（机械设计及理论专业论文）镜片磨边系统中机械设计及数控软件的开发.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 眼镜对人们的视觉健康和日常生活都起到了重要的作用。我国是眼镜生产 和消费的大国，开展数控镜片加工设备的研究不仅具有重要的理论意义，而且 为市场满足拥有自主知识产权的低价位、高精度、全自动化的镜片加工设备的 需求也具有现实意义。 本文对镜片磨边系统中的若干关键技术进行了研究。通过对镜片自动加工 原理的分析，推导了二维镜片自动加工中镜片轮廓的数学建模方法；给出了扫 描机、磨边机游标头和央片旋转机构的工作原理，并对其机械结构进行了设计： 通过对整体加工系统的功能分析，开发了上位p c 机程序以及针对于p i c l 6 f 8 7 7 高性能微控制器的下位机控制程序：介绍了利用f t d i 公司提供的u s b 驱动软 件和虚拟口控制软件，实现基于f t 2 4 5 b m 芯片的u s b 串行通讯的控制方法； 完成了原理样机的制造、装配和整体系统的调试。 关键词：数控系统，软件开发，光学镜片，镜片加工，机械设计，v b n e t u s b 通讯 箜笠堕望墨堑主垫堕墨生墨墼望鏊竺塑要垄 a b s t r a c t t h eg l a s s e si n f l u e n c eo u re y e s i g h ta n dl i f ee n o r m o u s l y o u rc o u n t r yp r o d u c e s a n dc o n s u n 3 e sag r e a td e a lo fg l a s s e s ，r e s e a r c ho n t h en u m e r i c a lc o n t r o le q u i p m e n to f l e n s m a n u f a c t u r i n gh a s n o t o n l y a c a d e m i cs i g n i f i c a n c e ，b u ta l s op r a c t i c a lv a l u e ， w h i c hm e e t st h er e q u i r e m e n t so f m a r k e tf o rl o w p r i c e ，h i g h - a c c u r a c ya n da u t o m a t i c l e n se d g i n gs y s t e m i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h ek e yt e c h n o l o g i e so f t h el e n se d g i n gs y s t e ma r es t u d i e d f i r s t l y , t h em a t h e m a t i cm o d e l i n ga b o u t l e n so u t l i n ei sg i v e nf r o mt h et h e o r yo f a u t o m a t i c2 dl e n sm a n u f a c t u r i n g s e c o n d l nt h em e c h a n i s mo f t r a c e ra n dl e n se d g e r i sd e s c ：r i b e da n dt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e so f t h e ma r ed e s i g n e d t h i r d l y , t h es o f t w a r e i sd e v e l o p e df o rt h el e n se d g i n gs y s t e mi np ca n dp i c l 6 f 8 7 7 f o u n h l y o nt h eb a s i s o ft h ef t 2 4 5 b mc h i pp r o v i d e db yf t d ic o r p o r a t i o n ，t h ea p p r o a c ho fc o n t r o l l i n g u s bi sg i v e n f i n a l l y , t h ep r o t o t y p el e n se d g i n gs y s t e mi sc o m p l e t e da n di t sc o n t r o l s y s t e mi st e s t e d k e y w o r d s ：n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，s o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，o p t i c a lg l a s s e s ， l e n sm a n u f a c o a r i n g ，m e c h a n i c a ld e s i g n ，v b n e t , u s b i l 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的 研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被 查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者虢冬黜、7 叩作者签名：堕! ! 日期： 扩5 凹2 牛 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 眼镜对人们的生活和工作都起到重要的作用。据不完全统计，我国在城市 中有三分之一以上的人口配戴眼镜。 眼镜配戴是否舒适取决于镜架、镜片以及镜片加工的质量，一旦镜架与镜 片都选定后，镜片加工质量的好坏就会决定眼镜的配戴质量。配戴不合格的眼 镜不仅会影响正常的生活，而且会进一步地损害配戴者的视力。因此，镜片加 工的质量是整个配镜过程中最关键的因素。 虽然我国是眼镜消费的大国，但是眼镜加工设备的研究和生产都远远落后 于世界先进水平。在偏远的西部以及广大的农村地区，镜片加工仍然停留在纯 手工磨片阶段，镜片的轮廓是依靠加工者获得镜框轮廓的印象后，通过在砂轮 机上不断地打磨出与镜框轮廓相似的镜片实现的。纯手工加工的镜片不仅外形 轮廓粗糙，而且根本无法保证瞳距、瞳高等必要的医学参数。 在东部经济发达地区，镜片加工手段已有了质的飞跃，镜片加工的主要设 备是自动仿形磨边机。它采用镜片模板的形式，通过靠模仿形加工原理来实现 镜片的“自动”加工。虽然，它比纯手工磨片在加工形式上提高了很多，但是 对加工质量的提高却不显著。纯手工加工是把镜片作为加工对象，依靠加工者 的认知状态实现加工；自动仿形磨边机虽然在镜片加工过程中实现了无人干预 的自动化但是镜片轮廓的加工基准一模板，依旧是通过手工加工方式完成的。 在模板的制作过程中同样存在和纯手工磨片一样的问题，即无法准确保证随距 和瞳高等必要的医学参数。 为满足消费者对眼镜加工质量的高要求，一些配镜公司花费几十万元人民 币从西方发达国家引进现代化的镜片磨边系统。虽然这种系统可以加工出符合 要求的眼镜，但是其高昂的价格、复杂的操作以及维修的困难都使得它难以获 得广泛的应用。 本课题是南京航空航天大学和上海雄博精密仪器有限公司的合作项目，在 允分考虑我国现有镜片加工设备的研究和生产现状以及机械加工能力的基础 镜片磨边系统中机械设计及数控软件的开发 上，研究开发镜片磨边系统。本课题所研制的镜片磨边系统通过二维镜片与镜 架混合扫描机得出所需加工镜片的外形轮廓，然后再根据必要的医学参数，经 自动磨边机加工出符合要求的镜片。它不仅可以实现真正意义上的自动加工， 而且还兼有靠模加工的能力。 研究开发镜片磨边系统不仅可以增强我国在镜片加工设备上的研发能力， 改善我国镜片加工设备的生产现状，提高我国眼镜行业员工的整体素质，而且 还可以促进相关高科技的产业化。同时，它对改善我国广大人民群众的用眼卫 生状况以及提高人民的生活质量都有一定的促进。 1 2 镜片加工的国内外研究概况 眼镜的生产已有几百年的历史，可以把镜片加工方式分为4 个阶段： 1 纯手工镜片加工方式：主要是依靠人的经验和技术在简易的砂轮机上打 磨出可用的镜片轮廓： 2 靠模镜片加工方式：它采用靠模仿形原理，首先在模板机上切割出所需 的镜片轮廓模板，然后再利用模板在高速旋转的砂轮上磨削出镜片轮廓： 3 免模板二维镜片加工方式：它主要利用机械式镜片与镜架混合扫描机得 出所需加工的镜片轮廓参数，再通过输入眼睛的瞳距和瞳高值，经计算得出镜 片轮廓的实际加工参数，利用这些参数在自动磨边机上加工出符合要求的镜片 轮廓； 4 免模板三维镜片加工方式：它利用高精度，低压力的扫描机采集镜片或 镜架的三维轮廓参数，通过计算后得出镜片的三维加工参数，再由具有自校正 功能的全自动三维磨边机加工出高精度的镜片轮廓。 与上述4 种加工方式相对应的镜片加工设备，通常被称为第1 代、第2 代、 第3 代和第4 代产品。 由于在镜片加工方式的基础性研究上处于落后状态，所以导致我国对镜片 加工设备的丌发一直停留在对国外低技术含量产品的仿制阶段。至今，国内企 业仍然只能生产第2 代的靠模镜片加工设备，对高性能的第4 代产品的研发， 依旧处于技术储备阶段。 现阶段国内生产的自动仿形磨边机，按照控制的概念分类，应该属于“顺 序控制”的范围，即控制计算机只对自动加工中的各种动作的先后次序进行控 南京航空航天大学硕士学位论文 制，而对运动部件的位移量不进行控制。其位移量的多少是依靠凸轮、模板、 限位开关等实现。 真正意义上的镜片磨边系统按镜片轮廓形成的轨迹可分为以下3 类【1 。6 j ： 1 点位控制系统：在这种控制系统中只要求控制轮廓上一点到另一点的准 确位置，而对镜片轮廓的轨迹在原则上不进行控制； 2 直线控制系统：在该系统中，除了控制点与点之间的准确位置外，还要 保证被控制的两点之间移动的轨迹是一条直线，而且移动的速度是按照给定速 度进行控制； 3 轮廓控制系统：在这种控制系统中对整个镜片轮廓的形成进行严格不问 断的控制。 按伺服机构的控制方式也可以把镜片磨边系统分为4 类： 1 开环控制系统：在这种控制中，系统不对实际传动机构的动作情况进行 检查，没有被控制对象的反馈值，其伺服驱动元件一般采用步进电机； 2 闭环控制系统：在该控制中，系统接受反馈信息，然后再与指令信号进 行比较，从而消除控制中的误差： 3 半闭环控制系统：在这种系统中，不对实际位置进行反馈，而采用电机 转角测量方式反馈，从而进行控制； 4 混合控制系统：将上述3 种控制系统的特点有选择的集中起来，组合成 混合控制系统，其中最常采用的是开环补偿型和半闭环补偿型系统。 除了上述的数控系统外，计算机数控在镜片磨边系统中也得到广泛的应用。 计算机数控系统是一种包含有存储程序专用计算机在内的数字控制系统，它根 据计算机存储的程序执行部分或全部的数字控制功能。 日本和西方发达国家对镜片加工设备的研究和开发已经历了几十年，它们 具备第4 代镜片加工设备的开发能力。低压力、高精度的镜片与镜架扫描机不 仅可以获得准确的轮廓参数，而且能够主动对镜片和镜架进行识别：其自动磨 边机完全采用嵌入式实时控制系统，可以对不同材料以及不同医学参数要求的 镜片进行高精度加工，其中较为出色的产品有日本尼德克生产的l e 一9 0 0 0 s 和法 国依视路公司的铁达镜片磨边系统。中等发达国家，例如韩国，也已经具备了 第3 代镜片加工设备的研究与开发能力。 在发达国家，虽然镜片加工设备的研究已经处于很高的水平，但是对它的 研究和丌发仍然炙手可热。其发展趋势大致可以归纳为以下几点：高速变频电 镜片磨边系统中机械殴计及数控软件的开发 机的应用：自适应扫描机的开发；网络化卫星加工方式的应用；以及相关设备 的集成化应用；等等。 1 3 本文研究的主要内容 本课题所研制的镜片磨边系统工作过程是：首先，由镜片与镜架混合扫描 机对镜架或己成形镜片的轮廓进行扫描，得出每次采样的脉冲方波计数值后， 传递给上位p c 机进行扫描镜片轮廓的数学建模；其次，由基于近、远视和散光 成因的原理，建立加工轮廓的数学模型并通过模型的计算，获得下位机可识别 的二进制加工码；最后，通过自动磨边机央片轴旋转与游标头升降的运动匹配， 在高速旋转的砂轮上磨削出镜片轮廓。 该系统是在结合第2 代自动仿形磨边机的机械结构和对二维镜片自动加工 控制方式研究的基础上，通过对扫描机的结构设计以及对自动仿形磨边机关键 部件的重新设计来实现的。 在数字控制方面，该系统采用上位机与下位机组合的原理，通过u s b 通讯 接口连接上、下位机参数，采用成熟的点位和开环相结合的控制方式进行加工 控制。 本文对镜片磨边系统的几项关键技术进行研究。主要包括以下6 个部分： 1 ) 二维镜片轮廓的数学建模： 2 ) 扫描机的结构设计和磨边机关键部件的设计； 3 ) 上位机软件开发以及实际加工参数的换算算法实现； 4 ) 对基于f t 2 4 5 b m 芯片的u s b 串行口的识别和控制； 5 ) 下位机加工控制程序的开发； 6 ) 整体系统的调试。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章镜片的基本概念及镜片轮廓的数学建模 2 1 镜片的专业术语 只有了解镜片的专业术语1 7j 才能够理解镜片加工的原理。在这些术语中最 常见到的就是球镜。球镜是指平行光通过镜片后交于一点的镜片。球镜根据外 形一般可分为双凸、平凸、凹凸、双凹、平凹和凸凹6 类，如图2 1 所示。一 般镜片以凸凹和凹凸形的球镜为主，其主要原因是为了减少镜片边缘部分对物 像清晰度的影响，但对于高度近视和远视的镜片则分别以平凹和平凸状镜片为 主。虽然球镜在各方向上的曲率半径是相同的，但凸球镜的表面弯度越大，则 聚光能力越强；同样凹球镜越凹，则分散光线的能力越强。平行光透过球镜被 折射后，在镜片的主轴上集合成的点f 叫焦点，镜片中心至焦点的距离r 称为焦 距，如图2 2 所示。 双凸平凸凹凸双凹平凹凸凹 图2 】球镜种类 屈光度是指镜片后顶点至后焦点距离的倒数d = i f , 它代表镜片的屈光能力， 其单位为d 。如果镜片后顶点至后焦点为l m ，即产i m 时，该屈光度就为d = i d ； 若后顶点至后焦点为2 m ，则d = 0 ，5 d 。表示镜片屈光度时，前面必须有正负号， 对于凸镜而言，由于其焦点在光源的对侧，所以焦距为正，因而其屈光度前面 用“+ ”号，相反，因为凹镜的焦点在光源的同侧，所以其焦距为负，因而凹镜 的屈光度前面用“一”号，如图2 2 所示。除特殊情况外( 0 1 2 d ) ，镜片度数 的级差一般为0 2 5 d 。 镜片磨边系统中机械设计及数控软件的开发 凸球境焦距 图22 球镜焦距 一 【 阁 一 l ，f 凹球镜焦距 除球镜外，另一种常见镜片是柱面镜片，因为柱面镜的表面形状和圆柱体 的表面一样，所以又被称为圆柱镜片。柱面镜根据外形的不同被分为平凸柱面 镜和平凹柱面镜，如图2 3 所示。柱面镜从垂直方向看，该方向是一条直线。 在这个方向上没有弯曲度，由于柱面的背面也为一平面，所以平行光从垂直方 向透射后不会被折射，因此在该方向上屈光度为0 。在水平方向上，当平行光通 过时，由于两个面的屈光度不同，所以光线被折射后形成一条焦线，此焦线与 柱面镜的母线平行，如图2 4 所示。总之，柱镜就是指使平行光会聚于两个互 相垂直的焦线上，并含有两个不相等的屈光度的镜片。在实际应用中，通常将 柱镜看为一枚球镜和一枚单散柱镜的叠加。 平凸柱镜平凹柱镜 图2 3 柱镜种类 平凹柱镜焦距 图2 4 柱镜焦距 散光的轴向是指球柱镜片上仅含球镜屈光度的主子午线。 眼睛正视并且视线平行时，两瞳孔中心之间的距离称为瞳距。 常见处方术语的简略字和符号见表2 i 。 南京航空航天大学硕士学位论文 表2 1 处方常用简略字及符号表【7 简写 英文 中简写 英文 中简写 由 字符文字符文字符 英文 文 处 d i s t a n c e远 n i 曲 近 r x p r e s c r i p t i o n d vn v 方 v i s u a l 用v i s u a l用 棱 棱基 p r i s m镜底 p p rp r i s m镜 b ib a s e i n d i o p t e r 萱 向 度 位里 基基基 底底b a s e底 b ob a s e o u tb ub a s e u db d 向向d o w n向 外上里 接附 平c o n t a c t a d da d d i t i o n加p lp l a n o 光 c l触 l e n s 度镜 右双l e f t左 r r e r i g h te y e b eb o t h e v el l e 眼眼 e y e眼 球柱轴 ss p h s p h e r i c a l c c y lc y l i n d r i c a l x a xa x i s 镜镜向 屈 d d i o p t e r光 p d p u p i l l a r y 瞳o d0 c u l u s右 d i s t a n c e距 ( l a t i n )d e x t e r眼 度 o so c u l u s左o uo c u l u s双 视 vv i s i o n ( l a t i n ) s i n i s t e r眼 ( l a t i n ) u n a t i眼 力 2 1 1 近视及散光成因 近视或远视【7 1 的发生是因为实际物像的成影点与眼内视物成像点不一致而 造成的。球面镜可以准确地调整物像的成影落点。因此，用一枚球面镜即可矫 镜片磨边系统中机械设计及数控软件的开发 正近视和远视。另外，由于球镜上各子午线屈光度均相同，所以近、远视的调 整度数无需计算。 散光会产生两个不同的屈光度值，假设散光轴处于水平或垂直方向，a 、b 、 c 、d 、e 分别是在视网膜不同位置上显现的屈光异常状态，如图2 5 所示。 ab cde 水平方向 垂直方向 当视网膜在a 点时，两条焦线的物像成影点均在视网膜的后方，且不交于 同一点，故此在医学上被称为远视复性散光；当视网膜在b 点时，很明显一条 焦线的成影点刚好落在视网膜上，同时另一条焦线的成影点却在视网膜的后方， 因此医学上称之为远视单性散光；当视网膜在c 点时，一条焦线的成影点在视 网膜之前，而另一条的成影点在视网膜之后，所以被称为混合性散光：当视网 膜在d 点时，其情况类似于视网膜在b 点时的状态，不同点是未落在视网膜上 的焦线成影点处于视网膜之前，因此被称为近视单性散光；当视网膜在e 点时， 情况也与视网膜在a 时的相似，仅仅不同的是两焦线成影点均在视网膜之前， 所以在医学上被称为近视复性散光。由此可见，散光被分为5 类。对于不同类 型的散光，则必须用不同的球托镜进行矫正。 21 2 散光的处方表示方法 单性散光采用单散柱镜进行校正。图2 5 中，当视网膜在b ，d 点时，平行 光线入射眼后，一条焦线的成影在视网膜上，则此方向上不需要镜片矫正，而 另一条焦线的成影在视网膜的前方或后方，则需具有一定屈光度的镜片进行矫 正，从而使原来在视网膜前或后的像能够成影在视网膜上，以到达视力矫正的 目的。 例如：当视网膜在b 点时，在没有镜片矫正前，垂直方向的光线成影在视 网膜上，而水平方向的光线成影在视网膜之后，在水平方向加上有相应屈光度 的镜片后，使得水平方向的光线亦成影在视网膜上。假设，水平方向上的屈光 度为+ 1 o o d ，垂直方向上的屈光度为0 ，则单性散光的负柱镜十字坐标表示法， 南京航空航天大学硕士学位论文 如图2 6 所示。将该单性散光镜看为由一枚s + i 0 0 d 的球镜和一枚 c 一1 0 0 a x l 8 0 。的单散柱镜叠加而成。单散柱镜必然有一个方向上的屈光度为0 ， 屈光度为0 的方向即为散光轴向。该单性散光镜的处方表达式为 s + 1 0 0 c - 1 0 0 a x l 8 0 。 。o = 0 十0 o o 。 图2 6 单性散光的负柱镜十字坐标表示法 单性散光的汇柱镜十字坐标表示法，如图2 7 所示。将上述同一单性散光 镜看为由一枚s + 0 0 0 d 的球镜和一枚c + i 0 0 a x 9 w 的单散柱镜叠加而成，则该 单性散光镜的处方表达式为c + i 0 0 a x 9 0 。( 在处方表达式中o o o 可以省略不 写) 。由上可见，单性散光的处方表达式只有两种。 00 000 0 00 0 州。o - - 0 0 0o + o 。 图2 7 单性散光的正柱镜十字坐标表示法 复性散光采用复散柱镜进行矫正。图2 5 中，当视网膜在a 点时，平行光 在两方向上的成影点均在视网膜之后，而当视网膜在e 点时，平行光的两个成 影点均在视网膜之前。假设，复性散光在垂直方向上的屈光度为+ 2 0 0 d ，在水 平方向上的屈光度为+ 3 0 0 d ，则复性散光的负柱镜十字坐标表示法，如图2 8 所示。将该复性散光镜看为由一枚s + 3 0 0 d 的球镜和枚 c1 0 0 a x l 8 0 。的单散柱镜叠加而成。该复性散光镜的处方表达式为 s + 30 0 c 一1 o o a x 】8 0 0 。 + 3 0 0 + 20 0+ 3 0 010 0 - - - + 3 0 0 + o o o 。 图2 8 复性散光的负柱镜十字坐标表示法 复性散光的币柱镜十字坐标表示法，如图2 9 所示。将上述同一复性散光 镜片磨边系统中机械设计及数控软件的开发 镜看为由一枚s * 2 0 0 d 的球镜和一枚c + i 0 0 a x 9 0 。的单散柱镜叠加而成，则该 复性散光镜的处方表达式为s + 2 0 0 c + i 0 0 a x 9 0 。 + 20 0+ 20 0 00 0 0 二+ z 。0 + o 图2 9 复性散光的正柱镜十字坐标表示法 复性散光还可以看为两个单散柱镜的叠加，如图2 1 0 所示。将该复性散光 镜看为由一枚c + 2 0 0 a x l 8 0 。的单散柱镜和一枚c + 3 0 0 a x 9 0 。的单散柱镜叠加而 成，其散光度为两屈光度值之差。该复性散光镜的处方表达式为 c + 2 0 0 a x l 8 0 。+ 3 0 0 a x 9 0 。因此可见，复性散光有三种处方表示方法。 + 20 0+ 20 000 0 o = o o 。o + o 一 图2 1 0 复性散光的单散柱镜十字坐标表示法 一条焦线在视网膜前成影，另一条在视网膜后成影，称为混合性散光，对 于混合性散光则需要用混散柱镜矫正。假设4 5 。方向上的屈光度为+ 1 0 0 d ，1 3 5 。 方向上的屈光度为一2 0 0 d ，则混合性散光的负柱镜十字坐标表示法，如图2 1 1 所示。将该混合性散光镜看为由一枚s + i 0 0 d 的球镜和一枚 c 一3 0 0 a x 4 5 。的单散柱镜叠加而成。该混合性散光镜的处方表达式为 s + 1 0 0 c 一3 o o a x 4 5 0 。 一2 0 0 = + 1 拶+ 3 拶。 图2 1l 混合性散光的负柱镜十字坐标表示法 混合性散光的正柱镜十字坐标表示法，如图2 1 2 所示。将上述同一混合性 散光镜看为由一枚s 一2 0 0 d 的球镜和一枚c + 3 0 0 a x l 3 5 。的单散柱镜叠加而成， 则该混合性散光镜的处方表达式为s 一2 0 0 c + 3 ，0 0 a x l 3 5 ”。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 拶0 0 = 屯西0 0 + n 蘑0 0 图2 1 2 混合性散光的正柱镜十字坐标表示法 混合性散光还可以看为两个单散柱镜的叠加，如图2 1 3 所示。将该混合性 散光镜看为由一枚c 一2 0 0 a x 4 5 。的单散柱镜和一枚c + i 0 0 a x l 3 5 。的单散柱镜叠 加而成，其散光度为两屈光度值之差。该混合性散光镜的处方表达式为 c 一2 0 0 a x 4 5 。+ 1 0 0 a x l 3 5 。因此可见，混合性散光也有三种处方表示方法。 - 2 1 0 0 = 。2 秽。+ a 冷0 0 图2 1 3 混合性散光的单散柱镜十字坐标表示法 虽然，散光有多种处方表示方法，但是在正式应用的场合，通常仅使用负 柱镜表示法。 2 2 扫描后镜片轮廓的数学建模 1 ) t a b o 坐标系 目前在眼镜行业中使用最普遍的轴位标记法为t a b o 法。它规定，0 。起于每 眼的左侧，即右眼为鼻i f , 0 ，左眼为颞侧，按逆时针旋转1 8 0 。终于右侧，如图2 1 4 所示。 2 7 0 ” o i 划2 1 4t a b ( ) 坐标系 1 8 0 。 镜片磨边系统中机械设计及数控软件的开发 2 ) 脉冲方波计数值 所谓脉冲方波即指在每隔一定的旋转角度时，由扫描机上的旋转式编码器 根据镜片轮廓的变化返回非固定频率的脉冲方波信号。再将这些方波信号传入 计数器中进行计数，即可得出在每次采样时脉冲方波计数的代数值，如图2 1 5 所示。图中，n 为脉冲方波的个数；凡为第m 次采样时，脉冲方波的计数值； “+ ”为镜片轮廓采样值比基准值大；“一”为镜片轮廓采样值比基准值小。 f 庐( + 一) n 图21 5 脉冲方波信号 3 ) 扫描镜片轮廓的数学建模公式 根据扫描机返回的脉冲方波计数值的不同类型，扫描镜片轮廓的数学建模 公式有两种 ( 1 ) 累变递推法的极径建模公式 第一次采样时的极径为：l 1 = a s f 。 第二次采样时的极径为：l 2 屯l + a s f 2 第i 次采样时的极径为：l 3 屯2 + a s 凡 第m 次采样时的极径为：l m 屯+ a s f m 式中：上1 、上2 、如、l 和分别为第1 、2 、3 、m 一1 和m 次采样的极径值；s 为单位脉冲方波信号对应的实际移动量；，i 、r 、凡和氏分别为第1 、2 、3 和 m 次采样时的脉冲方波计数值。由累变递推建模方法得出的几何轮廓，如图2 1 6 所示。 幽2 1 6 累变递推建模方法f 的儿何轮廓图 1 8 0 。 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 2 ) 基圆法极径建模公式 第一次采样时的极径为：l i = a s f l 第二次采样时的极径为：l 2 吐1 + a s f 2 第三次采样时的极径为：l 3 屯1 + a s f 3 第m 次采样时的极径为：l m 屯1 + a s f m 式中：l l 、2 、如和上m 分别为第1 、2 、3 和m 次采样的极径值；a s 为单位脉 冲方波信号对应的实际移动量；f l 、r 、f 3 和r d 分别为第l ，2 ，3 以及m 次 采样时的脉冲方波计数值。由基圆建模方法得出的几何轮廓，如图2 1 7 所示。 2 7 0 。 ， 五药曩、 ：二少 图2 1 7 基圆建模方法下的几何轮廓图 2 3 自动加工时镜片轮廓的数学建模 1 8 0 。 自动加工中的镜片轮廓数学模型是通过扫描镜片轮廓数学模型的坐标变 换，再经建立新的加工基准而完成。 1 ) 自动加工中的镜片加工基准 为了满足配镜者常用视线与镜片光轴相平行或一致的光学要求，以配镜者瞳 孔在镜片中的位置处于镜片光学中心上，为镜片自动加工时的基准。 2 ) 坐标变换 ( 1 ) 将t a b o 法表示的极坐标转换为常规的数学极坐标表示形式。转换原 则为：原t a b o 坐标系下，在o ”1 8 0 。闭区间内的角度均加上1 8 0 “；原t a b o 坐标系下，在1 8 0 。3 6 0 1 闭区间内的角度均减去1 8 0 。因此，转换后的极坐标， 如图2 1 8 所示。 镜片磨边系统中机械设计及数控软件的开发 1 8 0 。 9 0 。 图2 1 8 常规的数学极坐标 ( 2 ) 在坐标原点保持一致的前提下，把数学极坐标转换为直角坐标表示。 转换后的几何轮廓，如图2 1 9 所示。图中直角坐标下x 、 ，坐标值与常规极坐 标下的极径值的转换公式如下： y ，一 i i m = 2 7 6 5 ，即最 南京航空航天大学硕士学位论文 终输出转矩大于最大磨削力矩。 2 ) 夹片旋转系统的传动轴校核 原有结构采用的传动轴中直径最小为8 m m 。由于传动齿轮的大径受到已有 结构尺寸的限制，所以新设计的轴中最小直径为6 r r m a ，故要对其进行剪应力校 核。根据剪应力计算公式得出： f 。、= 。1 0 3 ) z 4 = ( 2 7 6 5 1 0 3 ) k 63 1 6 ) = 6 5 1 9 ( m p a ) 4 5 钢调质后的许用剪应力f + = 1 5 5 ( m p a ) ，所以可见，f 。 r 。 重新设计的磨边机夹片旋转系统实样，如图3 1 6 所示。 图3 1 6 重新设计的磨边机夹片旋转系统实样图 对磨边机的两个关键部件重新设计后，使得原先仅能作为顺序控制的机械 结构变为可以进行开环点对点式数字控制的执行机构，并且在多次加工实验中， 重新设计的游标头和夹片旋转系统均能较好地完成镜片自动加工的任务。 镜片磨边系统中机械设计及数控软件的开发 第四章上位p c 机的程序设计 4 1 软件整体功能分析 上位p c 机软件设计的目的就是实现对整个镜片加工控制系统的人性化操 作。根据用户操作要求，将系统分为出厂设置、主要部件白检、靠模加工、自 动加工和系统校正，5 个功能模块。 1 ) 出厂设置模块 出厂设景模块的目的是实现系统的初始化。它记录着系统最基本的参数， 是系统工作的基础。因此，它的修改只能由厂方进行。 2 ) 主要部件自检模块 主要部件自检模块的功能是为了在整体系统工作前，对磨边机的夹片旋转 轴、升降游标头以及主砂轮和冷却水阀的工作状态进行自我检查，以确保正式 加工时这些部件不会出现机械故障。当某一部件在自检时出现故障，系统会发 出相应的警告，并立即停止当前的自检且同时自动发送切断总电源的指令，以 便工作人员可以快速安全地更换损坏的部件。 3 ) 靠模加工模块 靠模加工模块是为了当扫描机工作失效并且系统中没有存储所需加工的镜 片轮廓时，可以使用传统的靠模镜片加工方式加工出所需镜片，以满足暂时的 营业要求。 4 ) 自动加工模块 自动加工模块是系统的核心模块。它是由扫描镜片参数自动加工模块和本 机存储镜片参数自动加工模块两部分组合而成的。扫描镜片参数自动加工模块 是实现由扫描机获得镜片轮廓参数，然后经程序计算后，传递给自动加工系统 的组合模块；本机存储镜片参数自动加工模块是由已经扫描过并且存储在本机 系统上的镜片轮廓，再经过参数化程序计算后，传递给自动加工系统的组合模 块。 南京航空航天大学硕士学位论文 5 ) 系统校正模块 系统校正模块的功能是校正系统的参数。当完成一定次数的加工后，磨边 机的机械系统由于零部件的磨损或碰撞，导致系统的精度和初始化参数发生变 化，从而影响镜片加工的整体质量。校正系统利用一对标准化的金属模板对系 统进行必要参数的校正，从而提高整体系统的加工寿命，同时保证镜片m i 的 精度。 4 2 功能模块设计 在上位p c 机的程序开发中，使用的是微软公司的v i s u a lb a s i c n e t 语言。 v i s u a lb a s i c n e t “j 是v i s u a ls t u d i o n e t 家族的一个成员。n e t 框架是由通 用语言运行库( c o m m o nl a n g u a g er u n t i m e ) 、统一编程类和a s r n e t ( a c t i v e s e r v e rp a g e s n e t ) 组成的，它主要用于开发企业规模的w e b 应用程序，以及高 性能的桌面应用程序。v i s u a ls t u d i o n e t 为v i s u a lb a s i c n e t 提供了优秀的集成开 发环境( i d e ， i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) ，其中集成了许多可视化 辅助工具，这些工具不仅简化了程序开发的难度，而且提高了编程的效率。此 外，v i s u a lb a s i c n e t 属于w i n d o w sx p 风格。因此，其图形界面给人以强大的视 觉冲击力。 1 ) 初始界面设计 初始界面是整个系统工作时出现的首个界面，它不仅要求具有强烈的视觉 效果，而且应该具备简单、清晰、方便的操作形式。系统运行时的初始界面， 如图4 1 所示。初始界面使用m d i 设计风格，并采用了菜单操作形式，摆脱了 传统复杂的主界面形式，其中只有5 项选择操作，即进入系统、退出系统、出 厂设置、通讯测试和关于系统的说明。在完成通讯测试后，系统将激活“进入 系统”和“出厂设置”菜单。 镜片磨边系统中机械设计及数控软件的开发 图41 系统初始界面 2 ) 启动选择模块设计 当点击“进入系统”菜单后，系统直接进入启动选择模块界面，如图4 2 所示。 图4 2 启动选择界面 启动选择界面设计的目的是为了让使用者对系统的主要机械部件进行正式 南京航空航天大学硕士学位论文 工作前的状态检查。图4 2 中，当选择“自检启动”按钮后，系统将进入主要 机械部件的自检模块并通过信息形式告知系统主要机械部件自检的状况，如图 4 3 所示；当选择“非自检启动”时，系统将直接进入加工类型选择模块，以便 使用者选择系统中的镜片加工方式，如图4 4 所示；当选择“返回上级”按钮 后，系统将退回到原先的初始界面。 图4 3 系统自检界面 图44 加i 类型选择界面 镜片磨边系统中机械设计及数控软件的开发 图4 3 中，当点击“开始自检”按钮后，系统将发出自检控制指令让系统 的主要机械部件进行工作，当自检进行时，与机械部件相对应的红色模块将变 为绿色，着自检成功，该模块将以蓝色基调显现；如果在自检过程中，机械部 件工作异常，则必须快速点击“自检未通过”按钮，此时系统将彻底切断电源， 以便对该机械部件进行更换。当成功通过各主要机械部件的自检后，“白检通过” 按钮和“返回上级”按钮将被激活，点击“自检通过”按钮则进入图4 4 所示 的加工类型选择模块，相反当选择“返回上级”按钮后，系统将回到图4 2 的 启动选择界面。 加工类型选择模块包括了系统的3 个最主要模块，即靠模加工模块、自动 加工模块和系统校正模块。当点击不同功能的模块按钮后，系统将直接进入相 应的加工、校正模块。 3 ) 靠模加工模块 当点击“欢迎进入靠模磨边系统”按钮后，系统将进入靠模加工模块，如 图4 5 所示。 图4 5 靠模加工操作界面 图4 5 靠模加工模块实现靠模镜片加工的功能。在选择镜片装夹压力档后， 点击“夹紧镜片”按钮，完成对不同厚度镜片的装夹。成功装夹后，通过镜片 类型和加工形式的选择，组合出6 种不同的加工形式。当确定所需加：f ：的镜片 南京航空航天大学硕士学位论文 材料和加工类型后，点击“启动”按钮，系统将自动加工出与模板形状一致的 镜片。如果加工完成后，镜片轮廓的大小还没有达到所要求的尺寸时，可以通 过点击尺寸调整按钮，改变镜片轮廓的加工尺寸。当加工尺寸重新设置后，点 击“重修”按钮对镜片进行再次加工，以便最终得到合格的镜片。 4 ) 自动加工模块 自动加工模块与靠模加工模块不同，它是由两个可选模块组成的，即扫描 镜片参数自动加工模块和本机存储镜片参数自动加工模块。当点击“欢迎进入 自动磨边系统”按钮后，系统将进入自动加工模块的选择界面，如图4 6 所示。 图4 6 自动加工模块选择界面 ( 1 ) 扫描镜片参数自动加工模块 当点击图4 6 中的“扫描镜片参数自动加工系统”按钮后，系统将进入扫 描镜片参数自动加工模块，如图4 7 所示。该图为扫描处理界面，其主要功能 是发送扫描指令后，获取扫描镜片轮廓参数，并形成镜片轮廓图形；然后再通 过医学测定的瞳距、瞳高值以及已知的鼻梁距来调整镜片的光学中心，从而得 出镜片加工参数。完成上述操作后，通过该界面的“轮廓参数存储”按钮还可 以进行扫描镜片轮廓参数的存储。在存储参数的设计中没有使用数据库存储形 式，而是采用文件目录存储形式，界面如图4 8 所示。 镜片蘑边系统中机械设计及数控软件的开发 图4 7 扫描镜片参数自动加上= 模块中的扫描处理界面 图4 8 轮廓参数存储界面 存储完成后，系统将自动回到图4 7 所示的扫描处理界面。如果确定对本 次扫描进行加工，则可以点击“进入加工”按钮，进入自动加工界面，如图4 9 所示。否则，可以点击“返回上级”按钮，放弃本次扫描的结果。 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 9 自动加工界面 ( 2 ) 本机存储镜片参数自动加工模块 当点击图4 6 中的“本机存储镜片参数自动加工系统”按钮后，系统将进 入本机存储镜片参数自动加工模块，如图4 1 0 所示。 图4 1 0 本机存储镜片参数自动加工模块中的镜片轮廓参数选择界面 镜片磨边系统中机械设计及数控软件的开发 本机存储镜片参数自动加工模块的功能与扫描镜片参数自动加工模块的功 能仅有一点不同，即前者通过己存储的文件获得镜片轮廓参数，而后者通过扫 描获得。当确定镜片轮廓参数文件后，通过调整瞳距、瞳高值以及已知的鼻梁 距，再经过数学模型计算，最终可得出镜片加工参数。完成一切操作后，点击 “进入加工”按钮，则进入如上图4 9 所示的自动加工界面。 图4 9 中，右眼是默认的首选加工，如果要改变左、右眼的加工选择，则 可以通过点击“选择左、右眼加工”按钮完成。选定左眼或右眼加工后，根据 镜片类型，选择装夹压力档，完成镜片的装夹。最后，在确定镜片材料类型和 加工类型后，点击自动加工模块中的“启动”按钮，完成镜片的自动加工。加 工完成后，如果发现镜片轮廓尺寸仍未满足要求，还可以通过点击“重修”按 钮进行修正，以获得合格的镜片。 5 ) 校正模块 当经过一定次数的加工后，系统的某些部件会出现磨损和间隙，从而影响 系统的整体加工质量。此时，点击图4 4 中的“欢迎进入系统校正模块”按钮 后，则可以进入系统校正模块对系统参数进行修正，图4 1l 为系统校正界面。 图4 1 i 系统校正界面 图4 1 1 中，点击“进入系统调整模块”按钮后，首先激活c r - - 3 9 的校正 框，对树脂镜片粗磨加工位置进行调整，其次进入玻璃镜片粗磨加工位置的调 南京航空航天大学硕士学位论文 整，并依次再对v 形轮和抛光轮进行加工位置的参数调整。所有调整结束后 系统会自动记录调整后的参数并且保持记忆。 4 3 密码锁界面设计 为了实现出厂设置模块只有生产厂家能够进行调整的目的，在进入该模块 前，设计了一个密码锁界面。 密码锁采用6 位密码编制体系，实现嵌套式循环功能。当开始使用时，必 须更新密码，然后利用新密码进入出厂设置模块。如果用户在密码更新的过程 中放弃更新，则可以重新进入密码输入；如果在输入过程中放弃输入，系统也 可以再次进行密码更新。密码锁逻辑关系图，如图4 1 2 所示；其界面，如图4 1 3 所示。 幽4 1 2 密码锁逻辑关系图 镜片磨边系统中机械设计及数控软件的开发 图4 1 3 密码锁功能界面 4 4 出厂参数的设置方法 出厂参数是镜片磨边系统的初始参数。如果没有出厂参数，系统将无法进 入各个功能界面，即无法正常工作。设置出厂参数的界面，如图4 1 4 所示。图 中有4 块基本参数需要进行设置，即扫描机系统的初始化、磨边机加工中横向移 动位置的初始化、游标头保护值的初始化和校正系统的初始化。 4 4 1 出厂参数的设置方法一 出厂参数的第一种设置方法就是对每一个参数都进行精确的测量，然后再 填入相应的表格中，完成参数的设置。这种方法虽然思路简单，但是对测量的 工作量而言却是极其繁重，不适用于大批量的生产。 4 4 2 出厂参数的设置方法二 在第二种方法中，首先对扫描机系统初始化、游标头保护值和校正系统初 始化中的8 个基本参数进行测量并填入相应的表格。对磨边机横向移动位置初始 化中的1 1 个基本参数可以随意填写。完成全部参数的填写后，保存并退出出厂 设置模块然后打，r 系统校f 模块，利用该模块中的参数计算功能，射出厂参 南京航空航天大学硕士学位论文 数进行进一步的校正，从而完成系统的参数设置。这种方法的测量工作量比起 第一种方法来减少了很多，适合于大批量生产。 4 5 图像处理的方法 图4 1 4 出厂参数设置界面 在设计中，为了让用户对扫描后和加工时的镜片轮廓以及在医学参数调整 时，瞳距、瞳高在镜片中的相对位置产生直观的认识，所以对这些复杂参数均 采用图像化的表示方法。 4 5 1 图像处理工具 在v i s u a lb a s i c n e t 中，图形图像的处理叫是依靠n e t 框架中提供的g d i + 类库实现的。g d i 是g r a p h i c sd e s i g ni n t e r f a c e 的缩写，它是w i n d o w s 的图像引擎， 显示图像和文字的所有程序都必须和它打交道。g d i + 是g d i 的最新版本，它包 括一系列处理图像和文字的类。 45 2 图像处理的实现方法 在图像处理的设计中，最主要的任务是将文件记录的镜片轮廓参数用直观 的图像在确定的区域中显示出来，并且不因界面的缩放而消逝。 镜片磨边系统中机械设计及数控软件的开发 一般在界面、控件上画出的图像，当界面或控件缩放后，原先的图像将消 逝，其原因是因为图像绘制方法不能与图像控件进行同步刷新。如果把画图程 序放入o n p a i n t 方法中，则可以解决上述问题，但同时也会出现另一个问题，即 反应慢影响整体程序的使用效果，因为o n p a i n t 方法会记录程序中用户的所有操 作，并当界面或控件刷新时，把这些操作一一重现。因此，在快速反应的出图 程序中，o