光机结构C4P综合设计/制造体系

　　1　引　　言

　　随着信息时代的到来,技术要求及激烈的市场竞争同时给光学仪器研究机构带来了机遇和挑战。一方面是社会需求,特别是在战略任务的驱动下需要生产适合各种任务的光学仪器,特别是轻型高分辨力空间遥感相机,另一方面则是由于技术难度、恶劣的使用环境及激烈竞争带来的严峻挑战。抓住机遇、迎接挑战,CAD技术起到了非常重要的作用。高速计算机及其良好的外设、高度集成化的软件为光机系统工程的开展提供了强有力的工具和平台。CAD/CAE/CAM/CAT/PDM体系就是以产品数据库管理(PDM)为基础的计算机辅助设计(CAD)/工程分析(CAE)/制造(CAM)/检测(CAT),简称C4P。C4P的任何一部分都或多或少在一些企业或研究部门得以应用了,并且取得了重要的成果和长足的发展,然而它们如何有机地结合起来,使其发挥更大更充分的作用,是我们面对的一个新问题。

　　2　C4P综合设计/制造体系基本组成

　　从纯物质角度分,光机结构C4P综合设计/制造体系主要由CAD、CAE、CAM、PDM、综合演示系统及其计算机网络组成,其相互关系如图1所示。计算机网络是C4P综合设计/制造体系的平台保障,综合演示系统则是光学仪器C4P成果的展示和C4P的外延。PDM是CAD/CAE/CAM/CAT的数据库管理系统。CAD/CAE/CAM/CAT是设计、制造工作在不同角度的体现。

　　2.1　光机结构CAD

　　目前CAD技术已经在科学技术的各个角落站住了脚,光学仪器的设计涉及到光、机、电、热等多学科门类,应有针对性地开展CAD工作,这里主要叙述光机结构CAD工作,包括机械结构设计和热设计[1-3]。

　　机械CAD的任务是为实现光学系统而设计机械结构,保证光学系统的光学性能及其可靠性是机械CAD的首要任务和基本前提。笼统地讲,机械CAD的约束条件分为两大类:光学系统和使用环境。设计光学系统时充分考虑了任务要求和部分环境因素,所以机械结构成了光学系统的辅助部分和光学元件的支撑装置,而正是它们使光学性能得以保证。光机结构既包括静态结构,也包括运动机构,在设计时不仅要考虑光仪的静动态刚度,而且要考虑运动可靠性。当光学仪器应用于特殊环境时,会有一些特别的考虑,如在空间光学仪器中,重量、体积、功耗成为首要的三个约束条件,为了满足用户要求,往往不得不采用特殊的结构、材料、工艺等,导致成本大幅度地提高。正是这种特殊要求,有力地推动了CAD技术的推广应用和发展。

　　光机结构CAD的技术路线如图2所示。根据光学系统及光仪的所有其他约束条件首先提出结构的概念设计方案,在初步计算考核的基础上,进行机械CAD工作,构造仪器屏幕样机,包括所有零件、部件和总体装配。构造样机可以采用两种方式:自顶而下和自下而上。给定产品零件的几何尺寸、材料等特性后,随时可以提取其物理参数,并作干涉检查,考核光仪产品的结构合理性。建立运动学模型后,可以机构运动仿真,考查其运动性能,全面考查设计方案的可行性。在不满足仪器要求时,修改设计结构、或总体方案甚至其概念设计方案。