1.應用背景

在行業(yè)內，傳統(tǒng)的光通訊器件封裝技術，一般是通過UV膠將器件在結合面處粘接固定起來，先是將UV膠點到器件結合處，再通過紫外線燈照射固化。這種器件連接方式，存在許多缺陷，比如，固化深度有限；受器件幾何形狀限制；紫外線燈照射不到的地方膠不會固化。既要有點膠裝置，又要設置紫外燈，使得整個系統(tǒng)機構變得比較復雜，最主要的是在器件實際使用時，由于受熱等因素，會存在上下器件在結合處出現(xiàn)微量的位置偏移，導致器件耦合功率值失常，精度下降，影響產(chǎn)品質量，還有生產(chǎn)節(jié)拍長，效率不高。而采用激光焊接這種新型的焊接技術，其所具備的焊接牢固、變形極小、精度高、速度快、易實現(xiàn)自動控制等優(yōu)點，使之成為光通訊器件封裝技術的重要手段之一。為此，大族激光精密焊接事業(yè)部自主研制一款高速自動耦合激光焊接系統(tǒng)，這是集激光焊接及其工藝技術、自動化控制技術于一體的系統(tǒng)。

2.自動化技術應用

2.1器件自動找平技術

通過傳感器控制技術及電動弧擺機構，來實現(xiàn)光通訊器件的調節(jié)環(huán)（Z環(huán)）和適配器接觸面貼合，即器件自動找平。通常要求兩個面間隙控制在0.01～0.03mm之間。

依照耦合器件工作機理及封裝工藝的要求，調節(jié)環(huán)（Z環(huán)）與適配器接觸面必須貼平，才能滿足器件使用要求。調節(jié)環(huán)（Z環(huán)）是夾持在上夾頭上，上夾頭只做上下移動，不能擺動，定為基準面，所以，如果要求調節(jié)環(huán)（Z環(huán)）與適配器接觸面能有效貼平，就得讓適配器能自動與調節(jié)環(huán)（Z環(huán)）接觸面貼平。適配器夾持在下夾頭上，下夾頭安裝在滑動塊上面，可以順暢滑動，通過上頂氣缸頂起，當Z 軸向下運動，調節(jié)環(huán)（Z環(huán)）壓緊適配器時，下夾頭向下運動（Z 軸的力大于上頂氣缸的力，上頂氣缸氣路安裝有精密減壓閥，可通過精密減壓閥調整上頂力）。當滑動塊上下移動時，高精度位移傳感器檢測到位移量的變化，與此同時，電動弧擺機構按照設定的運動軌跡擺動，當位移傳感器檢測到位移量最小且數(shù)值無變化時，調節(jié)環(huán)（Z環(huán)）與適配器貼平，以上就是器件自動找平機理。自動找平機構詳圖如下：

2.2器件自動耦合技術

我們在2.1中講到器件找平原理，接下來按照工藝流程順序，就要進行器件自動耦合找光，即找到目標光功率值，找到目標光功率值后通過激光自動焊接，完成器件的封裝。

針對光通訊器件焊接的特殊工藝要求，我們采用三軸聯(lián)動精確控制技術，按照規(guī)定的螺旋線耦合軌跡進行找光。由于找光精度極高，所以，我們采用進口超高精度運動元件，實現(xiàn)器件自動耦合找光，即通過XY軸和Z軸差補運動，走螺旋線軌跡來找到上下器件目標光功率值。

自動耦合控制技術有如下特點：

a.耦合采用高性能高精度運動元件，結合我們自主開發(fā)的先進控制軟件耦合算法，達到很高的耦合效率；

b.找平和耦合過程實時顯示分布曲線,目的是能直觀地顯示找平和耦合的過程，只有當標準的、完整的、光滑的正態(tài)分布曲線出現(xiàn)時，才說明找平或耦合達到預期的目標值；

c.單獨操作各個軸的移動和調試，方便測得耦合參數(shù)；

d.友好的軟件操作界面，自動時可根據(jù)不同器件的工藝編寫不同的程序（F-Basic編程，簡單易學），并可保存下來方便客戶下次調用；

e.耦合參數(shù)設置簡單方便，耦合方式可選（耦合方式包括X軸、Y軸、Z軸單獨耦合，XY兩軸同時耦合，XYZ三軸同時耦合），耦合過程自動完成；

f.焊接頭自動調整，自動實現(xiàn)不同高度、不同直徑器件的焊接；

g.CCD圖像實時監(jiān)控各個焊點，方便客戶實時觀察焊點的情況。

自動耦合機構詳圖如下：

無論是器件自動找平技術還是器件自動耦合技術，都是通過自動化控制技術和相關的思維策略來實現(xiàn)的，為實現(xiàn)自動耦合找光目標，我們精心設計這套精密運動機構，實現(xiàn)六軸聯(lián)動。這套機構還具有一定的柔性功能，可以通過快速切換相應的焊接治具，實現(xiàn)對不同器件的自動耦合焊接。

2.3耦合算法技術

針對光通訊器件找光的精細要求，根據(jù)裝置的運動機理，需研究一種運動軌跡，能快速地找到器件耦合的目標光功率值。為此，我們采用按螺旋線軌跡運動的算法，從規(guī)定的某點開始，XY軸作差補運動，走細分的螺旋線運動軌跡，從內到外以螺旋線運動的方式，直到找到目標光功率值。采用這種方法可以快速地、精確地找到耦合的目標光功率值。通過耦合曲線實時顯示直觀的耦合效果（如下圖）。

3.激光焊接技術應用

激光焊接作為一種高質量、高精度、高效率和高速度的焊接方法，日益受到人們的關注和應用。由于激光的能量密度很高，因此，激光焊接速度快、焊接深度深、熱影響區(qū)小，可實現(xiàn)自動化精密焊接。

3.1激光焊接機

光通訊器件激光封裝技術對焊接機能量分配及能量的穩(wěn)定性要求非常高，要求三路光（或六路光）能量偏差值≤0.03J。為滿足這種要求，我們自主研制一款專用激光焊接機WF80。

3.2焊接工藝研究

a.焊點分布：可同時焊接3槍，圓周方向9個位置的焊點(穿透焊與平焊焊點分布相同）。另外，可自修改程序更改焊點分布情況。

b.可同時做平焊和穿透焊，要求平焊與穿透焊直徑、熔深參數(shù)一致。

c.具有補焊功能，即焊接時不良可直接補焊（設備有這個功能，但使用可選可不選）。

d.焊接完后，功率偏差在5%以內的直通率要求90%以上，老化測試后的直通率要求不變化。

e.焊點直徑大小0.4～0.7mm；焊點熔深大小0.3～0.6mm ；剪切力≥42Kg。

f.通過調整焊接機的能量、焊槍的入射角及精細變焦等工藝參數(shù)，觀察火花的明亮程度和聽激光打在器件上的聲音，來初步判斷焊接的效果。最終，通過測試器件焊斑大小、熔深的的大小來判斷器件是否滿足要求。

4.應用分析

激光焊接技術在光通訊行業(yè)上的應用其實并不是特別新奇，在這個領域，韓國和臺灣已經(jīng)有自動耦合設備投入市場，但是，由于他們設備價格偏高，國內許多用戶難以適應，再加上光通訊器件對焊接設備精度和激光焊接工藝要求越來越高，就要求設備更加精量化，更加穩(wěn)定可靠易操作，所以，進口設備也面臨著諸多挑戰(zhàn)。所以，為滿足市場需求，基于大族激光精密焊接事業(yè)部在激光焊接及自動化控制技術領域的領先優(yōu)勢，我們研制了一款高速自動耦合激光焊接系統(tǒng)。

從焊接工藝性的角度看，激光焊接技術在光通訊器件封裝上的應用相對比較成熟，但是，從自動耦合技術到焊接工藝還有很大的提升空間。耦合機構如何能做到更加簡單可靠，夾持器件的夾具如何能做到快速切換、精準定位，耦合算法如何更加簡潔，這些都需要不斷創(chuàng)新完善，來提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及機器調試可操作性。期望通過研發(fā)能力的不斷提升，將先進的技術融入研發(fā)設計中，從而來保證機器性能的領先性。