12 - 2014

SolidWorks — профессиональный подход к проектированию в оптическом приборостроении

Андрей Алямовский
К.т.н., ведущий инженер, SolidWorks Russia

SolidWorks давно и успешно используется в приборостроении для механического конструирования, оформления документации, ведения проекта, подготовки технологии. Более того, из­за относительно высокой сложности таких устройств именно SolidWorks, сочетающий функциональность и универсальность, стимулировал переход к трехмерному моделированию многих разработчиков электроники. Функционал по работе с листовым материалом, разводке кабелей и жгутов стал вполне повседневным, активно развиваются и внедряются модули схемотехнического проектирования, трехмерной компоновки. Потребности расширяются 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 защелка 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 связи с этим возможность пройти этапы жизненного цикла — от постановки задачи до изготовления с минимальной номенклатурой моделей и документации — крайне важна. Далее мы попытаемся описать специализированные инструменты для работы с оптикой в совокупности с механикой, а также затронем некоторые аспекты их применимости для традиционных задач инженерного анализа.

Для проектирования и расчетов 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), а затем рассчитать (скорректировать) ее как светотехническую (фотометрический анализ и проектирование) в конкретном контексте с учетом всех оптических свойств.

Рис. 1. Автоматический синтез оптической последовательности

Рис. 1. Автоматический синтез оптической последовательности

Рис. 2. Расчетная оптическая модель с трассировкой лучей, диаграммой пятна и производными результатами

Рис. 2. Расчетная оптическая модель с трассировкой лучей, диаграммой пятна и производными результатами

Процедуры оптического анализа основаны на определении оптической системы как последовательности прохождения поверхностей и тел, а также датчиков, что может быть сделано автоматически или вручную (рис. 1). 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. (рис. 2). Следующая группа процедур рассчитывает парамет­ры аберрации, коэффициенты Зейделя и фокусные расстояния, строит диаграммы функции передачи модуляции и рассеяния точки (рис. 3). Понятно, что работа в среде SolidWorks позволяет оперативно изменять состав системы и геометрию деталей, причем 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.

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

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

Неотъемлемой составляющей оптического анализа является проектирование — решение задачи оптимизации, когда целевая функция представляет собой комбинацию (в общем случае) оптических характеристик, а степени свободы — как геометрию (размеры модели и параметры оптических элементов), так и свойства оптических сред (рис. 4). Функционал оптимального проектирования предоставляет выбор (или последовательное использование) между процедурой прямого поиска, ориентированной на целевые функции с множеством локальных оптимумов, и градиентной, при которой выполняется уточнение проекта в их окрестностях. На базе градиентного алгоритма реализована также процедура анализа чувствительности проекта относительно варьируемых переменных.

Рис. 4. Постановка задачи оптимального проектирования —

Рис. 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, освещенности искусственных плоских объектов, граней модели как на фоне модели, так и в специальных окнах для подробного анализа состояния элементов системы (рис. 5 и 6).

Рис. 5. Фотометрическая трассировка расходящимся пучком с освещенностью экрана

Рис. 5. Фотометрическая трассировка расходящимся пучком с освещенностью экрана

Рис. 6. Параметры отраженного от деталей объектива света

Рис. 6. Параметры отраженного от деталей объектива света

Источниками света (излучения — если анализ происходит за пределами видимого спектра) могут быть самые разнообразные сущности, включая предварительно созданные в предыдущих расчетах 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 трудоемкость проектирования.

Применительно к конструкциям осветительных приборов после расчета 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 учетом 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 (рис. 7).

Рис. 7. Модель с детектором яркости в направлении взгляда

Рис. 7. Модель с детектором яркости в направлении взгляда
и результат расчета яркости

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

Рис. 8. Влияние возмущений, вызванных нагревом объектива,

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

Развитые расчетные возможности требуют адекватной исходной информации — основная ее часть входит в поставку, а содержащая достоверные оптические свойства с учетом рассеяния на поверхности, наличия покрытий, учета поляризации и колориметрических свойств — есть на сайте фирмы. Само собой, база данных OptisWorks открыта для пользователя. Вопрос о совместимости отечественных марок стекол 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, что 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 расчетная модель остается 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 расчетным функционалом (Simulation, Motion, Flow Simulation) предоставляет адекватные инструменты. Используя тепловую модель, учитывающую течение среды и теплообмен излучением (в частности, с учетом спектральных свойств), можно получить температурное поле. Оно, в совокупности с другими источниками деформаций — гравитацией, силами, натягами, будет источником информации для расчета деформированного состояния (рис. 9). Так или иначе это 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.

Рис. 9. Перемещения под действием охлаждения

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

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.

При рациональной организации процесса проектирования желательно использовать универсальные расчетные 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 (рис. 10).

Рис. 10. Контактные напряжения между деталями объектива,

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

Само собой, что «комплексные» модели не отрицают специализированных, ориентированных 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, определенные стандартами ГОСТ РВ 20.***, в подавляющей части требований по механике и теплу могут быть воспроизведены на связанных между собой расчетно­геометрических моделях. Они будут понятны всем участникам конструкторского цикла, а также согласованы с технологами и смежниками.

Рис. 11. Расчетная модель ретрорефлектора с присоединенными массами и закон гармонического возбуждения

Рис. 11. Расчетная модель ретрорефлектора с присоединенными массами и закон гармонического возбуждения

Рис. 12. Собственные частоты с учетом исключенных масс

Рис. 12. Собственные частоты с учетом исключенных масс

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

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

Так, исчерпывающая конструкторская модель, будучи корректно организованной, вполне — после разумного объема 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 — см. рис. 11­13), так и нелинейной — с моделированием натягов, неупругости, контактов с трением, других условностей (рис. 14­16). Более того, результаты как статических, так и динамических моделей являются источником для анализа усталости.

Рис. 14. Возбуждение ударным ускорением и состояние

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

Рис. 15. Отклик по перемещению характерной точки на призме

Рис. 15. Отклик по перемещению характерной точки на призме

Рис. 16. Напряжения сжатия в стекле при ударе

Рис. 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 ситуацию (распространенную 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, само собой, не гарантирует качественного результата, однако избежать абсолютно 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.­ 

САПР и графика 12`2014