¬аше окно в мир —јѕ–
Ќовости —татьи јвторы —обыти€ ¬акансии Ёнциклопеди€ –екламодател€м
—татьи

23 €нвар€ 2015

SolidWorks: профессиональный подход к проектированию в оптическом приборостроении

јндрей јл€мовский, кандидат технических наук, SolidWorks –осси€

јндрей јл€мовский SolidWorks давно и успешно используетс€ в приборостроении дл€ механического конструировани€, оформлени€ документации, ведени€ проекта, подготовки технологии. Ѕолее того, из-за относительно высокой сложности таких устройств, именно SolidWorks, сочетающий функциональность и универсальность, стимулировал переход к трЄхмерному моделированию многих разработчиков электроники. ‘ункционал по работе с листовым материалом, разводке кабелей и жгутов стал вполне повседневным, активно развиваютс€ и внедр€ютс€ модули схемотехнического проектировани€, трЄхмерной компоновки. ѕотребности развиваютс€ естественным образом Ц специфические задачи также включаютс€ в орбиту среды, а она, будучи вполне универсальной, в состо€нии откликнутьс€ на большинство запросов при условии их реалистичности.

—овокупность интересных вопросов, требующих самых разнообразных инструментов, Ц решаетс€ в оптомеханике. √еометрическа€ модель, как такова€, обладает достаточной степенью сложности и требует высокой квалификации инженера, поскольку Ђнеточностиї и небрежности, которые, будем откровенны, присутствуют во многих проектах (это следствие общего падени€ инженерной культуры) не всегда могут быть компенсированы в процессе изготовлени€ и сборки. ¬ отличие, например, от сварных конструкций или элементов из листового металла, где можно Ђподваритьї, Ђподогнутьї, Ђподрезатьї, или изделий из пластмасс, когда неудачно спроектированна€ защЄлка или кнопка становитс€ Ђправильнойї после приложени€ соответствующего усили€. »здели€ точной оптики требуют более ответственного отношени€, поскольку даже незначительные отклонени€ от проекта делают работу бессмысленной, а если и проект был неудачным, то ущерб становитс€ неприемлемым даже при самом попустительском отношении.

¬ этой св€зи возможность пройти этапы жизненного цикла от постановки задачи до изготовлени€ с минимальной номенклатурой моделей и документации крайне важна. «десь мы опишем специализированные инструменты дл€ работы с оптоэлектроникой и затронем некоторые аспекты их применимости дл€ традиционных задач инженерного анализа.

ƒл€ проектировани€ и расчЄтов в оптике и светотехнике одним из наиболее удачных инструментов €вл€етс€ OptisWorks, функционирующий в среде SolidWorks и, в зависимости от конфигурации, позвол€ющий полностью сгенерировать оптическую систему из отражателей и преломителей (изобразительна€ оптика) и затем рассчитать (скорректировать) еЄ, как светотехническую (фотометрический анализ и проектирование) в конкретном контексте с учЄтом всех оптических свойств. ѕроцедуры оптического анализа основаны на определении оптической системы как последовательности прохождени€ поверхностей и тел, а также датчиков, что может быть сделано автоматически или вручную. ѕосле создани€ соответствующих оптических источников можно выполнить трассировку с получением диаграммы п€тна и производных результатов в виде круга Ёри, наилучшего фокуса, зависимости энергии в п€тне от фокусного рассто€ни€, и т.д. —ледующа€ группа процедур рассчитывает параметры аберрации, коэффициенты «ейдел€, фокусные рассто€ни€, строит диаграммы функции передачи модул€ции, рассе€ни€ точки. ѕон€тно, что работа в среде SolidWorks позвол€ет оперативно измен€ть состав системы и геометрию деталей, причЄм дл€ синтеза линз и зеркал предусмотрены специальные алгоритмы, учитывающие возможную асферичность с корректной математической обработкой геометрии, как аналитической сущности. ѕоследнее исключает возможные неточности, порождаемые трансл€цией данных в оптические программы из Ђконструкторскихї —јѕ–. Ѕолее того, даже будучи созданной в среде SolidWorks посредством его базовых команд, геометри€ линз и отражателей дл€ оптического анализа и проектировани€ может быть использована только с большими оговорками.

SW оптика 1

–исунок 1. јвтоматический синтез оптической последовательности

SW оптика 2

–исунок 2. –асчЄтна€ оптическа€ модель с трассировкой лучей, диаграммой п€тна и производными результатами

SW оптика 3

–исунок 3. ќптическа€ трассировка с оценкой искажений, параксиальными характеристиками и функцией передачи модул€ции

Ќеотъемлемой составл€ющей оптического анализа €вл€етс€ проектирование Ц решение задачи оптимизации, когда целевой функцией €вл€етс€ комбинаци€ (в общем случае) оптических характеристик, а степен€ми свободы Ц как геометри€ (размеры модели и параметры оптических элементов), так и свойства оптических сред. ‘ункционал оптимального проектировани€ предоставл€ет выбор (или последовательное использование) между процедурой пр€мого поиска, ориентированной на целевые функции со множеством локальных оптимумов, и градиентной Ц где выполн€етс€ уточнение проекта в их окрестност€х. Ќа базе градиентного алгоритма реализована также процедура анализа чувствительности проекта относительно варьируемых переменных.
SW оптика 4

–исунок 4. ѕостановка задачи оптимального проектировани€ Ц поиск положени€ окул€ра

ѕоскольку оптические характеристики Ђвнедреныї в детали, а датчики дл€ оптики и фотометрии едины, то переход к фотометрической (неизобразительной) трассировке и анализу осуществл€етс€ естественным образом через активизацию подход€щего функционала. ћожно получить результаты в виде, например, освещЄнности искусственных плоских объектов, граней модели, как на фоне модели, так и в специальных окнах дл€ подробного анализа состо€ни€ элементов системы.

»сточниками света (излучени€ Ц если анализ происходит за пределами видимого спектра) могут быть разнообразные сущности, включа€ предварительно созданные в предыдущих расчЄтах или импортированные с сайтов производителей файлы лучей, что гарантирует достоверность и однозначность светотехнической модели. Ѕолее того, ведущие поставщики элементной базы, помимо собственно светотехнической информации, предоставл€ют геометрические модели источников света Ц их применение повышает нагл€дность моделей и сокращает трудоЄмкость проектировани€.

SW оптика 5

–исунок 5. ‘отометрическа€ трассировка расход€щимс€ пучком с освещЄнностью экрана

SW оптика 6

–исунок 6. ѕараметры отражЄнного от деталей объектива света

ѕрименительно к конструкци€м осветительных приборов после расчЄта доступны традиционные кривые силы света, а также более универсальные сущности Ц фотометрические тела. ѕри этом распределение силы света может рассчитыватьс€ как в пол€рных, так и в ортогональных координатах, гарантиру€ получение информации применительно к самому широкому кругу нормативов и стандартов.

‘отометрическа€ модель OptisWorks естественным образом генерирует диаграммы €ркости дл€ произвольного положени€ наблюдател€ с учЄтом полной информации о сцене. Ѕолее продвинутые модули в состо€нии обработать результаты трассировки с созданием на этой базе реалистичных (в непосредственном смысле этого слова) изображений и Ц при наличии соответствующей лицензии Ц учесть особенности психофизиологии человека при воспри€тии изображени€.

SW оптика 7

–исунок 7. ћодель с детектором €ркости в направлении взгл€да и результат расчЄта €ркости

—овокупный фотометрический функционал решает актуальную задачу анализа шумов и Ђполезногої изображени€, в том числе и с учЄтом излучени€, имеющего тепловую природу Ц предусмотрены инструменты различного уровн€: как дл€ вычленени€ собственно паразитных эффектов, так и дл€ полезного сигнала.
SW оптика 8

–исунок 8. ¬ли€ние возмущений, вызванных нагревом объектива, на сигнал на датчике

–азвитые расчетные возможности требуют адекватной исходной информации Ц основна€ еЄ часть входит в поставку, а содержаща€ достоверные оптические свойства с учЄтом рассе€ни€ на поверхности, наличи€ покрытий, учЄта пол€ризации и колориметрических свойств Ц на сайте фирмы. —амо собой, база данных OptisWorks открыта дл€ пользовател€. ¬опрос о совместимости отечественных марок стЄкол и Ђмеждународныхї решаетс€ наличием интерактивной диаграммы јббе, где по заданным параметрам дисперсии и коэффициенту преломлени€ можно подобрать аналог, свойства которого будут актуальны и в инфракрасном диапазоне. ѕон€тно, в расчетную модель могут быть включены, а из модели Ц извлечены свойства объектов в форматах IES и Eulumdat.

¬ отдельном модуле содержитс€ функционал по моделированию прохождени€ лазерного излучени€ Ц сама геометрическа€ и расчЄтна€ модель остаЄтс€ неизменной.

— целью экономии ресурсов и обеспечени€ качества, разработка оптических устройств должна осуществл€тьс€ при оперативном взаимодействии всех участников: оптиков, тепловиков, прочнистов, тем более, что иногда затруднительно Ђрасчленитьї отклик конструкции на соответствующие факторы. Ќапример, актуален вопрос о вли€нии деформаций различной природы на оптические характеристики. SolidWorks с его расчЄтным функционалом (Simulation, Motion, Flow Simulation) предоставл€ет адекватные инструменты. »спользу€ тепловую модель, учитывающую течение среды и теплообмен излучением (в частности с учЄтом спектральных свойств), можно получить температурное поле. ќно, в совокупности с другими источниками деформаций: гравитацией, силами, нат€гами, будет источником информации дл€ расчета деформированного состо€ни€. ќно, так или иначе, учитываетс€ в оптической модели Ц присутствует функционал по сохранению деформированного вида, анализу отклонений характерных точек и измерению их взаимного положени€. ¬месте с возможностью Ђпревращени€ї траекторий лучей в эскизы SolidWorks, это формирует дополнительную базу дл€ сравнени€ моделей.

 стати говор€, качественна€ теплова€ модель, предоставл€ет информацию как о распределении температуры, так и о тепловых потоках. ќна, в зависимости от доступного функционала фотометрического анализа, может быть использована при анализе качества изображени€ в издели€х точной оптики.

SW оптика 9

–исунок 9. ѕеремещени€ под действием охлаждени€ и нат€га в резьбовых соединени€х

ѕри рациональной организации процесса проектировани€ желательно использовать универсальные расчЄтные модели. Ќапример, рассчитанные термоупругие и прочностные свойства будут адекватны, если учитываютс€ все значимые факторы Ц дл€ изделий оптики это фиксаци€ линз посредством податливых прослоек, податливости резьбовых и иных соединений, нат€гов кольцами и хомутами. ѕоследнее требует постановки корректной контактной задачи с точным моделированием особенностей механического взаимодействи€ при Ђподлиннойї геометрии.
SW оптика 10

–исунок 10.  онтактные напр€жени€ между детал€ми объектива, вызванные нат€гом и тепловыми деформаци€ми

—амо собой, Ђкомплексныеї модели не отрицают специализированные, ориентированные на этапы предварительного проектировани€ с участием узких специалистов, но в идеале они должны обладать потенциалом дл€ развити€. “ем более что, например, технические услови€ дл€ аппаратуры, определЄнные стандартами √ќ—“ –¬ 20.***, в подавл€ющей части требований по механике и теплу могут быть воспроизведены на св€занных между собой расчЄтно-геометрических модел€х. ќни будут пон€тны всем участникам конструкторского цикла, а также согласованы с технологами и смежниками.
SW оптика 11

–исунок 11. –асчЄтна€ модель ретрорефлектора с присоединЄнными массами и закон гармонического возбуждени€

Ќапример, исчерпывающа€ конструкторска€ модель, будучи корректно организованной, вполне Ц после разумного объЄма доработки Ц пригодна как дл€ оптики, так и, например, дл€ динамики, описывающей нагружение гармоническим возбуждением и ударом. ѕри этом в SolidWorks Simulation присутствуют алгоритмы как линейной динамики (собственные частоты, модальный анализ, случайные и гармонические колебани€, спектр отклика), так и нелинейной Ц с моделированием нат€гов, неупругости, контактов с трением, других условностей. Ѕолее того, результаты как статических, так и динамических моделей, €вл€ютс€ источником дл€ анализа усталости.
SW оптика 12

–исунок 12. —обственные частоты с учЄтом исключенных масс

SW оптика 13

–исунок 13. ”скорение дл€ одной из резонансных частот при вибрации и отклик по ускорению точки на призме

SW оптика 14

–исунок 14. ¬озбуждение ударным ускорением и состо€ние в момент максимальной перегрузки

SW оптика 15

–исунок 15. ќтклик по перемещению характерной точки на призме

SW оптика 16

–исунок 16. Ќапр€жени€ сжати€ в стекле при ударе

ѕрактика взаимодействи€ с пользовател€ми SolidWorks из сферы приборостроени€ показала, что работа профессионалов различных направлений, организованна€ в единой среде, радикально улучшает результат, делает процесс проектировани€ прозрачным как дл€ исполнителей, так и дл€ руководства, сводит к минимуму грубые ошибки и облегчает поиск виновных в неочевидных ситуаци€х. ”пом€нем и по ситуацию (распространЄнную сейчас, кстати говор€, применительно именно к оптике и светотехнике), когда дл€ решени€ новой задачи не хватает квалифицированных прикладных специалистов и приходитс€ привлекать сторонних исполнителей или же обходитьс€ имеющимс€ персоналом с обучением Ђв процессеї. »спользование непрофессионалами программного обеспечени€, даже вполне продвинутого, не гарантирует, само собой, качественный, результат, однако избежать радикально неправильных решений, а также оперативно оценить работу при Ђаутсорсингеї вполне реально дл€ инженера с развитым здравым смыслом и кропотливым отношением к делу. ƒл€ профессионала же работа с современными инструментами может быть источником новых идей и творческого удовлетворени€.


„итайте также:


¬акансии:

јктуальное обсуждение

RSS-лента комментариев

-->

ƒавид Ћевин
ƒавид Ћевин
ќт редактора: ѕрежде чем широко внедр€ть Ђ»»ї, вы€сним, востребован ли интеллект вообще
ѕроект ЂЌародное —јѕ–-интервьюї

—лучайна€ стать€:

isicad Top 10

—амые попул€рные материалы

   ‘орумы isicad:

isicad-2010 isicad-2008
isicad-2006 isicad-2004

ќ проекте

ѕриглашаем публиковать на сайте isicad.ru новости и пресс-релизы о новых решени€х и продуктах, о проводимых меропри€ти€х и другую информацию. јдрес дл€ корреспонденции - info@isicad.ru

ѕроект isicad нацелен на

  • укрепление контактов между разработчиками, поставщиками и потребител€ми промышленных решений в област€х PLM и ERP...
ѕодробнее

»нформаци€ дл€ рекламодателей


¬се права защищены. © 2004-2023 √руппа компаний «Ћ≈ƒј—»

ѕерепечатка материалов сайта допускаетс€ с согласи€ редакции, ссылка на isicad.ru об€зательна.
¬ы можете обратитьс€ к нам по адресу info@isicad.ru.