CN111753409A - 一种用于光学镜面磨制的驻留时间计算方法 - Google Patents

一种用于光学镜面磨制的驻留时间计算方法 Download PDF

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Abstract

一种用于光学镜面磨制的驻留时间计算方法,属于光学镜面面形加工的技术领域。通过光学干涉仪或者三坐标机,检测镜面,获得镜面上的误差分布;确定磨头的工作参数,对行星磨头而言,磨头的工作参数是:公转、自转的转速,偏心的距离、抛光压力、抛光盘直径,并获得单位时间内的材料去除函数分布;设定好磨头中心可行区域大小和位置;进行区域划分计算,形成加工关系矩阵,启动主迭代和子迭代,完成迭代优化,让驻留时间的负值趋近于零;输出驻留时间计算结果,并进行加工仿真,获得加工后的镜面形状。本发明能够对加工过程进行精确描述;降低内存的消耗量,同时能够在计算过程中观察误差收敛的曲线,通过人机交互设定收敛条件,确保计算的有效性。

Description

一种用于光学镜面磨制的驻留时间计算方法
技术领域
本发明属于光学镜面面形加工的技术领域,尤其涉及用于光学镜面磨制的驻留时间计算方法的技术领域。
背景技术
光学镜面广泛应用于科学研究、航空航天等领域,是天文望远镜、侦察卫星、激光核聚变、医疗影像设备的核心部件。光学镜面的制造过程中。细磨、抛光阶段的误差去除特别重要,目前常用的方法是采用小口径磨制工具,比如行星磨头、离子束、磁流变工具等在计算机控制下定量去除误差,去除的有效性依赖于工具在镜面各处的驻留时间,因此有效的驻留时间计算是磨制的核心。目前采用的驻留时间计算方法有:
1、傅里叶变换法:将空间域的卷积运算等效到频率域的乘积运算,在频率域内解算出驻留时间的频域表达,通过反傅里叶变换获得驻留时间;
2、脉冲迭代法,或者简森-范希图特法:给出一个合适的初始值,以卷积运算为基础进行迭代运算;
3、基于矩阵的求解方法:它根据光学磨制的实际物理过程,将卷积运算变成矩阵的乘积运算,不仅能适应不对称的材料去除函数,而且可以在一次收敛中使用不同的去除函数,实现组合加工。
傅里叶变换法和脉冲迭代法由于计算存在时间负值问题、镜面边缘截断、迭代不收敛等问题,使用受到限制。基于矩阵的求解方法在使用过程中也存在需要解决的问题:
(1)磨头的材料去除函数覆盖一个小的区域,被加工的镜面也是一个大的区域,两者的几何关系需要明确,才能列写加工关系矩阵,目前对这方面的论述不足,导致两者关系模糊,控制边缘效应困难。
(2)当磨制的镜面口径较大时,描述磨制过程的矩阵维数极高,成为一个超大规模的稀疏矩阵,其存储和计算不便捷;
计算获得的驻留时间不能为负值,也就是镜面磨制的深度不能超过设定的最低点,而去除函数的能力是有限的,在这些约束条件下,零误差的完美加工是不现实的,总有残留误差存在。残留误差量是多少,在计算前是未知的,因此难以设定计算的收敛标准。
发明内容
本发明提供了一种用于光学镜面磨制的驻留时间计算方法,能够对加工过程进行精确描述;降低内存的消耗量,同时能够在计算过程中观察误差收敛的曲线,通过人机交互设定收敛条件,确保计算的有效性。
一种用于光学镜面磨制的驻留时间计算方法,包括如下步骤:
步骤S1:通过光学干涉仪或者三坐标机,检测镜面,获得镜面上的误差分布;
步骤S2:确定磨头的工作参数,对行星磨头而言,磨头的工作参数是:公转、自转的转速,偏心的距离、抛光压力、抛光盘直径,并获得单位时间内的材料去除函数分布;
步骤S3:设定好磨头中心可行区域大小和位置;
步骤S4:进行区域划分计算,形成加工关系矩阵,启动主迭代和子迭代,完成迭代优化,让驻留时间的负值趋近于零;
步骤S5:输出驻留时间计算结果,并进行加工仿真,获得加工后的镜面形状。
优选的,本发明步骤S4中的进行区域划分计算,具体包括:
步骤S411:读入磨头中心可行区域A;
步骤S412:根据材料去除函数MRF,中心在磨头中心可行区域A上拓展,获得加工影响区域B,A<B;
步骤S413:读入镜面有效区域C;
步骤S414:考虑对镜面有效区域C能形成有效覆盖的材料去除函数MRF的中心位置,这些中心位置的集合为镜面加工有影响的区域D,C<D;
步骤S415:将加工影响区域B与镜面有效区域C做交集运算,获得镜面优化有效区E,E=B∩C;
步骤S416:磨头中心可行区域A与镜面加工有影响的区域D做交集运算,获得磨头中心实际可行区域F,F=A∩D;
步骤S417:将磨头中心实际可行区域F与镜面优化有效区E做并集运算,获得与加工有关的区域G,G=F∪E;加工问题化为在磨头中心在F区域内加工,使得E区域内镜面误差最大幅度减小。
优选的是,本发明步骤S4中的形成加工关系矩阵,具体包括:
步骤S421:对加工有关区域G做外界矩形,并对外界矩形按行进行编号;
步骤S422:对镜面优化有效区E上的每个点,按照编号从小到大,列写加工关系等式,若能加工到该点的材料去除函数MRF的中心全部位于磨头中心实际可行区域F内,则该点为内点;若部分MRF中心位于磨头中心实际可行区域F外,则该点标注为外点;
步骤S423:由于加工关系矩阵的维数极大,而且是稀疏的,只记录其非零元素,可表达为行号i、列号j、数值k的三元组,其意义为磨头中心位于编号为j的格点上时,对编号为i的镜面单元的加工强度为k;
步骤S424:对于内点,其加工关系矩阵中的非零元素具有规律的排列,非零元素总数为材料去除函数MRF非零元素的个数,行号为该内点的编号,列号为行号+固定的序列,数值也是固定的,因此可以压缩格式存储;
步骤S425:对于外点,由于其没有规律,因此采用链表记录每个三元组,不可压缩,每个外点单独存储。
本发明采用上述技术方案,与现有技术相比具有如下优点:
1、通过引入镜面加工区域、磨头中心可行区域等概念,并在此基础上进行分类拓展计算,可以明确加工过程中磨头和镜面的相对位置关系,形成加工关系矩阵,对加工过程进行的描述精确;
2、对内点加工关系进行采用“行号+固定的序列”的格式记录,每个内点只需要1个行号,共享固定序列,压缩了内存开销,而内点占了加工关系矩阵的绝大多数部分,由此带来的内存节约是可观的。采用该格式前,内存的消耗量是与镜面口径成平方关系,使用该方法后,内存消耗与镜面口径为线性关系。
3、将驻留时间计算转变成带有约束的优化问题,采用主次两级迭代来解决,在计算过程中观察误差收敛的曲线,通过人机交互设定收敛条件,确保计算的有效性。
附图说明
图1是应用本发明方法的实施例中,读入材料去除函数MRF、去除函数中心的可行区域A,然后结合两者拓展为加工可影响的区域B。
图2是应用本发明方法的实施例中,读入材料去除函数MRF、光学镜面有效区域C,然后结合两者拓展为对镜面加工有影响的磨头中心区域D。
图3是应用本发明方法的实施例中,加工关系矩阵形成方法的示意图,包括外接矩形计算、按行编写序号、内点外点分类、内点的存储格式等。
图4是应用本发明方法的实施例中,驻留时间计算的流程图。
图5是需磨制的镜面数据。
图6是磨头的材料去除函数。
图7是磨头中心可行区域。
图8是迭代计算驻留时间,使得负值趋近于零。
图9是计算获得的驻留时间。
图10是模拟获得的加工后的镜面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明:
本发明用于光学镜面磨制的驻留时间计算方法,包括如下步骤:
(1)通过光学干涉仪或者三坐标机,检测镜面,获得镜面上的误差分布,如图5所示,将数据读入计算软件内;
(2)确定磨头的工作参数,对行星磨头而言是公转、自转的转速,偏心的距离、抛光压力、抛光盘直径等,并获得单位时间内的材料去除函数分布,如图6所示,将数据读入计算软件内;
(3)设定好磨头中心可行区域大小和位置,如图7所示,并将数据读入计算软件内;
(4)进行区域划分计算,形成加工关系矩阵,启动迭代优化,让驻留时间的负值趋近于零,如图8所示;
(5)输出驻留时间计算结果,如图9所示,并进行加工仿真,获得加工后的镜面形状,如图10所示。
具体包括如下步骤:
步骤S1:通过光学干涉仪或者三坐标机,检测镜面,获得镜面上的误差分布;
步骤S2:确定磨头的工作参数,对行星磨头而言,磨头的工作参数是:公转、自转的转速,偏心的距离、抛光压力、抛光盘直径,并获得单位时间内的材料去除函数分布;
步骤S3:设定好磨头中心可行区域大小和位置;
步骤S4:进行区域划分计算,形成加工关系矩阵,启动主迭代和子迭代,完成迭代优化,让驻留时间的负值趋近于零;
步骤S5:输出驻留时间计算结果,并进行加工仿真,获得加工后的镜面形状。
本发明步骤S4中的进行区域划分计算,具体包括:
步骤S411:读入磨头中心可行区域A;
步骤S412:根据材料去除函数MRF,中心在磨头中心可行区域A上拓展,获得加工影响区域B,A<B;该过程如附图1所示;
步骤S413:读入镜面有效区域C;
步骤S414:考虑到镜面有效区域C能形成有效覆盖的材料去除函数MRF的中心位置,这些中心位置的集合为镜面加工有影响的区域D,C<D;见附图2;
步骤S415:将加工影响区域B与镜面有效区域C做交集运算,获得镜面优化有效区E,E=B∩C;
步骤S416:磨头中心可行区域A与镜面加工有影响的区域D做交集运算,获得磨头中心实际可行区域F,F=A∩D;
步骤S417:将磨头中心实际可行区域F与镜面优化有效区E做并集运算,获得与加工有关的区域G,G=F∪E;加工问题化为在磨头中心在F区域内加工,使得E区域内镜面误差最大幅度减小。
本发明步骤S4中的形成加工关系矩阵,具体包括:
步骤S421:对加工有关区域G做外界矩形,并对外界矩形按行进行编号;
步骤S422:对镜面优化有效区E上的每个点,按照编号从小到大,列写加工关系等式,若能加工到该点的材料去除函数MRF的中心全部位于磨头中心实际可行区域F内,则该点为内点;若部分MRF中心位于磨头中心实际可行区域F外,则该点标注为外点;过程参考附图3:
步骤S423:结合附图3,由于加工关系矩阵的维数极大,而且是稀疏的,只记录其非零元素,可表达为行号i、列号j、数值k的三元组,其意义为磨头中心位于编号为j的格点上时,对编号为i的镜面单元的加工强度为k;
步骤S424:对于内点,其加工关系矩阵中的非零元素具有规律的排列,非零元素总数为材料去除函数MRF非零元素的个数,行号为该内点的编号,列号为行号+固定的序列,数值也是固定的,因此可以压缩格式存储;
步骤S425:对于外点,由于其没有规律,因此采用链表记录每个三元组,不可压缩,每个外点单独存储。
本发明步骤S422列写的加工关系等式为:
Figure BDA0002532488380000081
E=GT+N
其中E是镜面误差,G是加工关系矩阵,T是驻留时间,N是加工后残留的误差,希望加工后的残留误差均方值最少,同时T中的元素值大于等于零。
本发明的步骤S4中启动迭代优化,让驻留时间的负值趋近于零,具体包括:
对于加工关系等式的优化目标为:
J=Min{NTN}
受到的约束条件是:
T≥0
主迭代解决是否满足约束条件,收敛条件是T中的所有负值元素之和的绝对值小于主迭代设定值;子迭代解决驻留时间T的计算,使得残留误差最小,收敛条件是残留误差的均方值小于子迭代设定值;
采用有约束的二次型优化方法来求解,约束条件为计算出的驻留时间不能为负值,优化目标是加工后的残留误差最小;计算分为两个迭代:主迭代和子迭代,主迭代根据子迭代的结果构造惩罚函数,通过该惩罚函数将一个有约束的优化转为无约束的优化,子迭代解决该无约束的优化问题,将结果返回主迭代,直到达到收敛要求。流程参考附图4,开始后,首先读取镜面数据、磨头材料去除函数、磨头中心可行区域数据等,计算区域分类、构造加工关系矩阵,判断是否符合主迭代收敛条件,若为是,加工过程结束;若为否,重新设定惩罚函数,并采用共轭梯度法计算1次,判断是否符合子迭代收敛条件,若为是,返回判断是否主迭代收敛条件,若为否,调整数据后再次采用共轭梯度法计算并再次判断是否符合子迭代收敛条件。
本发明步骤S5中输出驻留时间计算结果,并进行加工仿真,获得加工后的镜面形状,具体包括:
提出一种通过人机交互,在计算过程中修正收敛标准的方法,由于在计算前不可能得知计算后残留误差的大小,因此难以确定主迭代和子迭代收敛的标准,因此将迭代收敛的过程通过人机界面显示出来,通过收敛曲线,修正用于判别收敛数值或限制迭代的次数,以保证能够获得满意的结果。
本发明的收敛曲线通过实施计算获得,每进行一次子迭代,就获得一个残留误差值,进行设定的迭代次数后,就获得子迭代的收敛曲线;完成一次主迭代,获得一个负时间元素之和,若个次之后,形成一条主迭代的收敛曲线;子迭代的收敛曲线,提供残留误差的大小信息,如果设定的收敛值误差明显小于收敛曲线提供的残留误差,则表明加工无法达到设定的要求,应该修改设定值,以让加工具有可行性,并且在计算上可以收敛,不至于无限迭代下去;主迭代的收敛曲线,提供了负值时间的大小,以便操作人员了解计算距离非负时间的目标距离有多大。
本发明的用于光学镜面磨制的驻留时间计算方法,能够对加工过程进行精确描述;降低内存的消耗量,同时能够在计算过程中观察误差收敛的曲线,通过人机交互设定收敛条件,确保计算的有效性。

Claims (7)

1.一种用于光学镜面磨制的驻留时间计算方法,其特征在于包括如下步骤:
步骤S1:通过光学干涉仪或者三坐标机,检测镜面,获得镜面上的误差分布;
步骤S2:确定磨头的工作参数,对行星磨头而言,磨头的工作参数是:公转、自转的转速,偏心的距离、抛光压力、抛光盘直径,并获得单位时间内的材料去除函数分布;
步骤S3:设定好磨头中心可行区域大小和位置;
步骤S4:进行区域划分计算,形成加工关系矩阵,启动主迭代和子迭代,完成迭代优化,让驻留时间的负值趋近于零;
步骤S5:输出驻留时间计算结果,并进行加工仿真,获得加工后的镜面形状。
2.根据权利要求1所述的用于光学镜面磨制的驻留时间计算方法,其特征在于上述步骤S4中的进行区域划分计算,具体包括:
步骤S411:读入磨头中心可行区域A;
步骤S412:根据材料去除函数MRF,中心在磨头中心可行区域A上拓展,获得加工影响区域B,A<B;
步骤S413:读入镜面有效区域C;
步骤S414:镜面有效区域C形成有效覆盖的材料去除函数MRF的中心位置,这些中心位置的集合为镜面加工有影响的区域D,C<D;
步骤S415:将加工影响区域B与镜面有效区域C做交集运算,获得镜面优化有效区E,E=B∩C;
步骤S416:磨头中心可行区域A与镜面加工有影响的区域D做交集运算,获得磨头中心实际可行区域F,F=A∩D;
步骤S417:将磨头中心实际可行区域F与镜面优化有效区E做并集运算,获得与加工有关的区域G,G=FUE;加工问题化为在磨头中心在F区域内加工,使得E区域内镜面误差最大幅度减小。
3.根据权利要求1或2所述的用于光学镜面磨制的驻留时间计算方法,其特征在于上述步骤S4中的形成加工关系矩阵,具体包括:
步骤S421:对加工有关区域G做外界矩形,并对外界矩形按行进行编号;
步骤S422:对镜面优化有效区E上的每个点,按照编号从小到大,列写加工关系等式,若能加工到该点的材料去除函数MRF的中心全部位于磨头中心实际可行区域F内,则该点为内点;若部分MRF中心位于磨头中心实际可行区域F外,则该点标注为外点;
步骤S423:由于加工关系矩阵的维数极大,而且是稀疏的,只记录其非零元素,并表达为行号i、列号j、数值k的三元组,其意义为磨头中心位于编号为j的格点上时,对编号为i的镜面单元的加工强度为k;
步骤S424:对于内点,其加工关系矩阵中的非零元素具有规律的排列,非零元素总数为材料去除函数MRF非零元素的个数,行号为该内点的编号,列号为行号+固定的序列,数值也是固定的,形成压缩格式存储;
步骤S425:对于外点,由于其没有规律,采用链表记录每个三元组,不可压缩,每个外点单独存储。
4.根据权利要求3所述的用于光学镜面磨制的驻留时间计算方法,其特征在于上述步骤S422列写的加工关系等式为:
Figure FDA0002532488370000031
E=GT+N
其中E是镜面误差,G是加工关系矩阵,T是驻留时间,N是加工后残留的误差,加工后的残留误差均方值最少,同时T中的元素值大于等于零。
5.根据权利要求1或4所述的用于光学镜面磨制的驻留时间计算方法,其特征在于上述步骤S4中启动迭代优化,让驻留时间的负值趋近于零,具体包括:
对于加工关系等式的优化目标为:
J=Min{NTN}
受到的约束条件是:
T≥0
主迭代解决是否满足约束条件,收敛条件是T中的所有负值元素之和的绝对值小于主迭代设定值;子迭代解决驻留时间T的计算,使得残留误差最小,收敛条件是残留误差的均方值小于子迭代设定值;
采用有约束的二次型优化方法来求解,约束条件为计算出的驻留时间不能为负值,优化目标是加工后的残留误差最小;计算分为两个迭代:主迭代和子迭代,主迭代根据子迭代的结果构造惩罚函数,通过该惩罚函数将一个有约束的优化转为无约束的优化,子迭代解决该无约束的优化问题,将结果返回主迭代,直到达到收敛要求。
6.根据权利要求1所述的用于光学镜面磨制的驻留时间计算方法,其特征在于上述步骤S5中输出驻留时间计算结果,并进行加工仿真,获得加工后的镜面形状,具体包括:
提出一种通过人机交互,在计算过程中修正收敛标准的方法,由于在计算前不可能得知计算后残留误差的大小,难以确定主迭代和子迭代收敛的标准,因此将迭代收敛的过程通过人机界面显示出来,通过收敛曲线,修正用于判别收敛数值或限制迭代的次数。
7.根据权利要求6所述的用于光学镜面磨制的驻留时间计算方法,其特征在于上述收敛曲线通过实施计算获得,每进行一次子迭代,就获得一个残留误差值,完成设定的迭代次数后,就获得子迭代的收敛曲线;完成一次主迭代,获得一个负时间元素之和,若干次之后,形成一条主迭代的收敛曲线;子迭代的收敛曲线,提供残留误差的大小信息,如果设定的收敛值误差明显小于收敛曲线提供的残留误差,则表明加工无法达到设定的要求,应该修改设定值,让加工具有可行性,并且在计算上可以收敛,不至于无限迭代下去;主迭代的收敛曲线,提供了负值时间的大小,以便了解计算距离非负时间的目标距离有多大。
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