【光学设计】蒙特卡洛公差分析--在 TracePro 的3D交互优化器进行及案例

2024-02-05 20:57

蒙特卡洛公差分析-如何在tracepro的3D交互优化器进行及案例

导言

什么是蒙特卡洛公差分析？

在产品设计或加工时,零部件的尺寸公差设计是至关重要的.由于多种因素的影响,零部件实际的尺寸误差具有随机性.在装配过程中,误差会按尺寸链的方向传递,最后全部累积在封闭环尺寸上，公差分析就是对装配过程中的累积误差进行分析.蒙特卡洛模拟法在公差分析中的使用方法是:模拟已建立标准的装配,获得组成环的公差及分布.基于随机数产生器的使用,模拟组成环或零件制造上误差变化的影响。

蒙特卡洛模拟法可以进行各种随机变量(包括线性、非线性尺寸链)的模拟计算，是一种通用的公差分析技术.由于它的计算精度与样本量的平方根成正比,故需要的样本量很大,模拟次数一般在数万次到几十万次才能保证计算精度，过去认为蒙特卡洛模拟法计算时间长,限制了它的使用.随着计算机技术的发展,计算时间已经不是制约的因素。

在光学设计软件中对光学产品的公差分析可以提前得知以下信息：

（1）检查由制造过程引起的变化

（2）查看可能的安装错误以及它们将如何影响最终结果

（3）了解系统在制造后的性能

如何在TracPro软件内实现蒙特卡洛公差分析？

通过选择操作模式公差分析，在优化对话框中的3D交互式优化器中提供了蒙特卡罗公差能力

TracePro中的蒙特卡公差分析的代码来源于OSLO。它已经被可靠地使用了30多年的蒙特卡罗公差在所有类型的系统。

蒙特卡罗分析使用随机数生成一系列透镜、光管或反射镜，其中扰动的最大幅度由公差值的当前值（用户定义变量的下限和上限）决定。每个随机实现通过生成具有规定概率密度函数的随机数，然后使用这些随机数和公差来构造透镜、光管或光学组件。蒙特卡罗分析的一个优点是，所有的构造参数都可以同时被扰动。对结果系统的性能的分析提供了一个最终制造的光学元件分布的统计预测。由于该过程的随机性，取决于光学组件及其对其构造参数的敏感性，蒙特卡罗分析可能会缓慢地收敛到性能统计数据的真实值。此外，由于所有参数都是同时变化，因此很难确定哪些参数是最敏感的。这就是为什么所有迭代都保存用于后处理。蒙特卡罗分析在评价光学系统和照明系统时都非常有用。

TracePro蒙特卡洛公差分析案例：灯光管开关组件的系统公差分析

这个案例使用了一个简单的灯管和LED。LED以朗博发光的方式发射1流明的能量。光管使用一个弯曲的入口孔将光线对准到目标。该灯管的功能是一个简单的开关，用于汽车内部的口罩，为车辆的驾驶员提供信息。

本示例介绍了光管入口孔径上的蒙特卡罗公差的设置过程，以确定光进入区域曲率上的成型公差。孔径的变化直接影响到目标的通通量，我们将使用它作为误差函数，看看有多远的造过程改变了预期的系统输出。

直接在三维交互式优化器的曲面编辑查看器中创建二维配置文件。对于这个例子，我们使用了一个二维轮廓对称轮廓表面。确保您创建了多个控制点和分段点，以便您可以将这些点设置为变量，以使模型与由于制造过程而导致的模型中的变化相关联。将这两点设置为变量，在“曲面列表”视图中选择线段或控制点后，属性编辑器将显示该点的精确值。将类型从指定变量更改为变量，允许用户选择绝对变量类型或相对变量类型，并输入变量的下限和上限。