自由曲面

摘要： 针对机器人磨削自由曲面存在的轮廓精度低、粗糙度均匀性难以控制等问题,提出一种基于改进弦高误差约束的机器人曲面磨削轨迹规划方法.首先,在分析刀具与曲面局部接触状态的基础上,建立磨削行距计算模型;然后,对弦高误差约束法进行改进,推导考虑轨迹线曲率影响的进给步长计算模型,规划出曲面轮廓误差约束的磨削轨迹;最后,对一张自由曲面进行轨迹规划.结果表明,该方法可将弦高误差控制在给定范围内,提高磨削轨迹的曲率适应性和磨削后工件表面轮廓质量.

摘要： 针对自由曲面光学元件面形较复杂的特点,文中提出了一种磁流变抛光最佳的压力场获取方法。首先通过对磁流变抛光自由曲面光学元件抛光区域的压力场进行分析,得到压力场影响因素;其次,结合压力场影响因素,基于几何相贯理论建立压力场量化形态学评价方法;然后,基于自由曲面的几何模型,将该方法分别用于平面、不同曲率的球面和自由曲面,进行不同浸入深度和不同角度的分析,得到对应的压力场面形,再进行压力场形态学评价计算;最后通过对所得的实验数据进行分析,证明该方法能够很好地表征压力场形态学参数。

摘要： 为了改进自由曲面刀具路径规划中刀具圆弧Z向补偿的计算方法,降低车床克服X轴惯性带来的跟踪误差,提高切削速度和效率,基于超精密车削下的慢刀伺服技术提出一种差值迭代法。以理想刀位点极径和由给定刀触点计算出的实际刀位点极径作差值运算,判断差值是否小于车床导轨分辨率,若低于分辨率,则输出刀位点;若超过,将差值补偿给初始刀触点重新计算补偿刀位点,再与理想极径作差值,此为一次迭代,通过多次迭代,即可完成最终刀位点输出。通过实验分析证明:三次迭代后的刀位点极径即可满足阿基米德螺线渐变,车床X轴稳定进给,同时对Z轴的补偿量较少,加工精度达PV0.226λ@632.8 nm。该差值迭代法无需复杂的方程组求解和曲面拟合,可操作性好,加工精度和效率高。

摘要： 为有效提高自由曲面网格结构的性能,改进了自由曲面网格结构的多目标优化方法,基于NURBS技术生成自由曲面,以曲面控制点高度为优化变量,结构应变能为静力性能优化目标,提出了以综合考虑曲面相似性、流畅性以及网格规整性的几何综合量化指标为几何优化目标;将目标函数的敏感度与进化算法NSGA-II结合,提出了敏感度混合进化算法。进行了自由曲面索撑网壳与自由曲面空间网格结构的多目标优化。研究结果表明:与其他3种算法相比,敏感度混合进化算法不仅可获得精确性、均匀性更好的Pareto解集,而且明显提高了算法的优化效率;两个结构优化后的应变能分别下降了21.2%、60.9%,几何综合量化指标分别下降了15.4%、30.9%;优化后结构自身的力学性能有所提高,以综合量化指标为目标函数有效提高了自由曲面的相似性、网格流畅性以及网格规整性。

摘要： 针对三坐标测量机测量效率低的问题,建立了自由曲面加工误差预测模型。采用基于模拟退火算法优化的BP神经网络算法对自由曲面上若干个点的加工误差进行预测,结合模拟退火算法的概率突跳特性,在解空间中随机寻找目标函数的全局最优解,从而改进BP神经网络算法。为进一步提高算法的预测精度,采用加工误差分解的方法剔除点集中的奇异点。用三坐标测量机对自由曲面上若干个点进行测量并获得加工误差,将预测结果与试验结果进行对比验证。结果表明,平均绝对误差指标达到了1.70μm,且最大绝对误差为7.12μm,说明该优化算法具有较好的预测性能。

摘要： 在满足残留高度的前提下,增大行距能够有效减少加工刀轨的行数,从而减少刀轨总长度。针对自由曲面平底刀五轴加工,提出了一种行距自适应的刀轨生成方法。在刀具进给方向法平面上,以椭圆等效表示平底刀切削轮廓,基于曲面局部轮廓线和等残留高度点的几何特征提出迭代计算等残留高度点的方法;再根据等残留高度点、切削轮廓和曲面之间的几何关系,通过迭代调整下一行切削轮廓位置计算出满足残留高度要求的下一行刀轨信息;最后以下一行和当前行刀触点之间最小的参数差值作为自适应行距值规划刀轨。以叶片曲面为例生成刀轨,验证了算法的可行性和有效性。

摘要： 全景鱼眼光学系统的成像圆通常为完整的圆形,小于感光芯片的垂直方向尺寸,相比长方形芯片,圆形成像圆面积较小,芯片有效像素利用率低。结合全景鱼眼光学系统成像圆小于芯片的特点,介绍一种基于自由曲面设计的全景鱼眼光学系统,可实现椭圆形成像区域,大大提高芯片有效像素的利用率。采用光学设计软件,构建自由曲面模型,运用玻璃镜片加塑料镜片混合构成的方法,通过消像差和控制不同温度场下焦点漂移设计非对称全景鱼眼光学系统的成像区域为椭圆,实现了镜头成像像高X方向接近芯片的水平尺寸,Y方向接近芯片的垂直尺寸。在不考虑制造公差的理想情况下,对于4:3芯片,根据圆和椭圆面积公式可得圆形成像区域的芯片像素有效利用率约为58.9%,椭圆形成像区域的芯片像素有效利用率约为78.5%。仿真和计算结果表明,采用椭圆形成像光学设计比圆形成像光学设计的芯片有效像素利用率提升15%左右。

摘要： 为提高三坐标测量机对自由加工曲面的测点检测效率,针对传统遗传算法收敛速度慢且易陷入局部最优解的问题,引入自适应调节机制,从种群个体的适应度分布情况与个体适应度值两个方面实现交叉与变异概率的自适应参数调节,提高了算法效率,降低了早熟概率;采用贪婪交叉算子与贪婪倒位变异算子,加快了算法的收敛速度。实验结果表明,改进的遗传算法能够更高效且优质地完成自由曲面测量路径优化。

摘要： 为了满足空间光学系统结构紧凑、尺寸小型化和高分辨率的要求,提出了一种紧凑型离轴三反无焦系统初始结构的设计方法,应用Zernike多项式自由曲面对初始结构进行优化,分别完成了红外波段Φ600 mm包络、入瞳口径为350 mm、压缩比为7倍的光阑离轴和视场离轴三反无焦光学系统的设计。设计结果表明两种光学系统各视场波像差均小于0.1λ(λ=3.7μm)。公差分析表明光阑离轴三反无焦系统波像差小于0.08λ的概率达到90%以上,视场离轴三反无焦系统波像差小于0.07λ的概率达到90%以上,说明了设计的有效性。同时将光阑离轴和视场离轴两种方式的光学系统进行对比,视场离轴三反无焦系统可以使结构更紧凑,波像差更小,分辨率更高。本文提出的无焦系统初始结构的设计方法满足结构紧凑、高分辨率的实际应用需求。

摘要： 自由曲面光学元件与球面和非球面光学元件相比能够提供更高的光学设计自由度,应用于成像光学系统有利于简化系统结构和改善成像质量,在新一代空间光学遥感领域具有广阔的应用前景。为了提高铝自由曲面反射镜的制造精度,使用快刀伺服加工(FTS)方法对铝材质、XY多项式形式自由曲面反射镜进行了加工实验,采用扫描电子显微镜对加工表面形貌进行观察,并通过轮廓仪测量其面形精度和表面粗糙度。研究了进给率、主轴转速、切削深度对表面粗糙度的影响,并分别建立了进给率、主轴转速、切削深度与表面粗糙度的多项式和线性拟合曲线。结果表明:铝自由曲面的粗糙度受切削深度和主轴转速的影响较小,受进给率影响较大,随着进给率的增大,表面粗糙度逐渐增大;铝自由曲面的粗糙度跟进给率、主轴转速、切削深度的关系曲线拟合程度较高。最终加工完成的表面面形精度PV达到3.786μm,表面粗糙度Ra值为3.5 nm,实现了自由曲面铝反射镜的高精度镜面加工。

摘要： 物联网时代来临,光传感器市场也有着巨大发展潜力;本研究提出一具有自由曲面之芯片级封装传感器发射端组件结构及其自由曲面设计技术,藉由此项技术可使一次光学组件具备有二次光学的光型可设计特性;此算法引入能量守恒原理对自由曲面设计中司乃尔定律的点光源假设进行修正,并使用Lighttools进行光束追迹模拟;于8次的迭代后取得归一相关系数0.995的设计结果,以此曲面设计进行实际样品测试也取得与设计目标一致的表现,芯片级自由曲面发射器组件可提供光传感器一微型化且具光型可调性解决方案.

摘要： 基于非成像光学的自由曲面,因为具有高的自由度和高的效率,成为目前最热门的照明光学设计技术.其核心是根据目标照明的需求,合理构建一个自由曲面.本文介绍了自由曲面设计中的数值计算、优化和几何设计方法,并简述了自由曲面透镜在道路照明、汽车照明和投影仪中的应用.

摘要： 本文以应变能为目标函数，B样条曲面关键点为变量，提出了考虑几何非线性的自由曲面形态创构方法。通过引入Delaunay网格划分技术，对利用B样条曲面所形成的初始结构进行网格划分，解决了高效的网格生成和网格畸形问题。将B样条曲面创建方法与梯度法相结合，通过改变关键点的坐标使得结构应变能下降，通过编制对应的有限元程序和形状优化程序，不仅计算效率高，而且生成的曲面光滑连续。考虑结构几何非线性的影响，可以对跨度更大，初始结构缺陷明显，初始位移较大的结构进行较为精确的优化分析，为建筑师的建筑创造提供更加多样的选择。通过算例的计算分析可以看出，结构随着应变能的降低，结构的刚度增加，结构的平均位移和最大位移都有不同程度的降低，结构的承载力不仅得到提高，而且对初始缺陷的影响也得到了有效的降低，结构应力分布更为均匀，结构形式趋于合理。

摘要： 常德友阿国际广场天幕为复杂自由曲面单层网壳结构,采用规范规定的静力经验计算公式对杆件进行验算,保证了杆件的强度、刚度和稳定性;采用特征值屈曲分析、几何非线性分析等技术,保证了结构的整体稳定性;对空间箱型截面杆件的多杆件相交节点进行了连接构造设计,并采用合理的节点分析技术,确保节点承载力符合受力要求.结构分析流程和技术方法可类似多杆件相交复杂网壳结构设计提供参考.

摘要： 为了更好地将自由曲面网格结构应用于实践工程,综述了现有网格划分的现状.在此基础上,分别研究了基于映射思想的自由曲面网格划分、基于引导线的自由曲面网格划分、基于Delaunay的三角网格划分及映射-拟桁架法的自由曲面网格划分方法,给出了基于映射方法的网格曲线修正方法.在此基础上,开发了专用软件ZD-mesher,该软件针对自由曲面网格设计的需求,基于windows平台,图形界面基于知名开源CAD库开发,且不需要依赖其它CAD软件,具有生成网格快、质量优、许修改、稳定性好等特点.

摘要： 自由曲面是下一代光学系统的核心元件,具有优异的光学性能和系统集成能力,在新能源、照明、航空航天、生物医药工程等领域有着广泛的应用.自由曲面的超精密加工制造是一个包含了光学设计、加工、测量和评价的复杂集成的闭环流程.在这个过程中,为了保证自由曲面超精密加工的面型精度,在位测量是一项关键性技术.本文详细介绍了在位测量技术在自由曲面超精密加工中的研究现状、应用及其进展.

摘要： 单层网格结构设计过程中,网格结构往往因形态不同,在竖向荷载作用下产生过大弯矩导致设计困难.本文将柔性结构中找形的概念应用于刚性结构,以某一单层网壳构架为例,提出利用应变能最小为目标以达到曲面优化目的之方法.本研究基于Rhino+Grasshopper(简称GH)软件平台进行分析,过程中考虑自重,采用遗传基因优化算法,完成单层网格结构形态构建,并且通过优化减少因自重引起的弯矩.通过本文优化方法设计的网壳结构与建筑初始曲面外形相似,但承载能力有较大幅度的提高.预期通过本文所提供的方法,可以提高方案过程中建筑—结构配合度,减少设计过程中重复工作,提高设计效率,为设计工作提供新的思路.

摘要： 乐清体育中心体育馆屋盖结构采用大跨度索桁式弦支体系,由上部的径向索桁体系和下部的单层自由曲面刚性壳体组成.屋盖结构矢跨比约为1/21,为改善结构性能,根据刚度设计的思想对结构进行形态分析使得结构形状与外荷载相适应.采用修正的动力松弛法对刚性壳体进行找形分析,得到的自由曲面以薄膜内力为主.应用一种新型的找形分析方法,能考虑荷载分布的影响,同时得到索桁体系的形状与预内力分布.整体结构分析结果表明,形态分析后的结构性能能够满足设计要求.

摘要： 喷涂机器人在陶瓷产品施釉生产线上的应用水平较低,项目组设计开发了喷釉机器手和喷釉工艺综合试验平台,着重对喷釉工艺进行研究,以提高工艺的数字化水平;研究建立结合施釉工艺的复杂产品数字模型,以提高施釉机器人的自动规划能力;研究了基于机器视觉的釉面质量检测和评估方法,以构成施釉闭环系统.

摘要： 为了实现自由曲面对象的三维形貌测量,搭建了便携式三维视觉测量系统.采用双目立体视觉与相移光栅结合的方式实现了完整三维轮廓数据测量并对系统涉及的主要算法进行了分析.首先,结合双目立体视觉、相位测量术和多频外差法计算出单视局部数据点;然后,使用辅助靶标实现多视数据的初始拼接;最后,对测量数据进行噪声滤除、优化拼接和冗余点滤除等操作,从而获得完整测量数据.通过实验验证了系统的可行性和测量精度,结果表明:系统的测量精度约为0.04 mm,单视测量和计算时间约为10s,两邻视间的数据处理与完整拼接耗时约为20 s.实验显示该系统能够较快速、完整、高精度地获取物体的三维数据,基本满足一般测量对象的应用需求.

摘要： 本发明揭示一种自由曲面和安装基准面间的关系稳定，安装时调整容易，并能以高精度、低成本制造的自由曲面光学元件成形用金属模及自由曲面光学元件。由利用沿自由曲面光学元件(14)端面的分型线PL形成自由曲面(有效区域21)及其相反一侧的背面的固定模和活动模构成，将形成自由曲面(有效区域21)的模具工作面和形成使自由曲面光学元件(14)沿与自由曲面(有效区域21)成直角的方向安装的轴向安装基准面(28a～28c)的模具工作面相对分型线PL配置在同一侧的模具中。自由曲面光学元件(14)具有沿自由曲面光学元件(14)端面的分型线PL，将自由曲面光学元件(14)的自由曲面和使自由曲面光学元件(14)沿与自由曲面成直角的方向安装的轴向安装基准面(28a～28c)相对所述分型线PL配置在同一侧。

摘要： 本发明涉及一种用于离轴自由曲面成像光学系统中自由曲面的设计方法，其包括如下步骤：步骤1、在起始光源面上选取M×N的起始光源阵，则能得到起始光源阵内每个起始发光点的坐标；步骤2、计算得到单自由曲面反射镜上第一条种子曲线，根据种子曲线扩展的方法获得整个自由曲面反射镜上的其余采样点的坐标；步骤3、根据上述获得单的自由曲面反射镜上M×N个采样点的坐标，对单自由曲面反射镜上的所有采样点进行多项式拟合，且利用评价函数对拟合的多项式进行优化，以确定所述多项式的最优拟合系数，生成所需的单自由曲面反射镜。本发明能有效实现对离轴自由曲面成像光学系统中自由曲面的设计，提高设计效率，提高设计精度，安全可靠。

摘要： 本发明公开了一种自由曲面型二元光学元件及其设计、制作方法及自由曲面型二元光学投影系统。本发明的设计方法包括以下步骤：形成一原始文件，该原始文件包含原始图案；将原始文件进行网格化分，形成原始文件阵列面；显示图案在一显示区域内显示，将显示区域进行与原始文件相同的网格化分，形成显示区域阵列面；将一虚拟面进行与原始文件相同的网格化分，形成虚拟阵列面；调整虚拟阵列面中对应于第一颜色的平面的角度，使得显示区域的显示图案与原始文件中的原始图案对应；利用调整角度后的虚拟阵列面中的各个平面，形成自由曲面。

摘要： 可以制作自由曲面透镜(例如，相位调制器、透镜或可变形镜)以再现由图像数据指定的光图案。自由曲面透镜上的源区被映射到图像上的目标区面积。调整源区的面积以改变传送到每个目标区的光量。源面积的调整可以使用优选地并入平滑性和旋度正则化项的L‑BFGS优化来实现。实施方式应用并行处理以实时或接近实时地获得自由曲面透镜的控制值。设备可以处理图像数据并通过使用处理的图像数据控制动态可变自由曲面透镜来显示图像。

摘要： 提供一种成形性优异的自由曲面透镜、自由曲面镜、它们的设计方法以及使用它们的投射型影像显示装置。一实施方式是构成投射型影像显示装置中的包含自由曲面镜的倾斜投射光学系统的由透明的树脂成形的自由曲面透镜，该自由曲面透镜具备透镜有效区域，在表面形成规定的自由曲面；以及端缘面，被形成为围绕该透镜有效区域，在围绕未形成该端缘面的所述透镜有效区域的周围的一部分中，对于所述透镜有效区域与所述端缘面之间用被设定为该透镜有效区域的近旁的透镜有效区域的斜率方向不发生变化的曲面或者平面的至少一方连结、且将包含该曲面或者平面的至少一方的端面设为锥形面。

摘要： 本发明揭示一种自由曲面和安装基准面间的关系稳定，安装时调整容易，并能以高精度、低成本制造的自由曲面光学元件成形用金属模及自由曲面光学元件。由利用沿自由曲面光学元件(14)端面的分型线PL形成自由曲面(有效区域21)及其相反一侧的背面的固定模和活动模构成，将形成自由曲面(有效区域21)的模具工作面和形成使自由曲面光学元件(14)沿与自由曲面(有效区域21)成直角的方向安装的轴向安装基准面(28a～28c)的模具工作面相对分型线PL配置在同一侧的模具中。自由曲面光学元件(14)具有沿自由曲面光学元件(14)端面的分型线PL，将自由曲面光学元件(14)的自由曲面和使自由曲面光学元件(14)沿与自由曲面成直角的方向安装的轴向安装基准面(28a～28c)相对所述分型线PL配置在同一侧。

摘要： 本发明的实施例提供了一种双自由曲面准直透镜设计方法和双自由曲面准直透镜，涉及光学透镜技术领域，本发明提供的双自由曲面准直透镜设计方法，基于非成像光学理论，利用能量守恒定律和菲涅耳定律，完成了双自由曲面准直透镜的迭代策略的推导，依托该迭代策略进行的准直透镜设计。该设计方法在原有点光源设计基础上，采用边缘光线进行设计，这将大大提高原有模型精度。此外，采用双自由面进行准直光束调控，使得调控自由度极大提升，本发明跳出现有方程求解思路，结合能量守恒定律，采用巧妙、新颖的能量映射方式进行了双自由曲面离散点的数值迭代求解。

摘要： 本发明涉及一种360度透射式自由曲面整形激光模组及其中自由曲面透射镜的设计方法，其包括镜筒，位于镜筒一端的半导体激光器、位于镜筒中部的透射镜安装座和位于镜筒另一端的反射镜安装座，所述反射镜安装座上安装有锥度为45°的圆锥面反射镜，所述镜筒的侧面嵌合设置有石英管，所述石英管与圆锥面反射镜设置在同一水平位置处，所述透射镜安装座上设置有自由曲面透射镜，所述自由曲面透射镜为圆柱体状，所述自由曲面透射镜的两端设置有第一自由曲面和第二自由曲面，所述第一自由曲面和第二自由曲面由多种曲面组合而成，组成第一自由曲面和第二自由曲面的曲面包括有但不限于离轴非球曲面和双曲面。本发明具有减少光束整形过程中能量损失的效果。

摘要： 本发明涉及一种用于离轴自由曲面成像光学系统中自由曲面的设计方法，其包括如下步骤：步骤1、在起始光源面上选取M×N的起始光源阵，则能得到起始光源阵内每个起始发光点的坐标；步骤2、计算得到单自由曲面反射镜上第一条种子曲线，根据种子曲线扩展的方法获得整个自由曲面反射镜上的其余采样点的坐标；步骤3、根据上述获得单的自由曲面反射镜上M×N个采样点的坐标，对单自由曲面反射镜上的所有采样点进行多项式拟合，且利用评价函数对拟合的多项式进行优化，以确定所述多项式的最优拟合系数，生成所需的单自由曲面反射镜。本发明能有效实现对离轴自由曲面成像光学系统中自由曲面的设计，提高设计效率，提高设计精度，安全可靠。

摘要： 本发明涉及一种360度反射式自由曲面整形激光模组，其包括镜筒，镜筒的一端设置有激光光源基座，激光光源基座处设置有半导体激光器，半导体激光器产生的光线射入镜筒内且光线的轴线与镜筒的轴线重合，镜筒的中部设置有透镜安装座，透镜安装座处设置有透镜，镜筒远离激光光源基座的一端设置有自由曲面反射镜以及用于定位安装该自由曲面反射镜的反射镜安装座，镜筒靠近反射镜安装座的侧面设置有复合石英管，自由曲面反射镜的底面形状为椭圆形，自由曲面反射镜的反射面上设置有光线发散区和光线汇聚区。本发明具有在提高激光能量利用率的情况下将分布不均匀的激光反射后重新分布均匀的效果。