根里奇 · 阿奇舒勒）和其他研究人員通過對全世界各領(lǐng)域?qū)＠凹夹g(shù)信息、解決問題的分析過程和自然科學(xué)知識的分析、總結(jié)、抽象而建立的一套系統(tǒng)的、有效的解決創(chuàng)造瓶頸的成套理論和方 法[4]。TRIZ理論的提出使人們發(fā)現(xiàn)，發(fā)明創(chuàng)造并不是某一個人的靈光一閃，發(fā)明問題不是隨機(jī)的，盲目的，而是可以通過同一套方法解決。

根據(jù)TRIZ理論，不端地尋求矛盾然后解決矛盾才是發(fā)明創(chuàng)造的關(guān)鍵。TRIZ理論將矛盾分為管理矛盾、技術(shù)矛盾和物理矛盾，其中管理矛盾一般轉(zhuǎn)化為其他兩種矛盾解決[5]。

在分析具體發(fā)明問題時，TRIZ理論選擇了能夠體現(xiàn)幾乎所有系統(tǒng)性能39個工程參數(shù)（如表1所示），借此將技術(shù)矛盾或物理矛盾標(biāo)準(zhǔn)化、抽象化。進(jìn)而通過阿奇舒勒矩陣迅速找到對應(yīng)的發(fā)明原理或者選擇分離原理。通過TRIZ理論解決發(fā)明基本方法如圖3所示。

圖3 TRIZ矛盾解決流程

在分析特定問題和探尋矛盾的過程中，經(jīng)常包含的是技術(shù)矛盾。技術(shù)矛盾是指一個有利點(diǎn)加入或者一個不利點(diǎn)的排出導(dǎo)致一個整體或幾個局部的變壞，或者一個有利點(diǎn)的加入導(dǎo)致產(chǎn)生優(yōu)劣兩種效果。確定技術(shù)矛盾后，進(jìn)一步分析得出對應(yīng)“負(fù)向的參數(shù)”和“正向的參數(shù)”?！柏?fù)向的參數(shù)”是指一個有利點(diǎn)引入時，系統(tǒng)變壞的技術(shù)性能所對應(yīng)的工程參數(shù)，而系統(tǒng)變好或提高的技術(shù)性能所對應(yīng)的工程參數(shù)就是“正向的參數(shù)”。利用“負(fù)向的參數(shù)”和“正向的參數(shù)”，通過查閱阿奇舒勒矩陣迅速找到TRIZ理論建議使用的的發(fā)明原理，受發(fā)明原理啟發(fā)結(jié)合具體實(shí)際問題從而得到具體解。

如果“負(fù)向的參數(shù)”和“正向的參數(shù)”相同，這就產(chǎn)生了物理矛盾。物理矛盾是一種更深層的矛盾。TRIZ理論提出了解決物理矛盾的4個分離原理，分別是空間分離、時間分離、條件分離和整體與個體分離，而且每個分離原理對應(yīng)著不同數(shù)量的發(fā)明原理，如表2所示，為解決矛盾提供了更為靈活全面的方法[6]。

表1 描述矛盾的39個工程參數(shù)

表2 分離原理與發(fā)明原理的對應(yīng)關(guān)系

3 BOSA濾波片裝配系統(tǒng)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 貼裝機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

對于0度濾波片的貼裝，目前在工廠應(yīng)用的設(shè)備采用真空吸嘴進(jìn)行吸取貼裝。對于更為重要的是45°濾波片，少數(shù)應(yīng)用的設(shè)備采用定做的斜口真空吸嘴，而且兩個濾波片裝配在分別在兩個設(shè)備上進(jìn)行。對于結(jié)構(gòu)二的BOSA產(chǎn)品，這顯然浪費(fèi)了大量工藝輔助時間，效率較低。一個貼裝機(jī)構(gòu)完成兩種濾波片的貼裝，最直接的兩種方法：簡單并聯(lián)兩種貼裝機(jī)構(gòu)或者定做一種更為復(fù)雜的真空吸嘴。45°濾波片的貼裝要求真空吸嘴末端呈細(xì)長型，這又增加了真空吸嘴的制造難度。通過以上分析，發(fā)現(xiàn)了技術(shù)矛盾：如果工序集成，則會導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低或者制造成本增加。分析得出主要“負(fù)向的參數(shù)”和改善的參數(shù)。

“負(fù)向的參數(shù)”：可制造性（No.32），可靠性（No.27）；

“正向的參數(shù)”：系統(tǒng)復(fù)雜性（No.36），適用性和通用性（No.35）。

根據(jù)阿奇舒勒矛盾矩陣，得到建議使用的發(fā)明原理，如表3所示。

表3 阿奇舒勒矛盾矩陣

受復(fù)制法（第26個發(fā)明原理）和替代法（第27個發(fā)明原理）的啟發(fā)，用現(xiàn)有的易得的塑膠螺口針頭通過彎折和磨削針口代替異形的真空吸嘴，再配合氣缸-凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)貼裝兩種角度的濾波片，如圖4所示。塑膠螺口針頭、針頭轉(zhuǎn)接件和氣動接頭依次連接，氣源氣體通過真空發(fā)生器提供真空，實(shí)現(xiàn)針頭吸取濾波片的功能。針對選取的BOSA濾波片尺寸（0°濾波片為1.9mm×1.3mm，45°濾波片為1.4mm×1.5mm），塑膠螺口針頭規(guī)格為內(nèi)徑0.67mm，外徑1.07mm，針管彎折60°，針口磨削45°，通過氣缸帶動螺口針頭實(shí)現(xiàn)45°的旋轉(zhuǎn)，從而可以水平吸取兩種濾波片，水平貼裝0°濾波片，45°角貼裝45°濾波片。滾珠導(dǎo)軌副保證軸承滾輪僅豎直方向運(yùn)動。浮動接頭可以減小氣缸的裝配精度，同時實(shí)現(xiàn)角度微調(diào)。

圖4 貼裝機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 BOSA定位夾具創(chuàng)新設(shè)計(jì)

對于結(jié)構(gòu)二的BOSA產(chǎn)品，只需裝夾BOSA底座一次即可完成兩種濾波片的點(diǎn)膠貼裝。但為了適應(yīng)BOSA產(chǎn)品結(jié)構(gòu)一，則需要將BOSA底座旋轉(zhuǎn)90°裝夾。在同一個BOSA夾具中，要求BOSA底座水平裝夾又要求豎直裝夾，產(chǎn)生了物理矛盾。

受空間分離原理啟發(fā)，結(jié)合與空間分離原理對應(yīng)的發(fā)明原理17：維數(shù)變化和發(fā)明原理30：柔性殼體或薄膜，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出BOSA定位夾具，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。在夾具底座的上層加工出BOSA底座水平裝夾的定位面，同時水平裝夾位置的下方加工出豎直裝夾的圓柱定位面。利用矩形彎折片彈簧夾緊的BOSA底座。目前BOSA定位夾具能裝夾20個BOSA產(chǎn)品，可以通過可選擇及加工相關(guān)零部件實(shí)現(xiàn)更大數(shù)量的裝夾。通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)BOSA定位夾具，不管哪種BOSA產(chǎn)品，都能夠滿足裝配工藝需求，同時提高了裝配效率和自動化程度。

圖5 BOSA定位夾具結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 BOSA濾波片裝配系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在解決上述技術(shù)矛盾和物理矛盾的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了BOSA濾波片裝配系統(tǒng)，并在SOLIDWORKS環(huán)境下對該裝配系統(tǒng)進(jìn)行建模，如圖6所示。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由三個線性模組組成的三軸機(jī)械手，貼裝機(jī)構(gòu)，相機(jī)，點(diǎn)膠裝置，對中裝置，工件料盤，BOSA夾具組成。點(diǎn)膠裝置由手動調(diào)整平臺、線性模組、兩個氣缸驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)兩個點(diǎn)膠針筒的X-Y方向運(yùn)動，其中，兩個點(diǎn)膠針筒水平裝夾，針頭彎折90°，以此減輕因重力導(dǎo)致的膠水滲漏。對中裝置主要由氣爪氣缸組成，使吸取的濾波片在塑膠螺口針頭中央。工件料盤包含兩種濾波片的料盤，每個料盤裝載數(shù)量為20×20=400個，由濾波片廠家提供。通過搭建工程樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，初步驗(yàn)證了該BOSA濾波片裝配系統(tǒng)的可行性，提高了BOSA濾波片裝配工序的效率。

圖6 BOSA濾波片裝配系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)三維圖

4 結(jié)論

為提高BOSA濾波片裝配工序自動化程度和效率，本文基于TRIZ理論對BOSA裝配工藝過程和裝配系統(tǒng)的貼裝機(jī)構(gòu)和定位夾具進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)并解決了其技術(shù)矛盾和物理矛盾，創(chuàng)新性設(shè)計(jì)了一種BOSA濾波片裝配系統(tǒng)，原創(chuàng)性高，結(jié)構(gòu)緊湊，具有較高的可行性和實(shí)用價值，為相關(guān)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了新的思路。該濾波片裝配系統(tǒng)并沒有完全自動化，需要多對一配置工人，可以通過設(shè)計(jì)對應(yīng)自動化裝置進(jìn)一步提高裝配效率和自動化程度。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋金聲.我國光器件的產(chǎn)業(yè)概況和發(fā)展思路[J].中國電子商情,2002,(12):17-20.

[2]李穎,方再平,侯愷,等.一種制備激光通信BOSA的新方案[J].光通信技術(shù),2016,(1):32-33.

[3]李偉.淺析光纖通信的發(fā)展趨勢及應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究,2014,(9).

[4]潘承怡,姜金剛.TRIZ理論與創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法[M].北京:清華大學(xué)出版社,2015.28-29.

[5]仇成,馮俊文,郭春明.TRIZ與可拓學(xué)的比較研究[J].工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì),2007,26(10):105-107.

[6]趙鋒.TRIZ理論及應(yīng)用教程[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2010.