O.Resnik1, O.Faehnle2 and Y.Arazi1
1JOYA Team, Ramat Yishai, Israel
2 OST-University of Applied Sciences, Buchs, Switzerland,
本文在光學設計流程的早期階段動態(tài)應用PanDao軟件，對整個流程中會對生產制造產生影響的因素進行了評估考量。
簡介
盡管光學設計能夠將光學系統(tǒng)的應用參數(shù)（如調制傳遞函數(shù)MTF、圖像分辨率等）轉化為定義明確的技術圖紙，但其可生產性評估往往只能事后進行，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)展應該就是在光學設計階段就集成生產制造分析功能，甚至是將其直接嵌入光學設計軟件中。本文首次嘗試在光學設計的早期階段動態(tài)應用PanDao軟件，探索在早期光學設計流程中集成生產制造分析功能的可能性。
成本影響分析
針對特定光學設計，我們通過公差分析確定公差范圍，并將其分配到光學元件及機械結構（包括元件定位與殼體配合）中。本文提出在光學設計流程的早期階段動態(tài)運用PanDao軟件，在了解設備精度能力的基礎上，評估光學元件公差的級別對制造工藝與成本的影響，然后評估主動對準和校準的需求及其對裝配時間和成本的潛在影響，從而在光學設計過程中動態(tài)應用PanDao；這與在光學設計完成后對其進行標準判斷和比較是恰恰相反的。
圖1.兩種光學系統(tǒng)可生產性方案示例
如圖2所示，展示了兩種通過PanDao軟件進行評估的設計方案，可以從中評估出光學元件的生產成本。通過此方法，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(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品的優(yōu)化路徑。此外，組裝流程規(guī)劃、工裝設計、校準與測試設備開發(fā)可并行于光學元件生產階段，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)驅動的決策鏈，可以實現(xiàn)對全流程的精準控制，并評估每項決策的實際影響。
光學設計到制造可行性的整個過程是一個高度復雜的課題，其難點在于需統(tǒng)籌考量眾多因素，并且光學設計師往往難以獲取全面、透明的關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雜設計，其中不同顏色的區(qū)域代表光學和機械的制造風險；此外，還可以評估不同類型的裝配過程（沙質和大理石區(qū)域）。
圖2.可生產性空間圖表：光學系統(tǒng)制造與裝配評估坐標圖。圖中光學公差（X軸）與機械公差（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)制造成本與風險最小化，并支持即裝即用的裝配模式
在整個設計中存在一條恒定性能曲線，其核心目標是找到“性能-可生產性-成本”的最優(yōu)平衡點。該曲線的形態(tài)會受到系統(tǒng)整體復雜度的影響，但通常需穿越不同制造風險與成本區(qū)域（如附圖2所示）。盡管這是一個簡化模型，但它清晰展示了設計過程中需統(tǒng)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(tǒng)級最優(yōu)決策，最終確保產品具備可控良率、盈利潛力與可擴展性的量產可行性。
PanDao可完整覆蓋該圖表中的"光學元件公差"，識別不可制造區(qū)域以及制造成本和風險高、低的區(qū)域。更重要的是，借助PanDao，光學設計師可以自己評估制造成本和風險，而無需在每次更改設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數(shù)據(jù)，而PanDao首次構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)，能夠輸出光學元件的生產成本以及計算不同公差對應的成本，精準量化總生產成本。該成本模型可表述為以下公式：
成本=光學器件生產+外殼生產+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）主要取決于光學元件生產成本，其他成本隨之動態(tài)調整，并最終形成產品總成本�？梢灾庇^、輕松地對不同成本項進行定性比較，但總成本要到整個工藝結束后才能進行比較。
為找到成本效益最大化點，我們可以在可生產性空間圖（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，動態(tài)的調整光學公差工作點，從而推導出光學元件的最低可能成本，此為總成本的核心驅動因素。該過程可針對每種裝配流程迭代執(zhí)行，最終實現(xiàn)總體可生產性工作點的優(yōu)化（即圖2所示的"最優(yōu)工作區(qū)"）。
圖3.在圖2的可生產性空間圖表基礎上增加成本作為第三維度，直觀展示了當光學元件公差（X軸）與機械公差（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。基于PanDao的光學系統(tǒng)生產成本評估，可精準定位最優(yōu)工作區(qū)內的成本效益最大化點
結論
綜上所述，研究團隊已初步探索出在光學設計早期階段動態(tài)運用PanDao軟件的方法。通過該方法，可以將特定的光學設計的制造成本與公差信息納入設計決策考量中，從而實現(xiàn)成本可控且具備可量產性的光學產品開發(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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