[发明专利]一种复杂微特征球冠向柱面投影的建模方法

说明书

本发明涉及一种复杂微特征球冠向柱面投影的建模方法，属于机械加工及设计领域。建立一种微特征球冠透镜结构到柱面微特征结构的映射方法，首先建立单个球冠的模型，依据球冠切线和旋转轴建立待投影圆柱，将球冠上点依次向柱面上投影，先形成1/4柱面球冠微特征，再经过翻转对称得到柱面单个球冠微特征，将其轴向平移可得到柱面轴向球冠微特征模型，以圆柱中心轴线为旋转轴将其径向旋转得到柱面径向球冠微特征模型，将二者叠加即可建立柱面球冠轴向径向复合微特征模型。通过该建模方法可加工出一种柱状模具，其径向和轴向均匀分布着由平面向柱面映射后的微特征球冠，通过柱状模具滚压和被压平面反向移动将加工成型的微特征透镜排出。

技术领域

本发明涉及机械加工及设计领域，具体涉及一种复杂微特征球冠向柱面投影的建模方法。

背景技术

现如今微特征结构已经成为众多国内外专家学者研究的焦点，其广泛应用于光学、通信、航空、生物、医学等各个领域，具有重大的核心研发价值。微特征结构表面具有特殊功能，多应用于光刻机、光谱仪、全景像机、光栅光度计等光学精密系统，具有超高的表面质量和面型精度。

微特征透镜作为微特征结构在航空航天及光学等领域中同样有极大的需求量。由于复杂微特征透镜的高精度高表面质量要求，传统加工方法大多局限于超精密磨削、抛光和单点金刚石车削，每个工件的加工效率很低，加工时间较长，导致微特征透镜很难大批量生产，增加了成本，故市场价格也很高，然而由于这类超高精度的微特征透镜需求量高且大多应用于国防领域，所以对于其生产效率的提升是迫在眉睫的。

由于微特征表面的复杂性和特殊性，故在生产应用中对复杂曲面的设计及建模尤为重要，微特征表面模型的精确建立对进一步提升光学系统的光学性能是必不可少的。现如今国内外对自由曲面的建模技术并不成熟，没有完善的初始设计软件，尤其对柱面微特征结构的设计和建模更为欠缺，而自由曲面的建模是微特征结构制造非常重要的一步，故建立精确的柱面微特征结构模型也是具有实质性意义的。

为了满足在柱面上加工复杂微特征结构的需求，使得柱面加工不再局限于简单的对称结构，同时满足高效率生产微特征结构的需求，需要提出一种柱面微特征设计和建模方法。

发明内容

本发明提供一种复杂微特征球冠向柱面投影的建模方法，以解决现有的加工方法无法高效率大批量生产高精度微特征结构的问题。

本发明采取的技术方案是：包括下列步骤：

(1)在空间直角坐标系下建立球冠的模型，选择球冠所在球的轴线为z轴，选择x轴为旋转轴，依据球冠切线建立待投影的圆柱；

(2)建立球冠和圆柱的参数模型；

(3)建立圆柱坐标系，对x轴和径向角度进行刻度划分，并求出球冠相应的坐标；

(4)将球冠上的点依次向柱面上投影，先形成1/4柱面球冠微特征，再经过关于x轴和y轴的翻转对称，得到柱面单个球冠微特征；

(5)将柱面单个球冠微特征模型进行轴向平移即可得到柱面轴向球冠微特征模型；

(6)以圆柱中心轴线为旋转轴将单个柱面球冠微特征进行径向旋转得到的柱面径向球冠微特征模型；

(7)通过柱面单个球冠微特征，延伸到柱面径向轴向多个球冠微特征，建立柱面球冠轴向径向复合微特征模型。

本发明所述步骤(1)中，以所述的球冠所在球的圆心O做坐标原点，以球冠边际点M为切点做球的切线，则切线相交于z坐标轴的交点L为所述的待投影圆柱的中心点，点L到所述的球冠底平面中心点N的距离即为所述的待投影圆柱的半径r，其中所述圆柱的轴线与x轴平行。

本发明所述步骤(2)中，建立所述球冠和所述柱面的参数模型，设定所述圆柱的中心L到所述球冠最高点H的距离为h，设定所述球冠所在球的半径为R，设定LM与LN之间的夹角为θ_max；