某非球面透鏡曲面方程特性研究及自動(dòng)建模軟件開發(fā)

1、文檔從互聯(lián)網(wǎng)中收集，已重新修正排版，word格式支持編輯，如有幫助歡迎下載支持。某非球面透鏡曲面方程特性研究及自動(dòng)建模軟件開發(fā)機(jī)械制造論文某非球面透鏡曲面方程持性研究及自動(dòng)建模軟件開發(fā)撰文/四川城市職業(yè)學(xué)院周梅成都恒睿信息技術(shù)有限公司王新非球面透鏡在國防、航空、光學(xué)儀器及汽車等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用,其加工 和檢測都離不開精確的三維模型。本文針對某特殊的非球面誘鏡，研究了其壓型 坐標(biāo)方程，提出了一種新的建模思路，并基于SolidWorks平臺開發(fā)了非球面 透鏡曲面自動(dòng)建模軟件。經(jīng)過驗(yàn)證，新的方法建模精度高，得到的曲面質(zhì)量很好, 而且可以容易地推廣到其他類型的非球面透鏡建摸中。、引言非球面光學(xué)元件，是

2、指面形由多項(xiàng)高次方程決定、面形上各點(diǎn)的半徑均不 相同的光學(xué)元件。一般應(yīng)用在光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡及反射鏡,曲面型式多數(shù)為平面 和球面,原因是這些簡單型式的曲面加工、檢驗(yàn)容易，但是用在某些高度精密成 像系統(tǒng)有一定的限度。雖然非球面的復(fù)雜曲面制造困難，但在某些光學(xué)系統(tǒng)中依 然是需要的。采用非球面技術(shù)設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)，可消除球差、慧差、像散和場曲, 減少光能損失,從而獲得高質(zhì)量的圖像效果和高品質(zhì)的光學(xué)特性。然而,非球面 透鏡的精密加工無論是單點(diǎn)金剛石切削、五軸數(shù)控加工還是模壓成型，都需要通 過已知透鏡曲面方程，建立精確的非球面透鏡三維模型(至少需要型面上的空間 曲線),這也是很多企業(yè)面臨的難題。目前常規(guī)的建

3、立非球面透鏡曲面三維模型的思路如下。(1)通過曲面方程，計(jì)算出大量的散點(diǎn)。(2 )通過散點(diǎn)構(gòu)建特征曲線。(3 )通過曲線構(gòu)建曲面。也有直接通過散點(diǎn)擬合曲面的方法。但是我們發(fā)現(xiàn),無論是先生成特征曲 線，再生成曲面模型，還是直接通過散點(diǎn)擬合曲面模型，存在的問題都常明顯。(1) 雖然計(jì)算過程比較簡單,只要代入一系列數(shù)據(jù)，即可計(jì)算出散點(diǎn)。但是通過散點(diǎn)構(gòu)建曲面是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，一般需要用到一些逆向工 程軟件,或者進(jìn)行手工處理。因此,生成的曲面質(zhì)量較難保證。(2) 建模過程需要大量的人工干預(yù),效率低下,并且很難自動(dòng)化。針對一些更為特殊的非球面透鏡方程，上述方法的局限性就更加明顯。如 何能夠提高效率,如

4、何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建模,是擺在整個(gè)行業(yè)面前的問題。本文以某車 大燈用非球面透鏡為例，首先分析了該非球面曲面方程的特點(diǎn)，提出了新的建模 思路,并基于SolidWorks進(jìn)行了二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)了非球面透鏡曲面的自動(dòng)建 模。實(shí)踐證明,該方法行之有效,建模精度高，完全滿足實(shí)際加工的需要。二、某車用大燈非球面透鏡曲面方程此車用大燈非球面透鏡圖樣如圖所示。8如有幫助歡迎下載支持小。7牆家訂 ws gw心 Z_訃野“grd該非球面透鏡壓型坐標(biāo)方程不是常見的非球面方程，具體如下（因頁面所y0y叫。因此，我們可以將笛卡爾坐標(biāo) 系下的壓型坐標(biāo)方程變換到柱坐標(biāo)系下。x =r cos0y = r sm 00.027201 xr

5、27 dAZr =(” + 1.2 x 10-7 乂 r4 sin0* + 3.5 x 10u x 汕 sin 少豐,01 + Vi - 0.0AQZ9596 X r20.027201 x r2. aA=二匸 一 2.2 x 107 x r4sin 04 + 1.4 x 1031 x y6sin 06 + ,tt 0 2tt14- Vl - 0.00029596 X r2對于給定的,可以根據(jù)上面的方程得到唯一的一條曲線。該曲線，實(shí)際 上就是垂直于XOY平面,半徑為的圓柱面與非球面透鏡表面的交線。該交線 在XOY平面上投影為一個(gè)圓，但Z向高度卻是周期性波動(dòng)的,波動(dòng)幅度由壓 型坐標(biāo)方程系數(shù)所決定。

6、因此整個(gè)非球面透鏡不是一個(gè)回轉(zhuǎn)體,用旋轉(zhuǎn)方法無法 得到其精確模型。根據(jù)上述討論,我們確定了建模的思路:只要根據(jù)透鏡的直徑尺寸,從小 到大z給出若干個(gè)r,就可以獲得若干條曲線,然后進(jìn)一步使用這些曲線進(jìn)行放 樣,即可獲得透鏡曲面了。四、自動(dòng)建模程序開發(fā)本文基于SolidWorks開發(fā)了這類非球面透鏡的自動(dòng)建模程序,可以方 便的輸入曲面方程的各個(gè)參數(shù),自動(dòng)插入所需的曲線。插入曲線的數(shù)量和每條曲 線的插值點(diǎn)數(shù)都可以用戶輸入，以控制結(jié)果的精度。程序運(yùn)行界面如圖2所示。圖2根據(jù)用戶輸入的分段數(shù)量，程序?qū)⒆詣?dòng)確定將要插入的曲線數(shù)量以及每條 曲線對應(yīng)的半徑，然后，軟件根據(jù)用戶輸入的方程系數(shù),計(jì)算每條曲線的散點(diǎn)

7、 坐標(biāo)并調(diào)用SolidWorks API中的InsertCurve方法，自動(dòng)在SolidWorks創(chuàng) 建相對應(yīng)的曲線。最終,使用自動(dòng)插入的曲線進(jìn)行放樣,獲得曲面。程序?qū)崿F(xiàn)的效果如圖3戸你。從圖3可以看出，該方法建立的曲面光順性非常好，曲面質(zhì)量也能夠滿足要求。而插入的曲線，還可以直接作為將來進(jìn)行數(shù)控加工的刀路，加工精度也 比較容易保證。程序自動(dòng)生成的曲面曲率連續(xù)性也能夠滿足要求。其檢查圖解如圖4從曲率檢查圖中可以看到,整個(gè)曲面的曲率連續(xù)性是非常不錯(cuò)的。對于圖樣上給出的非球面透鏡上的特殊突棱，則可以首先生成完整的曲面,然后將需要調(diào)整的區(qū)域切開,依據(jù)圖樣建立突棱結(jié)構(gòu)”以獲得完整的模型。如圖5所示。后

8、續(xù)的加工和實(shí)物測試表明：本文所述的方法，完全能夠滿足該非球面透 鏡的生產(chǎn)要求,透鏡成品在重量、光學(xué)特性等方面,均達(dá)到要求。事實(shí)上，本文提出的思路還能夠進(jìn)一步擴(kuò)展到其他類型的非球面透鏡建模 中，因?yàn)楸疚乃龅倪@個(gè)透鏡,實(shí)際上是一種特殊形式的非球面透鏡。對于一般 的非球面形式，稍微變化一下輸入的系數(shù)，就可以滿足不同類型的非球面曲面建 模需要了。五、結(jié)語本文通過對某汽車大燈非球面透鏡壓型坐標(biāo)公式的研究，提出了新的建模 思路,并基于SolidWorks開發(fā)了配套的自動(dòng)建模程序。經(jīng)過實(shí)際檢驗(yàn),證明 該建模思路及方法完全能夠滿足這類特殊非球面透鏡的加工要求。通過這一方 法,大大縮短了非球面透鏡的建模時(shí)間，并且提高了模型的精度,為后續(xù)開展透 鏡