人工仿生复眼的光学设计仿真及其数控加工工艺研究

论文摘要

光学成像系统作为智能机器人、微飞行器、精确制导武器、预警卫星的“眼睛”,是这些大型系统感知外界信息的主要来源。目前,光学成像系统的发展方向是越来越趋于小型化、轻量化和大视场,而仿生复眼光学系统正好具有这些优势,因此吸引了国内外众多科学家对其进行研究,并取得了一些研究成果。但目前制造出的仿生光学复眼大多采用平面结构或球面微透镜阵列,限制了仿生光学复眼视场扩大和成像精度进一步提高;此外,仿生复眼加工工艺仍存在不足,难以实现大批量生产。因此,对仿生复眼的结构进一步优化并对其加工工艺进行深入研究具有重要的理论意义与实用价值。首先,对现有的曲面仿生光学复眼结构进行了分析,在此基础上采用了非球面微透镜代替原有的球面微透镜,以提高仿生复眼中单眼的成像性能。设计过程中采用了逐次接近法并结合ZEMAX软件中的光学设计优化模块完成了非球面的设计,并获得了仿生复眼模型;通过光线追迹进行仿真验证,结果表明优化后的小眼透镜的像差有了较显著的减小,同时整个曲面仿生复眼的边缘成像质量明显提高。然后,研究并规划了仿生复眼微铣削加工的走刀轨迹。通过分析各种走刀方式的优劣,并综合考虑仿生复眼加工表面形状和刀具形状、尺寸等具体因素,确定出了粗、精加工策略和加工参数,计算出走刀轨迹并通过后置处理获取G代码;在VERICUT软件中建立逼真的虚拟加工环境对仿生复眼的加工过程进行仿真,验证G代码的正确性,确保加工过程无任何干涉。最后,在国内率先采用精密微铣削方法加工出较好表面质量的曲面仿生光学复眼样件,表面粗糙度Ra优于0.2?m;采用超景深显微镜测试各个小眼曲面的加工质量,通过对比不同参数和走刀方式下加工出的小眼透镜表面质量,对仿生复眼的微铣削加工工艺进行探究和讨论。本课题设计出的曲面仿生复眼的成像精度较现有结构有明显的改善,加工出的仿生复眼样件已能初步实现复眼结构的成像功能;并得出了仿生复眼的微铣削加工工艺对加工质量的影响规律,对自由曲面类微结构器件的设计和微铣削加工具有实际的参考意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 仿生复眼的国内外研究现状及分析
• 1.3.1 仿生复眼设计仿真的研究现状
• 1.3.2 仿生复眼加工方法的研究现状
• 1.4 超精密微细机械加工技术的研究现状
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 仿生复眼的光学设计仿真与建模
• 2.1 仿生复眼的总体结构设计
• 2.1.1 总体结构参数设计
• 2.1.2 各小眼透镜的方位角计算
• 2.1.3 各小眼透镜有效焦距的计算
• 2.2 单个非球面小眼透镜的设计
• 2.2.1 非球面透镜的设计方法
• 2.2.2 设计球面小眼透镜初始模型
• 2.2.3 确定边缘光线的入射和出射位置
• 2.2.4 采用二次曲面矫正边缘环带的球差
• 2.3 ZEMAX 中非球面的优化
• 2.3.1 ZEMAX 中像差评价函数
• 2.3.2 建立透镜模型
• 2.3.3 优化变量和优化类型选择
• 2.3.4 设置优化操作数
• 2.3.5 ZEMAX 优化结果
• 2.4 仿生复眼三维模型建立
• 2.5 仿生复眼的光线追迹分析
• 2.5.1 单个小眼光线追迹
• 2.5.2 整体复眼光线追迹
• 2.6 本章小结
• 第3章 仿生复眼数控加工工艺规划
• 3.1 Cimatron E 微铣削模块
• 3.2 Cimatron E 中仿生复眼加工刀路轨迹规划
• 3.2.1 确定加工模型和毛坯
• 3.2.2 定义刀具
• 3.2.3 创建刀路
• 3.2.4 粗加工刀路轨迹规划
• 3.2.5 精加工刀路轨迹规划
• 3.2.6 刀路轨迹仿真和后置处理
• 3.3 VERICUT 加工过程仿真
• 3.3.1 VERICUT 仿真操作流程
• 3.3.2 VERICUT 中虚拟加工环境的建立
• 3.3.3 VERICUT 中仿生复眼的加工过程仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 仿生复眼的加工实验研究
• 4.1 实验条件
• 4.1.1 微铣削加工实验设备
• 4.1.2 检测设备
• 4.2 仿生复眼的微铣削加工实验
• 4.2.1 对刀过程
• 4.2.2 实际加工模型
• 4.2.3 切削用量和走刀方式选择
• 4.2.4 加工与检测结果
• 4.3 仿生复眼的微铣削加工工艺分析及讨论
• 4.3.1 切削速度对表面粗糙度的影响
• 4.3.2 铣削深度和铣削宽度对表面粗糙度的影响
• 4.3.3 走刀方式对表面粗糙度的影响
• 4.3.4 刀具对表面粗糙度的影响
• 4.3.5 机床运动误差对表面粗糙度的影响
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢