Ваше окно в мир САПР
Статьи
23 января 2015

SolidWorks: профессиональный подход к проектированию в оптическом приборостроении

Андрей Алямовский, кандидат технических наук, SolidWorks Россия

Андрей Алямовский SolidWorks давно и успешно используется в приборостроении для механического конструирования, оформления документации, ведения проекта, подготовки технологии. Более того, из-за относительно высокой сложности таких устройств, именно SolidWorks, сочетающий функциональность и универсальность, стимулировал переход к трёхмерному моделированию многих разработчиков электроники. Функционал по работе с листовым материалом, разводке кабелей и жгутов стал вполне повседневным, активно развиваются и внедряются модули схемотехнического проектирования, трёхмерной компоновки. Потребности развиваются естественным образом – специфические задачи также включаются в орбиту среды, а она, будучи вполне универсальной, в состоянии откликнуться на большинство запросов при условии их реалистичности.

Совокупность интересных вопросов, требующих самых разнообразных инструментов, – решается в оптомеханике. Геометрическая модель, как таковая, обладает достаточной степенью сложности и требует высокой квалификации инженера, поскольку «неточности» и небрежности, которые, будем откровенны, присутствуют во многих проектах (это следствие общего падения инженерной культуры) не всегда могут быть компенсированы в процессе изготовления и сборки. В отличие, например, от сварных конструкций или элементов из листового металла, где можно «подварить», «подогнуть», «подрезать», или изделий из пластмасс, когда неудачно спроектированная защёлка или кнопка становится «правильной» после приложения соответствующего усилия. Изделия точной оптики требуют более ответственного отношения, поскольку даже незначительные отклонения от проекта делают работу бессмысленной, а если и проект был неудачным, то ущерб становится неприемлемым даже при самом попустительском отношении.

В этой связи возможность пройти этапы жизненного цикла от постановки задачи до изготовления с минимальной номенклатурой моделей и документации крайне важна. Здесь мы опишем специализированные инструменты для работы с оптоэлектроникой и затронем некоторые аспекты их применимости для традиционных задач инженерного анализа.

Для проектирования и расчётов в оптике и светотехнике одним из наиболее удачных инструментов является OptisWorks, функционирующий в среде SolidWorks и, в зависимости от конфигурации, позволяющий полностью сгенерировать оптическую систему из отражателей и преломителей (изобразительная оптика) и затем рассчитать (скорректировать) её, как светотехническую (фотометрический анализ и проектирование) в конкретном контексте с учётом всех оптических свойств. Процедуры оптического анализа основаны на определении оптической системы как последовательности прохождения поверхностей и тел, а также датчиков, что может быть сделано автоматически или вручную. После создания соответствующих оптических источников можно выполнить трассировку с получением диаграммы пятна и производных результатов в виде круга Эри, наилучшего фокуса, зависимости энергии в пятне от фокусного расстояния, и т.д. Следующая группа процедур рассчитывает параметры аберрации, коэффициенты Зейделя, фокусные расстояния, строит диаграммы функции передачи модуляции, рассеяния точки. Понятно, что работа в среде SolidWorks позволяет оперативно изменять состав системы и геометрию деталей, причём для синтеза линз и зеркал предусмотрены специальные алгоритмы, учитывающие возможную асферичность с корректной математической обработкой геометрии, как аналитической сущности. Последнее исключает возможные неточности, порождаемые трансляцией данных в оптические программы из «конструкторских» САПР. Более того, даже будучи созданной в среде SolidWorks посредством его базовых команд, геометрия линз и отражателей для оптического анализа и проектирования может быть использована только с большими оговорками.

SW оптика 1

Рисунок 1. Автоматический синтез оптической последовательности

SW оптика 2

Рисунок 2. Расчётная оптическая модель с трассировкой лучей, диаграммой пятна и производными результатами

SW оптика 3

Рисунок 3. Оптическая трассировка с оценкой искажений, параксиальными характеристиками и функцией передачи модуляции

Неотъемлемой составляющей оптического анализа является проектирование – решение задачи оптимизации, когда целевой функцией является комбинация (в общем случае) оптических характеристик, а степенями свободы – как геометрия (размеры модели и параметры оптических элементов), так и свойства оптических сред. Функционал оптимального проектирования предоставляет выбор (или последовательное использование) между процедурой прямого поиска, ориентированной на целевые функции со множеством локальных оптимумов, и градиентной – где выполняется уточнение проекта в их окрестностях. На базе градиентного алгоритма реализована также процедура анализа чувствительности проекта относительно варьируемых переменных.
SW оптика 4

Рисунок 4. Постановка задачи оптимального проектирования – поиск положения окуляра

Поскольку оптические характеристики «внедрены» в детали, а датчики для оптики и фотометрии едины, то переход к фотометрической (неизобразительной) трассировке и анализу осуществляется естественным образом через активизацию подходящего функционала. Можно получить результаты в виде, например, освещённости искусственных плоских объектов, граней модели, как на фоне модели, так и в специальных окнах для подробного анализа состояния элементов системы.

Источниками света (излучения – если анализ происходит за пределами видимого спектра) могут быть разнообразные сущности, включая предварительно созданные в предыдущих расчётах или импортированные с сайтов производителей файлы лучей, что гарантирует достоверность и однозначность светотехнической модели. Более того, ведущие поставщики элементной базы, помимо собственно светотехнической информации, предоставляют геометрические модели источников света – их применение повышает наглядность моделей и сокращает трудоёмкость проектирования.

SW оптика 5

Рисунок 5. Фотометрическая трассировка расходящимся пучком с освещённостью экрана

SW оптика 6

Рисунок 6. Параметры отражённого от деталей объектива света

Применительно к конструкциям осветительных приборов после расчёта доступны традиционные кривые силы света, а также более универсальные сущности – фотометрические тела. При этом распределение силы света может рассчитываться как в полярных, так и в ортогональных координатах, гарантируя получение информации применительно к самому широкому кругу нормативов и стандартов.

Фотометрическая модель OptisWorks естественным образом генерирует диаграммы яркости для произвольного положения наблюдателя с учётом полной информации о сцене. Более продвинутые модули в состоянии обработать результаты трассировки с созданием на этой базе реалистичных (в непосредственном смысле этого слова) изображений и – при наличии соответствующей лицензии – учесть особенности психофизиологии человека при восприятии изображения.

SW оптика 7

Рисунок 7. Модель с детектором яркости в направлении взгляда и результат расчёта яркости

Совокупный фотометрический функционал решает актуальную задачу анализа шумов и «полезного» изображения, в том числе и с учётом излучения, имеющего тепловую природу – предусмотрены инструменты различного уровня: как для вычленения собственно паразитных эффектов, так и для полезного сигнала.
SW оптика 8

Рисунок 8. Влияние возмущений, вызванных нагревом объектива, на сигнал на датчике

Развитые расчетные возможности требуют адекватной исходной информации – основная её часть входит в поставку, а содержащая достоверные оптические свойства с учётом рассеяния на поверхности, наличия покрытий, учёта поляризации и колориметрических свойств – на сайте фирмы. Само собой, база данных OptisWorks открыта для пользователя. Вопрос о совместимости отечественных марок стёкол и «международных» решается наличием интерактивной диаграммы Аббе, где по заданным параметрам дисперсии и коэффициенту преломления можно подобрать аналог, свойства которого будут актуальны и в инфракрасном диапазоне. Понятно, в расчетную модель могут быть включены, а из модели – извлечены свойства объектов в форматах IES и Eulumdat.

В отдельном модуле содержится функционал по моделированию прохождения лазерного излучения – сама геометрическая и расчётная модель остаётся неизменной.

С целью экономии ресурсов и обеспечения качества, разработка оптических устройств должна осуществляться при оперативном взаимодействии всех участников: оптиков, тепловиков, прочнистов, тем более, что иногда затруднительно «расчленить» отклик конструкции на соответствующие факторы. Например, актуален вопрос о влиянии деформаций различной природы на оптические характеристики. SolidWorks с его расчётным функционалом (Simulation, Motion, Flow Simulation) предоставляет адекватные инструменты. Используя тепловую модель, учитывающую течение среды и теплообмен излучением (в частности с учётом спектральных свойств), можно получить температурное поле. Оно, в совокупности с другими источниками деформаций: гравитацией, силами, натягами, будет источником информации для расчета деформированного состояния. Оно, так или иначе, учитывается в оптической модели – присутствует функционал по сохранению деформированного вида, анализу отклонений характерных точек и измерению их взаимного положения. Вместе с возможностью «превращения» траекторий лучей в эскизы SolidWorks, это формирует дополнительную базу для сравнения моделей.

Кстати говоря, качественная тепловая модель, предоставляет информацию как о распределении температуры, так и о тепловых потоках. Она, в зависимости от доступного функционала фотометрического анализа, может быть использована при анализе качества изображения в изделиях точной оптики.

SW оптика 9

Рисунок 9. Перемещения под действием охлаждения и натяга в резьбовых соединениях

При рациональной организации процесса проектирования желательно использовать универсальные расчётные модели. Например, рассчитанные термоупругие и прочностные свойства будут адекватны, если учитываются все значимые факторы – для изделий оптики это фиксация линз посредством податливых прослоек, податливости резьбовых и иных соединений, натягов кольцами и хомутами. Последнее требует постановки корректной контактной задачи с точным моделированием особенностей механического взаимодействия при «подлинной» геометрии.
SW оптика 10

Рисунок 10. Контактные напряжения между деталями объектива, вызванные натягом и тепловыми деформациями

Само собой, «комплексные» модели не отрицают специализированные, ориентированные на этапы предварительного проектирования с участием узких специалистов, но в идеале они должны обладать потенциалом для развития. Тем более что, например, технические условия для аппаратуры, определённые стандартами ГОСТ РВ 20.***, в подавляющей части требований по механике и теплу могут быть воспроизведены на связанных между собой расчётно-геометрических моделях. Они будут понятны всем участникам конструкторского цикла, а также согласованы с технологами и смежниками.
SW оптика 11

Рисунок 11. Расчётная модель ретрорефлектора с присоединёнными массами и закон гармонического возбуждения

Например, исчерпывающая конструкторская модель, будучи корректно организованной, вполне – после разумного объёма доработки – пригодна как для оптики, так и, например, для динамики, описывающей нагружение гармоническим возбуждением и ударом. При этом в SolidWorks Simulation присутствуют алгоритмы как линейной динамики (собственные частоты, модальный анализ, случайные и гармонические колебания, спектр отклика), так и нелинейной – с моделированием натягов, неупругости, контактов с трением, других условностей. Более того, результаты как статических, так и динамических моделей, являются источником для анализа усталости.
SW оптика 12

Рисунок 12. Собственные частоты с учётом исключенных масс

SW оптика 13

Рисунок 13. Ускорение для одной из резонансных частот при вибрации и отклик по ускорению точки на призме

SW оптика 14

Рисунок 14. Возбуждение ударным ускорением и состояние в момент максимальной перегрузки

SW оптика 15

Рисунок 15. Отклик по перемещению характерной точки на призме

SW оптика 16

Рисунок 16. Напряжения сжатия в стекле при ударе

Практика взаимодействия с пользователями SolidWorks из сферы приборостроения показала, что работа профессионалов различных направлений, организованная в единой среде, радикально улучшает результат, делает процесс проектирования прозрачным как для исполнителей, так и для руководства, сводит к минимуму грубые ошибки и облегчает поиск виновных в неочевидных ситуациях. Упомянем и по ситуацию (распространённую сейчас, кстати говоря, применительно именно к оптике и светотехнике), когда для решения новой задачи не хватает квалифицированных прикладных специалистов и приходится привлекать сторонних исполнителей или же обходиться имеющимся персоналом с обучением «в процессе». Использование непрофессионалами программного обеспечения, даже вполне продвинутого, не гарантирует, само собой, качественный, результат, однако избежать радикально неправильных решений, а также оперативно оценить работу при «аутсорсинге» вполне реально для инженера с развитым здравым смыслом и кропотливым отношением к делу. Для профессионала же работа с современными инструментами может быть источником новых идей и творческого удовлетворения.


Читайте также: