面向光學設計師的製造成本影響分析軟體工具PanDao
Marco Tinnera, Irina Livshitsb and Oliver Faehnlea
a 瑞士聖加侖市的PanDao 有限公司,
b 用於光資訊與節能系統的電腦輔助設計”，聖彼德堡國立資訊技術、機械與光學研究大學，俄羅斯聖彼德堡
摘要. 本文介紹了一款名為“PanDao”的新軟體工具，專為光學系統設計人員打造。該工具能夠在設計階段類比出最佳的製造流程和所需技術，並對設計參數和公差的製造成本影響進行分析。
在光學系統的生成過程中，會依次涉及三個不同的實體:
(a). 最開始，光學系統設計人員會將性能參數轉化為光學系統參數，例如所用玻璃的類型、透鏡的幾何構型、面型精度、粗糙度和中頻誤差以及所使用的鍍膜類型。
(b). 接下來，光學製造設計師將光學系統的參數轉化為一套精心設計的製造流程，採用配備有優化製造參數（如所用磨料、加工運動學、共振頻率或濺射速率等）的機器。
(c). 最後，生產經理們開始利用現有配置的光學製造鏈，採用優化後的批量規模和訓練有素的操作人員來進行高自動化水準地光學系統生產。
傳統習慣上，光學設計師會與客戶就產品的“光學系統”進行磋商，討論內容包括規格、價格以及有關產品的製造、鍍膜、安裝和交付等問題。
雖然光學設計師在設計最佳光學元件組合方面得到了軟體工具的有力説明，但目前還沒有工具能夠幫助他們設計出生產所需的最佳製造流程。就光學製造而言，光學設計師的決策僅限於他們之前與公司內部或供應商光學研討會磋商所積累的個人經驗。這是因為光學製造技術並非光學設計師培訓內容的一部分，尤其是化學工程、材料科學、機床計量學、機械工程、磨料加工、製造工藝參數控制以及“光學工程師的黃金之手”對背後科學原理的深刻理解。
最近，在PanDao軟體專案中1，開發出了這樣一款工具。基於數十年來在學術界和工業界最先進的製造技術以及經驗，PanDao專家系統應運而生。PanDao軟體已在工業生產環境以及位於研究機構的光學實驗室中進行了壓力測試，這些實驗室用於生成用於航太、醫療和國防領域的高端光學系統。
PanDao 能讀取市面上流行的光學設計軟體工具生成的鏡片參數和公差，並且還會考慮諸如“需生產的鏡片總數”和“交付的批次大小”等商業訂單資訊。在設計階段，PanDao 會綜合考慮所有已知的光學製造技術（如SPDT2、研磨拋光3、離子束拋光IBF4、液體噴射拋光FJP5 等），生成有關製造的資訊。這樣一來，光學設計師就能在設計階段測試其光學設計的可生產性以及生產所需的必要光學製造技術。此外，還能基於光學設計參數進行製造成本影響分析，從而優化設計參數以實現最低製造成本。因此，在光學設計過程中，PanDao 會描述整個製造鏈，包括製造成本、鍍膜成本、測試成本和中心成本.
接下來，將展示PanDao對一款直徑為220 毫米的平凸非球面鏡片（見圖1）的製造成本和技術分析，該鏡片計畫生產500 件。
PanDao（圖2）確定採用亞孔徑數控磨削並以最終的CCP 研磨拋光作為最佳的加工流程。每片透鏡的總加工成本約為185 歐元（以中等規模的中歐公司為例：不包括公司管理費用和材料成本）；總訂單的加工成本為92500 歐元。接下來給出三個示例，展示光學設計調整如何影響加工成本。
 將鏡片直徑從220 毫米改為210 毫米（並用例如金屬環填充空出的空間），使每片鏡片的成本降至176.8 歐元，從而整體上使製造成本降低4.4%（即4100 歐元）（圖3）。
將透鏡的非球面度（從最佳去除球面到要生成的非球面的最大距離）從4 微米減小到2 微米，可使每片透鏡的製造成本降低至155.5 歐元，從而整體降低15.9%（即14750 歐元）的製造成本（圖4）。在這種情況下，先研磨和拋光去除球面，然後再使用非球面拋光技術，比直接研磨和拋光非球面更經濟。
最後，引入更嚴格的中間容差，例如將允許的最小中波誤差（MSW）從5 毫米減小到0.2 毫米，會導致製造成本增加16.6%（即15355 歐元），因為需要進行最終的IBF 成型步驟（圖5）。
總之，已開發出的名為“PanDao”的新型光學設計軟體工具，能夠根據光學設計參數和公差來設計出最佳的製造流程。這樣一來，在光學系統的設計階段就能將製造成本降至最低。
圖1. 擬生產500片平面-非球面BK7透鏡，用PanDao軟體工具分析
圖2. PanDao分析了平面-非球面BK7透鏡（圖1），每個透鏡的製造成本為185歐元，不包括8.7歐元的中心研磨成本，18.5歐元的鍍膜成本和18.2歐元的測試成本。.
圖3. PanDao分析平面-非球面BK7透鏡（圖1）：將透鏡直徑從220毫米減小到210毫米，總製造成本降低4.4%.
圖4. PanDao分析平面-非球面BK7透鏡（圖1）：將非球面度從4 μm降低到2 μm，總製造成本降低15.9%。
圖5. 對PanDao分析平面-非球面BK7透鏡（圖1）：將中間波長精度從5mm降低到0.2 mm，製造成本提高16.6%。
參考文獻：
1. Webside: https://www.PanDao.ch
2. Jiwang Yan, J. Tamaki, K. Syoji, T. Kuriyagawa, “Single-point diamond turning of CaF2 for nanometric surface”, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Volume 24, Issue 9, pp 640- 646, 2004
3.David Walker ; A. T. Beaucamp ; David Brooks ; Richard Freeman ; Andrew King ; Gerry McCavana ; Roger Morton ; David Riley ; John Simms; Novel CNC polishing process for control of form and texture on aspheric surfaces. Proc. SPIE 4767, Current Developments in Lens Design and Optical Engineering III, 2002;
4.Franz Thomas, and Thomas Hänsel, "Ion beam figuring (IBF) solutions for the correction of surface errors of small high performance optics." Optical Fabrication and Testing. Optical Society of America, 2008;
5. Oliver Faehnle, H. van Brug and H. Frankena, "Fluid Jet Polishing of optical surfaces", Applied Optics 37(28), 6771-6773, 1998; |
