O.Resnik1, O.Faehnle2 and Y.Arazi1
1JOYA Team, Ramat Yishai, Israel
2 OST-University of Applied Sciences, Buchs, Switzerland,
本文在光學(xué)設(shè)計流程的早期階段動態(tài)應(yīng)用PanDao軟件，對整個流程中會對生產(chǎn)制造產(chǎn)生影響的因素進(jìn)行了評估考量。
簡介
盡管光學(xué)設(shè)計能夠?qū)⒐鈱W(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用參數(shù)（如調(diào)制傳遞函數(shù)MTF、圖像分辨率等）轉(zhuǎn)化為定義明確的技術(shù)圖紙，但其可生產(chǎn)性評估往往只能事后進(jìn)行，例如通過人工分析，或者使用近年來出現(xiàn)的PanDao軟件[1,2]）。未來下一步發(fā)展應(yīng)該就是在光學(xué)設(shè)計階段就集成生產(chǎn)制造分析功能，甚至是將其直接嵌入光學(xué)設(shè)計軟件中。本文首次嘗試在光學(xué)設(shè)計的早期階段動態(tài)應(yīng)用PanDao軟件，探索在早期光學(xué)設(shè)計流程中集成生產(chǎn)制造分析功能的可能性。
成本影響分析
針對特定光學(xué)設(shè)計，我們通過公差分析確定公差范圍，并將其分配到光學(xué)元件及機(jī)械結(jié)構(gòu)（包括元件定位與殼體配合）中。本文提出在光學(xué)設(shè)計流程的早期階段動態(tài)運(yùn)用PanDao軟件，在了解設(shè)備精度能力的基礎(chǔ)上，評估光學(xué)元件公差的級別對制造工藝與成本的影響，然后評估主動對準(zhǔn)和校準(zhǔn)的需求及其對裝配時間和成本的潛在影響，從而在光學(xué)設(shè)計過程中動態(tài)應(yīng)用PanDao；這與在光學(xué)設(shè)計完成后對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)判斷和比較是恰恰相反的。
圖1.兩種光學(xué)系統(tǒng)可生產(chǎn)性方案示例
如圖2所示，展示了兩種通過PanDao軟件進(jìn)行評估的設(shè)計方案，可以從中評估出光學(xué)元件的生產(chǎn)成本。通過此方法，在早期設(shè)計階段就可以將機(jī)加工、鍍膜、定心、模具、設(shè)備調(diào)試與維護(hù)等成本因素納入評估考量中，并將其用于指導(dǎo)設(shè)計決策。換言之，我們能夠量化不同公差等級對成本的影響，并評估不同良率水平對應(yīng)的成本差異。
基于上述信息，結(jié)合其它組裝環(huán)節(jié)的成本數(shù)據(jù)與專業(yè)知識，我們可最終量化各方案的總成本，并據(jù)此選擇最適合特定產(chǎn)品的優(yōu)化路徑。此外，組裝流程規(guī)劃、工裝設(shè)計、校準(zhǔn)與測試設(shè)備開發(fā)可并行于光學(xué)元件生產(chǎn)階段，從而大幅縮短元件制造周期。該流程的另一優(yōu)勢在于：通過真實數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策鏈，可以實現(xiàn)對全流程的精準(zhǔn)控制，并評估每項決策的實際影響。
光學(xué)設(shè)計到制造可行性的整個過程是一個高度復(fù)雜的課題，其難點(diǎn)在于需統(tǒng)籌考量眾多因素，并且光學(xué)設(shè)計師往往難以獲取全面、透明的關(guān)于制造能力的許多信息。我們可通過附圖2所示的圖表來解析這一復(fù)雜設(shè)計，其中不同顏色的區(qū)域代表光學(xué)和機(jī)械的制造風(fēng)險；此外，還可以評估不同類型的裝配過程（沙質(zhì)和大理石區(qū)域）。
圖2.可生產(chǎn)性空間圖表：光學(xué)系統(tǒng)制造與裝配評估坐標(biāo)圖。圖中光學(xué)公差（X軸）與機(jī)械公差（Y軸）數(shù)值增大代表公差放寬。通過PanDao劃定的最優(yōu)工作區(qū)（圖中標(biāo)出的區(qū)域），能夠在滿足系統(tǒng)性能要求的前提下，實現(xiàn)制造成本與風(fēng)險最小化，并支持即裝即用的裝配模式
在整個設(shè)計中存在一條恒定性能曲線，其核心目標(biāo)是找到“性能-可生產(chǎn)性-成本”的最優(yōu)平衡點(diǎn)。該曲線的形態(tài)會受到系統(tǒng)整體復(fù)雜度的影響，但通常需穿越不同制造風(fēng)險與成本區(qū)域（如附圖2所示）。盡管這是一個簡化模型，但它清晰展示了設(shè)計過程中需統(tǒng)籌的多層信息與多維考量。越早在設(shè)計階段厘清此圖，就越容易做出系統(tǒng)級最優(yōu)決策，最終確保產(chǎn)品具備可控良率、盈利潛力與可擴(kuò)展性的量產(chǎn)可行性。
PanDao可完整覆蓋該圖表中的"光學(xué)元件公差"，識別不可制造區(qū)域以及制造成本和風(fēng)險高、低的區(qū)域。更重要的是，借助PanDao，光學(xué)設(shè)計師可以自己評估制造成本和風(fēng)險，而無需在每次更改設(shè)計時咨詢專門的專家。傳統(tǒng)模式下，各家制造商僅掌握部分?jǐn)?shù)據(jù)，而PanDao首次構(gòu)建了全局化的制造能力圖譜。PanDao通過整合340余種制造工藝類型與加工能力數(shù)據(jù)，能夠輸出光學(xué)元件的生產(chǎn)成本以及計算不同公差對應(yīng)的成本，精準(zhǔn)量化總生產(chǎn)成本。該成本模型可表述為以下公式：
成本=光學(xué)器件生產(chǎn)+外殼生產(chǎn)+裝配工具+裝配人工+成品成本
圖1所示的兩種工藝流程的成本（成本X與Y）主要取決于光學(xué)元件生產(chǎn)成本，其他成本隨之動態(tài)調(diào)整，并最終形成產(chǎn)品總成本。可以直觀、輕松地對不同成本項進(jìn)行定性比較，但總成本要到整個工藝結(jié)束后才能進(jìn)行比較。
為找到成本效益最大化點(diǎn)，我們可以在可生產(chǎn)性空間圖（附圖2）基礎(chǔ)上構(gòu)建成本曲面模型（如圖3所示）。借助PanDao，可以在機(jī)械公差范圍內(nèi)與目標(biāo)裝配流程約束下，動態(tài)的調(diào)整光學(xué)公差工作點(diǎn)，從而推導(dǎo)出光學(xué)元件的最低可能成本，此為總成本的核心驅(qū)動因素。該過程可針對每種裝配流程迭代執(zhí)行，最終實現(xiàn)總體可生產(chǎn)性工作點(diǎn)的優(yōu)化（即圖2所示的"最優(yōu)工作區(qū)"）。
圖3.在圖2的可生產(chǎn)性空間圖表基礎(chǔ)上增加成本作為第三維度，直觀展示了當(dāng)光學(xué)元件公差（X軸）與機(jī)械公差（Y軸）放寬時成本的下降趨勢；階梯狀下降表征即裝即用（drop-in assembly）裝配工藝的優(yōu)化效應(yīng)�；赑anDao的光學(xué)系統(tǒng)生產(chǎn)成本評估，可精準(zhǔn)定位最優(yōu)工作區(qū)內(nèi)的成本效益最大化點(diǎn)
結(jié)論
綜上所述，研究團(tuán)隊已初步探索出在光學(xué)設(shè)計早期階段動態(tài)運(yùn)用PanDao軟件的方法。通過該方法，可以將特定的光學(xué)設(shè)計的制造成本與公差信息納入設(shè)計決策考量中，從而實現(xiàn)成本可控且具備可量產(chǎn)性的光學(xué)產(chǎn)品開發(fā)。
參考文獻(xiàn)
1. www.PanDao.ch
2. O.Fähnle and I.Livshits, "Optical Fabrication Process Modeling", OSA's Optical Fabrication and Testing conference (OF&T), part of the Optical Design and Fabrication congress (ODF), Rode Island, NY, USA, June 2021
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