CN116165760B - 一种基于三维表面虚拟叠合的间隙精度控制方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明属于虚拟装配技术领域，提供了一种基于三维表面虚拟叠合的间隙精度控制方法及***，通过坐标数据，拟合得到第一虚拟平面；根据两个平面上对应多个点的坐标及各点间的间距，确定第二虚拟平面；计算第一虚拟平面法向量和第二虚拟平面法向量的差向量；根据差向量，计算所述第二虚拟平面需要调整的旋转角度；根据旋转角度和坐标数据，调整两镜片之间的相对位置，同时反向计算得到调整后的叠合间隙，运用此方法可在两平面叠合过程中将平面度误差这一叠合精度影响因素考虑在内，提高了最终叠合精度。

Description

一种基于三维表面虚拟叠合的间隙精度控制方法及***
技术领域
本发明属于虚拟装配技术领域，尤其涉及一种基于三维表面虚拟叠合的间隙精度控制方法及***。
背景技术
对于成像相关的各类光学元件，其装配精度直接影响了光学成像的质量，所以在装配过程中往往对多层光学镜片的叠合精度具有非常高的要求。
发明人发现，目前常用的超精密间隙控制方法大多只考虑了叠合间隙误差，而光学镜片本身存在一定的平面度误差，光学镜片本身存在的误差会直接影响叠合间隙精度，使得叠合后镜片间的平行度较差，导致高精度元件的装配合格率相对较低，难以满足镜片叠合后的成像要求。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于三维表面虚拟叠合的间隙精度控制方法及***，本发明可在两平面叠合过程中将平面度误差这一叠合精度影响因素考虑在内，提高了最终叠合精度。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供了一种基于三维表面虚拟叠合的间隙精度控制方法，包括：
获取需要叠合两平面物体中一个平面的坐标数据，以及两个平面上对应多个点的坐标及各点间的间距；
根据所述坐标数据，拟合得到第一虚拟平面；计算所述第一虚拟平面的法向量；
以所述第一虚拟平面为基准面，根据两个平面上对应多个点的坐标及各点间的间距，确定第二虚拟平面；计算所述第二虚拟平面的法向量；
根据所述第一虚拟平面的法向量和所述第二虚拟平面的法向量，计算得到两个法向量的差向量；
根据所述差向量，计算所述第二虚拟平面需要调整的旋转角度；
根据所述旋转角度和坐标数据，反向计算得到调整后的叠合间隙。
进一步的，根据所述坐标数据，采用最小二乘法，拟合得到平面度误差为0的第一虚拟平面。
进一步的，利用所述第一虚拟平面的法向量和所述第二虚拟平面的法向量将所述第二虚拟平面和所述第一虚拟平面在空间内对准，对准所需调整的角度为平面叠合需要调整的旋转角度。
进一步的，所述旋转角度包括绕X轴旋转的角度和绕Y轴旋转的角度。
进一步的，所述平面物体为镜片。
进一步的，将两个平面物体分别以相同的面积划分为多个子区域，计算每个子区域内的子差向量；确定所述差向量与每个子差向量之间偏差最大和偏差最小的点，以偏差以及子区域的间隔测量值反向求解出对应点处的叠合误差，对叠合间隙进行预测。
进一步的，以调整后间隔误差最大值和最小值的差值作为最终误差；若最终误差大于预设的目标误差范围，则叠合件不合格，否则，叠合件合格。
第二方面，本发明还提供了一种基于三维表面虚拟叠合的间隙精度控制***，包括：
数据采集模块，被配置为：获取需要叠合两平面物体中一个平面的坐标数据，以及两个平面上对应多个点的坐标及各点间的间距；
第一虚拟平面拟合模块，被配置为：根据所述坐标数据，拟合得到第一虚拟平面；计算所述第一虚拟平面的法向量；
第二虚拟平面拟合模块，被配置为：以所述第一虚拟平面为基准面，根据两个平面上对应多个点的坐标及各点间的间距，确定第二虚拟平面；计算所述第二虚拟平面的法向量；
差向量计算模块，被配置为：根据所述第一虚拟平面的法向量和所述第二虚拟平面的法向量，计算得到两个法向量的差向量；
旋转角度计算模块，被配置为：根据所述差向量，计算所述第二虚拟平面需要调整的旋转角度；
叠合间隙计算模块，被配置为：根据所述旋转角度和坐标数据，反向计算得到调整后的叠合间隙。
第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了第一方面所述的基于三维表面虚拟叠合的间隙精度控制方法的步骤。
第四方面，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了第一方面所述的基于三维表面虚拟叠合的间隙精度控制方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明通过坐标数据，拟合得到第一虚拟平面；根据两个平面上对应多个点的坐标及各点间的间距，确定第二虚拟平面；计算第一虚拟平面法向量和第二虚拟平面法向量的差向量；根据差向量，计算所述第二虚拟平面需要调整的旋转角度；可以根据旋转角度和坐标数据调整两镜片之间的相对位置，同时反向计算得到调整后的叠合间隙，运用此方法可在两平面叠合过程中将平面度误差这一叠合精度影响因素考虑在内，提高了最终叠合精度；
2、本发明中通过将两个平面物体分别以相同的面积划分为多个子区域，计算每个子区域内的子差向量；确定所述差向量与每个子差向量之间偏差最大和偏差最小的点，以偏差以及子区域的间隔测量值反向求解出对应点处的叠合误差，对叠合间隙进行预测，将不合格产品提前剔除，提高了叠合合格率。
附图说明
构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
图1为本发明实施例1的根据间隙值拟合平面并求法向量坐标示意图；
图2为本发明实施例1的法向量示意图；
图3为本发明实施例1的将平面划分为相同面积小区域并求法向量示意图；
其中，1、第一虚拟平面；2、第二虚拟平面。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1：
针对光学镜片本身存在的误差会直接影响叠合间隙精度，使得叠合后镜片间的平行度较差，导致高精度元件的装配合格率相对较低，难以满足镜片叠合后的成像要求的问题，如图1所示，本实施例提供了一种基于三维表面虚拟叠合的间隙精度控制方法，包括：
获取需要叠合两平面物体中一个平面的坐标数据，以及两个平面上对应多个点的坐标及各点间的间距；所述平面物体为透明平面物体，比如镜片；
根据所述坐标数据，拟合得到第一虚拟平面；计算所述第一虚拟平面的法向量；
以所述第一虚拟平面为基准面，根据两个平面上对应多个点的坐标及各点间的间距，确定第二虚拟平面；计算所述第二虚拟平面的法向量；
根据所述第一虚拟平面的法向量和所述第二虚拟平面的法向量，计算得到两个法向量的差向量；
根据所述差向量，计算所述第二虚拟平面需要调整的旋转角度；
根据所述旋转角度和坐标数据，反向计算得到调整后的叠合间隙；可以理解的，先根据所述第二虚拟平面需要调整的旋转角度进行调节后，再反向计算得到调整后的叠合间隙，也就是计算得到所述第二虚拟平面需要调整的叠合间隙；旋转角度的调节是保证两个平面平行度的精度，叠合间隙的调节是保证两个平面间距的精度。
具体的，首先对平面物体表面进行数据处理，对需要叠合的平面中的一个平面进行三维扫描，获得其表面各点的三维坐标，根据得到的三维坐标拟合出第一虚拟平面并求得此平面的法向量，所述第一虚拟平面为平面度误差为0的假想平面。用测距仪测出两平面间多个坐标点对应的间距，用获得的间距值拟合出第二虚拟平面并求法向量，将得到的两个法向量在空间内对准，对准所需调整的角度即为平面叠合所需调整的角度，根据法向量调整的角度和平面点的三维坐标可反向计算出坐标点处调整后的叠合间隙。运用此方法可在两平面叠合过程中将平面度误差这一叠合精度影响因素考虑在内，提高最终叠合精度。
首先，对需要配合两个平面物体中的一个平面进行三维扫描，获取平面物体表面的三维坐标数据，根据所获得的三维坐标数据，采用最小二乘法拟合出一个平面度误差为0的虚拟平面x1y1z1并求出所述虚拟平面x1y1z1的法向量A1(a1，b1，c1)，使得该平面物体表面所有坐标到所述虚拟平面x1y1z1的距离相对最小，所述虚拟平面x1y1z1，即为叠合对准时所用的第一虚拟平面1，所述虚拟平面x1y1z1为假象平面。
可选的，在测距仪的配合下将需要叠合的两平面放至叠合预定位置，将两平面中心对准，对准方式可选择精密夹具限位、视觉对准等方式。
如图1所示，在第一虚拟平面1内取9个固定点，记为A、B、C、D、E、F、G、H和I；固定点对应的坐标对应为(xn，yn)，其中，n为固定点A到I中一项的编号。用测距仪测出这些点处对应的间隙hA、hB、hC、hD、hE、hF、hG、hH和hI。将固定点坐标(xn，yn)与其对应的间隙值hn组成新的三维坐标组(xn，yn，hn)，根据此三维坐标组拟合出另一虚拟平面x2y2z2，即第二虚拟平面2，并求出第二虚拟平面2的法向量A2(a2，b2，c2)。
利用得到的两个法向量A1和A2将第一虚拟平面1和第二虚拟平面2在空间内对准，对准所需调整的角度即为平面叠合所需调整的角度。具体为：求出两个法向量A1和A2的差向量A00(d1，e1，f1)，其中，d1＝a1－a2，e1＝b1－b2，f1＝c1－c2，根据差向量A00计算平面位姿调整需绕X轴旋转的角度Xangle1以及需绕Y轴旋转的角度Yangle1：
经过角度旋转后的两个平面位置即为面间相对平行的最佳角度。根据测距仪的测量结果在高度方向上进行微调，获得目标间隙。
根据法向量调整的角度和平面点的三维坐标，可反向计算出坐标点处调整后的叠合间隙h：
采用三维表面虚拟叠合的方法对叠合间隙进行预测；按照前述方法求出两叠合表面的拟合平面及法向量，根据两法向量求出差向量A00，差向量A00为两平面对准时所用的向量。将两个平面分别以相同的面积划分为多个小区域，再次运用技术点一提到的方法对各个小区域进行平面拟合并求解差向量An0，差向量An0为各个小区域对准时所用的向量。找出A00与An0偏差最大和偏差最小的点，以两差向量的偏差以及小区域的间隔测量值反向求解出对应点处的叠合误差，实现叠合前的精度预测；具体的：
如图2所示，按照前述方法求出两叠合表面的拟合平面x1y1z1、x2y2z2、法向量A1(a1，b1，c1)、法向量A2(a2，b2，c2)与差向量A00(d1，e1，f1)，差向量A00为两平面对准时所用的向量。
将两个平面分别以相同的面积划分为多个子区域S1、S2...Sn，再次对各个子区域进行平面拟合并求解子法向量A11、子法向量A21...子法向量An1、子法向量A12、子法向量A22...子法向量An2、子差向量A10、子差向量A20...子差向量An0，子差向量An0为各个子区域对准时所用的向量。
找出An0中与A00偏差最大的向量Amax及该点处初始间隔值hmax，An0中与A00偏差最小的向量Amin及该点处初始间隔值hmin，此两点处即为按照差向量A 1将两平面调平行后间隙误差最大和最小的点。
计算出Amax与A00的差向量(dmax，emax，fmax)，Amin与A00的差向量(dmin，emin，fmin)，计算调整后间隔误差最大值Smax与最小值Smin：
最终误差S＝Smax－Smin，若S大于目标误差范围，则叠合件不合格，若S在目标误差范围内，则叠合件合格，以此实现叠合前的精度预测。
传统的基于平面拟合进行装配间隙计算的方法多采用边缘数据点或小部分数据点进行间隙计算，本实施例提到的方法可将采集到的数据点全部应用到叠合计算中，计算结果可靠性更高。
实施例2：
本实施例提供了一种基于三维表面虚拟叠合的间隙精度控制***，包括：
数据采集模块，被配置为：获取需要叠合两平面物体中一个平面的坐标数据，以及两个平面上对应多个点的坐标及各点间的间距；
第一虚拟平面拟合模块，被配置为：根据所述坐标数据，拟合得到第一虚拟平面；计算所述第一虚拟平面的法向量；
第二虚拟平面拟合模块，被配置为：以所述第一虚拟平面为基准面，根据两个平面上对应多个点的坐标及各点间的间距，确定第二虚拟平面；计算所述第二虚拟平面的法向量；
差向量计算模块，被配置为：根据所述第一虚拟平面的法向量和所述第二虚拟平面的法向量，计算得到两个法向量的差向量；
旋转角度计算模块，被配置为：根据所述差向量，计算所述第二虚拟平面需要调整的旋转角度；
叠合间隙计算模块，被配置为：根据所述旋转角度和坐标数据，反向计算得到调整后的叠合间隙。
所述***的工作方法与实施例1的基于三维表面虚拟叠合的间隙精度控制方法相同，这里不再赘述。
实施例3：
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了实施例1所述的基于三维表面虚拟叠合的间隙精度控制方法的步骤。
实施例4：
本实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了实施例1所述的基于三维表面虚拟叠合的间隙精度控制方法的步骤。
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于三维表面虚拟叠合的间隙精度控制方法，其特征在于，包括：
获取需要叠合两平面物体中一个平面的坐标数据，以及两个平面上对应多个点的坐标及各点间的间距；
根据所述坐标数据，拟合得到第一虚拟平面；计算所述第一虚拟平面的法向量；
以所述第一虚拟平面为基准面，根据两个平面上对应多个点的坐标及各点间的间距，确定第二虚拟平面；计算所述第二虚拟平面的法向量；
根据所述第一虚拟平面的法向量和所述第二虚拟平面的法向量，计算得到两个法向量的差向量；
根据所述差向量，计算所述第二虚拟平面需要调整的旋转角度；
根据所述旋转角度和坐标数据，反向计算得到调整后的叠合间隙，具体包括，将两个平面物体分别以相同的面积划分为多个子区域，计算每个子区域内的子差向量；确定所述差向量与每个子差向量之间偏差最大和偏差最小的点，以偏差以及子区域的间隔测量值反向求解出对应点处的叠合误差，对叠合间隙进行预测。
2.如权利要求1所述的一种基于三维表面虚拟叠合的间隙精度控制方法，其特征在于，根据所述坐标数据，采用最小二乘法，拟合得到平面度误差为0的第一虚拟平面。
3.如权利要求1所述的一种基于三维表面虚拟叠合的间隙精度控制方法，其特征在于，利用所述第一虚拟平面的法向量和所述第二虚拟平面的法向量将所述第二虚拟平面和所述第一虚拟平面在空间内对准，对准所需调整的角度为平面叠合需要调整的旋转角度。
4.如权利要求1所述的一种基于三维表面虚拟叠合的间隙精度控制方法，其特征在于，所述旋转角度包括绕X轴旋转的角度和绕Y轴旋转的角度。
5.如权利要求1所述的一种基于三维表面虚拟叠合的间隙精度控制方法，其特征在于，所述平面物体为镜片。
6.如权利要求1所述的一种基于三维表面虚拟叠合的间隙精度控制方法，其特征在于，以调整后间隔误差最大值和最小值的差值作为最终误差；若最终误差大于预设的目标误差范围，则叠合件不合格，否则，叠合件合格。
7.一种基于三维表面虚拟叠合的间隙精度控制***，其特征在于，包括：
数据采集模块，被配置为：获取需要叠合两平面物体中一个平面的坐标数据，以及两个平面上对应多个点的坐标及各点间的间距；
第一虚拟平面拟合模块，被配置为：根据所述坐标数据，拟合得到第一虚拟平面；计算所述第一虚拟平面的法向量；
第二虚拟平面拟合模块，被配置为：以所述第一虚拟平面为基准面，根据两个平面上对应多个点的坐标及各点间的间距，确定第二虚拟平面；计算所述第二虚拟平面的法向量；
差向量计算模块，被配置为：根据所述第一虚拟平面的法向量和所述第二虚拟平面的法向量，计算得到两个法向量的差向量；
旋转角度计算模块，被配置为：根据所述差向量，计算所述第二虚拟平面需要调整的旋转角度；
叠合间隙计算模块，被配置为：根据所述旋转角度和坐标数据，反向计算得到调整后的叠合间隙，具体包括，将两个平面物体分别以相同的面积划分为多个子区域，计算每个子区域内的子差向量；确定所述差向量与每个子差向量之间偏差最大和偏差最小的点，以偏差以及子区域的间隔测量值反向求解出对应点处的叠合误差，对叠合间隙进行预测。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现了如权利要求1-6任一项所述的基于三维表面虚拟叠合的间隙精度控制方法的步骤。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现了如权利要求1-6任一项所述的基于三维表面虚拟叠合的间隙精度控制方法的步骤。
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