[發明專利]一種復雜微特征球冠向柱面投影的建模方法

有效

• 申請號: 202110309974.8
• 申請日: 2021-03-23
• 公開（公告）號: CN112861385B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 冀世軍;李京瑾;趙繼;吳漢;胡志清;代漢達;王曉暉
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06T17/00
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

本發明涉及一種復雜微特征球冠向柱面投影的建模方法，屬于機械加工及設計領域。建立一種微特征球冠透鏡結構到柱面微特征結構的映射方法，首先建立單個球冠的模型，依據球冠切線和旋轉軸建立待投影圓柱，將球冠上點依次向柱面上投影，先形成1/4柱面球冠微特征，再經過翻轉對稱得到柱面單個球冠微特征，將其軸向平移可得到柱面軸向球冠微特征模型，以圓柱中心軸線為旋轉軸將其徑向旋轉得到柱面徑向球冠微特征模型，將二者疊加即可建立柱面球冠軸向徑向復合微特征模型。通過該建模方法可加工出一種柱狀模具，其徑向和軸向均勻分布著由平面向柱面映射后的微特征球冠，通過柱狀模具滾壓和被壓平面反向移動將加工成型的微特征透鏡排出。

技術領域

本發明涉及機械加工及設計領域，具體涉及一種復雜微特征球冠向柱面投影的建模方法。

背景技術

現如今微特征結構已經成為眾多國內外專家學者研究的焦點，其廣泛應用于光學、通信、航空、生物、醫學等各個領域，具有重大的核心研發價值。微特征結構表面具有特殊功能，多應用于光刻機、光譜儀、全景像機、光柵光度計等光學精密系統，具有超高的表面質量和面型精度。

微特征透鏡作為微特征結構在航空航天及光學等領域中同樣有極大的需求量。由于復雜微特征透鏡的高精度高表面質量要求，傳統加工方法大多局限于超精密磨削、拋光和單點金剛石車削，每個工件的加工效率很低，加工時間較長，導致微特征透鏡很難大批量生產，增加了成本，故市場價格也很高，然而由于這類超高精度的微特征透鏡需求量高且大多應用于國防領域，所以對于其生產效率的提升是迫在眉睫的。

由于微特征表面的復雜性和特殊性，故在生產應用中對復雜曲面的設計及建模尤為重要，微特征表面模型的精確建立對進一步提升光學系統的光學性能是必不可少的。現如今國內外對自由曲面的建模技術并不成熟，沒有完善的初始設計軟件，尤其對柱面微特征結構的設計和建模更為欠缺，而自由曲面的建模是微特征結構制造非常重要的一步，故建立精確的柱面微特征結構模型也是具有實質性意義的。

為了滿足在柱面上加工復雜微特征結構的需求，使得柱面加工不再局限于簡單的對稱結構，同時滿足高效率生產微特征結構的需求，需要提出一種柱面微特征設計和建模方法。

發明內容

本發明提供一種復雜微特征球冠向柱面投影的建模方法，以解決現有的加工方法無法高效率大批量生產高精度微特征結構的問題。

本發明采取的技術方案是：包括下列步驟：

(1)在空間直角坐標系下建立球冠的模型，選擇球冠所在球的軸線為z軸，選擇x軸為旋轉軸，依據球冠切線建立待投影的圓柱；

(2)建立球冠和圓柱的參數模型；

(3)建立圓柱坐標系，對x軸和徑向角度進行刻度劃分，并求出球冠相應的坐標；

(4)將球冠上的點依次向柱面上投影，先形成1/4柱面球冠微特征，再經過關于x軸和y軸的翻轉對稱，得到柱面單個球冠微特征；

(5)將柱面單個球冠微特征模型進行軸向平移即可得到柱面軸向球冠微特征模型；

(6)以圓柱中心軸線為旋轉軸將單個柱面球冠微特征進行徑向旋轉得到的柱面徑向球冠微特征模型；

(7)通過柱面單個球冠微特征，延伸到柱面徑向軸向多個球冠微特征，建立柱面球冠軸向徑向復合微特征模型。

本發明所述步驟(1)中，以所述的球冠所在球的圓心O做坐標原點，以球冠邊際點M為切點做球的切線，則切線相交于z坐標軸的交點L為所述的待投影圓柱的中心點，點L到所述的球冠底平面中心點N的距離即為所述的待投影圓柱的半徑r，其中所述圓柱的軸線與x軸平行。

本發明所述步驟(2)中，建立所述球冠和所述柱面的參數模型，設定所述圓柱的中心L到所述球冠最高點H的距離為h，設定所述球冠所在球的半徑為R，設定LM與LN之間的夾角為θ_max；