光学自由曲面制造基础的研究
镜片行业之明月镜片研究报告
镜片行业之明月镜片研究报告1.国内领先镜片生产商，规模优势明显1.1.发展历程：20年深耕镜片领域，镜片产品覆盖功能齐全国内领先镜片生产商，立足镜片行业二十载。
明月镜片前身江苏明月光电科技成立于2002年9月，正式进军树脂镜片领域。
2006年，公司与日本三井、韩国KOC合作，在国内建立镜片原料研发和生产企业江苏可奥熙。
2008年，公司自主研发的KR超韧镜片获国家发明专利。
2014年，公司率先推出自主研发的1.71非球面镜片，突破高折射率伴随高色散的技术壁垒，同时兼顾1.71的高折射率及阿贝数为37的低色散，备受市场欢迎。
2018年公司进行战略升级，提升产品品质。
2021年，公司联合中国工程院庄松林院士团队共同推出近视防控镜片“轻松控”。
公司专注于眼镜镜片、镜片原料、成镜、镜架等眼视光产品的研发、生产和销售，其中镜片是公司的核心产品。
镜片产品可按照功能的不同，分为常规镜片及功能镜片，常规镜片指各种折射率的普通镜片，功能镜片是在常规镜片基础上，通过调整镜片基础材料、光学设计或镜片膜层使得镜片拥有多种功能，比如超韧超亮、蓝光防护、智能变色、视力管控等。
公司功能镜片覆盖齐全，能够满足客户对于近视度数、复合功能等多样化的需求。
1.2.公司股权集中，管理团队具备多年行业实操经验公司股权集中，实控人团队共持股61.2%。
截至2021年12月16日公司上市，公司实控人团队谢公晚、谢公兴兄弟及曾少华（谢公晚妹妹配偶）共持股61.2%，其中创始人谢公晚先生直接持股2.45%，间接通过明月实业持股22.04%。
此外，志明管理、志远管理作为员工持股平台总共持股3.34%。
创始人眼镜行业白手起家，积累多年行业实操经验，管理团队稳定且经验丰富。
谢公晚先生最初从事眼镜批发生意，2002年由镜片零售转型自己办厂生产镜片，并创办明月光电，正式进军树脂镜片制造领域。
创业数十年间，谢公晚先生扎根眼镜行业，不断累积行业实操及企业运营经验。
自由曲面光学技术概述
3
1、经典研抛法
铣磨成型
即经过铣磨，将毛坯加工成需要的形状。 该形状需要提前做一计算，得到 最 大 去 除量形状，从而减轻后续过程任务量， 程任务量。该过程需要用到铣磨机，属 于下面要提到的粗磨的铣削加工，又称 范成法加工。
研磨
即用研磨剂，研磨光学元件表面以减少 成形过程中产产生的下表面损伤。这一 过程根据添加研磨剂尺寸不同，分为粗 磨 和 精 磨 。 精磨过程中还需要使用冷却 液，起到冷却、润滑、清洗和化学反应 等作用。精磨后的光学元件由于有凹凸 层的存在而形成不透明的表面，这也是 抛光的必要性所在。
优缺点
传统的轨迹成形法加工自由曲面，共同的特点是加工效率高，但一般难于加工高精度的自 由曲面，其根本原因在于加工所依据的轨迹的准确性差，轨迹转移精度不高，而且模具或 机构等的轨迹单一，只能加工一种尺寸一种形状的非球面，且可加工的材质有限，通用性 差， 通常只用于中低精度非球面零件的批量生产。 由于该方法已经比较成熟，并且很传统，目前，国外对这方面研究的报道很少。国内主要 是中科院长春光机所和长春理工大学在做这方面的研究工作。
1972年
发展历程 1980年
摩尔公司首先开发出了用3个坐标控制的 M―18AG非球面加工机床，这种机床可加工 直径356mm的各种非球面的金属反射镜。 英国RankPneumo公司向市场推出了利用激 光反馈控制的两轴联动加工机床，该机床可 加工直径为350mm的非球面金属反射镜，加 工工件形状精度达0.25-0.5μ m，表面粗糙度 Ra在0.01-O.025μ m之间。随后又推出了 ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等 机床
3、CNC磨削、研磨和抛光技术
优缺点
其加工过程大致可以概述为计算机控制的精密机床先将工 件表面磨削成一个最接近自由曲面的球面，在不改变工件 面形精度的前提下，通过研磨加工去除偏离量，最后通过 抛光的方法达到曲面的表面质量要求， 左 图即为CNC磨削、 研磨和抛光流程图。此加工过程的特点是阶段多、周期长， 起始球面的选择对偏离量及工艺的制定起着决定性作用； 适合加工高精度、大及超大口径的光学元件；对碳化钨、 光学玻璃等脆硬材料有明显的优势。 不过，这种方法也有很多不足之处，如果要加工不同的自 由曲面零件，由于工件表面的光洁度和成形精度都需要通 过磨削、研磨和抛光来改善，就需要大量的研磨盘，提高 了成本，同时也增加了维护的难度；还有就是抛光过程中 不可避免的会产生一些形状误差，自由曲面的不对称度越 大，误差也就越大。
全球最具创新力政府研究机构!德国弗劳恩霍夫制造工艺研究所都在做些什么
全球最具创新力政府研究机构!——德国弗劳恩霍夫制造工艺研究所都在做些什么弗劳恩霍夫应用研究促进协会（德语：Fraunhofer-Gesellschaft zur F?rderung der angewandten Forschung e. V.），即德国弗朗霍夫学会，是德国也是欧洲最大的应用科学研究机构，成立于1949年3月26日，以德国科学家、发明家和企业家约瑟夫·弗劳恩霍夫（Joseph von Fraunhofer, 1787-1826）的名字命名。
弗劳恩霍夫协会下设67个研究所，年经费21亿欧元，总部位于慕尼黑。
不同于马克普朗克研究协会，弗劳恩霍夫致力于面向工业的应用技术研究。
2016汤森路透最新发布了全球最具创新力政府研究机构25强榜单。
法国原子能与可替代能源委员会、德国弗劳恩霍夫协会和日本科学技术振兴机构在该榜单上名列三甲。
中国科学院作为中国大陆唯一入榜的政府研究机构，名列该榜单第16位；中国台湾地区的中央研究院位居该榜单第22位。
今天小编就带大家认识一下弗朗霍夫学会下设的制造工艺研究所德国弗劳恩霍夫制造工艺研究所的中心任务之一是要将当前的研究成果直接转化为产业实践。
其研究不仅专注于工业应用生产技术，在加工技术，生产机械，机电一体化，产品质量和计量，以及工艺管理等领域，还提供诸多技术产品和相关服务。
1 加工技术加工技术领域可分为：精加工及光学；高性能切割；激光材料加工；计算机辅助技术；涂层技术。
1.1 精加工及光学“精加工及光学”部发展了玻璃镜片，复制工具和半导体产业零部件这类高精度元件的生产和加工技术。
技术发展建立在充分理解的基础上。
运用最新的机械和软件手段，弗劳恩霍夫制造工艺研究所在执行具体任务的过程中，把这种理解应用到产业实践中。
这套生产和加工技术包括：超精密打磨和抛光，金刚石切削及精密成型。
1全自动精加工弗劳恩霍夫制造工艺研究所在制造系统中采用了全自动超精加工技术，用于工具和模具的制造，涡轮机的生产，以及医疗技术的应用。
自由曲线曲面造型技术
自由曲线曲面造型技术自由曲线曲面造型技术是一种用于制作3D图形的先进技术。
它可以让设计师轻松地将自己的想法转化成真实的3D模型。
该技术旨在为设计师提供更高的创作自由度，使其能够以更自然、更流畅的方式来表现自己的创意。
下面我们来详细了解一下自由曲线曲面造型技术。
一、基础知识1. 什么是自由曲线曲面造型技术？自由曲线曲面造型技术是一种用于编辑多边形网格模型的技术。
它允许设计师自由地绘制曲线和曲面，以创建具有复杂形状和曲率变化的物体。
2. 自由曲线曲面造型技术的应用范围自由曲线曲面造型技术广泛应用于艺术设计领域、工业设计领域、建筑设计领域和汽车设计领域等。
它可以用于设计和制造车身、雕塑、建筑立面和自然景观等。
二、自由曲线曲面造型技术的基本原理自由曲线曲面造型技术的基本原理是“控制点—曲线/曲面—几何体”的过程。
它的主要思想是通过控制点操纵曲线/曲面的形状，最终得到所需的几何体。
三、自由曲线曲面造型技术的工具和实现方式1. 曲线工具曲线工具允许设计师创建用于控制曲面形状的曲线。
这些曲线可以是贝塞尔曲线、NURBS曲线等，设计师可以自由选择。
2. 曲面工具曲面工具是将曲线连接起来形成的曲面。
设计师可以通过调整控制点、曲线和曲面的参数，来控制曲面的形状。
3. 几何体工具几何体工具是将曲面转换成带有体积的3D模型，如球体、立方体、圆柱体等。
设计师可以通过这些工具来创建真实的3D模型。
四、自由曲线曲面造型技术的优点1. 创意自由度高自由曲线曲面造型技术可以允许设计师非常灵活地表达自己的想法。
它可以让设计师轻松创建复杂形状和曲率变化的物体。
2. 精度高自由曲线曲面造型技术具有非常高的精度，可以帮助设计师创建精细的3D模型，并且不会出现几何失真的问题。
3. 可控性强自由曲线曲面造型技术基于控制点和曲线，具有非常强的可控性。
这意味着设计师可以精确地控制曲线和曲面的形状，从而创造出高质量的3D模型。
五、自由曲线曲面造型技术的应用案例自由曲线曲面造型技术已经被应用于许多领域，以下是一些典型的应用案例：1. 工业设计中的3D模型制作自由曲线曲面造型技术广泛应用于工业设计领域，例如汽车、飞机、手机等产品。
2015年纳入973计划(含重大科学研究计划)结题验收项目清单
人多能干细胞多能性维持和发育潜能差异的 系统研究
康九红
2011CB965300
干细胞分化与重新编程中蛋白质的结构与功 能研究
2011CBA00300 全量子网络
2011CBA01000
诱导多功能干细胞（iPS）猪与小型猪疾病 模型
孙方霖 姚期智 刘忠华
孟安明
2011CB944500
雌性生育力维持调节机制研究及生殖资源库 建立
乔杰
2011CB944600
植物减数分裂过程中染色体相互作用的分子 机理
马红
2011CB946100 胸腺的起源、发生、维持与退化
2011CB952000
大尺度土地利用／覆盖变化对区域气候影响 的研究
张毓 郭维栋
2011CB965100
庞雄奇
2011CB201200 深部煤炭开发中煤与瓦斯共采理论
谢和平
2011CB201300
中低阶煤分级转化联产低碳燃料和化学品的 基础研究
刘振宇
2011CB201500
可燃固体废弃物能源化高效清洁利用机理研 究
严建华
2011CB301700
超高速低功耗光子信息处理集成芯片与技术 基础研究
陈建平
2011CB301900
2011CB932500
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
功能导向的纳米超分子组装体结构调控与可 控制备
刘育
2011CB932900
新型图像传感器及并行图像处理芯片的研究 与集成
2011CB933000 碳基无掺杂纳电子器件和集成电路
2011CB933300
基于纳米结构的新型柔性纤维基可编织光伏 器件重要基础问题研究
郑厚植 彭练矛 邹德春
中枢神经损伤修复与功能重建中胶质细胞的 作用及意义
自由曲线曲面造型技术
2、简单技术 (插值与拟合)
2.1曲 线 拟 合 问 题 的 提 法
已知一组（二维）数据，即平面上 n个点（xi,yi) i=1,…n, 寻求一个函数（曲线）y=f(x), 使 f(x) 在某种准则下与所 有数据点最为接近，即曲线拟合得最好。
y
+
+
+
+ + (xi +i,yi)
+
+
y=f(x) +
但人们并不安于现状，继续探索新的造型方法。相继 出现了自由变形造型、偏微分方程造型、能量法造型、 小波技术等。这些方法目前还处于深入研究阶段，有 望于21世纪得到广泛的应用。
插值(interpolation)、拟合（fitting)和
逼近（approximation)，一直是曲线曲面 造型基本的方法。
问题：给定一批数据点，需确定满足特定要求的曲线或曲面 解决方案： •若要求所求曲线（面）通过所给所有数据点，就是插值问题； •若不要求曲线（面）通过所有数据点，而是要求它反映对象 整体的变化趋势，这就是数据拟合，又称曲线拟合或曲面拟合。
函数插值与曲线拟合都是要根据一组数据构造一个函数作 为近似，由于近似的要求不同，二者的数学方法上是完全不同 的。 实例：下面数据是某次实验所得，希望得到X和 f之间的关系？
4)线性插值
等等
样条插值
比分段线性插值更光滑。
y
a
xi-1 xi
bx
在数学上，光滑程度的定量描述是：函数(曲
线)的k阶导数存在且连续，则称该曲线具有k阶光
滑性。 光滑性的阶次越高，则越光滑。是否存在较低
次的分段多项式达到较高阶光滑性的方法？三次 样条插值就是一个很好的例子。
(B)非生物+许宏淮+09210720011
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总结
• 发展光学自由曲面的制造加工技术有赖于一系列研究和技 术的发展，其中光学自由曲面的精确测量和评价是其超精 密制造的保证。攻克这一难题需要理论研究结合实际工程 技术的研究，以理论支持加工技术，以加工技术发现反馈 理论研究，从而实现此项发展战略。
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参考文献
• Fabrication of rface metrology • Metrology of freeform shaped parts
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实施战略的内容
在理论研究方面 揭示光学自由曲面加工装备多体多态动力学行为与精度稳 定性的映射规律，建立几何/物理/材料关联约束条件下光学 自由曲面的空间机构构型创新设计与优化理论； 揭示光学自由曲面非均匀变流向纳观材料迁移规律，建立 曲面成形过程中跨尺度材料特性演变、表层及近表层材料 结构变化等基础理论； 揭示光学自由曲面物理再构过程中加工工具在力、热和化 学等多场耦合环境下与加工材料之间相互作用和微观力学 行为；
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攻克光学自由曲面的测量系统与评价方法的难 题
通过发展以下技术实现 光学自由曲面使用性能与表面质量映射规律和综合评价体系； 气载激光干涉传感接触式测头的测量误差溯源及原位系统研 究； 多功能集成化柔性光学测头设计及原位测量关键基础理论； 多几何量大量程原位测量快速获取与高精度高稳定性系统设 计理论； 加工装备中的原位测量系统装配定位及数控与反馈策略。
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光学自由曲面制造加工难点
• 由于光学自由曲面的特点，其制造需要采用先进的数控超 精密制造技术 • 由于光学自由曲面的复杂性高，表面形貌的精度要求非常 高，严格应用的要求达到纳米级精度。 • 超精密光学自由曲面的面型检测是制造加工的主要难点 1、由于自由曲面不规则、非旋转对称等特点，因而不能 使用检测传统面型例如球面、轴对称非球面等的检测技术； 2、目前自由曲面的数学表达，从设计到加工到检测，还 没有统一的国际标准。标准未定，曲面的公差界定和加工 精度不能很好的保证； 3、实现超精密加工中有些基础理论的问题还有待研究； 比如微纳尺度下材料的去除原理等。
天津大学科技处2010 年工作总结
天津大学科技处2010年工作总结2010年，我校科技工作紧密围绕学校“三个突破”的中心工作，按照“两个聚焦”的战略要求，调整工作思路、改进工作方法，瞄准大项目好项目，在“十一五”收官之年，以天津大学科技工作会议召开为契机，“973”、“863”、“支撑计划”等项目数量和经费数再创新高，产学研合作不断加强，国家自然科学基金获资助项目和经费不断增加，国家级、省部级科研基地建设持续加强，国家科技奖励与重大标志性成果显著。
各项科技指标全面提升、质量全面提高，为我校“十二五”期间科技工作健康快速持续稳定发展奠定了坚实的基础。
一、科技总经费2010年天津大学科技总经费突破10亿元。
截至2010年12月23日各学院实到科研经费6.2亿元，新立项目1580项，其中百万元以上项目114项。
二、纵向科研（一）科技部项目申报1、973计划科技部于2010年1月20日发布了973计划申报指南，我校建议指南列入2项，均属于综合交叉领域。
共申报973计划10项，机械学院舒歌群教授担任首席科学家的“高效、节能、低碳内燃机余热能梯级利用基础研究”项目和精仪学院房丰洲教授担任首席科学家的“光学自由曲面制造的基础研究”项目，化工学院赵广荣教授承担的“酵母功能模块抽提与底盘细胞构建”课题和化工学院张卫文教授的“小基因组蓝细菌的基因组功能分析”课题等4项获得资助。
同时，科技部于2010年10月发布了2011年基础研究重大需求方向征集指南通知，我校共征集17项指南建议。
2.国家高新技术项目组织申报情况在863计划申报方面，2010年，我校在生物和医药技术领域、先进能源技术领域、现代交通技术领域、新材料技术领域等申报863计划10项，目前均在待审状态。
在国家科技支撑申报方面，组织申报“十二五”国家科技计划农村领域首批预备项目，本年度我校共申报7项，其中1项获得立项资助，资助额度1200万，1项获得支持，支持力度为200万。
在重大专项获资助方面，由建工学院余建星教授和机械学院王树新教授领衔的大型油气田及煤层气开发和深水AUV 系统设计与制造技术研究分别获得1060万元和1969万元。
基于RBF混合神经网络的自由曲面特征重构的研究的开题报告
基于RBF混合神经网络的自由曲面特征重构的研究的开题报告一、研究背景及意义：自由曲面是一种常见的曲面形态，在许多领域中应用广泛，如计算机辅助设计、制造和工艺控制，汽车、船舶和航空的车身、壳体和气动型面的设计等。
其中，曲面重构是自由曲面的重要应用之一。
传统的曲面重构方法，如B样条曲面、NURBS曲面等，存在着较大的限制，主要是几何限制和计算效率低的问题，对于大规模、高精度、复杂的曲面重构任务较难完成。
因此，如何有效地进行曲面特征重构，提高曲面重构的精度和效率，是当前自由曲面研究的热点和难点，也是本文研究的目标。
二、研究内容及目标：基于RBF混合神经网络的自由曲面特征重构研究，是一种新型的曲面重构算法。
本文将结合具体的应用案例，以自由曲面变形和识别为主要研究内容，重点研究以下几个方面：1.构建基于RBF混合神经网络的特征提取模型，实现曲面变形的特征提取和解析任务。
主要包括RBF网络的构建、参数调优、拓扑结构选择等内容。
2.设计基于RBF混合神经网络的曲面重构算法。
采用逐步优化的思想，将曲面重构任务划分为多个子任务，并针对不同的子任务进行特征提取和重构操作，最终实现曲面的高精度还原。
3.应用基于RBF混合神经网络的曲面重构算法进行曲面变形和识别任务，验证算法的有效性和实用性。
三、研究方法：1.文献调研：对当前自由曲面研究的相关文献进行综合调研和分析，深入理解自由曲面的特征和重构方法，为本文的研究提供理论支持和实验基础。
2.算法设计：基于RBF混合神经网络的曲面特征提取和重构算法的设计和实现，主要涉及到神经网络模型的构建、参数优化、模型融合等内容。
3.算法验证：应用所设计的算法进行曲面变形和识别任务，对算法的有效性和实用性进行验证，比较其与传统方法的优劣。
四、研究进度及计划：1.第一阶段：文献调研和数据收集，明确研究方向和目标，了解当前自由曲面研究的状况和发展趋势，定义问题和任务的具体内容。
时间安排：1个月。
科技成果——高精度单点金刚石车削技术
科技成果——高精度单点金刚石车削技术技术开发单位中国航空工业集团公司北京航空精密机械研究所技术简介航空航天、科学仪器等工业领域对复杂光学零件以及光学系统的结构、性能和成像质量等有着日益增加的需求。
与传统的回转对称光学曲面相比，光学自由曲面给光学设计人员提供了较大的设计自由度，使用一个或者少数几个自由曲面镜就可以代替多个球面、非球面光学元件，在提高光学性能的同时，缩减了光学系统尺寸，减轻了光学系统重量，并降低了成本，因此受到国内外研究人员的广泛关注。
单点金刚石超精密车削是自由曲面加工的一项重要方法，超精密车削比传统加工环境污染小，加工效率高，一致性好，且与传统加工相比生产成本低。
该技术以科学仪器等光学关键零件的制造为目标，通过对光学设计、模具超精密加工设备、加工用金刚石加工刀具及超精密车削加工工艺、热成型技术等研究，最终提供高精度低成本的单点金刚石车削产品和可靠的国产化加工设备及工艺，并且提供包括精密导轨零件、精密主轴零件、加工专用金刚石刀具等的加工设备及工艺。
在总体设计方面，单点金刚石精密车削设备采用T型结构布置，按照三轴设计（直线轴X、直线轴Z以及工件轴C）。
为了扩展设备的应用范围，设计时预留了Y轴及B轴的接口。
X、Z轴均可采用液体静压导轨，并采用直线电机驱动技术，保证导轨的运动直线度和定位精度，同时设备具有慢拖板伺服控制功能，也可以增加快速刀具伺服系统，极大地提高设备的扩展性。
为提高设备的通用性，增加C轴的位置伺服控制功能，这样可进行微结构和复杂曲面零件的超精密加工工艺技术研究。
设备的控制系统采用基于UMAC运动控制卡的数控系统，具有良好的开放性和可靠性。
技术指标最大加工工件尺寸：φ300、φ600、φ1000；X、Z轴导轨：有效运动行程：350mm、20000mm；运动直线度：0.3-0.5μm/300mm，0.1μm/100mm（水平面内）；0.5-0.7μm/300mm，0.15μm/100mm（垂直面内）；刚度：750N/μm（垂直面内）450N/μm （水平面内）；运动分辨率：0.01μm；C轴主轴：主轴最高转速：2000rpm，C轴最高转速：900°/s，刚度：100N/μm，回转精度：小于0.1μm，位置分辨率：±1角秒；压电陶瓷快速刀具伺服系统：运动分辨率：0.01μm；最大行程：100μm；最高响应频率：200Hz。
自由曲面在离轴反射光学系统中的应用
自由曲面光学元件的应用可以提高离 轴反射光学系统的性能和稳定性，为 实际应用提供更好的解决方案。
对于推动我国光学技术的发展和提升 我国在光学领域的国际竞争力具有重 要意义。
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THANKS
激光武器系统
离轴反射光学系统可以应用于激光武器系统 中，实现激光光束的高精度控制和瞄准。
航空航天领域
离轴反射光学系统可以应用于航空航天领域中，实 现航空器、卫星等的高精度导航和控制。
无人驾驶领域
离轴反射光学系统可以应用于无人驾驶领域 中，实现车辆的自动驾驶和精确导航。
03
自由曲面在离轴反射光学 系统中的应用
2
自由曲面光学元件的制造和检测技术不断发展 ，使得其在离轴反射光学系统中的应用越来越 广泛。
3
自由曲面光学元件在离轴反射光学系统中的应 用具有较高的学术价值和实用性，对于推动光 学技术发展具有重要意义。
研究不足与展望
01
自由曲面光学元件的制造和检 测技术仍存在一定的挑战，需 要进一步研究和改进。
02
自由曲面在离轴反射光学系 统中的应用
2023-11-06
目录
• 引言 • 离轴反射光学系统基础 • 自由曲面在离轴反射光学系统中的应用 • 自由曲面离轴反射光学系统的实验研究 • 结论与展望
01
引言
研究背景与意义
背景
随着光学技术的不断发展，对光学系统的性能要求也越来越高，尤其是离轴反射光学系统。
自由曲面在系统制造中的应用
降低制造难度
相对于传统光学表面加工方法 ，自由曲面的制造难度较低， 因为它们不需要精确的球面或
柱面形状。
提高生产效率
自由曲面的制造可以使用大规模 生产方法，提高生产效率并降低 成本。
关于自由曲面数据点云直接数控加工的研究的开题报告
关于自由曲面数据点云直接数控加工的研究的开题报告一、选题背景和研究意义自由曲面（Freeform Surface）广泛应用于生产制造领域，在造型设计、汽车、航空等领域都有应用。
在此基础上，数控加工成为制造企业常用的加工方式之一，因其能够高效、精确地制造复杂曲面结构，得到越来越广泛的应用。
然而，目前自由曲面的数控加工多采用离线编程和手工修整的方式来完成，效率和精度也受到一定的限制。
因此，本文通过研究自由曲面数据点云直接数控加工的方法，提高加工效率和精度，具有重要的研究意义。
二、研究内容和方法1.研究自由曲面数据点云的处理方法，在不同的生产制造领域中获取到相应数据点云。
2.研究点云数据预处理方法，实现点云的去噪、重构和精简。
3.研究数控加工路径规划算法，并采用机器人或机床等设备进行加工。
4.对比传统离线编程和手工修整加工方法的效率和精度，验证自由曲面数据点云直接数控加工方法的优越性。
三、预期成果及创新点本文预期通过研究自由曲面数据点云直接数控加工方法，实现在生产制造领域中，对复杂曲面零件的高效、精确制造。
同时，本文采用数控加工路径规划算法，提高加工效率和精度，具有很大的实际应用价值。
本研究的创新点在于，通过点云数据处理和数控加工路径规划算法相结合，实现了自由曲面数据点云直接数控加工，极大地提高了制造效率和精度。
四、可行性分析本文的研究方法技术含量较高，需要多种技术的综合应用，但相关技术的基础已经较为成熟，能够支持本文的研究工作的开展。
本文的研究内容主要涉及到数学、计算机科学、机械制造等领域，可以采用实验研究和模拟仿真相结合的方法进行验证，相关设备和软件已经广泛应用于生产制造领域中，具有很高的可行性。
五、研究计划和进度安排1.第一阶段（2个月）：收集自由曲面数据点云，在不同的生产制造领域中获取到相应数据，并研究其处理方法。
2.第二阶段（3个月）：研究点云数据预处理方法，实现点云的去噪、重构和精简。
3.第三阶段（3个月）：研究数控加工路径规划算法，并采用机器人或机床等设备进行加工。
自由曲面加工刀具路径轨迹规划算法研究
自由曲面加工刀具路径轨迹规划算法研究一、本文概述随着现代制造业的快速发展，复杂曲面零件的加工需求日益增加，而自由曲面加工刀具路径轨迹规划作为决定加工质量和效率的关键因素，已成为研究的热点。
本文旨在探讨自由曲面加工刀具路径轨迹规划的相关算法，以期为提高加工精度和效率提供理论支持和实践指导。
本文将首先综述自由曲面加工刀具路径轨迹规划的研究背景和意义，分析当前国内外在该领域的研究现状和发展趋势。
在此基础上，深入探讨自由曲面加工的特点和难点，以及刀具路径轨迹规划的基本原则和要求。
随后，本文将重点研究自由曲面加工刀具路径轨迹规划的关键算法，包括曲面造型算法、刀具轨迹生成算法、轨迹优化算法等，并对这些算法进行详细的理论分析和实验验证。
通过本文的研究，旨在提出一种高效、稳定的自由曲面加工刀具路径轨迹规划算法，为复杂曲面零件的加工提供一种新的解决方案。
本文的研究成果也将为相关领域的研究人员提供有益的参考和借鉴，推动自由曲面加工技术的进一步发展。
二、自由曲面加工理论基础自由曲面加工，作为一种高度灵活的加工方式，在现代制造业中占据了重要的地位。
自由曲面，区别于传统的规则几何面，具有非常复杂和不规则的几何形状。
这类曲面的加工需要依赖先进的数控加工技术和精确的刀具路径轨迹规划算法。
自由曲面加工的理论基础主要包括数学几何理论、数控加工技术、刀具运动学以及切削力学等。
数学几何理论为自由曲面的描述和建模提供了基础，如参数化曲面、NURBS曲面等数学模型，能够精确地描述自由曲面的形状。
数控加工技术则负责将数学模型转化为具体的加工指令，通过数控系统控制机床的运动，实现曲面的加工。
在刀具路径轨迹规划方面，关键在于根据曲面的几何特征，选择适当的加工策略，生成无碰撞、平滑且高效的刀具路径。
这涉及到刀具运动学的知识，如刀具的姿态调整、切削速度的设定、刀具与工件的相对运动等。
切削力学则关注在加工过程中，刀具与工件之间的切削力、切削热等物理量的变化，以及这些物理量对加工质量的影响。
扩展光源准直照明系统的光学设计及其照明性能的研究
扩展光源准直照明系统的光学设计及其照明性能的研究摘要在超远距离准直照明等特种照明领域中，大功率白光发光二极管(LightEmitting Diode, LED)光源有着极高的使用价值。
但是由于该光源的发光面尺寸不可忽略，属于扩展光源，因此在使用时势必会造成准直照明系统出射光束的发散，该发散特性将会影响其照明距离与照明效果。
针对上述问题，本文从理论推导、软件仿真与实验测试三个方面对以下内容进行了研究。
(1)本文首先基于费马原理，推算出了准直平凸透镜的解析表达式，并设计出了一套以自由曲面构建技术为基础的平凸准直透镜的面型设计算法。
(2)以成像光学相关理论为基础，推导出了在扩展光源准直照明系统中，出射光束发散角的计算公式，研究了扩展光源准直照明系统的结构参数对出射光束发散特性的影响。
以出射光束发散特性理论为基础继续对准直照明系统进行深入研究，推导出了扩展光源准直照明系统的极限照明距离和可照明半径的表达式。
并分别分析了光学系统的横向尺寸和纵向尺寸对极限照明距离和可照明半径的影响。
(3)在光学软件中对上述理论进行了仿真模拟，仿真结果与理论预期相符。
在此基础上，将所设计具有最优结构参数的透镜进行实体加工，与CREE公司生产的大功率LED光源共同封装成探照灯进行实验测试，进一步证实了本文理论的正确性与实用性。
(4)以本文理论为指导，设计了一款超远距离探照灯，该探照灯的横向尺寸为75cm,电功率为149W,能够在2公里处实现半径为35.1m、照度为1.321x的圆形区域照明，光束发散角度为1。
，准直性极高，照度均匀性优良，各项指标符合设计要求。
本文的研究内容揭示了扩展光源准直照明中影响极限照明距离的关键因素。
对于超远距离探照灯、高速车辆照明灯、搜救灯、舞台追光灯的设计制造具有重大的理论指导意义。
第一章绪论现如今，照明己是人们日常工作、生活和生产中不可缺少的重要组成部分。
传统的照明光源以白炽灯为主，但是该产品耗能高、光效低且寿命短，在当下全球能源己被过度消耗、能源储量十分紧张的大环境下，白炽灯逐渐被各个国家禁止生产，取而代之的是节能灯。
自由曲面光学技术..
优缺点
传统的轨迹成形法加工自由曲面，共同的特点是加工效率高，但一般难于加工高精度的自 由曲面，其根本原因在于加工所依据的轨迹的准确性差，轨迹转移精度不高，而且模具或 机构等的轨迹单一，只能加工一种尺寸一种形状的非球面，且可加工的材质有限，通用性 差， 通常只用于中低精度非球面零件的批量生产。 由于该方法已经比较成熟，并且很传统，目前，国外对这方面研究的报道很少。国内主要 是中科院长春光机所和长春理工大学在做这方面的研究工作。
1972年
发展历程 1980年
摩尔公司首先开发出了用3个坐标控制的 M―18AG非球面加工机床，这种机床可加工 直径356mm的各种非球面的金属反射镜。 英国RankPneumo公司向市场推出了利用激 光反馈控制的两轴联动加工机床，该机床可 加工直径为350mm的非球面金属反射镜，加 工工件形状精度达0.25-0.5μ m，表面粗糙度 Ra在0.01-O.025μ m之间。随后又推出了 ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等 机床
代表当今员高水平的超精密金刚石车床是美 国劳伦斯.利弗莫尔(LLNL)实验室研制成功的 LODTM，它可加工直径达2100mm，重达 4500kg的工件其加工精度可达0.25μ m，表 面粗糙度RaO.0076μ m，该机床可加工平面、 球面及非球面，主要用于加工激光核聚变工 程所需的零件、红外线装置用的零件和大型 天体反射镜等。
抛光
可以分为初抛光和精抛光等两个过程。 光学零件的抛光是获得光学表面的工序。 其目的首先是去除精磨的破坏层，达到 规定的表面疵病要求，其次是精修面形， 达到要求的光圈，形成透镜规则的表面 。
2、轨迹成型法
类别
轨迹成形法主要包括使用成形工具的轨迹成形法、使用仿形靠模的轨迹成形法和使用机 构轨迹的成型法等几种。
基于面形斜率的光学自由曲面表征
基于面形斜率的光学自由曲面表征赵星;郑义;张赞;张娟;王灵杰;伍雁雄【摘要】对光学自由曲面设计的关键问题——光学自由曲面的表征模型进行了研究.在传统高斯径向基模型的基础上,通过改善基函数的分布特性以及基于面形斜率调整基函数的形状因子,建立了基于面形斜率的高斯径向基表征模型.利用建立的模型、传统径向基模型和Zernike多项式模型拟合了不同类型的自由曲面,并进行了分析比较.结果证实了文中提出的模型较传统径向基模型的面形拟合精度提高了l～2个数量级,具有较强的面形表征能力.应用该模型进行了离轴三反系统的设计,结果显示设计的三反系统的全视场平均调制传递函数(MTF)达到80％以上.与传统面形表征模型相比,该模型的应用提高了系统的像差平衡能力,改善了系统的成像质量.综合分析表明,该模型适用于表征具有显著非对称性的、面形矢高带有显著局域性变化的自由曲面,有望应用于具有大离轴量和大视场的光学系统设计中.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2015(023)007【总页数】8页(P1957-1964)【关键词】光学自由曲面;面形拟合;面形斜率;高斯径向基;Zernike多项式【作者】赵星;郑义;张赞;张娟;王灵杰;伍雁雄【作者单位】南开大学现代光学研究所光学信息技术科学教育部重点实验室,天津300071;南开大学现代光学研究所光学信息技术科学教育部重点实验室,天津300071;南开大学现代光学研究所光学信息技术科学教育部重点实验室,天津300071;南开大学现代光学研究所光学信息技术科学教育部重点实验室,天津300071;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学系统先进制造技术中国科学院重点实验室,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学系统先进制造技术中国科学院重点实验室,吉林长春130033【正文语种】中文【中图分类】TH7031 序言光学自由曲面［1］因具有更多的面形自由度和强大的像差平衡能力，而在高分辨率和大视场光学成像系统中具有重要的应用价值。
自由曲面加工技术的数学模型与算法研究
自由曲面加工技术的数学模型与算法研究随着科技的不断发展，自由曲面加工技术已经成为现代制造业中的一个重要分支。
自由曲面是指没有明确定义的几何平面的曲面，这种曲面的形状和特点很难通过常规加工方法实现。
因此，自由曲面加工技术的研究成为现代制造业中非常重要的一部分之一。
在本文中，我们将研究自由曲面加工技术的数学模型与算法。
一、概述自由曲面加工是一种先进的数控加工技术。
这种技术能够制造出各种形状繁复的曲面，其应用范围广泛，如:1. 在航空航天、汽车、摩托车等制造领域中制造各种曲线、曲面构件。
2. 在工艺品制作领域中，也有大量应用。
二、自由曲面的数学模型自由曲面是曲面中最常见的类型，其形式和特性非常复杂。
目前，数学家们通过不断的研究和改进，提出了几种常见的自由曲面模型，如有理B样条曲面、NURBS曲面、TNURCC曲面等。
这些模型都具有以下特点：1. 可以对一个曲面进行精确描述，用于制造实际零部件。
2. 模型可以对曲面的形状进行可靠的控制和调节，使其能够达到设计要求。
3. 可以将曲面分割成若干个小面片，可以对面片进行进一步的处理和计算。
三、算法研究整个加工过程中，算法的开发和优化是十分重要的。
这里我们主要研究自由曲面加工技术中的算法：1. 利用有理B样条曲面进行加工有理B样条曲面是一种优秀的自由曲面模型，并且很容易和数控数码机床进行联系。
因此，有理B样条曲面加工是一种非常有效的方法。
这种方法可以通过不同的加工路径，使零部件满足不同的精度要求。
2. 利用数学方法进行加工通过数学上的分析和证明，可以得到某些曲面加工的有效方法。
例如，通过微积分和偏微分方程的学习，可以得到一些有效的加工方法。
这种方法需要较高的数学基础知识，但是可以提供更加高效和精确的加工效果。
3. 利用计算机模拟进行加工现在，计算机科学和数学科学的技术水平已经非常高。
因此，可以通过计算机模拟的方法进行曲面加工。
这种方法的重点是编写高效的数值方法和程序。
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项目名称：光学自由曲面制造的基础研究首席科学家：房丰洲天津大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：教育部天津市科委二、预期目标（1）总体目标针对国家发展的重大需求对光学自由曲面制造技术的要求，深入研究并解决光学自由曲面制造中的重大关键基础科学问题，揭示自由曲面成型过程中纳观尺度材料迁移新理论，掌握和研究光学自由曲面高效、纳米级精度加工工艺技术及装备的共性基础问题，发展具有自主知识产权、具有国际先进水平的高精度、可控面形的光学自由曲面加工技术，培育我国光学自由曲面加工领域在国际上具有重要影响的学术带头人和创新团队，推动我国制造技术基础理论研究，确立在光学自由曲面制造领域国际竞争中的优势地位，增强光学自由曲面核心关键器件自主创新能力，并将光学自由曲面制造理论向更多领域纵深发展，推动我国科技进步。
（2）五年预期目标在理论研究方面：解决光学自由曲面制造中的关键科学问题，为实现高精度、高效率和高可靠性的光学自由曲面制造技术与装备提供理论基础，跻身于国际制造科学研究领域的前沿。
•揭示光学自由曲面加工装备多体多态动力学行为与精度稳定性的映射规律、时变工况激励下控制系统与机械结构耦合动态特征对加工精度的扰动规律，建立几何/物理/材料关联约束条件下光学自由曲面的空间机构构型创新设计与优化理论；•揭示光学自由曲面非均匀变流向纳观材料迁移规律，建立曲面成形过程中跨尺度材料特性演变、表层及近表层材料结构变化等基础理论；•揭示光学自由曲面物理再构过程中加工工具在力、热和化学等多场耦合环境下与加工材料之间相互作用和微观力学行为，建立加工工具的失效形式及其加工性能的演变理论；•揭示多物理场辅助下纳米切削行为、离子注入表面改性后的硬脆材料切削规律，建立工具磨损抑制及材料学分析测试理论。
在技术应用方面：通过本项目研究，在若干关键技术上取得源头创新成果，提升我国光学自由曲面制造装备及关键应用零部件的制造水平。
•设计光学自由曲面离轴三反望远光学系统，并完成系统中自由曲面器件的制造和装配，系统视场角达到50 º－60 º以上，成像质量接近衍射极限，同时解决子午与弧矢面间放大倍率的不一致问题；•实现光学晶体复眼结构器件（材料为ZnS/ZnSe）的设计及加工，具体技术指标为：单元尺寸≤10mm，单元数量>40个，整体尺寸<150mm，面形精度PV<10um，表面粗糙度Ra<8nm；实现下一代IC装备SMO光源系统中核心光学自由曲面非球面微透镜阵列（材料为光学玻璃/塑料）的设计及加工，具体技术指标为：透镜口径<150mm，单元尺寸≤1mm，单元数量>50个，面形精度PV<8um，表面粗糙度Ra<10nm；•突破纳米级刃口微刀具创成技术难题，实现纳观材料迁移机理验证，完成圆弧、直线、锯齿、尖角等典型刃口半径在30nm以下微刀具；•突破加工工具磨损抑制技术难点，为光学自由曲面加工提供先进工具和加工液，建立多物理场辅助切削在线实验装置和材料学分析测试平台；•突破原位测量系统设计和装配技术难题，建立激光干涉接触式探针测量和多功能集成柔性光学式原位测量系统，量程为150mm，测量分辨率达20nm，测量精度0.3um，实现光学自由曲面的测量、分析和质量控制；•构建光学自由曲面建模与光学特性评价平台、加工质量综合评估与控制平台，建立光学自由曲面形成过程的智能仿真与表面质量数字化评价体系，实现零部件的高效制造与性能定量预测。
在论文与人才培养方面：本项目研究过程中，拟发表论文200-240篇，其中三大检索收录论文占80%，申请专利10～20项；组织高水平的国际会议2~3次；形成具有重要国际影响的光学自由曲面制造技术研究队伍；涌现出一批优秀中青年人才，包括国际前沿学术带头人1～2人；培养博士生、硕士生50-80人。
三、研究方案光学自由曲面制造的关键技术中提炼出共性科学问题，分别从曲面建构、物理再构和精度改善三方面进行研究。
在研究方法上，通过理论与实验的紧密结合，将理论研究、技术开发和应用示范相结合，揭示材料在纳米尺度下相互作用的规律，建立光学自由曲面制造理论基础和关键技术平台，其成果适合应用于其他重大需求领域。
曲面建构：分析光学自由曲面的应用要求，借助光学理论将要求指标化，转换为具体的光学性能参数。
依据应用范围分为非成像和成像光学器件，结合计算机图形学进行光学性能参数和空间表达映射理论的分析。
针对非成像光学器件，利用非成像光学理论中的光学扩展量守恒定律和边缘光线原理，借助微分几何理论确定光学性能和空间表达的离散型映射模型；针对成像光学系统，建立自由曲面的直接光线追迹模型，综合多目标评价函数进行模型参数的最优化求解。
采用NURBS重构方法建构曲面型映射模型，重点考虑表达方式的一致性、高阶误差评定、空间特征解析等理论，进行空间表达的高精度建构、转型和特征解析。
结合以上研究成果和具体应用实例，建立光学自由曲面建模和光学特性评价体系及平台。
物理再构：建立几何/物理/材料（GPM）三元关联约束的多维集成光学自由曲面制造装备结构设计与开发理论，建立光学自由曲面加工精度关于加工装备多体多态动力学行为的反推演模型，研究提高精度稳定性的多态联合补偿策略。
基于光学自由曲面空间表达和空间特征解析理论，结合物理再构的运动学机制，实现加工区域划分策略和变行距轨迹及无缝衔接轨迹规划，并分析工具干涉检验与防干涉运动策略。
提取耦合动态特征对加工精度的扰动规律，建立基于耦合动态特征的控制参数与机械结构逆向优化匹配理论，研究控制参数的优化匹配对加工精度的调控机制。
综合以上研究成果及工艺试验结果，建立光学自由曲面智能成型仿真与表面质量数字化评价体系。
精度改善：该方面是本项目的研究重点之一，光学自由曲面的精度改善体现在表面质量和面形精度两个方面。
在表面质量的改善方面，重点依赖对纳观材料迁移行为和界面作用机理的透彻解析。
利用第一性原理和基于密度泛函平面波赝势方法，建立不同材料原子间的相互作用势能函数，进行纳米尺度材料迁移的分子动力学模拟，并通过桥尺度函数与利用连续域的离散单元方法的宏观模型仿真联合，获取成形过程中的宏观和微观物理信息，建立纳观非均匀变流向材料迁移理论。
利用现代摩擦学的理论与方法，进行纳观尺度的工具磨损机理的研究，分析多场耦合环境中加工工具与加工材料相互作用与微观力学行为，提出采用基于固结磨料化学机械磨削原理的光学自由曲面超精密加工新方法，利用加工过程中化学和机械复合作用实现高精度高表面质量表面的加工。
针对常用的硬脆性材料，采用多物理场辅助与离子注入表面改性技术，进行工具磨损抑制效应分析。
利用聚焦离子束进行纳米刃口工具的制备，完全符合模拟过程中的工具尺度，并采用锥面成形途径实现纳观材料迁移行为的分析验证。
同时辅以各种显微结构表征手段（如原子力显微镜、显微拉曼光谱分析等）对材料成形过程中表面/近表面微观结构的影响规律进行检测和观察。
原位测量系统的应用和补偿技术的开发是面形精度提高的重要手段。
利用激光干涉传感和激光共聚焦传感技术实现原位系统开发，建立测量方法及系统装配的精度模型，提高大量程原位测量系统的精度和稳定性，搭建光学自由曲面质量综合评估与控制平台，实现面形精度的评价和补偿。
以上立体布局使本项目研究方向构成一个整体，各研究方向较强的有机联系，有助于课题间交叉联合和项目持续推进，使研究向纵深发展。
四、年度计划一、研究内容光学自由曲面制造已成为提升国家经济发展的重要支撑技术，结合国家发展的重大需求和光学自由曲面制造的发展趋势，本项目以光学自由曲面空间构建与物理再构理论、再构过程的多态量耦合影响机制、纳米尺度多物理场材料成形机理、面形原位测量评价及面形可控工艺等关键共性技术为突破口，本项目围绕下列三个重要科学问题展开研究：1. 光学自由曲面性能要求与空间表达的映射规律及物理再构光学自由曲面给光学设计人员提供了很大的设计自由度，随着现代光学、生物医学、能源、通讯及微电子等领域应用需求的不断提高，新一代结构复杂的光学自由曲面也被纷纷提出。
设计的复杂性和随意性使其异于已有的传统光学器件，传统空间表达方式已很难胜任新型光学自由曲面描述。
这种面形的复杂性和高精度要求也给制造过程带来了众多工艺难点，同时，带来了至今仍无完善理论来系统解释的新现象，对先进制造领域提出了极大的挑战。
需要将机械学与数学、物理学、化学、计算机图形学、材料学等领域知识有机地结合起来，探索光学自由曲面制造中的性能要求和空间表达新规律，提出适应于应用需求变化的空间变化新方法，创建物理场复合作用机理以及物理再构的新原理和新工艺。
主要研究内容：①光学自由曲面形态学演变与空间表达新方法光学自由曲面的空间表达是制造过程中首要明确的基础问题。
自由曲面的形状任意性为空间表达的研究带来了众多难题，如自由曲面很难采用精确统一的空间表达策略进行可靠描述，仍无系统完善的自由曲面光学优化设计方法，光学像质评价及公差分析过程涉及到大量多目标约束等。
重点研究和解决以上关键基础问题，为光学自由曲面物理再构和测量评价补偿等提供有力支撑，主要的研究内容包括：•光学自由曲面空间表达一致性模型及空间特征解析；•光学自由曲面空间一致性模型重构高阶误差评定与规避策略；•照明系统多参数约束光学自由曲面高效数值解构及统筹优化；•成像系统光学性能与空间特征映射基础理论及像质评价体系；•光学自由曲面建模与光学特性评价平台。
②光学自由曲面成形过程的物理解析及再构策略随着光学自由曲面的精度、效率越来越高，高速、高加速度和变加速度成为加工装备动态行为的主要表现形式，装备的力学特性、热学特性、以及力、热耦合特性对加工质量和效率产生显著影响。
为最大限度提高自由曲面的面形精度、表面粗糙度等性能指标，研究光学自由曲面加工装备多体多态动力学行为与精度稳定性的映射规律、时变工况激励下控制系统与机械结构耦合动态特征对加工精度的扰动规律，提供提高精度稳定性的多态联合补偿策略和控制参数与机械结构的优化匹配对加工精度的调控机制。
主要研究内容包括：•几何/物理/材料（GPM）三元关联约束下光学自由曲面成形的空间构型理论；•GPM约束下光学自由曲面加工装备多体多态动力学行为与精度稳定性模型；•光学自由曲面分域迭代加工理论与无缝变距轨迹规划；•时变工况激励下控制系统与机械机构耦合动态特征表达、对加工精度的扰动规律与调控机制；•光学自由曲面形成过程的智能仿真与表面质量数字化评价体系。
2. 光学自由曲面多场作用成形的材料迁移纳观物化行为与机制由于光学自由曲面加工过程的高速瞬态过程不宜表征和纳米尺度实验验证困难，被加工材料的原子级迁移行为尚不明确，成形过程中的界面作用机理也不完善，总之在世界范围内还没有形成以纳米精度为特征的光学自由曲面制造成熟理论。