光纖耦合器全自動化生產(chǎn)技術(shù)研究

杜永建,郭征東,歐陽倚承

(廣州奧鑫通訊設(shè)備有限公司,廣東 廣州 510925)

0 引言

光纖耦合器是光纖通信和光纖傳感器中最基本的無源器件,是一種用于傳送和分配光信號的光纖無源器件。其具有以下3個特點:一是器件由光纖構(gòu)成,屬于全光纖型器件;二是光場的分波與合波主要通過模式耦合來實現(xiàn);三是光信號傳輸具有方向性[1]。隨著各種光纖通信和光纖傳感器件的廣泛使用,光纖耦合器產(chǎn)品應(yīng)用的地位和作用愈來愈重要,并已成為光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域不可或缺的一部分。

1 人工作業(yè)生產(chǎn)光纖耦合器的工藝流程

光纖耦合器目前主要用熔融拉錐法制作,是將兩根或兩根以上光纖剝?nèi)ネ扛矊硬⑶逑磩兤ざ?通過拉制夾具以一定方式靠攏,在氫氧焰或丙烷(或丁烷等)氧焰,或電耦加熱的高溫下,同時向兩側(cè)以一定的速度和一定的力拉伸,使纖芯在熔融軟化的情況下,再經(jīng)過點膠、固化、安裝石英基板等工序后,在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu),實現(xiàn)傳輸光功率按設(shè)計比例耦合的一種方法。加熱源有的采用固定式,有的采用可移動式。這種方法可以用計算機較精確地控制各種過程參量,并隨時監(jiān)控光線輸出端口的光功率變化,從而實現(xiàn)制作各種分光比或者分波的光纖耦合器的目的[2-3]。

2 自動化技術(shù)實現(xiàn)難點

2.1 光纖熔融拉制智能制造全自動送料系統(tǒng)的實現(xiàn)

本項目研究了針對性的成型技術(shù),主要包括:

(1)光纖的自動剝纖、清潔精準(zhǔn)控制技術(shù)及機構(gòu)設(shè)計。

(2)自動量纖、送纖、切纖機構(gòu)設(shè)計。

(3)自適應(yīng)熔融拉制工藝分析及控制系統(tǒng)設(shè)計。

(4)自動定纖、劃纖、插適配器(插纖)機構(gòu)設(shè)計。

2.2 全自動點膠、固化及質(zhì)量檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)

本項目研究了以下幾方面的針對性成型技術(shù),主要包括:

(1)對具有及細(xì)的、脆弱的、易破損的、易變形特點的光纖進行精準(zhǔn)位置的點膠、點膠形狀質(zhì)量控制的技術(shù)研究及系統(tǒng)設(shè)計。

(2)對點膠后的光纖進行指定溫度固化控制技術(shù)研究。

(3)點膠固化系統(tǒng)的核心控制——運動控制器設(shè)計研究。

(4)點膠質(zhì)量檢測與等級分類的工藝設(shè)計。

3 預(yù)期要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

3.1 拉制自動送料部分

(1)切斷光纖長度 1.2 ~1.5 m,量纖長度±5 cm。

(2)光纖尾部剝除長度 4~5 cm,光纖中部剝除13~14 mm。

(3)剝除涂覆層光纖包層外徑為125 um,清潔后包層表面不能有任何碎屑。

(4)將光纖尾部切割后,光纖端面成平面,端面角度＜2°。

(5)光纖位于石英基板槽上下前后的中心,距槽表面距離200~300 um,前后中心誤差＜20 um。

光纖左右剝除涂覆層部分要與石英基板中心對稱,左右中心誤差＜0.2 mm。

(6)每臺機每小時合格產(chǎn)出不低于4 pcs。

(7)拉制成功率不低于60%。

3.2 點膠部分

(1)1膠部分:約3.0~3.6 mm3(共兩處),長度 3.5±0.5 mm,高度 0.6±0.05 mm,1膠外流長度＜1 mm,膠光表面光滑。

(2)6膠部分:6膠距離1膠 0~1 mm(以 6 膠中心算)。

(3)成功率:＞98%。

3.3 目標(biāo)耦合器性能指標(biāo)

(1)工作波長:1 550±20 nm。

(2)分光比:50/50。

(3)插入損耗(Max):3.40 dB。

(4)平坦度(Max): 0.20 dB。

(5)偏振損耗(Max): 0.10 dB。

(6)回?fù)p(Min): 50 dB。

4 采用的方法、技術(shù)路線以及基本架構(gòu)

4.1 熔融拉錐工藝技術(shù)路線

本研究對微米級別的光纖芯進行拉制工藝,將兩條直徑一樣的光纖拉伸至各自直徑的一半,經(jīng)熔融后兩條光纖合二為一。拉制過程中,需要保持包芯比和折射率。這一工藝的關(guān)鍵是拉伸速度。拉伸越慢,控制光纖質(zhì)量越好;拉伸越快,給定時間內(nèi)可生產(chǎn)的光纖越多。拉伸機械的所有旋轉(zhuǎn)部分必須達(dá)到極高的耐受度和張力級別,以使光纖能被高度精確地控制。因此,本文采用機器視覺閉環(huán)控制技術(shù)完成拉制部分。在顯微級別的視覺監(jiān)測下,拉制機構(gòu)通過精準(zhǔn)伺服控制完成動作,并在拉制過程中隨時檢測光纖拉制直徑是否達(dá)到或超出產(chǎn)品要求,可以盡最大可能減少光纖耦合器生產(chǎn)過程中的廢品率。

4.2 拉制自動化的系統(tǒng)基本架構(gòu)

具體設(shè)計如下:

(1)一個轉(zhuǎn)盤分為4個工位。

(2)每個工位固定配置:光纖支架及光纖、功率計、光纖拉長機構(gòu)、拉制夾具等。

(3)工位一:主副光纖的上料,光纖預(yù)處理。包含:光纖端面剝纖、清潔、切斷、放到放功率計處-定長-剝光纖耦合區(qū)-放置到夾具上。工位一專有配置:拉光纖機構(gòu)、剝纖、清潔、切斷機構(gòu)等。

(4)工位二:留空。

(5)工位三:拉制。工位三專有配置:火頭運動及控制機構(gòu)。

(6)工位四:放石英基板、點膠、人工取出產(chǎn)品。工位四專有配置:石英基板送入機構(gòu)、加熱器運動及控制機構(gòu)、點膠運動及控制機構(gòu)。

通過該方案把拉制的各個工序由原來的串行方式分解成3個并行的工位,拉制一個產(chǎn)品所需要的時間取決于花費時間最多的工位,每個步驟實現(xiàn)自動化作業(yè),可以減少新員工的培訓(xùn)時間及減輕員工的勞動強度,并減小對員工技能的依賴程度。

5 取得的技術(shù)成果

5.1 拉制自動化送料系統(tǒng)的技術(shù)成果

(1)實現(xiàn)了對脆性光纖耦合整個生產(chǎn)過程的零差錯、高效、高產(chǎn)的精密機械及智能控制技術(shù)采用高精度轉(zhuǎn)盤模式和自動開發(fā)的軟件,將各個功能設(shè)計3個并行的系統(tǒng),實現(xiàn)各功能同時操作,提升了拉制器件的效率。

采用自主開發(fā)的LabVIEW上位機軟件技術(shù),可實現(xiàn)對各個運動軸及拉制產(chǎn)品的工藝參數(shù)的設(shè)定,可實時采集并通過圖形顯示產(chǎn)品參數(shù)性能指標(biāo)參數(shù),根據(jù)實時值精確控制產(chǎn)品拉制?；瘘c。

自主開發(fā)的基于采用PLC帶EtherCAT通信方式和電刷等電路、氣路控制布線設(shè)計方案,有效地解決了氣路、電路過于復(fù)雜的問題,實現(xiàn)電氣的優(yōu)化布局。

采用無線模塊與有線通信組合的方式,實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)部分與固定部分的通信,而又徹底解決了拉錐時火焰裝置退回存在延時的難點。

(2)成功實現(xiàn)了對脆性光纖耦合生產(chǎn)的多個關(guān)鍵工位銜接技術(shù)。光纖是柔性材料,智能控制和自動化處理光纖一直是行業(yè)難點。該設(shè)備實現(xiàn)了把量纖長度、送纖、切纖、剝纖、光纖表面清潔、定纖、拉制、劃纖、插適配器(插纖)等一系列光纖熔融拉制前的準(zhǔn)備動作由現(xiàn)在靠人工完成改成由機器全自動化實現(xiàn)。

(3)采用自主設(shè)計開發(fā)的產(chǎn)品自動封裝工藝:將石英基板存儲到儲料盒,通過推桿將石英基板推入加熱器上,并采用CCD機器視覺系統(tǒng)實現(xiàn)對產(chǎn)品的固化封裝。

5.2 點膠自動化的技術(shù)成果

(1)研發(fā)出全區(qū)視覺對位系統(tǒng)及高精度視覺定位系統(tǒng)自動識別,無須精密治具,可直接進行點膠;可以實現(xiàn)對不同類型尺寸的產(chǎn)品進行點膠路徑規(guī)劃;并實時采集工件影像,用于示教點膠路徑,方便觀看。

(2)開發(fā)了自動測高系統(tǒng),可精確識別產(chǎn)品高度變化,以確保點膠高度的一致性。

(3)開發(fā)點膠控制系統(tǒng),通過調(diào)節(jié)氣壓來控制針嘴出膠量,可控制出膠量大小。

(4)采用自動化左右工作臺設(shè)計,可實現(xiàn)上料、點膠不間斷作業(yè),大大提高生產(chǎn)效率。

(5)自主開發(fā)的上位機軟件:可實現(xiàn)對點膠運行速度、加速度、拐角限制、軟件限位等工作運動參數(shù)進行設(shè)定,簡單直觀,即便是初次接觸點膠機的操作人員也能快速上手。此外還支持?jǐn)?shù)據(jù)庫保存,參數(shù)可直接導(dǎo)入,可自動識別不良品或不需要點膠的產(chǎn)品,節(jié)約生產(chǎn)成本。

(6)研發(fā)出加熱固化技術(shù);采用溫控器+陶瓷加熱棒組合,可通過調(diào)節(jié)溫控器精確控制加熱棒的溫度,實現(xiàn)對膠水固化。

6 結(jié)語

本項目通過為期2年多的研究開發(fā),完成了從設(shè)計到樣機制作的全系列過程,并且實現(xiàn)了真正意義上的全自動化生產(chǎn)光纖耦合器的生產(chǎn)制造工藝,取得了眾多的光纖耦合器自動化生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)的突破,達(dá)到了預(yù)期開發(fā)的目標(biāo)。