信息技術在特種光纖與元器件制造中的應用研究

任曉嬌　鐘九金　潘得文　付志華

摘? 要：光纖排列組合是信息通信用特種光纖與元器件生產(chǎn)制造過程中的一個重要工步。行業(yè)內(nèi)普遍采用單一人工操作，對排列好的硬光纖毛坯進行捆扎收緊，使其成為一體，再進行低溫真空熔壓。通過研究傳統(tǒng)捆扎制造工藝，對捆扎過程中的各個動作進行逐一攻關，最終設計并實現(xiàn)一整套自動化捆扎技術。文章還進一步研究信息技術在特種光纖與元器件制造中的應用，對同類產(chǎn)品制造工藝升級具有重要的參考意義。

關鍵詞：信息通信；捆扎；特種光纖

中圖分類號：TP39；TN605 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）11-0167-05

Research on Application of Information Technology in Manufacture of Special Optical Fiber and Components

REN Xiaojiao， ZHONG Jiujin， PAN Dewen， FU Zhihua

（Guangzhou Honsun Opto-Electronic Co.， Ltd.， Guangzhou? 510900， China）

Abstract： The arrangement and combination of optical fibers is an important step in the manufacturing process of special optical fibers and components for information communication. In the industry， a single manual operation is commonly used to bundle and tighten the arranged hard optical fiber blanks， making them a whole， and then perform low-temperature vacuum melting and pressing. By studying the traditional bundling manufacturing process and tackling each action in the bundling process one by one， a complete set of automated bundling technology is ultimately designed and implemented. This paper further studies the application of information technology in the manufacturing of special optical fibers and components， which has important reference significance for upgrading the manufacturing process of similar products.

Keywords： information communication; bundling; special optical fiber

0? 引? 言

光纖傳像元件是信息通信用特種光纖與元器件中的一種，是由數(shù)千萬根光纖經(jīng)多次組合拉制、排列、熔壓、扭轉(zhuǎn)或拉伸而成的具有一定厚度的硬性光纖元件。光纖傳像元件主要應用于軍事微光夜視領域，制造工藝非常復雜，約二十余個工序，對質(zhì)量要求極高。排列工序?qū)崿F(xiàn)的是把數(shù)千根硬質(zhì)復合光纖有序組合到特定工裝中[1]，捆扎的功能就是使排列好的硬光纖毛坯定型，并脫離工裝進行流轉(zhuǎn)。在實際的生產(chǎn)制造中，捆扎主要有兩種方式，分別是人工捆扎和機械捆扎。我們在這兩種捆扎方式的基礎上，開發(fā)了自動化捆扎技術并已投入使用。

1? 人工捆扎在實際生產(chǎn)中的應用情況

人工捆扎需要兩個人員的配合才能完成捆扎。首先，一個人用手握住裝有定位毛坯的模具，另一個人將待捆扎的毛坯伸入模具進行第一段捆扎；然后將毛坯拉出小段，再根據(jù)定位毛坯的提示進行第二、第三段捆扎，完成捆扎后從模具中完全拖出，檢查頭尾轉(zhuǎn)換方向；最后，拿著模具的人員放下模具，對著頭尾轉(zhuǎn)換好的毛坯進行最后一道捆扎。

在這種方式下，一個人需要托住工裝和光纖毛坯，并按照特定距離不斷移動毛坯直至捆扎完成；另一個人則需要執(zhí)行“取線—繞線—打結”幾個步驟。捆扎過程中需要注意幾點：托舉高度合適、繞線力度適中、打結力度和圈數(shù)適當。其中，繞線力度的拿捏是非常關鍵的，力度過大容易造成內(nèi)部光纖擠壓破損，力度太小會導致線松，捆扎質(zhì)量受個人因素影響較大。

2? 機械代替純?nèi)斯し椒ǖ难芯亢蛯嶋H應用情況

2.1? 研究思路

正是由于人工方法制造產(chǎn)品存在痛點，我們前期開展一種代替人工的機械裝置研究[2]。首先，確定研究目的是減少一個人工，用一個人和一套機械裝置相互配合的方式實現(xiàn)效率提升。其次，重新分析捆扎過程的必要步驟，共有“托舉、移動、取線、繞線、打結”五個環(huán)節(jié)。再次，打亂原來2人分工負責的部分，重新分工?，F(xiàn)有工藝下，一人負責“托舉”和“移動”功能，其余工序由另一人負責。經(jīng)過對比分析，最終思路是機械裝置實現(xiàn)托舉，人工實現(xiàn)后續(xù)四個步驟即方案1，如表1所示。

2.2? 裝置的應用情況

該裝置設計的目的有兩個：一是減少人員的安排；二是穩(wěn)定特種光纖與元器件毛坯捆扎的質(zhì)量。實際使用中，我們進行了大量的試驗，裝置輕巧，一人即可操作，很容易被使用者接受。裝置的投入，也減少了后續(xù)捆扎工步的人員培訓難度。

如圖1所示，使用該裝置進行毛坯捆扎時，需要注意以下幾點：

1）采用粘塵墊將裝置與平整的工作臺面固定，盡可能保證與臺面邊緣平行，且夾具靠外邊緣與桌面邊緣距離在50 mm以內(nèi)。

2）使用前將所有的水平夾具鎖扣置于打開狀態(tài)。

3）將第二模具的尺寸調(diào)整至合適的范圍，并將第二模具放置在第二凹槽位，將第三鎖扣固定。

4）每天使用前對膠墊高度進行檢查。檢查方法：將裝有邊絲毛坯的模具放置在第一凹槽位，將第一、第二鎖扣搖下，鎖定。用手指輕微擺動毛坯，觀察毛坯的位移情況，反復調(diào)整壓毛坯的膠墊高度至毛坯無明顯位移為止。力度適中時，固定膠墊高度，取出檢驗模具和毛坯。

5）捆扎毛坯，完成一處捆扎后，移動到下一位置，完成另一處捆扎，如此往復下去，完成毛坯的捆扎。

6）將毛坯首尾調(diào)換方向，并放置在第二模具中進行捆扎。

1—底板；3—支柱；4—螺絲；6—第二模具；7—毛坯；21—第一鎖扣；22—第二鎖扣；23—第三鎖扣；24—第四鎖扣；51—槽位1；52—槽位2。

通過對上述裝置的深入研究和反復實踐，最終可以達到預期效果，如表2所示。

使用該裝置時，單位工時人工產(chǎn)出為26件，現(xiàn)有工藝單位工時人均產(chǎn)出為16件，相比之下，人均單位工時產(chǎn)能提升62.5%，可以實現(xiàn)單人操作。

上述機械裝置使用過程中，人工動作依然較多，存在兩個不足：一是在與未來的毛坯自動化排列設備銜接方面，仍需要人工參與，很難在脫離人的情況下協(xié)作運行；二是如果作為單獨捆扎使用，也很難進一步提升產(chǎn)能，有必要開展毛坯捆扎自動化技術研究。

3? 信息技術在毛坯自動化捆扎中的應用研究

3.1? 研究思路

在研究初期，將自動化技術所要實現(xiàn)的功能進行分解。研究發(fā)現(xiàn)，任何一套自動化系統(tǒng)都是由若干零件組成一個機構，若干機構組成一個系統(tǒng)，若干系統(tǒng)組成一個整體設備[3]。于是，將自動化捆扎技術分成5個功能機構來實現(xiàn)。

該技術的研究思路是在機械裝置的基礎上，進一步增加自動的功能。機械裝置的功能中只包含“托舉”一項。我們要在這一功能的基礎上，增加“移動毛坯”“取線”“繞線”“打結”這一套功能。在實現(xiàn)自動化控制的基礎上，可進一步實現(xiàn)多組自動化設備數(shù)據(jù)互聯(lián)，進行后臺采集和處理，進一步研究信息技術的融合[4]。

3.2? 自動化技術方案研究

首先逐個分解每個功能，與基礎零件一一對應，用基礎零件組合成一個機構，再用機構組成一個自動化系統(tǒng)。例如，對于“移動毛坯”功能，就可以相對應地研發(fā)上下料技術系統(tǒng)，包含移動模組、促使移動的電機或氣缸，以及固定毛坯的機械件，這就組成一個功能機構。相同地，其他功能機構也可以組建出來。眾多功能機構共同配合自動化控制系統(tǒng)，就構成了一整套技術方案。

根據(jù)對功能機構的分析分解，明確了技術方案的研究內(nèi)容：

1）毛坯上下料系統(tǒng)研究。一種能自動進給料的技術，可實現(xiàn)非人工參與下自動完成同一毛坯的多段捆扎。

2）毛坯纏繞技術研究。一種能夠帶動鋼線圍繞毛坯轉(zhuǎn)動的機構，并且能夠使鋼線對毛坯施以合適的束縛力。

3）打結技術研究。一種可替代人工，在毛坯表面進行打結的技術，該技術重點解決鋼線打結力度問題，提供合適的打結圈數(shù)，以及在合理的位置剪斷鋼線。

4）毛坯捆扎自動化控制系統(tǒng)研究。重點實現(xiàn)對上下料、纏繞、打結動作的控制，從而完成一個毛坯多道鋼線的捆扎。對方案進行了研討和優(yōu)化，如圖2所示。

3.3? 關鍵技術研究及難點分析

3.3.1? 毛坯上下料系統(tǒng)

難點：每段屏需要捆扎多道鋼線，如何實現(xiàn)自動遞送？

解決方案：設計送料機構和將毛坯從模具中取出的輔助機構，如圖3所示。

3.3.2? 毛坯纏繞技術

難點：每道鋼線需要纏繞多圈，如何實現(xiàn)？使纏繞的每圈鋼線不重疊，如何實現(xiàn)？如何保證纏繞鋼線的松緊度？如何保證纏繞后毛坯結構的緊密性？

解決方案：設計繞線機構，可模擬現(xiàn)有生產(chǎn)繞線方法，繞線力度需要可調(diào)控以確保松緊度及毛坯結構的緊密性，如圖4所示。

3.3.3? 鋼線打結技術

難點：如何實現(xiàn)鋼線的自動打結？

解決方案：可設計夾爪來模擬人手打結，如圖5所示。

3.3.4? 毛坯捆扎自動化控制系統(tǒng)

難點：對上下料、纏繞、打結動作的控制，如何達到最佳狀態(tài)？

解決方案：不斷調(diào)整程序和參數(shù)進行反復試驗，以達到最佳運行狀態(tài)。

要想讓技術方案能夠充分發(fā)揮效用，上述關鍵技術和難點就要一一突破，各個控制模塊按動作順序相連接組成一套自動化控制系統(tǒng)，動作如圖6所示。

3.4? 方案實施要點

3.4.1? 自動運送技術研發(fā)

操作人員把模具放入初始位置后，實現(xiàn)用電機模組帶動排屏模具及毛坯前進，并通過氣缸模組壓緊產(chǎn)品，配合自動化控制程序?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的自動前進和后退，方便操作人員在同一個位置上下料。為配合自動化技術的實現(xiàn)，我們研究采用專用的配套模具，即2.2中提及的第四夾具，如圖7所示。

實際應用中，該部分功能模塊與模具、產(chǎn)品的配合很是關鍵。尺寸和力度需要根據(jù)模具尺寸、產(chǎn)品尺寸和形狀進行相應的調(diào)整，務必保證能夠壓緊產(chǎn)品且不會對產(chǎn)品造成損傷。

3.4.2? 纏繞技術研發(fā)

研究采用獨特的旋轉(zhuǎn)方式及配套自動化控制程序，繞線電機從原點開始順時針旋轉(zhuǎn)指定距離后將鋼絲拉到適當位置。我們對繞線半徑大的問題進行幾輪研討和攻關，最終決定采用此方案實現(xiàn)將繞線半徑減小到接近產(chǎn)品對邊尺寸，如圖8所示。

3.4.3? 鋼線打結技術研發(fā)

我們開發(fā)一款適宜尺寸的機械手，模擬人手旋轉(zhuǎn)打結。通過程序控制，打結機構實現(xiàn)的動作順序為，打結組件前手夾緊氣缸下來夾住線頭，對產(chǎn)品進行壓緊，繞線電機從原點開始順時針旋轉(zhuǎn)指定距離后，將鋼絲拉到尾部，夾緊氣缸后夾手夾緊線頭另一端，然后打結機構整體旋轉(zhuǎn)適當?shù)木嚯x，如圖9所示。

3.4.4? 捆扎自動化控制系統(tǒng)

按照“托舉”“移動”“取線”“纏繞”“打結”的步驟完成一整套自動化控制。自動化控制系統(tǒng)控制圖如圖10所示。

3.4.5? 信息技術在自動化捆扎技術中的應用

在上述研究中，實現(xiàn)了特種光纖元器件的自動化捆扎。目前，通過人工操作方式，已經(jīng)將捆扎過程數(shù)據(jù)成功錄入到企業(yè)研發(fā)的后臺管理MES系統(tǒng)中，為信息技術的進一步應用奠定了基礎。MES系統(tǒng)在生產(chǎn)制造中使用非常廣泛，旨在加強企業(yè)計劃執(zhí)行能力。后續(xù)可考慮將自動化捆扎控制系統(tǒng)與后臺MES管理系統(tǒng)進行深度的融合，加強信息技術在捆扎技術中的應用程度。企業(yè)MES信息管理系統(tǒng)如圖11所示。

3.4.6? 取得成效

研究表明，捆扎自動化系統(tǒng)包含自動上下料機構、自動繞線機構、自動打結機構等重要組成部分，實現(xiàn)了產(chǎn)品自動化托舉和產(chǎn)品自動化移動。

我們從人工捆扎到機械捆扎，再到自動化捆扎，逐步實現(xiàn)了單人操作機械裝置、一人操作多臺自動化設備的技術升級。但自動化技術的實現(xiàn)并不是一蹴而就的，每一步的研究相互鋪墊，相輔相成。

自動化技術研發(fā)首先要允許有一定的容錯性，寄希望于所研究的技術近乎完美，而后才考慮落地實施，特別像我們傳統(tǒng)制造業(yè)的制造工藝升級，行業(yè)都是從零開始，這可能需要多耗費5年、10年才能實現(xiàn)如今的技術升級，而且難度大大增加，事倍功半。研究中，我們首先做到用簡單機械裝置替代人工，落地實施，再研究以一種自動化捆扎系統(tǒng)替代機械化裝置，再落地應用，這樣會達到事半功倍的效果。后續(xù)計劃用3年、5年時間開展上下工序的自動化技術研究，最終才能在生產(chǎn)中逐步搭建互聯(lián)互通的系統(tǒng)。研究得出，自動化技術研究取得成效后應該做到應用盡用，這樣才能使研究團隊快速獲得使用過程大數(shù)據(jù)，進而不斷地優(yōu)化升級，逐次研發(fā)二代、三代、四代。從零件到機構，從單機運動到多機聯(lián)動，讓信息技術在自動化技術的研發(fā)、使用過程中形成良性循環(huán)，相互促進，這才能讓自動化與信息技術的研究之路走得更穩(wěn)，更切合實際，最終為企業(yè)帶來豐厚效益[5]。

4? 結? 論

通過研究和應用自動化捆扎技術，操作人員可以同時操作多臺設備，進一步實現(xiàn)了降本增效，不僅可以緩解企業(yè)快速發(fā)展過程中過度依賴人工效率低下的問題，而且對操作人員的技能要求也有所降低，縮短了培訓周期。自動化捆扎技術的研發(fā)可為后續(xù)信息技術的應用奠定堅實的基礎，有助于將來與上下道工序自動化系統(tǒng)聯(lián)動，逐步實現(xiàn)工藝升級。研究中還提出了信息管理系統(tǒng)與自動化捆扎技術相融合的思路和建議，為信息技術在自動化捆扎中的進一步應用提供了重要參考。

參考文獻：

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作者簡介：任曉嬌（1987.06—），女，漢族，吉林洮南人，工程師，碩士研究生，主要研究方向：特種光纖與元器件產(chǎn)品研發(fā)。

收稿日期：2023-01-09