摘" 要：復(fù)合光纖通常是由成千上萬根的單光纖經(jīng)過多次排列組合和拉制而成的。在運用復(fù)合光纖制作與光纖面板同系列傳像產(chǎn)品的過程中，有一個重要的工步是將長光纖分段成若干短光纖。目前采用的光纖分段技術(shù)效率低下，分段后光纖斷面的質(zhì)量一致性不足。為此，文章通過對現(xiàn)有工藝中多種光纖切割分段方式的研究，提出一種自動化連續(xù)切割和分段技術(shù)方案。結(jié)果表明，該方案適用可行，有望通過該方案提升光纖斷面平整度，為企業(yè)節(jié)約同類產(chǎn)品的制造成本，向自動化制造邁進一大步。

關(guān)鍵詞：復(fù)合光纖；切割；分段；自動化

中圖分類號：TP391.4" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）12-0005-05

Research on Cutting and Segmentation Technology for Compound Fiber

REN Xiaojiao， HE Xiangping， YU Xinchao， WU Yiwen

（Guangzhou HONSUN Opto-electronic Technology Co.， Ltd.， Guangzhou" 510900， China）

Abstract： Compound fiber are typically made up of tens of thousands of single fibers that have been arranged， combined， and drawn multiple times. In the process of using compound fibers to produce image transmission products of the same series as fiber optic panels， an important step is to segment the long optical fibers into several short optical fibers. The current fiber segmentation technology is inefficient， and the quality consistency of the segmented fiber cross-section is insufficient. Therefore， this paper proposes an automated continuous cutting and segmentation technology scheme by studying various fiber cutting and segmentation methods in existing processes. The results indicate that the scheme is applicable and feasible， and it is expected to improve the flatness of the fiber cross-section through this scheme， saving manufacturing costs of similar products for enterprises and taking a big step towards automated manufacturing.

Keywords： compound fiber; cutting; segmentation; automation

0" 引" 言

光學(xué)纖維由芯層和包層組成，芯層和包層都屬于玻璃材料的光纖可稱作玻璃光纖。剛剛開始研發(fā)制造光纖面板時，對該類玻璃光纖切割分段技術(shù)的要求并不高，行業(yè)內(nèi)普遍采用電熱絲切割，該方法仍沿用至今。隨著我國工業(yè)化水平的不斷提高，新的切割技術(shù)大量涌現(xiàn)，如激光切割、線切割、超聲波切割等[1-6]。以上方式雖然都可以將光纖分段，但不同加工方式對分段后光纖端面質(zhì)量的影響程度大不相同。目前除了應(yīng)用電熱絲切割技術(shù)外，還研發(fā)了適用于切割光纖的激光切割平臺并投入使用。兩種方法各有優(yōu)缺點，但都不能同時滿足光纖斷面質(zhì)量高一致性、零接觸、高效切割分段、人工成本低的要求。本課題就是針對現(xiàn)有技術(shù)以上方面的不足開展研究，以期找到一種可行技術(shù)方案并能投入生產(chǎn)使用[7-9]。

1" 人工切割分段的實際應(yīng)用情況

目前，行業(yè)內(nèi)采用的一種光纖分段工藝是，將加熱電熱絲與二次復(fù)合光纖接觸之后，光纖在接觸的位置會形成一個凹痕，人手緊握住二次復(fù)合光纖凹痕兩側(cè)，均勻施力，從而使二次復(fù)合光纖在凹痕處斷裂。這種工藝在大規(guī)模生產(chǎn)時逐漸暴露其痛點：一是人工單次切割分段的光纖不多于50根，切絲效率低；二是分段后的短絲端面不夠平整，毛刺長短不一，需要借助其他輔助工具進行二次處理，處理后在毛刺處又形成了新的崩口；三是全程需要人手與光纖密切接觸，難以避免污染的產(chǎn)生。

使用電熱絲對光纖進行切割分段的方法由來已久，從國產(chǎn)光纖面板生產(chǎn)伊始沿用至今，主要原因是使用的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，易于維修。隨著切割設(shè)備的不斷更新，技術(shù)迭代已勢在必行。

2" 半自動化技術(shù)研究和應(yīng)用情況

針對現(xiàn)有光纖切割技術(shù)的不足，我們研究一種通過激光切割配合機械分段來實現(xiàn)連續(xù)光纖切割分段的方法，并申請了專利[10]。我們嘗試用不同激光光源、不同功率和不同的作用時間對光纖進行切割，并用高倍顯微鏡觀察分段后的光纖發(fā)現(xiàn)，在使用紫外光源激光的情況下，當輸出功率在40%～65%、速率在70～80 mm/s區(qū)間時，可獲得較好的切割斷面效果。激光切割相比電熱絲切割，痕跡寬度會更窄，深度相差不大。

我們將使用激光切割技術(shù)和電熱絲切割技術(shù)，分段由人工完成，按照常規(guī)工藝進行控制，分段后的光纖再經(jīng)過有序排列形成光纖面板毛坯，如圖1所示。激光切割所得到光纖斷面的崩口和毛刺較少，平整度相較于電熱絲切割有一定的提升。經(jīng)過評估，激光切割分段技術(shù)具有如下優(yōu)勢：第一，光纖斷面質(zhì)量一致性有所提升；第二，相較于電熱絲切割，光源與光纖可利用區(qū)域無接觸，減少了光纖之間的相互摩擦；第三，用于光纖的切割，配合人工完成光纖分段，工作效率有所提高。因此，該技術(shù)可以提高生產(chǎn)效率，特別是對于切割需要大量光纖的大尺寸產(chǎn)品效率提升尤為明顯。

除此之外，激光切割技術(shù)在批量生產(chǎn)光纖時也存在不足。第一，主要器件為激光光源，采購成本高，維修成本也高；第二，該技術(shù)方案目前還只能應(yīng)用在光纖自動化切割環(huán)節(jié)，分段還是需要人工來完成，光纖斷面的質(zhì)量一致性和切割效率有待進一步的研究。所以該技術(shù)只適用于部分產(chǎn)品用光纖的自動化切割。

3" 自動化連續(xù)切割分段方法的研究

3.1" 研究思路

無論是電熱絲切割技術(shù)，還是激光切割技術(shù)，都是在實現(xiàn)全自動連續(xù)切割和分段上遇到了瓶頸，需要對自動切割技術(shù)、自動分段技術(shù)進行更加深入的研發(fā)，以期在保證光纖斷面質(zhì)量的同時，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本。全自動連續(xù)切割分段既要實現(xiàn)數(shù)百根物料同時上料和切割，又要實現(xiàn)數(shù)百根物料同時分段。

按照以上研究思路，連續(xù)切割分段的動作流程為：

1）上料。將若干根光纖從左到右依次擺放到料盤上。

2）轉(zhuǎn)運。取料機構(gòu)將光纖從料盤中取出，運送至切割機構(gòu)，可多次、定長運送光纖。

3）切割。在光纖上進行劃切，留下切割痕跡并且要保證光纖不斷開。

4）分段。將有切割痕跡相互連接的光纖在痕跡處分段，使長光纖分離為多段等長短光纖。

5）下料。將分離開的光纖有序擺放在下料料盤上。

6）各機構(gòu)按設(shè)定重復(fù)以上操作，可實現(xiàn)光纖連續(xù)切割分段。

3.2" 技術(shù)方案設(shè)計

為實現(xiàn)連續(xù)切割和分段，需要研發(fā)一個新平臺。該平臺需具備如下三個機構(gòu)：

1）上下料機構(gòu)。自動化運行，取放光纖數(shù)量需較現(xiàn)有工藝多2倍。

2）切割機構(gòu)。長光纖切割需要進行定長切割，切割數(shù)量與上下料數(shù)量相匹配。

3）分段機構(gòu)。對切割后的光纖進行分段，分段數(shù)量與上述機構(gòu)匹配，斷面平整，毛刺長度≤0.5 mm。

平臺各個機構(gòu)之間由運動模組進行銜接和轉(zhuǎn)運。

3.3" 關(guān)鍵技術(shù)和難點

連續(xù)切割分段技術(shù)的功用就是自動切割和自動分段，主要技術(shù)要點如下：

1）切割機構(gòu)。切割痕跡寬度和深度合適，切割力度合適，既要避免力度過小沒有切割痕跡，又要避免力度過大使光纖在分段前斷裂，確保動作連續(xù)。

2）分段機構(gòu)。若要實現(xiàn)分段后光纖斷面平整度一致性高，需要將夾持力度作為一個重要的考量要素。

3）上下料機構(gòu)。相同時間內(nèi)上下料數(shù)量較現(xiàn)有工藝至少多2倍，需要對盛放空間進行專門的設(shè)計。

3.4" 光纖自動化切割分段技術(shù)研究

3.4.1" 供料系統(tǒng)研究

供料系統(tǒng)包括供料升降、接料移載、送料步進三個子系統(tǒng)，分別對應(yīng)Z軸、Y軸、X軸的供料動作。動作要實現(xiàn)把光纖運送到設(shè)定的切割位。待切割光纖產(chǎn)品擺放至供料升降機構(gòu)對應(yīng)位置再開始動作。動作流程為：

1）供料軸運動至待取料的Z軸層數(shù)。

2）接料移載機構(gòu)沿Y軸運行至供料軸區(qū)域取到光纖，出料。

3）送料機構(gòu)夾緊氣缸夾持光纖頭端，開始沿X軸向前送料，直至將光纖送至待切割位置才停止。供料系統(tǒng)可實現(xiàn)單次取料150根光纖，較電熱絲切割工藝增加2倍以上。供料系統(tǒng)界面示意圖如圖2所示。

3.4.2" 切割分段系統(tǒng)研究

切割分段系統(tǒng)包括切割機構(gòu)、移位機構(gòu)、移載機構(gòu)三個子系統(tǒng)，分別對應(yīng)光纖切割、光纖分段、光纖轉(zhuǎn)移的動作。該部分動作連接上述供料動作，實現(xiàn)按設(shè)定的長度來切割和分段待切割長光纖，并將分段后的短光纖轉(zhuǎn)移至合適位置。待切割光纖產(chǎn)品由供料系統(tǒng)運送至對應(yīng)位置再開始動作。動作流程為：

1）切割機構(gòu)切割刀在氣缸帶動下沿Y軸運動，與光纖表面接觸并留下切割痕跡，光纖不斷裂。

2）供料機構(gòu)繼續(xù)帶動光纖沿X軸向前運送，直至第一段切割痕跡到達移位機構(gòu)位置，同時切割刀切割第二段光纖。

3）移位機構(gòu)通過氣缸運動對已切割的光纖進行壓斷。

4）移載機構(gòu)夾持住壓斷后的第一段光纖，轉(zhuǎn)移至合適位置。

分段后光纖毛刺長度≤0.5 mm，斷面平整度有所提升，單次分段數(shù)量多達150根，較原工藝提高了2倍。切割分段系統(tǒng)界面示意圖如圖3所示。

3.4.3" 擺盤系統(tǒng)研究

擺盤系統(tǒng)包括一個能夠沿X、Y、Z軸三向運動的機構(gòu)控制系統(tǒng)。擺盤機構(gòu)接到上述移載機構(gòu)的光纖，按設(shè)定位置依次擺放到放料系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)料盤上，以此保證光纖不重疊、不碰撞。這一過程（包含取料過程和放料過程）和切割分段機構(gòu)相協(xié)同，不僅要取到光纖，還要使轉(zhuǎn)移過程效率最大化。擺盤系統(tǒng)界面示意圖如圖4所示。

3.4.4" 放料系統(tǒng)研究

放料系統(tǒng)主要包括收料升降機構(gòu)、收料移載機構(gòu)和托盤旋轉(zhuǎn)機構(gòu)三個子系統(tǒng)。要實現(xiàn)兩個功能，一是將空料盤擺放至擺盤機構(gòu)，二是將放滿料的料盤轉(zhuǎn)運回收料機構(gòu)。動作流程如下：

1）收料升降機構(gòu)包括多層擺放架（放置多個料盤），其首先升降至待擺放料盤層的對應(yīng)位置。

2）收料移載機構(gòu)帶動該層空料盤沿X軸運送至旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，將空料盤放下。

3）旋轉(zhuǎn)機構(gòu)在適當?shù)臅r機開始旋轉(zhuǎn)，目的是允許擺盤機構(gòu)將光纖擺放到料盤的不同位置，以充分利用料盤空間，使整個料盤在各個方向上都擺滿光纖。

4）收料移載機構(gòu)帶動盛滿光纖的料盤返程，運行至該料盤所在層的對應(yīng)位置。

5）收料升降機構(gòu)繼續(xù)升降到其他層，重復(fù)上述動作。至此，整個系統(tǒng)工作流程結(jié)束。放料系統(tǒng)界面示意圖如圖5所示。

以上過程均為自動化作業(yè)，工作人員只需在設(shè)備開始運行前上料，并設(shè)定各過程的工藝參數(shù)即可實現(xiàn)全程自動化操作，省卻了人工拿取、切割、掰斷過程。自動化操作的實現(xiàn)降低了工作人員的勞動強度，縮短了新員工的培訓(xùn)周期。傳像用玻璃光纖由于其材質(zhì)較脆，人工操作過程中每時每刻都要注意防護，本研究通過自動化作業(yè)減少人工參與環(huán)節(jié)，盡可能減少人工操作對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

3.4.5" 自動化連續(xù)切割分段技術(shù)取得成效

目前，已經(jīng)實現(xiàn)了自動化切割和自動化分段兩大關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，分析了關(guān)鍵機構(gòu)的重要參數(shù)范圍。主要完成了以下研究：

1）自動化切割。研究得到合適的痕跡寬度和深度范圍。

2）自動化分段。分段后光纖毛刺長度≤0.5 mm，斷面平整度有所提升，單次分段數(shù)量達150根，較原工藝提高了2倍。

3）研究了上下料機構(gòu)，相同條件下，上下料數(shù)量約150根，較電熱絲切割工藝提高了2倍。

4）設(shè)計一整套自動化控制系統(tǒng)，制作了樣機。供料系統(tǒng)、切割分段系統(tǒng)、擺盤系統(tǒng)和放料系統(tǒng)精密配合，實現(xiàn)了光纖切割分段自動化動作流程?？刂齐娐肥疽鈭D如圖6所示。

自動化連續(xù)切割分段的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)取得了顯著成效，樣機成本遠低于激光切割，作為相同工藝制程中最具推廣可行性的方案，投入批量化生產(chǎn)指日可待。后續(xù)，還需進一步優(yōu)化和創(chuàng)新配套的輔助機構(gòu)，進一步調(diào)試研究各個機構(gòu)的聯(lián)動、人員與設(shè)備的配合。當聯(lián)動達到最優(yōu)值時，效率才能發(fā)揮出來，在實際應(yīng)用中大大節(jié)約了人工成本。

4" 結(jié)" 論

光纖自動化切割技術(shù)是在電熱絲切割、激光切割研究基礎(chǔ)上提出的一種技術(shù)方案。本方案的優(yōu)勢在于，可實現(xiàn)雙面切割和自動分段，不需要人工的參與，使分段后光纖斷面質(zhì)量一致性提升一個臺階。通過對自動化控制系統(tǒng)的研究，可實現(xiàn)從切割到分段的全流程自動化，零人工參與提升了切割分段效率，并且投入成本較低。綜上，光纖自動化切割和分段技術(shù)可解決現(xiàn)有光纖切割技術(shù)中切割效率低、光纖斷面質(zhì)量一致性低、人工接觸易污染光纖的問題，同時在生產(chǎn)成本投入方面進行了特定的設(shè)計。人員投入少、設(shè)備成本低，力爭實現(xiàn)投入產(chǎn)出比的最大化，因此該方案具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣空間。

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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，研究方向：特種光纖與元器件產(chǎn)品研發(fā)。