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)設計流程的早期階段動(dòng)態(tài)應用PanDao軟件，對整個(gè)流程中會(huì )對生產(chǎn)制造產(chǎn)生影響的因素進(jìn)行了評估考量。
簡(jiǎn)介
盡管光學(xué)設計能夠將光學(xué)系統的應用參數（如調制傳遞函數MTF、圖像分辨率等）轉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(guò)人工分析，或者使用近年來(lái)出現的PanDao軟件[1,2]）。未來(lái)下一步發(fā)展應該就是在光學(xué)設計階段就集成生產(chǎn)制造分析功能，甚至是將其直接嵌入光學(xué)設計軟件中。本文首次嘗試在光學(xué)設計的早期階段動(dòng)態(tài)應用PanDao軟件，探索在早期光學(xué)設計流程中集成生產(chǎn)制造分析功能的可能性。
成本影響分析
針對特定光學(xué)設計，我們通過(guò)公差分析確定公差范圍，并將其分配到光學(xué)元件及機械結構（包括元件定位與殼體配合）中。本文提出在光學(xué)設計流程的早期階段動(dòng)態(tài)運用PanDao軟件，在了解設備精度能力的基礎上，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(dòng)對準和校準的需求及其對裝配時(shí)間和成本的潛在影響，從而在光學(xué)設計過(guò)程中動(dòng)態(tài)應用PanDao；這與在光學(xué)設計完成后對其進(jìn)行標準判斷和比較是恰恰相反的。
圖1.兩種光學(xué)系統可生產(chǎn)性方案示例
如圖2所示，展示了兩種通過(guò)PanDao軟件進(jìn)行評估的設計方案，可以從中評估出光學(xué)元件的生產(chǎn)成本。通過(guò)此方法，在早期設計階段就可以將機加工、鍍膜、定心、模具、設備調試與維護等成本因素納入評估考量中，并將其用于指導設計決策。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的成本差異。
基于上述信息，結合其它組裝環(huán)節的成本數據與專(zhuān)業(yè)知識，我們可最終量化各方案的總成本，并據此選擇最適合特定產(chǎn)品的優(yōu)化路徑。此外，組裝流程規劃、工裝設計、校準與測試設備開(kāi)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(guò)真實(shí)數據驅動(dòng)的決策鏈，可以實(shí)現對全流程的精準控制，并評估每項決策的實(shí)際影響。
光學(xué)設計到制造可行性的整個(gè)過(guò)程是一個(gè)高度復雜的課題，其難點(diǎn)在于需統籌考量眾多因素，并且光學(xué)設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(guò)附圖2所示的圖表來(lái)解析這一復雜設計，其中不同顏色的區域代表光學(xué)和機械的制造風(fēng)險；此外，還可以評估不同類(lèi)型的裝配過(guò)程（沙質(zhì)和大理石區域）。
圖2.可生產(chǎn)性空間圖表：光學(xué)系統制造與裝配評估坐標圖。圖中光學(xué)公差（X軸）與機械公差（Y軸）數值增大代表公差放寬。通過(guò)PanDao劃定的最優(yōu)工作區（圖中標出的區域），能夠在滿(mǎn)足系統性能要求的前提下，實(shí)現制造成本與風(fēng)險最小化，并支持即裝即用的裝配模式
在整個(gè)設計中存在一條恒定性能曲線(xiàn)，其核心目標是找到“性能-可生產(chǎn)性-成本”的最優(yōu)平衡點(diǎn)。該曲線(xiàn)的形態(tài)會(huì )受到系統整體復雜度的影響，但通常需穿越不同制造風(fēng)險與成本區域（如附圖2所示）。盡管這是一個(gè)簡(jiǎn)化模型，但它清晰展示了設計過(guò)程中需統籌的多層信息與多維考量。越早在設計階段厘清此圖，就越容易做出系統級最優(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"，識別不可制造區域以及制造成本和風(fēng)險高、低的區域。更重要的是，借助PanDao，光學(xué)設計師可以自己評估制造成本和風(fēng)險，而無(wú)需在每次更改設計時(shí)咨詢(xún)專(zhuān)門(mén)的專(zhuān)家。傳統模式下，各家制造商僅掌握部分數據，而PanDao首次構建了全局化的制造能力圖譜。PanDao通過(guò)整合340余種制造工藝類(lèi)型與加工能力數據，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的成本，精準量化總生產(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(dòng)態(tài)調整，并最終形成產(chǎn)品總成本�？梢灾庇^(guān)、輕松地對不同成本項進(jìn)行定性比較，但總成本要到整個(gè)工藝結束后才能進(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）基礎上構建成本曲面模型（如圖3所示）。借助PanDao，可以在機械公差范圍內與目標裝配流程約束下，動(dòng)態(tài)的調整光學(xué)公差工作點(diǎn)，從而推導出光學(xué)元件的最低可能成本，此為總成本的核心驅動(dòng)因素。該過(guò)程可針對每種裝配流程迭代執行，最終實(shí)現總體可生產(chǎn)性工作點(diǎn)的優(yōu)化（即圖2所示的"最優(yōu)工作區"）。
圖3.在圖2的可生產(chǎn)性空間圖表基礎上增加成本作為第三維度，直觀(guān)展示了當光學(xué)元件公差（X軸）與機械公差（Y軸）放寬時(shí)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�；赑anDao的光學(xué)系統生產(chǎn)成本評估，可精準定位最優(yōu)工作區內的成本效益最大化點(diǎn)
結論
綜上所述，研究團隊已初步探索出在光學(xué)設計早期階段動(dòng)態(tài)運用PanDao軟件的方法。通過(guò)該方法，可以將特定的光學(xué)設計的制造成本與公差信息納入設計決策考量中，從而實(shí)現成本可控且具備可量產(chǎn)性的光學(xué)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。
參考文獻
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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