MapleSim modelliert die Bewegung
Komplexe Systeme im Griff
Bei optischen Systemen werden Raytracing-Simulationen häufig für den Idealfall der perfekten Ausrichtung der optischen Elemente durchgeführt. In der Praxis ist es jedoch aus verschiedenen Gründen oft erforderlich, optische Elemente zu bewegen. Die Halterungen der Elemente können recht kompliziert sein, und die Modellierung ihrer Bewegung ist wichtig, um die Auswirkungen auf die Leistung des Systems zu verstehen. Bei dieser Anwendung wird MapleSim dazu eingesetzt, zu untersuchen, wie sich ein Spiegel in seiner Halterung bewegt. Diese Informationen zur Position können dazu genutzt werden, Fehler auszugleichen.
Ein Team bei Canadian Light Source Inc. - einer weltweit führenden Synchrotron-Forschungseinrichtung - hat MapleSim als Werkzeug zur Modellierung eingesetzt, um die Positionierung eines kinematischen Spiegelhalters mit sechs Streben zu bestimmen. Das Modell der kinematischen Halterung mit sechs Streben ließ sich in MapleSim leicht erstellen. Die Gleichungen, die das System beschreiben, wurden automatisch aus dem Modell erzeugt und von der symbolischen Rechenengine von Maple weiter vereinfacht.
Die Ergebnisse der Bewegungssimulation der Stellantriebe wurden dazu genutzt, die so herbeigeführte Position und Ausrichtung des Spiegels zu ermitteln. Diese Informationen wurden anschließend als Eingabe für das Raytracing verwendet.
„MapleSim ist ein äußerst praktisches Simulationswerkzeug und es liefert schnelle Ergebnisse mit ausreichender Genauigkeit, um sie für optische Halterungen zu verwenden, deren Positionierung auf ein Mikrometer genau erfolgen muss”, erklärte Alan Duffy von Canadian Light Source.
Die Bewegung der kinematischen Halterung mit sechs Streben erfolgt so, dass die bogenförmige Bewegung der einzelnen Streben Kosinusfehler verursacht, die eine geringfügige Verkopplung der sonst unabhängigen Achsen bewirken. Dies führt dazu, dass die Bewegung in einer Richtung eine leichte Bewegung in einer anderen Richtung und auch eine Änderung bei der Ausrichtung auf der Drehachse nach sich zieht.
Ohne ein Mittel zur genauen Quantifizierung dieser Änderungen bei Position und Ausrichtung könnte es passieren, dass die Ergebnisse des Raytracings nicht wirklich genau sind. MapleSim gibt die Möglichkeit, die tatsächliche Position und Ausrichtung dieser kinematischen Halterung mit sechs Streben als Funktion der Motoren herzuleiten, die diese Bewegungen steuern. Ein realistischeres Verständnis der Funktion des Systems mit sechs Streben hilft bei der Ausrichtung der Strahllinie und verbessert die Leistung.
Letztendliches Ziel des Teams bei Canadian Light Source ist es, ein Echtzeit-Röntgen-Raytracing des Systems zu erstellen, das das Strahlliniensteuersystem dazu heranzieht, die Positionen der optischen Elemente zu ermitteln und diese dann als Eingaben an ein Röntgen-Raytracingprogramm zu übergeben.
Das MapleSim-Modell ist mit domain-spezifischen Paletten, zum Beispiel Signalblöcken oder Multibody-Komponenten, erstellt worden. Die Stützen wurden aus einem starren 3D-Körper, zwei starren Rahmen und zwei Kugelgelenken aus der Multibody-Bibliothek modelliert. Außerdem konnte unter Verwendung von aus dem CAD-System exportierten STL-Dateien eine Animation des Systems in Bewegung erzeugt werden.
Das Modell wurde mit Hilfe der symbolischen Rechenengine von Maple vereinfacht. So ließen sich die beschreibenden Gleichungen ohne Verlust an Genauigkeit weiter reduzieren. Dank MapleSim war es möglich, Systeme in Subsysteme umzuwandeln und wiederzuverwenden. Der Spiegelbehälter ist als starrer Körper mit starren Rahmen modelliert worden, die die Verschiebung vom Schwerpunkt zu den Punkten definiert, an denen die Streben befestigt sind. Außerdem definiert ein weiterer starrer Rahmen die Verschiebung des Spiegelpols.
Eine direkte Anwendung der Ergebnisse besteht darin, diese Information zur Position dazu zu nutzen, Kosinusfehler zu verringern, die Ergebnisse des Raytracings zu verbessern und bei der Ausrichtung des optischen Systems zu helfen. Die Ergebnisse der Simulation wurden dazu genutzt, die vom Lieferanten zur Verfügung gestellte Tabelle zur Position und Ausrichtung des Spiegels als Funktion der Positionen der Stellantriebe zu überprüfen und um nicht enthaltene Antriebspositionen zu ergänzen.
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