Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные методы расчета светораспределения освети тельных приборов 11
1.1 Лучевой метод 11
1.2 Метод элементарных отображений 16
1.3 Метод коэффициента использования 20
1.4 Метод излучательности 21
1.5 Метод синтеза реалистичных изображений 24
1.6 Выводы и результаты 26
Глава 2. Построение триангуляционной модели осветительных при боров 28
2.1 Моделирование оптической системы 28
2.2 Способы построения триангуляционной модели 33
2.3 Компьютерное моделирование распространения света в оптической системе 47
2.4 Разработка комплекса расчета светотехнических характеристик 64
2.5 Выводы и результаты 67
Глава 3. Применение триангуляционной модели для расчета освети тельных приборов 69
3.1 Расчет осветительного прибора на основе виртуальной модели 69
3.1.1 Расчет светильника НСП 17 70
3.1.2 Расчет светильника ПВЛМП 78
3.1.3 Расчет светильника ГСП 17 81
3.2 Контроль формы отражателя по цифровой модели кривой светораспределения 83
3.3 Применение триангуляционной модели для тепловых расчетов осветительных приборов 86
3.4. Выводы и результаты 91
Заключение 92
Список использованной литературы 94
Приложения 102
- Метод коэффициента использования
- Компьютерное моделирование распространения света в оптической системе
- Разработка комплекса расчета светотехнических характеристик
- Контроль формы отражателя по цифровой модели кривой светораспределения
Введение к работе
Актуальность темы. Осветительные приборы, служащие для эффективного перераспределения светового потока источника излучения, являются неотъемлемой частью любой осветительной установки наружного, внутреннего освещения, световой сигнализации и т.д.
Создание энергосберегающих осветительных установок представляет собой одну из важнейших проблем техники освещения, решение которой возможно путем создания эффективных осветительных приборов с высоким КПД, позволяющим значительно снизить затраты потребляемой электроэнергии. В связи с этим проектирование осветительных приборов является актуальной задачей современного производства светотехнических изделий.
Одной из основных составляющих проектирования осветительных приборов является светотехнический расчет, позволяющий определить параметры оптической системы. Обязательным этапом процесса проектирования являются предварительные расчеты светораспределения оптической системы, с возможностью изменения ее оптико-геометрических характеристик с целью повышения эффективности светоизлучающей системы.
При светотехническом расчете осветительного прибора часто приходится решать задачи отражения, рассеивания, поглощения и др. явлений, связанных с преобразованием оптического излучения от поверхностей, созданных из материалов по новейшим технологиям.
Расчет осветительных приборов (ОП) невозможен без использования законов распространения оптического излучения. Для удобного восприятия полученных данных необходимо визуальное представление светотехнического расчета (трассировка лучей, выходные данные освещенности, распределение яркости, кривая силы света и т.д.).
В настоящее время существует достаточное количество прикладного программного обеспечения, основанного на различных методах расчета осветительных приборов.
Эффективным средством повышения скорости проектирования осветительных приборов является применение метода триангуляции, основанного на аппроксимации поверхности осветительного прибора сеткой треугольников.
Метод триангуляции объекта применяется также для визуального восприятия презентации виртуальных макетов автомобилей, зданий и др. объектов. При производстве современных оптических систем проектирование ее оптико-геометрических характеристик (форма отражателя, тип источника излучения и т.д.) и последующее проведение расчета осветительного прибора будет наименее затратным, чем изготовление макетных образцов.
Для моделирования распространения оптического излучения в пространстве в работе используются классические законы оптики. Одним из наиболее эффективных методов лучевого моделирования, позволяющим выполнять светотехнический расчет осветительных приборов, является трассировка лучей методом Монте-Карло (метод статистических испытаний для решения различных задач при помощи моделирования случайных событий). Данный метод позволяет с высокой степенью точности рассчитать распространение светового потока в оптической системе, статистически реализуя законы преобразования оптического излучения (отражение лучей, рассеивание, диффузия, пропускание и т.д.).
Анализ рассчитанных данных по освещенности расчетной плоскости позволяет определить влияние различных участков поверхности отражателя на конечный результат.
Актуальность темы настоящей работы заключается в применении метода триангуляции в процессе компьютерного моделирования и проектирования осветительных приборов. В данной диссертационной работе рассматривается технология применения триангуляционной модели осветительного прибора для решения прямой задачи светотехнического расчета.
Целью работы является разработка технологии, обеспечивающей экспортирование 3D объекта из машиностроительной САПР Компас в триангуляционную сеть заданной точности, с последующим моделированием распространения света, которая бы позволяла корректным образом вычислять уровни освещенности на расчетной плоскости, создаваемые осветительным прибором.
Задачи диссертационной работы
Исследовать современные методы расчета осветительных приборов, выявить достоинства и недостатки данных методов.
Разработать технологию расчета осветительного прибора на основе триангуляционной модели ОП.
Разработать прикладную библиотеку, моделирующую триангуляционную сеть заданной точности на основе виртуальной модели, построенной в САПР Компас.
Разработать программный продукт, корректно моделирующий и анализирующий светораспределение в оптической системе и выдающий данные в графическом и табличном представлении.
Исследовать возможность применения триангуляционной модели для решения обратной задачи светотехнического расчета.
Научная новизна полученных результатов
Разработана эффективная технология триангуляции светового прибора, спроектированного в машиностроительной САПР Компас с последующим моделированием распространения света, позволяющая рассчитывать и анализировать светораспределение осветительного прибора и плотность светового потока по освещаемой поверхности.
За основу разработки триангуляционной модели был взят метод триангуляции Делоне. Предложено использование алгоритма динамического кэширования, как наиболее быстрого способа
построения триангуляционной сетки объекта. Погрешность замены осветительного прибора сеткой треугольников составляет менее 0.02 %, что является допустимой погрешностью для дальнейшего анализа.
В основе моделирования распространения света лежит трассировка лучей с использованием методов Монте-Карло. Достоверность результатов обеспечивается использованием алгоритмов, основанных на физических законах распространения света и строгих математических выводах и обоснованиях.
Разработаны принципы построения программного продукта «Triasver», базовой уровень графической визуализации, основанной на графической библиотеке OPEN GL, являющейся базовой для 3D САПР.
Разработаны алгоритмы и программные средства моделирования осветительных приборов. Предложен оригинальный подход выделения оптических элементов в виртуальной модели осветительного прибора, позволяющий более эффективно и быстро решать задачи проектирования.
Разработан алгоритм автоматизированного контроля качества поверхности штампованного отражателя позволяющий производить регулярный контроль устойчивости пресс-формы без использования механических шаблонов.
Практическая значимость работы
На основе концепций, методов и алгоритмов, предложенных в диссертационной работе, был разработан ряд программных продуктов, которые могут быть использованы для расчета светотехнических характеристик осветительного прибора на этапе конструкторской проработки. Среди них:
1. Модуль для моделирования оптических характеристик
конструкционных и светотехнических материалов, применяемых при
изготовлении осветительных приборов.
2. Модуль триангуляционного моделирования активных поверхностей
осветительного прибора с заданной точностью и сохранения его
результатов в соответствующий формат данных для анализа
светораспределения.
Модуль расчета светораспределения проектируемого осветительного прибора.
Модуль для построения кривой силы света в САПР Компас.
Модуль для построения в OPEN GL освещенности рабочей плоскости, создаваемой осветительным прибором.
Модуль для контроля качества поверхности штампованного отражателя позволяющий автоматизировано проводить контроль устойчивости пресс-формы.
Проведенные экспериментальные сравнения результатов расчета оптических характеристик, с результатами измерений аналогичных характеристик на реальных объектах продемонстрировали хорошую сходимость модели.
Основные научные положения выносимые на защиту
Методы построения триангуляционных моделей ОП.
Универсальный метод расчета осветительного прибора с произвольной формой отражателя с помощью триангуляционной модели.
Алгоритм построения автоматизированного контроля качества поверхности штампованного отражателя.
Достоверность результатов использования созданной технологии расчета при проектировании осветительных приборов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на ряде профильных научных конференциях: Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики» (г. Саранск, 2007 г.);
Конференция молодых ученых (г. Саранск, 2008 г.); Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики» (г. Саранск, 2008 г., 2009 г.); Научная сессия «Огаревские чтения»; Открытый конкурс №2008-Н-074 «Выполнение научно-исследовательских и опытно конструкторских работ по приоритетным направлениям развития науки и техники с участием победителей программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (УМНИК-08-11), Москва - 2008 г., государственный контракт №5474р/7987 от 15.12.07, Регистр. №0120.0 804130.
Личный вклад. Основные теоретические положения диссертационной работы разработаны совместно с профессором Абрамовой Л.В. Конкретные расчеты, алгоритмические решения, моделирование и анализ результатов проведены автором самостоятельно. Ряд результатов, вошедших в диссертацию, получены в соавторстве с Ивлиевым С.Н., которому автор благодарен за плодотворное сотрудничество.
Публикации. По результатам исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, опубликовано 11 работ, из них 1 - статья в рецензируемом журнале, входящем в список изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения. Общий объём диссертации 120 стр. Список использованной литературы содержит 78 наименований (включая 11 работ автора по теме диссертации, опубликованных к моменту оформления работы).
Метод коэффициента использования
При проектировании ОП необходимо выбрать систему освещения и тип источника света, установить тип светильников, произвести размещение светильников, уточнить количество светильников. При расчете следует учитывать, что освещенность любой точки внутри помещения имеет две составляющие: прямую, создаваемую непосредственно ОП , и отраженную, которая образуется отраженным от потолка и стен световым потоком.
Основной расчетной формулой метода коэффициента использования светового потока является: Основа практического применения метода коэффициента использования предназначена для расчета средней освещенности на РП в помещении.
Главные недостатки метода коэффициента использования светового потока являются следующие допущения: равномерное распределение светимости отражающих поверхностей; ламбертовский характер светимости отражающих поверхностей; усреднение коэффициентов отражения по отражающим поверхностям; нахождение параметра Г]оу, определяющего долю светового потока ОП, попавшую на РП как непосредственно, так и в результате многократных отражений в ОУ.
Метод коэффициента использования светового потока дан в работах [7,8,13,14]. Цель расчета данным методом заключается в определении количества светильников, необходимых для обеспечения нормируемой освещенности. Следует отметить, что данный метод трудоемок, поскольку требует громадного числа справочных данных, зависящих от типа применяемых светильников и их светотехнических характеристик. В современных условиях развитие компьютерной техники позволяет осуществить переход от технологии ручного расчета к компьютерному.
В работах [15,16,18-20] , был рассмотрен метод излучательности {Radi-ositi), в основе которого излучательности лежит закон сохранения энергии в замкнутой системе. Все объекты разбиваются на фрагменты и для этих фрагментов составляются уравнения баланса энергии.
Метод излучательности является эффективным средством расчета для работы с диффузными поверхностями, обеспечивая одновременно и высокую точность при работе с диффузными объектами, и отдельное вычисление глобальной освещенности независимо от положения наблюдателя.
Пусть все объекты являются чисто диффузными, т. е. отражают (рассеивают) свет равномерно по всем направлениям. Разобьем всю сцену на N фрагментов и пусть: коэффициент формы (доля энергии j-го фрагмента, попадающая на і-й фрагмент); Pi - коэффициент отражения і-го фрагмента [0,1]. Тогда уравнение баланса энергии имеет вид: Светимость М в каждой точке у сцены складывается из собственной светимости М[ в точке и отраженной излучательности от всех прочих точек сцены, умноженной на коэффициент отражения р: М(у) = Af/Cv) + РІУ) ! Р -М{х)0Ах (1.16) Функция F задается геометрией сцены и определяет долю энергии, переносимую с одной точки сцены на другую. где Гу — расстояние между элементарными площадками dAt и dAj; CLi и ctj — углы между нормалями к соответствующим элементарным площадкам и отрезком, соединяющим эти площадки; Dtj равно 1, если dAi "видит" dAj и 0 в противном случае.
Таким образом, функция М является решением интегрального уравнения. Его можно решать следующим образом. Сначала представить искомую функцию в виде разложения по некоторому базису в пространстве функций излучательности (т.е. в виде суммы ряда по соответствующим базисным функциям). Тогда задача, очевидно, сведется к решению системы из бесконечного числа линейных алгебраических уравнений. Если же рассмотреть проекцию пространства функций излучательности на некоторое конечномерное подпространство (метод конечных элементов), то проекция искомой функции в этом подпространстве будет представлена уже в виде конечной суммы. Это даст уже конечную систему уравнений. От выбора подпространства и базиса в нем будет, естественно, зависеть степень близости решения системы к реальной функции М [16].
Таким образом, в методе излучательности или численного решения глобального освещения, считая все поверхности диффузными и, заменяя интеграл конечной суммой, переходят к численным методам решения на основе метода конечных элементов.
Недостатком данного метода является невозможность расчета таких важных явлений геометрической оптики как зеркальное отражение, преломление, пропускание и др. 1.5 Метод синтеза реалистичных изображений
С развитием компьютерной техники при проектировании оптических систем модель распространения света постоянно совершенствовалась. В работах [21-25] был рассмотрен метод синтеза реалистичных изображений, основанный на физически аккуратном (корректном) моделировании распространения света. Синтез реалистичных изображений является эффективным средством повышения эффективности светоизлучающих систем.
Предварительные расчеты освещения и визуальная оценка архитектурных и дизайнерских решений являются обязательными этапами процесса проектирования и строительства зданий, жилых и офисных помещений, интерьеров автомобилей и самолетов. При этом контролируется эстетичность интерьеров и внешнего вида, рациональность, экономичность, соответствие стандартам систем освещения искусственным и солнечным светом.
Методы компьютерного физически аккуратного моделирования применяются также для визуализации и оценки различных промышленных изделий до запуска их в производство. Так при производстве современных автомобильных красок намного дешевле и эффективнее задать состав и свойства краски в цифровом виде и оценить, как она будет выглядеть при различных условиях освещения на виртуальной модели автомобиля, чем произвести такую краску и покрасить ею реальный автомобиль. Это относится не только к автомобилям, но и к широкому спектру других изделий, таких как телефонные трубки, портативные компьютеры, различная бытовая техника и др.
В данном методе моделирование происходит согласно физическим законам распространения света и взаимодействия его с другими объектами. На рисунке 1.6 представлена схема процесса физически аккуратного моделирования распространения света.
Компьютерное моделирование распространения света в оптической системе
Использование вычислительной техники для визуализации и анализа данных стало неотъемлемой частью технологического процесса. Анализ числовой информации присутствует во многих областях научной деятельности, это моделирование, обработка результатов экспериментов и т.д.
Возникает вопрос о создании программного продукта ориентированного на пользователя и, работающего под операционную систему WINDOWS, т.к. на сегодняшний день она является наиболее распространенной из существующих операционных систем. В качестве инструмента моделирования твердотельной конструкции осветительного прибора была выбрана САПР Компас 3D, разработанная Российской компанией Аскон, с которой Мордовским госуниверситетом заключен договор о ежегодном техническом обслуживании, указанного программного комплекса. Являясь отечественной разработкой, она построена на технологии СОМ, что упрощает интеграцию массивов данных в объектно-ориентированные среды. В качестве программного языка реализации данной методики использовался язык программирования Turbo Delphi, который с одной стороны обеспечивает высокую эффективность в вычислительных приложениях, а с другой стороны является объектно-ориентированной средой программирования. В работах [52-55] рассмотрены перспективы использования САПР Компас и языка Turbo Delphi для разработки и расчета осветительных приборов.
Разработанный мною программный продукт "TRIASVER", моделирующий распространения света, позволяет на основе алгоритмической базы и единого механизма триангуляции объекта вычислять и анализировать све-тораспределение оптической системы. Разработанные алгоритмические и программные средства разбиения сложных оптических систем нуждаются в доступном проектировщику интерфейсе программного продукта для простоты и удобства работы с данным приложением.
Особенностью программного продукта. TRIASVER заключается в том, что он состоит из 2-х основных частей (рисунок 2.15): 1. Экспорт виртуальной модели ОП из машиностроительной САПР, с последующей триангуляцией данной модели с заданной точностью (данный момент описан в предыдущей параграфе); 2. Моделирование распространения света в оптической системе с последующим анализом светораспределения и выдачей результата в необходимый или удобный формат пользователю (проектировщику). В процессе проектирования необходимо определится с требуемыми параметрами каждой части программного комплекса и соединить их в единое целое, тем самым получив эффективное средство анализа светотехнических характеристик. Таким образом, в качестве инструмента для создания виртуальной модели ОП будет использоваться САПР. На сегодняшний день практически все САПР имеют в своем арсенале инструменты для построения 3-х мерных деталей с установкой различного цвета моделируемого объекта. Интерфейс параметров цвета и визуальных свойств материала вызывается с помощью интерфейса kscolorparam. Любая грань имеет свои оптические свойства, а также цвет и тип материала, из которого создан объект исследования. Свойства интерфейса kscolorparam [56]: 1. Ambient (пс). Где nc - переменная, принадлежащая диапазону от [0..1]. Этот параметр характеризует общий свет отраженный и рассеиваемый другими объектами. 2. Color (пс). Где пс - переменная типа LONG (целочисленная). 3. Diffuse (пс). Где пс - переменная, принадлежащая диапазону от [0..1]. Этот параметр характеризует степень рассеивания света поверхно-стью(при этом считается, что свет рассеивается равномерно во всех направлениях). Диффузный компонент - это свет, идущий из одного направления, таким образом, он выглядит ярче, если падает на поверхность под прямым углом, и выглядит тусклым, если касается ее всего лишь вскользь. Однако, когда он падает на поверхность, он распределяется одинаково во всех направлениях, то есть его яркость одинакова вне зависимости от того, с какой стороны вы смотрите на поверхность. Вероятно, любой свет, исходящий из определенного направления или позиции, имеет диффузный компонент. 4. Emission (пс). Где пс - переменная, принадлежащая диапазону от [0..1]. Этот параметр характеризует способность поверхности излучать свет. 5. Shininess (пс). Где пс - переменная, принадлежащая диапазону от [0..1]. Этот параметр характеризует блеск поверхности, остроту бликов на ней. Чем меньше значение параметра пс, тем более матовая поверхность. Чем больше значение параметра пс, тем более блестящая глянцевая поверхность. 6. Specularity (nc). Где nc - переменная, принадлежащая диапазону от [0..1]. Этот параметр характеризует способность поверхности воспроизводить отражение яркого света. Чем меньше значение параметра пс, тем более тусклой выглядит поверхность. Чем больше значение параметра пс, тем более зеркальная поверхность. 7. Transparency (пс). Где пс - переменная, принадлежащая диапазону от [0..1]. Этот параметр характеризует способность пропускать падающий на поверхность свет. Если значение пс = 1, то поверхность совершенно не прозрачная. Если значение пс = 0, то поверхность полностью прозрачная. Если пс принадлежащая диапазону от (О.Л), то поверхность является полупрозрачной в зависимости от значения пс. Чем ближе значение к нулю, тем поверхность более прозрачная. Таким образом, интерфейс kscolorparam поддерживает 7 функций достаточных для полноценного исследования и построения светораспределения с данными оптическими характеристиками. Рассмотрим влияние некоторые характеристик конечный результат светораспределения.
Допустим в свойстве грани установлено значение прозрачность = 0%, или равно 0. Таким образом, грань не является прозрачной и она не пропускает световое излучение. Если в свойстве грани (рис. 2.16) установлено значение прозрачность = 100%, или равно 1. Таким образом, грань является прозрачной, и она пропускает световое излучение. Слева представлена грань, у которой коэффициент прозрачности равен 0, справа - 1.
Разработка комплекса расчета светотехнических характеристик
Использование средств вычислительной техники для расчета и анализа данных является мощным элементом процесса проектирования и внедрения производства осветительных приборов. На сегодняшний день практически во всех отраслях науки есть тот или иной анализ поступаемых данных. С появление новейших технологий использование методик, внедрение которых 20-30 лет было не возможно, сегодня становится реальностью. Тем не менее, практически все программные продукты, которые выполняют расчет светотехнических характеристик, должны иметь ряд необходимых инструментов для анализа получаемых данных. В приложении Г представлена блок схема работы программного продукта расчета и анализа светораспределения. Рассмотрим основные части комплекса расчета ОП: 1. Чтение входных данных; 2. Обработка и анализ входных данных; 3. Просмотр полученных данных; 4. Экспорт полученных данных.
В работе дается описание каждого из перечисленных пунктов и проанализировано меню программного продукта в удобном для проектировщика ОП виде
Чтение входных данных является первым звеном расчета ОП. Как правило, входные данные находятся в специальном зашифрованном файле с различным расширением. Структура данного файла может быть различной. В настоящее время наиболее распространенным международным форматом полного описания источника света является формат «IESNA.-LM-63-1995», принятый международной организацией IESNA (The Illuminating Engineering Society of North America) [67,68] в 1995 г. В нашем случае в структуру входит совокупность координат вершин треугольников с указанием его оптических характеристик и номера, который ему присвоен при триангуляции ОП. Таким образом, данная совокупность образует массив данных. Данный массив загружается в память программы, что существенно увеличивает скорость анализа и обработки данных. Так же предусмотрен случай экспортирования триангуляционной сетки из САПР в наиболее популярные форматы данных.
Обработка и анализ входных данных является наиболее длительным по времени выполнения этапом расчета ОП. Он является связующим звеном между всеми основными частями расчета ОП. Обработка будет осуществляться трассировкой и согласно физическим законам преобразования света описанным выше. Основное требование к данному этапу это наличие индикатора выполнения программы и наличие возможности в любой момент либо приостановить вычисления, либо остановить их полностью. К примеру, если проектировщик задал изначально неверно параметры, то ему не важен результат проводимого исследования. С точки зрения читабельности и простоты восприятия программного продукта целесообразно знать на каком этапе выполнения процедуры трассировки находится обработка данных. Основными свойствами индикатора, которыми мы будем пользоваться являются: Min - минимальное числовое значение, с которого шкала начнет работать; Мах - максимальное числовое значение, на котором шкала дойдет до конца; Value - текущее числовое значение шкалы кроме того можно использовать.
Индикатор выполнения программы имеет смысл использовать только в циклах. Начальное значение MIN изначально равно 0, т.к. программа пока не запущена в процесс. Перед запуском основной программы вычисляется точное значение выполняемых процессов. Оно может быть от 1 до нескольких сотен миллионов операций. Это значение определяется как МАХ. Чем больше количество треугольников, на которые разбита оптическая система, тем больше операций необходимо выполнить процедуре трассировки, меняющей счетчик номера треугольника источника света.
При выполнении одной цикловой операции процедуры трассировки шкала изменит свое значение на 1. На рисунке 2.27 представлено визуальное представление работы индикатора. После того как процедура закончит свое выполнение и передаст работу экспорта полученных данных индикатор выполнения полностью будет закрашен в синий оттенок и выведется сообщение о прекращении трассировки лучей в оптической системе. После этого пользователь может перейти к следующему этапу (просмотру полученных данных). Просмотр полученных данных. Наличие у программного продукта средств вывода обработанной информации является обязательным. При проектировании ОП, а затем расчете будет намного удобнее просмотреть результат в виде таблицы, изолюкс, трехмерных сцен и т.д. Данный программный продукт обладает средством вывода, как самой оптической системы, так и результатов обработки в графической библиотеке OPEN GL, являющейся базовой для компьютерного проектирования.
Экспорт полученных данных. Экспорт данных в MS EXCEL или MS WORD позволит пользователю использовать полученные результаты для анализа. Полученные данные могут переноситься в другие подразделения, например, с целью использования для корректировки формы отражателя. В результате выполнения расчета, строится гистограмма изолюкс, т.е. пользователь получает наглядное представление о полученных результатах.
К тому же, более мощный табличный процессор MS EXCEL позволяет строить различные виды гистограмм и графиков на основе полученных результатов. Принцип работы основан на том, что после расчета светораспреде-ления оптической системы, данные, записанные в некий массив данных, экспортируются в созданный самой программой новый документ MS EXCEL данные. Создание документы MS EXCEL происходит, разумеется, при наличии MS OFFICE на компьютере. Если такового нет, то программа напишет ошибку экспорта данных. Каждая ячейка массива - это ячейка листа MS EXCEL. По массиву данных, полученных в результате выполнения программы, строится гистограмма изолюкс, т.е. пользователь получает наглядное представление о полученных результатах.
Контроль формы отражателя по цифровой модели кривой светораспределения
Одной из наиболее сложных проблем производства световых приборов является контроль качества пресс-форм, используемых для изготовления светоперераспределяющих элементов. Как известно, матрицы и пуансоны, применяемые для изготовления элементов световых приборов со временем изнашиваются, что в конечном итоге приводит к отклонению формы светоперераспределяющих элементов от расчетной. Контроль формы таких элементов на рабочем месте затруднителен, т.к. требует наличия специальных шаблонов. В предлагаемой работе указанную проблему предлагается решить посредством сравнения расчетной и измеренной кривой светораспределения и последующей локализацией отклонения формы от триангуляционной модели.
Основным показателем качества любой светоперераспределяющей системы, и отражателей в частности, является соответствие результирующей кривой светораспределения заданной, в пределах производственной точности. При проектировании оптических систем иногда необходимо владеть информацией о влиянии той или иной части триангуляционной сетки на конечный результат светораспределения или влияния на ту или иную част оптической системы. Например, при моделировании распространения света необходимо знать какая часть светового потока светильника преобразуется в заданную часть расчетной плоскости или определить влияние той или иной зоны отражателя на конечные светотехнические характеристики.
В процессе проектирования отражателя методом триангуляции в системе накапливается и сохраняется информация обо всех конечных элементах поверхности светового прибора и всех конусах лучей, участвующих в формировании кривой светораспределения. При этом конусы лучей в математической модели представляют собой объекты, имеющие следующие атрибуты (свойства) - номера конечного элемента источника и приемника; порядок луча (0-лучи от источника излучения, 1-первично отраженный и т.д.); величина яркости. Указанная информация с успехом может быть использована для определения связи между конечными элементами поверхности и участками кривой светораспределения.
На рисунке 3.15 представлены кривые светораспределения: измеренная и расчетная. В интервале углов 20 - 40 видно значительное отклонение расчетного от контрольного светораспределения. Далее необходимо проанализировать какие части оптической системы участвовали в формировании указанного участка кривой светораспределения. При трассировке луча все его данные (длина, номер треугольника, координаты, направление, сила) записываются в отдельный файл(в приложении В представлен фрагмент файла истории трассировки луча).
Т.к. все данные о пересечении записаны в файл, а каждый треугольник оптической системы имеет свой порядковый номер, для этого необходимо выделить номера треугольников, которые не входят в доверительный интервал. Представленный алгоритм учитывает вероятностный характер формирования кривой светораспределения посредством ранжирования порядка конуса лучей и его габаритной яркости [72].
Конусы, имеющие порядок выше 1 и габаритную яркость менее 0.5 средневзвешенной по модели на первом шаге итерации отбрасываются. На рисунке 3.16 представлена триангуляционная модель отражателя светильника с круглосимметричным отражателем и выделенной зоной производственного брака.
Дополнительно в систему контроля качества встроен модуль моделирования поверхности отражателя, отформованной на «выработанной» пресс-форме. На рисунке 3.16 отчетливо видна «волна», которая обычно образуется при критической выработке пуансона. Аналогичный вид производственного брака получается в случае выработки оправки при операции выдавливания отражателя. Представленный алгоритм построения автоматизированного контроля качества поверхности штампованного отражателя, позволяет производить регулярный контроль устойчивости формы пресс-формы без использования механических шаблонов. Такой подход позволяет оптимизировать технологический процесс изготовления элементов световых приборов наиболее критичных к устойчивости и повторяемости формы [73].
Похожие диссертации на Разработка трехмерной триангуляционной модели осветительных приборов
