複眼結構光學元件的一種車削加工方法

2023-05-15 21:50:56

專利名稱：複眼結構光學元件的一種車削加工方法
技術領域：
本發明屬於光學元件加工技術領域，涉及一種自由曲面光學元件的加工方法。
技術背景隨著科學技術的發展，大量應用對光學成像系統提出更高的要求，不但希望其系統 逐漸小型化，同時還要求光學系統的視場儘量增大，並且對運動目標更加敏感。受到昆 蟲複眼成像特點的啟發，使用複眼結構光學元器件代替常見的單孔徑光學系統，使得儀 器設備進一步小型化成為可能。同時，複眼器件由許多小眼以曲面陣列的方式組合而成， 這種結構雖然成像解析度不高，但卻具有很高的靈敏度和幾乎可達360°的全視場能力， 可廣泛應用於快速監控、跟蹤及目標識別系統，和需要圖像導航的臨床及內窺醫療裝置 中。複眼結構由球面或非球面基面和微透鏡陣列組成，其中微透鏡為球面或非球面，圖1 是複眼結構截面的示意圖。由於複眼結構複雜，不易採用特定方程進行描述，而設計車 削路徑不僅需要知道曲面描述方程，還要藉助方程的偏導進行法向量的求算，因此，直 接對複眼結構進行車削加工存在一定的困難。目前，黃遍採用曲面透鏡陣列結構對複眼進行人工仿生。受到加工技術的限制，其 製作過程很複雜，多採用分別製作單個透鏡小眼然後拼接的方式，裝配和調試都很困難。 另外，還可以採用一些特種加工方式對複眼結構光學器件進行加工，如光刻膠熱熔法或 結合雷射直寫設備的透鏡陣列加工方法等，但這些方法的加工精度還不能令人滿意。採 用金剛石車刀進行超精密車削可以實現加工表面光學質量的一次成型，即工件的形狀精 度達到亞微米級，表面粗糙度達納米級。在金剛石超精密車削對自由曲面進行加工時， 一般要求工具機具有多自由度。近幾年，隨著驅動和控制技術的發展，三軸金剛石車削加 工出現了快刀(Fast Tool Servo)和慢刀(Slow Tool Servo)兩種加工方式，它們為 主軸的轉動角度添加了反饋或控制，突破了在三軸工具機上加工自由曲面的限制。發明內容本發明的目的在於，克服現有技術的上述不足，提供一種簡單的三軸車削加工方法， 實現對複眼結構光學元件可控精度的加工。本發明提出複眼結構光學元件的一種車削加工方法，利用計算機進行NURBS擬合， 生成由加工點和加工點的法向量構成的加工路徑，並以三軸金剛石車床為加工工具實現 車削加工，該方法包括下列步驟(1 )選取進行複眼結構光學元件車削加工的關鍵設計點；(2) 根據車削加工的三軸加工方式，建立柱面坐標系；(3) 對關鍵設計點進行NURBS擬合，建立NURBS數學模型；(4) 確定複眼結構光學元件的中心點，並求解其對應的NURBS坐標；(5) 以中心點的NURBS坐標為極坐標原點，建立NURBS數學模型的極坐標系；(6) 以極坐標原點為旋轉中心點，按照螺旋狀規律選取NURBS數學模型上的加工點；(7) 根據各個NURBS數學模型上的加工點的NURBS坐標，求取相應的Z坐標，從而得 到各個加工點的柱面坐標；(8) 求解每個NURBS數學模型上的加工點的法向量；(9) 根據每個加工點的柱面坐標及在法向量方向上的偏移，獲取其對應的加工刀位坐標(10) 根據各個加工點的加工刀位坐標，生成數控代碼；(11) 利用所生成的數控代碼控制三軸金剛石車床進行加工，實現複眼結構的超精 密加工。本發明針對具有C軸的三軸金剛石車床提供的複眼結構光學元件加工方法，通過建立NURBS數學模型，並建立柱面坐標系和NURBS坐標系之間的映射關係，生成加工路徑 的數控代碼，控制三軸金剛石車床實現複眼結構光學元件的一次成型加工，具有實現過 程簡單並且加工精度可靠的優點。本發明提出的加工思路不局限於複眼結構的加工，還 可以推廣於其他不能用特定方程描述的曲面模型加工中。其中提到的柱面坐標加工方式，還可以應用於三軸金剛石車床之外的其他類似加工方式的自由曲面加工中。


圖1複眼結構示意圖； 圖2 (a)極坐標空間； 圖2 (b) NURBS空間；圖3柱面坐標加工示意圖；圖4複眼結構加工路徑。附圖標記說明 1球面基面2透鏡透鏡陣列2 3刀具 4螺旋路徑具體實施方式
NURBS (Non—Uniform Rational B—Spline)模型可以對規則設計點進行數學描述，可以引入到對複眼結構的車削路徑設計中。首先，採用球面基面1和陣列的複合方程式 或三維模型設計軟體進行特定參數複眼結構的設計，得到一系列分布均勻的關鍵設計點， 假設數目為/7x孤77和// 分別表示行列數量；然後，對這些關鍵點進行NURBS擬合。NUBRS 模型的某個點屍可以描述為，P(xs，ys,zs) = S("，v) = t f>,p (v)cyxs,ys,zs) (1)/'=o y=o其中P為NURBS模型的控制點，是確定NURBS模型前的未知量；#為基函數，對於特 定的一系列屍點來說，在"，r不同取值區間中具有特定分布；P和。是基函數的階數。 當完成NURBS擬合後，則確定了這些關鍵點的NURBS數學模型，其點坐標空間為("，k， z)。 其中，所有關鍵設計點均符合NURBS確定的數學方程，而其餘模型點採用插值方法對其 進行求算。NURBS模型上某點的法向矢量可以由其偏導計算"=3^ (2)|SuxSv|其中S"和S,分別為在仏k上的偏導，且3確定加工模型的數學表達式後，還需建立基於三軸金剛石車床的自由曲面加工模型， 才能實現複眼結構的加工。普通車削加工方式只有兩個坐標系z和&當加工方法採用快 刀或慢刀加工技術時，當旋轉主軸的旋轉角可控時，車削加工的坐標系可以表述為柱面 坐標系"，0， ￡>。 NURBS的點空間("，r, z)中的平面坐標系("，k)以左下角的點為坐 標原點，而柱面坐標系0r， ^， z)中的極坐標系0r, ^)以模型的中心點為坐標原點，如 圖2 (a)和圖2 (b)所示。假設設計模型的中心點坐標"，y。， z。)已知，藉助point inversion算法(具體求解過程參見文獻Piegl， L. ， Tiller, W. ， 1997, The NURBS Book, New York: Springer-Verlag)可以求解其對應的NURBS坐標("。，& z。)；以點(化k。) 為旋轉中心點，建立極坐標系，則對於極坐標系中某點"，A)來說，其對應的NURBS 空間點(仏，。可求，1v-v。 + x,.sin(jp,.將各加工模型點("，K》帶入公式(1)，可求解加工模型點對應的z坐標，從而得到 該加工模型點的柱面坐標為(A, A， &)。在柱面坐標加工中，還有一個非常關鍵的步驟就是生成加工路徑，加工路徑基於旋 轉主軸上的極坐標"0)以螺旋方式生成，不同的(義，W對應於加工模型不同部位的 加工深度z，從而加工形成各種自由曲面。具體採用以下步驟進行複眼結構光學元件的加工1. 釆用球面基面1和陣列的複合方程式或三維模型設計軟體進行特定參數複眼結 構的設計，得到一系列分布均勻的關鍵設計點A (A 乂，2. 對關鍵設計點A (A力，按照行排列進行控制點的求取，其中各關鍵設計 點對應的i/值採用弦長法求取(具體計算方法參見文獻Piegl， L.， Tiller, W. ， The NURBS Book, 1997， New York: Springer-Verlag)，這時方程(l)描述為一個曲線方程，P(xs,ys,zs) = C(") =("p,'(xs,ys,zs) (4)將A (A 乂， &)和〃值代入上式，得到含"個方程的方程組，採用稀疏矩陣高斯-約當消去法求解(具體算法參見文獻徐士良，數值分析算法，2003，機械工業出版社)， 可得到行排列方式對應的控制點"；把《作為已知點按照列排列再次進行控制點求取， 其過程和行排列求取類似，最終得到NURBS自由曲面模型的控制點ft從而建立如式(l) 所示的數學方程；3. 計算柱面坐標系的極坐標原點("。，k。)，以其為旋轉中心點，按照螺旋狀規律生 成"，A)各值，由此來生成加工路徑，由公式(3)計算其上每個加工點的("i， d坐標， 代入公式(l)計算對應的z坐標，進而得到加工路徑的柱面坐標OTi, A, ^i);4. 求解("，d對應於NURBS模型的法向量",將("，Fi)代入其中可以求解以上柱 面坐標點(A， A， ^i)對應的法向量A;5. 由加工模型點的柱面坐標(A， A， &)，在仏方向上的偏移(A A, △ A， 如圖3所示，可求解其對應的加工刀位坐標，圖中標號3為刀具(Xf, ， & ， Zf/) = (X, + AX,，仍+ ， Z, + Az,) (5)6. 當以點("。，7。)為旋轉中心點，生成加工複眼結構光學元件的螺旋線加工路徑4 的("，Ki)坐標時，均能通過3-5各步求解加工刀位坐標Ofu， 0ti, zti)。由此生成數控 代碼，控制三軸金剛石車床進行加工，實現複眼結構的超精密加工。發明人使用超精密金剛石車床加工的工件實例，其加Ol圓柱工件的直徑為12.7鵬， 複眼結構的球面基面1球冠高度為3鵬，微透鏡陣列的加工深度為0. 2鵬複眼結構，模型 關鍵設計點為4096個，通過發明的方法生成的加工路徑如圖4所示，能夠實現不同參數 的複眼結構加工。
權利要求
1.複眼結構光學元件的一種車削加工方法，利用計算機進行NURBS擬合，生成由加工點和加工點的法向量構成的加工路徑，並以三軸金剛石車床為加工工具實現車削加工，包括下列步驟(1)選取進行複眼結構光學元件車削加工的關鍵設計點；(2)根據車削加工的三軸加工方式，建立柱面坐標系；(3)對關鍵設計點進行NURBS擬合，建立NURBS數學模型；(4)確定複眼結構光學元件的中心點，並求解其對應的NURBS坐標；(5)以中心點的NURBS坐標為極坐標原點，建立NURBS數學模型的極坐標系；(6)以極坐標原點為旋轉中心點，按照螺旋狀規律選取NURBS數學模型上的加工點；(7)根據各個NURBS數學模型上的加工點的NURBS坐標，求取相應的Z坐標，從而得到各個加工點的柱面坐標；(8)求解每個NURBS數學模型上的加工點的法向量；(9)根據每個加工點的柱面坐標及在法向量方向上的偏移，獲取其對應的加工刀位坐標(10)根據各個加工點的加工刀位坐標，生成數控代碼；(11)利用所生成的數控代碼控制三軸金剛石車床進行加工，實現複眼結構的超精密加工。
全文摘要
本發明屬於光學元件加工技術領域，本發明針對具有C軸的三軸金剛石車床提出一種的複眼結構光學元件加工方法，利用計算機進行NURBS擬合，通過建立NURBS數學模型，並建立柱面坐標系和NURBS坐標系之間的映射關係，生成由加工點和加工點的法向量構成的加工路徑，控制三軸金剛石車床實現複眼結構光學元件的一次成型加工，具有實現過程簡單並且加工精度可靠的優點。
文檔編號G05B19/19GK101216707SQ20081005205
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月11日 優先權日2008年1月11日
發明者張效棟, 房豐洲 申請人:天津大學