روش تحقیق اتوماسیون تطبیقی فیبر نوری با چند درجه آزادی ، به روش اصلاح شده سیمپلکس

اتوماسیون تطبیقی فیبر نوری با چند درجه آزادی ، به روش اصلاح شده سیمپلکس

خلاصه :

 اتوماسیون تطبیقی فیبر نوری یکی از راهها برای کاهش هزینه های پروسۀ بسته بندی در ساخت قطعات فیبر نوری است . که منجر می شود به همگرایی سریعتر و اجرای آسان تر روش اصلاح شدۀ King , s (MSM) به نظر مناسب می رسد برای اتوماسیون تطبیق فیبر نوری . این متن ارائه می دهد کاربرد این روش را در اتوماسیون تطبیق فیبر نوری در یک فضای 3 بعدی D3 . یک سری از آزمایشات اجرا شده برای تطبیق فیبر جفت شده (کوپل شده) با دیود لیزری (LD) در ماشین های اتوماسیون تطبیقی – مجریان این طرح این روش را آزموده اند و پیرامون یک سری از مسائل نظر داده اند (بحث کرده اند) . این مشخص شده که روش Simplex در مشخص کردن نقطۀ بهینه در فضای 3 بعدی به سختی کار می کند . یک استراتژی (روش) پیشنهاد شده است برای حل کردن این مشکلات  آزمایشات نشان می دهند که نظر ارائه شده می تواند با موفقیت پیک (قله) اصلی را به دست آورد در هر 50 موردی که بر روی 10 جفت مختلف از فیبرهای LD انجام شده است ] بدون در نظر گرفتن موقعیت و اندازۀ نمونه گیری اصلی[  .

مقدمه :

 یک کوپل ( جفت) شدن متراکم و بدون تلفات بین دیود لیزری و فیبر یکی از قسمت های ( بخش های مهم) در ساخت شبکه های فیبری است . هزینۀ پروسه های بسته بندی فیبر نوری یکی از مهمترین مسائل برای سازندگان این قطعات است  . اتوماسیون یک راهی هست برای کاهش هزینه و بنابراین افزایش میل به تولید اتوماسیونن تطبیقی فیبر نوری یکی از انتقادی ترین و چالش برانگیزترین مسائل در تکنولوژی (صنعت) می باشد . در مراحل تطبیق فیبر نوری 6 درجه آزادی (6 معیار) باید در نظر گرفته شود . 3 تا از آن ها هستند محورهای [ z,y,x ] ، 3 تای آنها Pitch , yaw , roll هستند . که به ترتیب با ∝ ،β ،θ نشان داده می شوند . در دهه های اخیر به دلیل وجود داشتن درجه های آزادی بیشتر فرآیند تطبیق را انعطاف پذیرتر کرده است . سرعت ، دقت و تواناییی الگوریتمی که بتواند عمل تطبیق را انجام دهد خیلی مهم است . تطبیق فیبر نوری شامل 2 مرحله است که اصطلاحا ً تطبیق Coavse ، تطبیق Fine نامیده می شود . تطبیق Coavse برای به دست آوردن (اولین روشنایی) First light استفاده می شود . در عمل اسکن فضایی (مارپیچ) یا مربعی و یا دید ماشینی مهمترین و گسترده ترین روشی است که برای تطبیق Coavse انجام می شود . بعد از پیدا کردن  First light پروسۀ تطبیق باید ادامه پیدا کند برای پیدا کردن ماکزیمم تأثیر کوپلی فیبر نوری  . این مرحله به عنوان مرحلۀ تطبیق Fine شناخته می شود . در مباحثی که ارائه می شود ما تمرکز می کنیم بر روی این مرحله از تطبیق . به خاطر اجرای آسان روش hill- climbing گسترده ترین استفاده را در مرحلۀ تطبیق Fine دارد. در صنعت ساخت فوتونی – مهمترین مشکل این الگوریتم این هست که اغلب به دام می افتد در پیک های اشتباه و بنابراین پیک اصلی را از دست می دهد . دومین مشکل این است که این روش برای فضاهای یک بعدی استفاده می شود . این به این معنی است که این الگوریتم فقط می تواند در تطبیق یک بعد در یک زمان کار کند و اگر عدم تطبیق در چند بعد داشته باشید این الگوریتم عمل می کند بر روی هر بُعد بَعد از بُعد دیگر . در نتیجه این روش سخت و زمان بر است برای تطبیق های چند بعدی Mizukami روشی را رائه داده است ] الگوریتم تطبیقی محور نوری[ که از روش همیداتین استفاده می کند . اما این روش شامل حل یک معادله دیفرانسیل دوگانه پیچیده است که متناسب با حرکت سیستم است .

الگوریتم gradient – based (با ارزش ترمی شود)(مفیدتر است) که به کار می برد اطلاعات حرکتی و یک کنترل فازی و این روش توسط  pham et al ارائه شده است اما این روش هنوز نمی تواند بر روی تطبیق های با چند درجۀ آزادی در یک زمان کار کند . روش بهینه سازی پیشنهادی بود که توسط Spendly داده شد . این روش بر اساس روش BSM شکل گرفته بود . متأسفانه این روش یک سری مشکلات استاتیکی به همراه داشت به خاطر اینکه نمی توانست سایز و شکلش را به صورت اتوماتیک با سطح پاسخ تنظیم کند . به منظور جبران این مشکل Mead , Nelder  اصلاح کردند روش  BSM  را . و با این اصلاح روش جدید از نظر تنظیم شدن با سطح پاسخ نسبت به روش BSM برتری داشت . این روش MSM نامگذاری شد . ناهمگنی Simplex (سیستمی) منجر به یک سری مشکلات می شد مثل Faild Contraction . (خطای همگرایی ) یک Faild Contraction وقتی اتفاق می افتد که پاسخ رأس همگرایی بدتر از پاسخ متوسط است .

برای حل این مشکل روشی ارائه شد که باز هم  MSM King , s  نام گرفت . که منجر شد به همگرایی سریعتر و اجرای آسان تر . مهمترین هدف مدنظر اتوماسیون تطبیق فیبر نوری بود . برای این کار چندین شبیه سازی عددی برای تطبیق یک LD با یک Side mode اجرا شد . نتایج نشان می داد که این الگوریتم می تواند برای تطبیق یک  6 درجه آزادی اتفاق بیفتد و نتیجه اش کاهش فاحش در زمان بود که 5 برابر سریعتر همگرا می شد نسبت به روش hill – climbing . اولین بار که روش Simplex در تطبیق فیبر نوری انجام شد در Ref [1] نشان داده شده است . در این( (Ref [1] توانایی این الگوریتم در فضایی دو بعدی [x , y]  نشان داده شده که یک MSM ، جفت شده با یک Fibr – Laser . این روش می توانست خودش را با سایزهای مختلف نمونه برداری تطبیق دهد . آزمایشات همچنین نشان می دهند که اجرای این روش هیچ ربطی به موقعیت و سایز Simplex اصلی ندارد .

به خاطر اینکه تطبیق فیبر نوری در یک فضای با چند درجه آزادی انجام می شود مطالعات بعدی در فضای 3 بعدی (x , y, z)  انجام می شود در مرحلۀ تطبیق Coavse روش اسکن فضایی و دید ماشینی به کار گرفته شد برای پیدا کردن موقعیت  First light پس از روش MSM King , s در مرحلۀ بعد استفاده شد برای مشخص کردن max تأثیر کوپلی . یک مسئله ای که وجود داشت این بود که نقطۀ بهینه ای که در فضای دو بعدی (محور y - x ) به دست آمده بود با در نظر گرفتن Z ممکن بود تغییر کند . (نقطۀ بهینۀ سیستم یک وابستگی فضایی دارد) . این ممکن است به خاطر یک سری از فاکتورها رخ دهد مثل عدم تطبیق گوشه ها و یا مشکلات ذاتی لیزر و این اتفاق در هنگام تطبیق معمول است . در عمل مشکل این است که در هنگام پیدا کردن نقطۀ بهینه یا پیک اصلی ممکن است در پیک های اشتباه یا غلط گیر کند . (به قله افتد) به خاطر حل این مشکل ایده ای پیشنهاد شده است تا روش MSM King , s بهبود پیدا کند . آزمایشات نشان می دهد که این روش پیشنهاد شده می تواند جلوگیری کند از قفل شدن در نقاط بهینه غلط در فضای 3 بعدی . در ادامه بحث در بخش 2 روش  MSM  و MSM King , s  توضیح داده می شود در بخش 3 استفاده از روش در آزمایشات بحث می شود .  در آخر نتیجه گیری و کارهای بعدی ارائه می شود.

2. روش Simplex  :

یک  Simplex مشخص می کند یک پوستۀ محدب با N+1 رأس را   که معرف یک فضای N بعدی است .   این پوسته ها جبران می کنند موقعیت های نا همگنی را که مقدار پوستۀ Simplex غیر صفر است . هر بعد با یک متغیر رابطه دارد در رویۀ بهینه کردند . یک 2 بعدی با یک 3 وجهی معادل می شود و یک 3 بعدی با یک 4 وجهی معادل می شود . روش MSM یک الگوریتم تکراری است که شروع می کند کارش را از Simplex اولیه .

که  هستند مقادیر تابع عینی . به خاطر اینکه ما می خواهیم  را مینیمم کنیم  را به عنوان نقطۀ بهینه ،  به عنوان نقطۀ متوسط و  را به عنوان نقطۀ بد در نظر می گیریم . در ادامۀ مراحل نقطۀ بد را کنار می گذاریم و چندین نقطۀ امتحانی بهتر ایجاد می شود و مقادیر تابع اندازه گیری می شود در این نقاط یک Simplex جدید با N+1 رأس شکل می گیرد با به کاربردن قوانینی که در جهت min کردن تابه هستند . در BSM نقطۀ انتخاب شده هست بازتابی از w .

در نتیجه MSM اجازه می دهد به Simplex که امکان دنبال کردن سطح پاسخ را داشته باشد .

R=(1+∝)c - ∝w

در حالی که ∝ هست یک مشخصۀ ثابت برای نرخ بازتاب یا انقباض (جذب) .  در MSM ناهمگنی Simplex منجر به تکرار در Faild  Contract می شود . یک Faild Contraction رخ می دهد وقتی پاسخ رأس همگرایی بدتر از پاسخ متوسط است .

MSM King , s بهبود می بخشد توانایی همگرایی و تأثیر را . این متفاوت است از MSM استاندارد از این نظر که بازتاب از رأس متوسط  Faild Contraction را ایجاد می کند . وقتی بازتاب اولیه نقطه ای را ایجاد می کند که در حالی که پاسخ مطلوبیت کمتری دارد نسبت به نقطۀ B یا NW یک Contraction اتفاق می افتد . یک Contraction ممکن است مثبت یا منفی باشد . یک Contraction مثبت که PC نامیده می شود اتفاق می افتد وقتی پاسخ نقطۀ بازتابی R مطلوبتر است از مقدار در W . وقتی که این پاسخ در PC هست هنوز بهتر از NW ، این نقطۀ جانشین می شود برای W و مثل دیاگرام بالا مراحل اجرا می شود .

 اگر پاسخ در PC باشد بدتر از NW ، این نقطه جانشین می شود برای PC و یک نقطۀ بازتابی جدید R ایجاد می شود در پاسخ NW . در این مورد نقطۀ بازتابی جدید به کار برده می شود برای شکل دادن Simplex جدید بعدی . این موقعیت نامیده می شود یک Faild Contraction . از طرف دیگر یک   Contraction  منفی که NC نامیده می شود وقتی اتفاق می افتد که پاسخ در R نامطلوب تر هست از پاسخ در W . وقتی که پاسخ در NC بهتر است از پاسخ در NW این نقطه جانشین می شود برای W و مراحل دیاگرام بالا انجام می شود (تکرار می شود) وقتی که پاسخ در NC بدتر است از NW این نقطه جانشین می شود برای NC و یک نقطۀ بازتابی جدید جانشین می شود در پاسخ NW در این حالت نقطۀ بازتابی جدید R شکل می دهد Simplex جدید بعدی را . این موقعیت Faild Contraction نامیده می شود . مراحل (تکرار شونده ) MSM    King , sدر شکل 1 نشان داده شده است .

3. آزمایشات

این آزمایش با یک ماشین تطبیق فیبر لیزری اتوماسیون اجرا می شود (MORITEZ  FZ- 82A) که در شکل 2 نشان داده شده است . این یک سیستم بسته بندی laser – welder ( لیزر جوشکار) است برای بسته بندی کردن دیود لیزری نوع کواکسیال یا مدول LD نوع پو دانه ای . این سیستم شامل تطبیق برای 5 درجه آزادی است برای جفت کردن (کوپل کردن) فیبر و لیزر که به ترتیب محورهای انتقالی (x , y, z) هستند برای فیبر و دو زاویۀ چرخش به ترتیب برای فیبر و لیزر شکل 3 شماتیک را برای تطبیق کوپلی فیبر نوری نشان می دهد . زاویۀ چرخش و ان سه محور کنترل می شوند توسط موتور پله ای و میکرواستپ های درون آن با یک دقت (رزولوشن) mμ 05/0 . LD غیر محرک است اما زاویه انحراف و نصب (پیچ) از طریق یک مکانیسم مفصل گردان هوا کنترل می شوند برای اینکه مشکل گوشه های غیر تطبیقی را جبران کنند . محدودۀ کار به این صورت است μm  5000- ≥  x≥ μm  5000  و

μm  5000- ≥  y≥ μm  5000  و  μm 50- ،25- ≥  z≥ μm  1002  .