CN101424757A - 非球面镜面误差分析***及方法 - Google Patents

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李军旗
欧阳渺安
刘庆
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Hon Hai Precision Industry Co Ltd
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Abstract

一种非球面镜面误差分析方法包括如下步骤：获取工件的设计数据与测量数据；根据测量数据生成测量曲线，以及根据设计数据生成设计曲线；对测量曲线进行坐标变换，将测量曲线中的测量点的坐标从测量坐标系变换为非球面镜面坐标系；计算设计曲线以及坐标变换后的测量曲线之间的误差的大小；获取误差分析数据；根据误差分析数据生成误差曲线；及输出误差分析数据以及误差曲线。本发明还提供一种非球面镜面误差分析***。利用本发明可自动分析非球面镜面工件的测量数据与设计数据之间的误差，并直观的反映出误差曲线及相关数据。

Description

非球面镜面误差分析***及方法
技术领域
本发明涉及一种误差分析***及方法，尤其涉及一种针对非球面镜面的误差分析***及方法。
背景技术
质量是一个企业保持长久发展能力的重要因素之一，如何保证和提高产品质量，是企业活动中的重要内容。为了提高和保证产品质量，对产品实施检验是必不可少的，通过检验活动提供产品及其制造过程的质量信息，按照这些信息对产品的制造过程实施控制——进行修正和补偿活动，使废次品与返修品率降到最低程度，保证产品质量形成过程的稳定性及其产出产品的一致性。
追求更高制造精度一直是制造业的目标，制造精度的提高不但取决于机床、刀具和数控技术，而且取决于制造***所采用测试手段所能达到的测量精度以及对测量数据的误差分析。由于非球面镜面元件在光学设计中得到越来越广泛的应用，对非球面元件面形参数的检测以及对非球面面形质量的评价提出了更高的要求。随着现代开放式数控技术的发展，有效地利用了计算机的软件资源及强大的运算能力对测量数据进行误差分析，从而提高产品的加工精度。
然而，原有的对测量数据的误差分析，无法自动导出设计数据与测量数据以进行比对，且在误差分析过程中不能直观的体现误差分析数据。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种非球面镜面误差分析***，其可以自动分析非球面镜面工件的测量数据与设计数据之间的误差，并直观的反映出误差曲线及相关数据。
此外，还有必要提供一种非球面镜面误差分析方法，其可以自动分析非球面镜面工件的测量数据与设计数据之间的误差，并直观的反映出误差曲线及相关数据。
一种非球面镜面误差分析***，该***用于对非球面镜面工件的测量数据与设计数据进行误差分析，其包括：数据获取模块，用于获取工件的设计数据及测量数据；误差分析模块，用于根据设计数据生成设计曲线，以及根据测量数据生成测量曲线，对测量曲线进行坐标变换，将测量曲线中的测量点的坐标从测量坐标系变换为非球面镜面坐标系，计算设计曲线以及坐标变换后的测量曲线之间的误差的大小，获取误差分析数据并根据该误差分析结果生成误差曲线；及输出模块，用于输出误差分析数据以及误差曲线。
一种非球面镜面误差分析方法，用于对非球面镜面工件的测量数据与设计数据进行误差分析，该方法用于控制机台对工件进行测量，其包括如下步骤：获取工件的设计数据与测量数据；根据测量数据生成测量曲线，以及根据设计数据生成设计曲线；对测量曲线进行坐标变换，将测量曲线中的测量点的坐标从测量坐标系变换为非球面镜面坐标系；计算设计曲线以及坐标变换后的测量曲线之间的误差的大小；获取误差分析数据；根据误差分析数据生成误差曲线；及输出误差分析数据以及误差曲线。
相较于现有技术，所述的非球面镜面误差分析***及方法，其可以自动分析非球面镜面工件的测量数据与设计数据之间的误差，生成可直观反映出的误差曲线及相关数据，并生成补正数据以指导对该非球面镜面工件进行补正加工，从而提高加工精度以及测量准确率。
附图说明
图1是本发明非球面镜面误差分析***的较佳实施例的硬件架构图。
图2是本发明非球面镜面误差分析***的功能模块图。
图3是本发明非球面镜面误差分析方法的较佳实施例的流程图。
具体实施方式
为便于理解，以下对本发明所涉及的专业术语做简要说明：
非球面：指表面各点的半径都不相同的曲面，其基本面形为二次曲面，是旋转对称面。非球面的光学方程如下所列，其中，Z为旋转轴；C＝1/R，R为非球面顶点的曲率半径；k＝1-e，e为偏心率；Ai为高次非球面的多项式系数，表示非球面对基准二次曲面偏离情况。
Z = C X 2 1 + 1 - ( K + 1 ) C 2 X 2 + Σ i = 1 n A i | X | i
如图1所示，是本发明非球面镜面误差分析***较佳实施方式的硬件架构图。该非球面镜面误差分析***2(下文称“本***”)建构在计算机1中，所述计算机1还包括存储装置3。计算机1与机台4相连接，使得本***2可从机台4获取被测量工件的相关数据，从而对测量数据进行误差分析以判断该工件的加工是否合格。该机台1可以是数控机床、测量机床等不同类型的具备测量功能的计算机数控(CNC，Computer Numerical Control)机床。
本***2提供一个操作界面，用于显示设计数据、测量数据、各类设置的参数、拟合曲线及分析结果等内容。用户可通过所述的操作界面进行相关操作，例如：载入所需数据至本***2、输入参数值、查看误差分析结果等操作。
所述的存储装置3用于存储各类数据，包括设计数据、测量数据、参数及对应的参数值、分析结果等。
如图2所示，是本发明非球面镜面误差分析***的功能模块图。本***2安装于计算机1内，其主要包括五个功能模块，分别是：数据获取模块21、误差分析模块22、拟合模块23、补正数据生成模块24及输出模块25。
所述的数据获取模块21用于获取所需数据，包括设计数据、测量数据等。例如，针对测量数据的获取，可利用在计算机中安装计时器板卡及计数器板卡，该计时器板卡及计数器板卡分别提供一个计时器及计数器，该计时器及计数器随着机台6上坐标系的两轴(如X轴与Z轴，或者Y轴与Z轴等)联动或者三轴(如X轴、Y轴与Z轴)联动而产生运动轨迹及产生相关参数，并且随机台6上的测头对工件的测量，所述数据获取模块21获取各测量数据、测头的测量路径等。
根据不同测量装置的具体情况，测量中产生的主要误差包括位置误差，例如：测量原点的定位误差，以及测量坐标系与非球面镜面坐标系的不重合误差。由于在超精密加工中，上述误差的数值很小，而测量数据偏大，不适宜通过图形进行分析，而通过数值求解误差大小，从而纠正位置误差。可通过如下所列公式(1)进行坐标变换，其中，x、z为测量点，x’、z’为变换后测量点的坐标点：
x’＝x*cosθ-z*sinθ-dx
z’＝x*sinθ+z*cosθ-dy
m＝tanθ
所述的误差分析模块22用于根据测量数据生成测量曲线，以及根据设计数据生成设计曲线，并且利用预设的公式(1)对测量曲线进行坐标变换。
所述的误差分析模块22进一步用于计算设计曲线以及坐标变换后的测量曲线之间的误差的大小，获取误差分析数据并生成误差曲线。所计算的误差包括计算出面形误差(又称为“形状误差”)的大小，该面形误差包括峰谷值(PV值)和波前均方根值(RMS值)。其中，PV值为最大误差值与最小误差值的绝对值之差。
拟合模块23用于利用最小二乘法对误差分析数据进行拟合，通过将设计数据与测量数据之间的误差最小化以得到非球面镜面的光学参数。
拟合模块23在拟合之前可对获取的误差分析数据进行平滑去噪处理。对数据的平滑去噪处理可通过邻域平均法、低通滤波、中值滤波、均值滤波、频域滤波等方式进行。例如，中值滤波采用一个含有奇数个点的滑动窗口，将窗口中心点的值用窗口内各点的中值所代替，其功能是使与周围像素灰度值的差比较大的像素用与周围像素值接近的像素替换，从而可消除孤立的噪声点。
所述最小二乘法是一种数学优化技术，它通过最小化误差的平方和为标准寻求一组数据的最佳函数匹配。对于拟合直线，使误差分析数据尽量落在一个平行于xoy平面的平面上且尽可能在平行于x轴的一条直线附近；对于圆或平面，使误差分析数据尽量落在一个平行于xoy平面的平面内。
所述的补正数据生成模块24用于预设补正参数，并根据误差曲线生成补正数据用于对该工件进行补正加工。补正数据生成模块24可根据拟合前的误差曲线生成补正数据，也可根据拟合后的误差曲线生成补正数据。所述的补正参数及补正数据是针对工件的设计参数及设计数据而生成的修正数据，用于对工件进行再加工以缩小设计数据与测量数据之间的误差，从而实现对非球面镜面工件的高精密加工。
所述的输出模块25用于输出各类数据至存储装置3，以及输出相应的数据文件给用户进行参考。所述的各类数据包括：设计数据、测量数据、设计曲线、测量曲线、误差分析数据、误差曲线、补正参数及补正数据等。所述的数据文件可包括上述一种或者多种数据的组合。输出的数据或者数据文件均可显示于本***2提供的操作界面中。
数据文件可以不同的格式输出，例如，以mod为后缀名的数据文件、以omm为后缀名的数据文件、以及以txt为后缀名的数据文件。不同格式的数据文件可供不同的***或者装置识别及调用。
如图3所示，是本发明非球面镜面误差分析方法的较佳实施例的流程图。首先，步骤S2，数据获取模块21获取设计数据并将该设计数据载入本***2中。
步骤S4，数据获取模块21获取各测量数据，包括测量点的坐标值、测量点的数目等数据。
步骤S6，误差分析模块22根据测量数据生成测量曲线，以及根据设计数据生成设计曲线。步骤S8，误差分析模块22利用预设的公式(1)对测量曲线进行坐标变换，从而减小位置误差。在测量过程中，根据不同测量装置的具体情况，测量中产生的位置误差包括：测量原点的定位误差，以及测量坐标系与非球面镜面坐标系的不重合误差，因此对测量曲线进行坐标变换可减小位置误差。
步骤S10，误差分析模块22计算设计曲线以及坐标变换后的测量曲线之间的误差的大小，获取误差分析数据并生成误差曲线。所计算的误差包括计算出面形误差的大小，该面形误差包括峰谷值(PV值)和波前均方根值(RMS值)，其中，PV值为最大误差值与最小误差值的绝对值之差。
步骤S12，拟合模块23利用最小二乘法对误差分析数据进行拟合，通过将设计数据与测量数据之间的误差最小化以得到非球面镜面的光学参数。在拟合之前可通过拟合模块23对获取的误差分析数据进行平滑去噪处理。对数据的平滑去噪处理可通过邻域平均法、低通滤波、中值滤波、均值滤波、频域滤波等方式进行。
步骤S14，补正数据生成模块24预设补正参数，并根据拟合后的误差曲线生成补正数据用于对该工件进行补正加工。所述的补正参数及补正数据是针对工件的设计参数及设计数据而生成的修正数据，用于对工件进行再加工以缩小设计数据与测量数据之间的误差，从而实现对非球面镜面工件的高精密加工。
步骤S16，输出模块25输出各类数据至存储装置3，以及输出相应的数据文件给用户进行参考，并结束本流程。所述的各类数据包括：设计数据、测量数据、设计曲线、测量曲线、误差分析数据、误差曲线、补正参数及补正数据等。所述的数据文件可包括上述一种或者多种数据的组合。输出的数据或者数据文件可显示于操作界面中。
此外，在其他实施方式中，可省略步骤S12对误差曲线的拟合，而补正数据生成模块24可根据未拟合的误差曲线生成补正数据。对测量数据进行拟合，可获取更为精确的光学参数，从而实现逆向求解非球面镜面的光学参数。

Claims (10)

  1. 【权利要求1】一种非球面镜面误差分析***，用于对非球面镜面工件的测量数据与设计数据进行误差分析，其特征在于，该***包括：
    数据获取模块，用于获取工件的设计数据及测量数据；
    误差分析模块，用于根据设计数据生成设计曲线，以及根据测量数据生成测量曲线，对测量曲线进行坐标变换，将测量曲线中的测量点的坐标从测量坐标系变换为非球面镜面坐标系，计算设计曲线以及坐标变换后的测量曲线之间的误差的大小，获取误差分析数据并根据该误差分析结果生成误差曲线；及
    输出模块，用于输出误差分析数据以及误差曲线。
  2. 【权利要求2】如权利要求1所述的非球面镜面误差分析***，其特征在于，该***还包括拟合模块，用于利用最小二乘法对误差分析数据进行拟合，通过将设计数据与测量数据之间的误差最小化以得到非球面镜面的光学参数。
  3. 【权利要求3】如权利要求1所述的非球面镜面误差分析***，其特征在于，所述的拟合模块还用于对获取的误差分析数据进行平滑去噪处理。
  4. 【权利要求4】如权利要求1所述的非球面镜面误差分析***，其特征在于，该***还包括补正数据生成模块，用于预设补正参数，并根据误差曲线生成补正数据以进行补正加工。
  5. 【权利要求5】如权利要求1所述的非球面镜面误差分析***，其特征在于，所述的误差分析模块计算的误差大小包括误差曲线的峰谷值与波前均方根值。
  6. 【权利要求6】一种非球面镜面误差分析方法，用于对非球面镜面工件的测量数据与设计数据进行误差分析，其特征在于，该方法包括如下步骤：
    获取工件的设计数据与测量数据；
    根据测量数据生成测量曲线，以及根据设计数据生成设计曲线；
    对测量曲线进行坐标变换，将测量曲线中的测量点的坐标从测量坐标系变换为非球面镜面坐标系；
    计算设计曲线以及坐标变换后的测量曲线之间的误差的大小；
    获取误差分析数据；
    根据误差分析数据生成误差曲线；及
    输出误差分析数据以及误差曲线。
  7. 【权利要求7】如权利要求6所述的非球面镜面误差分析方法，其特征在于，该方法在获取误差分析数据步骤之后还包括如下步骤：
    对获取的误差分析数据进行平滑去噪处理。
  8. 【权利要求8】如权利要求6所述的非球面镜面误差分析方法，其特征在于，该方法在获取误差分析数据步骤之后还包括如下步骤：
    利用最小二乘法对误差分析数据进行拟合；及
    将设计数据与测量数据之间的误差最小化以得到非球面镜面的光学参数。
  9. 【权利要求9】如权利要求6所述的非球面镜面误差分析方法，其特征在于，该方法还包括如下步骤：
    预设补正参数；及
    在根据误差分析数据生成误差曲线步骤之后，根据误差曲线与预设的补正参数生成补正数据用于对该工件进行补正加工。
  10. 【权利要求10】如权利要求6所述的非球面镜面误差分析方法，其特征在于，所述计算的误差大小包括误差曲线的峰谷值与波前均方根值。
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