Применение матрицы оптимизации решений для автоматизированного конструирования оптических приборов Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ПРИКЛАДНАЯ И КОМПЬЮТЕРНАЯ ОПТИКА

УДК 681.7.06/07

А. Н. Зленко, А. К. Колпаков, Н. Д. Толстоба, М. А. Злобина

ПРИМЕНЕНИЕ МАТРИЦЫ ОПТИМИЗАЦИИ РЕШЕНИЙ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНСТРУИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

Предложен метод автоматического подбора способа крепления оптических деталей путем применения матрицы оптимизации решения.

Ключевые слова: матрица оптимизации решений, автоматизация процесса конструирования, способ крепления.

Введение. Активное развитие систем автоматизированного проектирования способствует их внедрению в различные области науки и производства, применительно к оптике основной задачей является автоматизация конструирования отдельных узлов оптического прибора.

К основным способам крепления линз и других осесимметричных оптических деталей относятся: завальцовка, приклеивание, крепление резьбовым кольцом. Когда необходимо учитывать особые условия и требования, связанные с габаритными размерами, назначением, условиями эксплуатации оптических деталей, могут использоваться вспомогательные способы крепления: проволочным или накладным кольцом, прижимными планками, специальными элементами или специальной конструкцией оправы. Одной из первоочередных задач при конструировании узла оптического прибора является выбор способа крепления линз.

Как правило, у конструктора имеется некоторый набор проверенных практикой возможных решений и требуется путем перебора этих решений найти наиболее подходящее по условиям поставленной задачи. Рассмотрим условия, определяющие особенности процесса такого поиска.

В повседневной практике конструирования оптико-механических узлов многие задачи решаются методом аналогии на основе опыта конструктора. Так как задачу выбора типов соединений конструктору необходимо решать регулярно, этот процесс не должен быть длительным, поэтому, если уже имеется набор решений, эмпирический метод аналогии следует считать приемлемым и достаточно эффективным.

В. В. Кулагиным [1] была предложена методика анализа вариантов крепления на основе матрицы оптимизации решения: составляется матрица, по которой можно оптимизировать процесс выбора типа крепления при наличии набора конкурирующих вариантов путем определения интегрального показателя качества. Конструктором определяется совокупность возможных вариантов решений, из которых предстоит выбрать оптимальный.

В настоящей работе для организации автоматического принятия решений за основу взята матрица для четырех наиболее распространенных вариантов крепления [1], в которую были добавлены следующие графы: показатели качества — разъемность и герметичность;

способы крепления — резьбовым и промежуточным кольцами, приклеивание, крепление эластичными материалами.

Матрицу составляют оценочные коэффициенты, выбор осуществляется на основании опыта конструктора и проведенных исследований.

Крепление резьбовым и промежуточным кольцами — надежный способ разъемного крепления, обеспечивающий простоту сборки и демонтажа. Но такая конструкция теряет в технологичности, так как требуется использовать дополнительные детали, крепежную резьбу в оправе, необходимо предохранять резьбовое кольцо от самоотвинчивания. Помимо того, узел имеет увеличенные размеры; затруднена автоматизация сборки соединения; невозможна юстировка линзы в оправе в процесс сборки; при работе соединения в условиях перепада температур из-за жесткости могут возникать либо деформации линзы, либо смещения вследствие уменьшения усилия прижатия или возникающего зазора между линзой и резьбовым кольцом [2, 3].

Крепление приклеиванием характеризуется конструктивной простотой, а также снижением массы и габаритных размеров крепления; отсутствием деформаций и напряжений в оптической детали при внешних воздействиях на узел крепления (например, при изменении температуры) благодаря упругим свойствам клеящих веществ; также обеспечиваются герметизация соединения, относительная простота автоматизации процесса сборки. Однако при таком креплении увеличение объема или усадка клеящего вещества после отвердевания могут вызвать напряжение в линзе.

Поскольку зазор между линзой и оправой заполнен клеящим веществом, то при перепадах температур из-за различной степени расширения этих деталей возможно разрушение или возникновение напряжений и деформаций. Крепление, как правило, неразборное, поэтому не подлежит восстановлению.

Крепление эластичными материалами позволяет не повышать габаритных размеров приборов в целом; при таком креплении отсутствуют напряжения в стекле. Однако для разъема соединения требуются дополнительные материалы и время.

На основании таких данных заполняются пустые графы матрицы (см. таблицу, курсивом выделены добавленные в классическую матрицу сведения).

Показатель качества Способ крепления

заваль-цовкой резьбовым кольцом проволочным кольцом резьбовым и пружинным кольцами резьбовым и промежуточным кольцами приклеиванием эластичным материалом

Точность положения объектива 8 4 3 6 6 2 3

Надежность крепления 9 10 4 8 10 2 7

Отсутствие натяжений 6 2 5 8 5 5 6

Нечувствительность к колебаниям температуры 8 2 4 8 4 6 8

Конструктивность 10 5 6 3 4 8 8

Технологичность 4 8 8 6 6 4 4

Стоимость 6 5 7 4 5 7 7

Разъемность соединения 0 10 10 10 10 2 2

Герметичность 10 8 2 8 8 8 10

Программная реализация. На основе предложенной матрицы (см. таблицу) был разработан пакет программ в среде САПР (см. рисунок, а). Диалоговый интерфейс программы обеспечивает возможность корректировать значения матрицы: если конструктор не согласен

58

А. Н. Зленко, А. К. Колпаков, Н. Д. Толстоба, М. А. Злобина

с предложенным в таблице вариантом, он может изменить их, сохранить и использовать в дальнейшем свои значения.

Весовые коэффициенты

Т варианты

Аля выеоиа способа ноеплемия линзы необходимо назначить весивые коэООнцненты. Выберите один из следчниях вариантов

(* Неответственный узел прибора г-и^сового пронавшства

С Тяжелые к/цтлаплесшк ¡условия, качество изображения ялоное С Пдага осветительной системы (н р прожектор)

Сложные динамические н температдоные режм>*ч. ропь объекпеа невысока Г Назначить наямилненты самостоятельно

•••• ¿¡¡¡л««

■ -. т^. ..........л

ПОМОЩЬ

« Н»аа<*:

Отмена

в)

Назначение весовых коэффициен гон

Несовые коэффициенты

Проверьте весовые коэффициенты,

при необходимости измените значения (5ит=11?

точность

надежность

отсутствие натяжений

нечувствительность к температуре

конструктивность

технологичность

стоимость

разъемность

герметичность

О 05

0,1

и 05

1105

0.2

0.3

0.2

0 05

>> В файл » Сохранить Помощь

Рассчитать Прочитать « Назад <<

Записка

Отмена

Представленное на рисунке, б диалоговое окно позволяет выбрать типовые весовые коэффициенты, здесь представлены наиболее часто встречающиеся случаи. На рисунке, в про-

демонстрированы возможности работы с полученными значениями к, которые при решении задачи накладываются на матрицу, отражая относительную важность каждого параметра.

Результатом работы программы является вектор, рассчитанный на основе матрицы и весовых коэффициентов к. Полученное численное значение показывает относительную применимость способов креплений для заданных с помощью к ситуаций. Максимальное значение отражается в сообщении вида: „Наиболее подходящий способ крепления — завальцовка 6,9".

Конструктор может провести расчеты снова, изменив коэффициенты. По завершении работы в файл записывается протокол, который содержит рабочую матрицу, весовые коэффициенты и наиболее подходящий способ крепления, предложенный программой. Результат всех действий записывается в протокол в формате .1x1.

Пример 1. Требуется закрепить объектив диаметром 40 мм, расположенный в неответственном узле прибора для массового производства для широкого круга потребителей.

Назначаем весовые коэффициенты к1—к9. В данном случае важны такие показатели, как технологичность, конструктивность и стоимость. Именно они характеризуют массовое производство. Так как узел является неответственным и круг потребителей широкий, качество изображения может быть средним, поэтому весовые коэффициенты для таких показателей качества, как точность положения объектива, отсутствие натяжений, нечувствительность к колебаниям температуры, назначаются довольно низкими. Таким образом, получим к1=0,05; к2=0,15; к3=0,05; к4=0; к5=0,2; к6=0,3; к7=0,2; к8=0,05; к9=0. После обработки матрицы получаем протокол № 1, в котором предлагается использовать „крепление резьбовым кольцом: (6.7)".

Пример 2. Необходимо закрепить объектив диаметром 40 мм, работающий в тяжелых климатических условиях, качество изображения должно быть очень высоким.

Назначаем весовые коэффициенты. В этом случае гораздо более существенны показатели, отвечающие за качество изображения: к1=0,25; к3=0,3. Тяжелые климатические условия указывают на необходимость более надежного крепления, нечувствительности к колебаниям температуры и герметичности: к2=0,1; к4=0,1; к9=0,1. Чем выше качество изображения, тем дороже будет прибор, а значит, должна быть возможность замены его элементов: к8=0,1.

После обработки матрицы получаем протокол № 2, в котором предлагается использовать „крепление с помощью резьбового и пружинного колец: (7.05)", что вполне соответствует сложившейся практике.

Пример 3. Требуется закрепить конденсор в прожекторе.

Так как в этом случае качество изображения не играет главной роли, а требуется в основном только технологичность и конструктивность крепления, то весовые коэффициенты могут быть назначены следующим образом: к1=0; к2=0,05; к3=0; к4=0,05; к5=0,2; к6=0,2; к7=0,35; к8=0,15; к9=0.

После обработки матрицы получаем протокол № 3, который предлагает использовать „крепление проволочным кольцом: (7.15)", на практике для подобных случаев действительно часто используют такое крепление.

Таким образом, представленная матрица принятия решений является жизнеспособной, а разработанный математический аппарат и программное обеспечение могут использоваться в автоматизированном конструировании на этапе выбора способа крепления оптических деталей.

список литературы

1. Кулагин В. В. Основы конструирования оптических приборов. Л.: Машиностроение, 1976. 304 с.

2. Ключникова Л. В., Ключников В. В. Проектирование оптико-механических приборов. СПб: Политехника, 1995. 208 с.

3. Латыев С. М. Конструирование точных (оптических) приборов. СПб: Политехника, 2007. 579 с.

60

А. О. Вознесенская

Сведения об авторах

— аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра прикладной и компьютерной оптики; E-mail: [email protected]

— аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра прикладной и компьютерной оптики;

E-mail: [email protected]

— канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра прикладной и компьютерной оптики; E-mail: [email protected]

— „Артилед", Санкт-Петербург; инженер; E-mail: [email protected]

Поступила в редакцию 25.11.11 г.

УДК 681.78

А. О. Вознесенская

АМПЛИТУДНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА ДЛЯ ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ

Представлены результаты компьютерного моделирования и экспериментально -го исследования амплитудного волоконно-оптического преобразователя отражательного типа для датчика давления.

Ключевые слова: волоконно-оптический датчик, датчик давления.

Введение. В настоящее время интенсивно развиваются автоматизированные системы контроля и управления различными технологическими процессами. Функционирование таких систем требует использования надежных высокоточных датчиков для измерения различных физических величин. В настоящее время для решения этой задачи все более широко применяются волоконно-оптические датчики (ВОД), которые позволяют с высокой точностью измерять разнообразные физические величины (температуру, давление, перемещение, вибрацию, акустические волны, электрические и магнитные поля, уровень жидкости и др.) и, кроме того, обладают малыми габаритами, массой, они невосприимчивы к электромагнитным помехам, а также совместимы с современными волоконно-оптическими системами передачи информации [1, 2].

Для использования в измерительной технике наиболее подходят ВОД с амплитудной модуляцией светового сигнала, которые от фазовых и поляриметрических ВОД отличаются наиболее простой и технологичной конструкцией и требуют минимальных материальных и временных затрат на монтаж и эксплуатацию. Во многих типах амплитудных ВОД воздействия приводят к изменению положения или формы подвижного (или деформирующегося) элемента волоконно-оптического преобразователя (ВОП), это, в свою очередь, вызывает изменение (модуляцию) выходного оптического сигнала ВОД [3]. Таким образом, обеспечиваются удобная для последующей обработки форма представления информации и однозначная взаимосвязь входной и выходной величин.

Андрей Николаевич Зленко

Андрей Константинович Колпаков

Надежда Дмитриевна Толстоба

Марина Андреевна Злобина

Рекомендована факультетом ОИСТ