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

段 偉，唐 佳

（1.中南大學 機電工程學院，長沙 410000；2.中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙 410000）

0 引言

隨著中國云計算，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，但只能單獨完成0度濾波片或者45度濾波片的裝配，自動化程度低。總體來說，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)計方案具有實際意義。

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)中沒有形成標準，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°濾波片屬于光學窄帶通濾波片，利用光學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)過濾波片進入光纖尾纖從而進入光纖通訊系統(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，傳輸進入PD轉(zhuǎn)化為電信號。BOSA同時具有TOSA和ROSA功能，實現(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膠貼裝：先在濾波片位置兩側(cè)的點膠槽或者限位面處點膠，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)矛盾或物理矛盾標準化、抽象化。進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加入或者一個不利點的排出導致一個整體或幾個局部的變壞，或者一個有利點的加入導致產(chǎn)生優(yōu)劣兩種效果。確定技術(shù)矛盾后，進一步分析得出對應(yīng)“負向的參數(shù)”和“正向的參數(shù)”。“負向的參數(shù)”是指一個有利點引入時，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)合具體實際問題從而得到具體解。

如果“負向的參數(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

3.1 貼裝機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

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)備上進行。對于結(jié)構(gòu)二的BOSA產(chǎn)品，這顯然浪費了大量工藝輔助時間，效率較低。一個貼裝機構(gòu)完成兩種濾波片的貼裝，最直接的兩種方法：簡單并聯(lián)兩種貼裝機構(gòu)或者定做一種更為復雜的真空吸嘴。45°濾波片的貼裝要求真空吸嘴末端呈細長型，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，則會導致系統(tǒng)可靠性降低或者制造成本增加。分析得出主要“負向的參數(shù)”和改善的參數(shù)。

“負向的參數(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-凸輪機構(gòu)實現(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。滾珠導軌副保證軸承滾輪僅豎直方向運動。浮動接頭可以減小氣缸的裝配精度，同時實現(xiàn)角度微調(diào)。

圖4 貼裝機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 BOSA定位夾具創(chuàng)新設(shè)計

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)零部件實現(xiàn)更大數(shù)量的裝夾。通過創(chuàng)新設(shè)計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

在解決上述技術(shù)矛盾和物理矛盾的基礎(chǔ)上，設(shè)計出了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械手，貼裝機構(gòu)，相機，點膠裝置，對中裝置，工件料盤，BOSA夾具組成。點膠裝置由手動調(diào)整平臺、線性模組、兩個氣缸驅(qū)動，實現(xiàn)兩個點膠針筒的X-Y方向運動，其中，兩個點膠針筒水平裝夾，針頭彎折90°，以此減輕因重力導致的膠水滲漏。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。通過搭建工程樣機進行實驗，初步驗證了該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)的貼裝機構(gòu)和定位夾具進行分析，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用價值，為相關(guān)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計和結(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)計對應(yīng)自動化裝置進一步提高裝配效率和自動化程度。

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