基于TRIZ理論的BOSA濾波片裝配系統創新結構設計

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，大數據，三網融合等一系列互聯網基建行業的發展，光通信行業呈現持續高速增長的態勢。光通信行業產品主要有光纖，光器件，光設備，其中，有源光器件是將電信號與光信號互相轉換的關鍵器件[1]。典型的有源光器件有TOSA（光發射組件），ROSA（光接收組件）和BOSA（光發射接收組件）。

BOSA濾波片裝配作為BOSA關鍵工藝之一，目前的裝配過程主要由人工在顯微鏡下用鑷子操作完成，有少數企業使用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，應用TRIZ理論，給出一種BOSA濾波片裝配系統創新結構設計方案具有實際意義。

1 BOSA濾波片裝配分析

1.1 BOSA結構與原理

圖1 BOSA結構一

目前，BOSA產品的具體結構在行業中沒有形成標準，最常見的BOSA產品結構有兩種，如圖1和圖2所示。濾光片底座（Filter Holder）的上開孔對應耦合光電二極管（PD），右開孔對應裝配半導體激光器（LD），左開孔對應耦合光纖尾纖（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凹槽內。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發射光信號經過濾波片進入光纖尾纖從而進入光纖通訊系統。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濾波片反射，傳輸進入PD轉化為電信號。BOSA同時具有TOSA和ROSA功能，實現單纖雙向信號傳輸，減小了光模塊的體積并提高了單纖通訊容量[3]。

圖2 BOSA結構二

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的點膠槽或者限位面處點膠，然后貼裝對應的0度濾波片或者45°濾波片，最后高溫固化。

常見的兩種BOSA結構主要區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。對于結構一，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90°裝夾，再進行濾波片裝配。對于結構二，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結構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，更具有發展前景。

通過以上分析，如何通過結構設計把兩種濾波片裝配工序結合起來適應不同結構的BOSA底座成為貼裝系統的關鍵。本文的BOSA濾波片裝配系統主要針對結構二的BOSA產品，同時能夠滿足結構一的裝配需求。

2 TRIZ發明基本方法

TRIZ理論，即“發明問題解決理論”（英文翻譯為The Theory of Inventive Problem Solving），是由前蘇聯發明家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域專利及技術信息、解決問題的分析過程和自然科學知識的分析、總結、抽象而建立的一套系統的、有效的解決創造瓶頸的成套理論和方 法[4]。TRIZ理論的提出使人們發現，發明創造并不是某一個人的靈光一閃，發明問題不是隨機的，盲目的，而是可以通過同一套方法解決。

根據TRIZ理論，不端地尋求矛盾然后解決矛盾才是發明創造的關鍵。TRIZ理論將矛盾分為管理矛盾、技術矛盾和物理矛盾，其中管理矛盾一般轉化為其他兩種矛盾解決[5]。

在分析具體發明問題時，TRIZ理論選擇了能夠體現幾乎所有系統性能39個工程參數（如表1所示），借此將技術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的發明原理或者選擇分離原理。通過TRIZ理論解決發明基本方法如圖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，經常包含的是技術矛盾。技術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生優劣兩種效果。確定技術矛盾后，進一步分析得出對應“負向的參數”和“正向的參數”。“負向的參數”是指一個有利點引入時，系統變壞的技術性能所對應的工程參數，而系統變好或提高的技術性能所對應的工程參數就是“正向的參數”。利用“負向的參數”和“正向的參數”，通過查閱阿奇舒勒矩陣迅速找到TRIZ理論建議使用的的發明原理，受發明原理啟發結合具體實際問題從而得到具體解。

如果“負向的參數”和“正向的參數”相同，這就產生了物理矛盾。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著不同數量的發明原理，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

表2 分離原理與發明原理的對應關系

3 BOSA濾波片裝配系統創新結構設計

3.1 貼裝機構創新設計

對于0度濾波片的貼裝，目前在工廠應用的設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，少數應用的設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備上進行。對于結構二的BOSA產品，這顯然浪費了大量工藝輔助時間，效率較低。一個貼裝機構完成兩種濾波片的貼裝，最直接的兩種方法：簡單并聯兩種貼裝機構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，發現了技術矛盾：如果工序集成，則會導致系統可靠性降低或者制造成本增加。分析得出主要“負向的參數”和改善的參數。

“負向的參數”：可制造性（No.32），可靠性（No.27）；

“正向的參數”：系統復雜性（No.36），適用性和通用性（No.35）。

根據阿奇舒勒矛盾矩陣，得到建議使用的發明原理，如表3所示。

表3 阿奇舒勒矛盾矩陣

受復制法（第26個發明原理）和替代法（第27個發明原理）的啟發，用現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-凸輪機構實現貼裝兩種角度的濾波片，如圖4所示。塑膠螺口針頭、針頭轉接件和氣動接頭依次連接，氣源氣體通過真空發生器提供真空，實現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），塑膠螺口針頭規格為內徑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45°的旋轉，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，同時實現角度微調。

圖4 貼裝機構結構示意圖

3.2 BOSA定位夾具創新設計

對于結構二的BOSA產品，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BOSA產品結構一，則需要將BOSA底座旋轉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，產生了物理矛盾。

受空間分離原理啟發，結合與空間分離原理對應的發明原理17：維數變化和發明原理30：柔性殼體或薄膜，創新設計出BOSA定位夾具，結構示意圖如圖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產品，可以通過可選擇及加工相關零部件實現更大數量的裝夾。通過創新設計BOSA定位夾具，不管哪種BOSA產品，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定位夾具結構示意圖

3.3 BOSA濾波片裝配系統總體設計

在解決上述技術矛盾和物理矛盾的基礎上，設計出了BOSA濾波片裝配系統，并在SOLIDWORKS環境下對該裝配系統進行建模，如圖6所示。該系統結構主要由三個線性模組組成的三軸機械手，貼裝機構，相機，點膠裝置，對中裝置，工件料盤，BOSA夾具組成。點膠裝置由手動調整平臺、線性模組、兩個氣缸驅動，實現兩個點膠針筒的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濾波片裝配系統總體設計三維圖

4 結論

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的貼裝機構和定位夾具進行分析，發現并解決了其技術矛盾和物理矛盾，創新性設計了一種BOSA濾波片裝配系統，原創性高，結構緊湊，具有較高的可行性和實用價值，為相關產品創新設計和結構優化提供了新的思路。該濾波片裝配系統并沒有完全自動化，需要多對一配置工人，可以通過設計對應自動化裝置進一步提高裝配效率和自動化程度。

參考文獻：

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[6]趙鋒.TRIZ理論及應用教程[M].西安:西北工業大學出版社, 2010.