具有全方位容错功能的MEMS光开关微装配系统关键技术研究

Due to lack of effective compensation methods for in-plane and off-out-plane assembly errors, current techniques used in the assembly of MEMS optical switches often lead to a high contact force in insertion of optical fibers,causing damages to devices or misalignment to light paths. To address this problem, this project proposes a novel microassembly system which is able to effectively compensate all possible assembly errors. Based on such a concept, a methodology for design and optimization of a multi-DOF distributed compliant mechanism will be systematically established, a compliant mechanism that can be used for both active and passive assembly will be developed, and a micro-gripper with the rubbing operation function and the gripping force controllable capability will be invented to handle the optical fiber and align its phase. The validity of the research approach will be assessed through the system prototype and experiments. With the established multi-axis errors-accomodated miceoassembly system, the project will provide a cost-effective solution to the assembly of MEMS optical switches with U-grooves, and will ultimately lay a solid foundation for assembly automation and mass production. The most important are that the insights obtained from the project through studying the key technologies of MEMS optical switch micro-assembly system will improve the assembly theory of MEMS optical switches, and promote research and development of other relevant disciplines.

针对MEMS光开关装配过程中由于缺少有效的平面和离面装配误差的补偿方法，导致光纤插入时接触力过高，造成器件损坏和光路准直缺陷等问题，提出了一种具有全方位容错功能的新型微装配系统，实现了对装配过程中所有可能的装配误差的有效补偿。在此基础上，系统地建立了一套多自由度分布式柔性机构的设计与优化方法，开发了一个能同时用于主、被动装配的柔性机构。同时，还设计了一种具有搓动微操作功能且夹持力可控的微夹钳装置，用于对光纤进行拾取和相位对准操作。项目通过搭建基于柔性机构的、具有大范围多轴容错功能的U型槽MEMS光开关微装配系统，并借助实验验证其有效性，解决了MEMS光开关的低成本装配问题，为实现MEMS光开关装配的自动化与批量化打下了良好的基础。项目的主要意义是通过MEMS光开关微装配系统的关键技术的研究，完善MEMS光开关装配的理论，并推动其它相关学科的研究和发展。

本课题深入分析和研究微装配设备的基本工作原理，针对MEMS光开关装配过程中由于缺少有效的平面和离面装配误差的补偿方法，导致光纤插入时接触力过高，造成器件损坏和光路准直缺陷等问题，提出了一种具有全方位容错功能的新型微装配系统，实现了对装配过程中所有可能的装配误差的有效补偿。该系统主要包括一套具有远程运动中心的主动平行对准装置、一套用于补偿剩余装配误差的被动RCC柔性对准装置以及一套具有夹持和搓动功能的新型微夹持器。复合式对准系统全部基于柔性机构设计实现，由于柔性机构内在的线性度好、无摩擦和无需润滑等优点，该对准系统具有较高的调整精度。另外，主动平行对准系统采用了基于平行四边形的运动运动中心设计，这保证了在进行倾角误差补偿的同时不会产生新的平面位置误差。被动RCC柔性对准装置的设计采用了上下两层串联式的方案，这可以保证机构整体的RCC交于一点，从而实现五轴运动的解耦。.通过对主、被动柔性对准机构进行刚度分析和结构优化，使复合式对准系统最终可补偿±2mm水平位置误差、±3°平面转动误差以及最大约±1.5°的倾角误差。此外，我们提出了一种具有夹持和搓动功能的新型微夹持器设计方法，该微夹持器具有非对称构型，结合多级机械式位移放大机构、能够实现大行程、高精度的夹持和搓动操作。最终，利用该样机实现了对直径200um光纤的有效夹持和相位对准操作，并且成功实现了与MEMS光开关的插入装配。项目将为我国在精密微装配系统的设计和开发方面提供理论支撑和技术支持，为实现MEMS光开关装配的自动化与批量化打下了良好的基础。目前共发表SCI源的国际期刊论文19篇，EI论文13篇，申请发明专利10项（已授权9项）。通过该项目，共培养了5个博士生和7个硕士生。