点云描述曲面工件的表面阵列微结构激光加工方法

摘要

本发明提供了一种点云描述曲面工件的表面阵列微结构激光加工方法，包括：采用逆向工程方法测量建模待加工自由曲面工件外形，并基于点云描述曲面进行表面阵列微结构的设计图形布局；之后对设计图形进行激光刻蚀加工路径规划，根据加工路径所在的切平面、几何中心点以及对应外法矢量，调整激光加工头相对自由曲面工件的空间方位，使激光束沿法向方向射向自由曲面工件，逐条进行几何线条的激光刻蚀加工。本发明的表面阵列微结构图形的布局设计，计算量与自由曲面的曲率分布与变化无关，兼容各种类型的自由曲面，计算规模稳定且保持收敛，布局效率高；完全消除了表面阵列微结构图形的布局与加工误差，确保了激光刻蚀加工工艺质量的精确性和稳定性。

主权项

一种点云描述曲面工件的表面阵列微结构激光加工方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)固定装夹和定位自由曲面工件；基于空间XYZ直角坐标系，采用逆向工程方法测量自由曲面工件表面的外形尺寸，获得基于散乱点云数据描述的曲面模型，即点云描述曲面；其中，散乱点云数据中相邻点的最大空间距离不大于预先设定的值α，且ΔDist＞α，ΔAngle＞D/α；ΔDist为周期性阵列微结构布局最大距离误差值，ΔAngle为周期性阵列微结构布局的最大角度误差值，D为周期性阵列微结构中任意两个单元微结构的各自几何中心点之间的空间直线距离；(2)将顶点集合初始化为空集；并在点云描述曲面上，取两个初始点P₀(x₀，y₀，z₀)和P₁(x₁，y₁，z₁)，使得P₀、P₁两点的空间直线距离Dist_P与周期性单元间距D满足关系D‑ΔDist＜Dist_P＜D+ΔDist，将P₀、P₁都标记为“未扩展”并加入顶点集合；(3)取顶点集合中任意一个标记为“未扩展”的点P_i，在点云描述曲面上进行N等分扩展操作，获得M个扩展点P_j；N取3、4、5或6，j＝1～M；其中，N等分扩展操作的含义为：根据点P_i及点P_i的一个相邻的且标记为“未扩展”的点P_i+1，在点云描述曲面的点云数据中搜索寻取扩展点P_j，使得满足如下条件：1)P_i、P_j两点的距离Dist_P_j需要满足关系D‑ΔDist＜Dist_P_j＜D+ΔDist；2)P_i、P_j两点连线与P_i、P_i+1两点连线之间的夹角angle满足2kπ/N‑ΔAngle＜angle＜2kπ/N+ΔAngle，k为小于等于N的正整数；(4)将步骤(3)得到的M个扩展点P_j，都标记为“未扩展”并加入顶点集合，将P_i标记为“已扩展”；分别计算P_j与顶点集合中所有其他点的空间直线距离，若得到的所有空间直线距离值中存在至少一个空间距离值小于D/2，则表明P_j是冗余点，将其从顶点集合删除；(5)重复步骤(3)‑(4)，直至顶点集合不存在标记为“未扩展”的点；(6)对步骤(2)‑(5)获得的顶点集合中的所有点P_t，计算求得P_t所在点云描述曲面位置的切平面K_t和外法矢量V_t；t为大于2的整数；(7)在点云描述曲面所在的空间XYZ直角坐标系中，任意选择一个空间基准向量；(8)在所有切平面K_t上，以其对应的P_t点为几何中心点，对应排布一个单元微结构的设计图形G_t，并且满足所有切平面上的设计图形的同一条对应特征边线与空间基准向量在K_t上的投影线之间的夹角均为固定值；(9)对步骤(8)获得的所有的设计图形G_t进行激光刻蚀加工路径规划，获得对应的激光刻蚀加工路径集合R_t，R_t由若干条位于切平面K_t上的几何线条构成。(10)对所有激光刻蚀加工路径集合R_t，根据其所在的切平面K_t、几何中心点P_t以及对应外法矢量V_t，经过R_t中的每一条几何线条的起点P_st，作与V_t方向平行的平行线V_st，搜索点云描述曲面的点云数据中距离V_st最近的点P_st’，并且计算P_st和P_st’的空间距离d_s；同样的，经过R_t中的每一条几何线条的终点P_tt，作与V_t方向平行的平行线V_tt，搜索点云描述曲面的点云数据中距离V_tt最近的点P_tt’，并且计算P_tt和P_tt’的空间距离d_t；(11)对所有激光刻蚀加工路径集合R_t，根据其所在的切平面K_t、几何中心点P_t以及对应外法矢量V_t，调整激光加工头相对自由曲面工件的空间方位，使激光束沿V_t方向射向自由曲面工件，即使得激光加工头的聚焦物镜出射的聚焦激光束光轴与V_t平行；(12)在R_t中选择任意一条未加工过的几何线条，平移激光加工头使得经过聚焦物镜出射的聚焦激光束穿过该几何线条的起点，并且光束焦点位于自由曲面工件表面或有离焦量；(13)打开激光；(14)平移激光加工头，使光束焦点以一定的扫描速度沿着该几何线条的轨迹由起点向终点平移行进，行进过程中同时使得聚焦物镜与自由曲面工件沿V_i方向的距离均匀的调整d_t‑d_s大小，即保证光束焦点在行进过程中始终位于自由曲面工件表面或有离焦量；到达终点后，标记该几何线条为已加工过；(15)在R_t中任意选择一条未加工过的几何线条作为下一条加工线条，若不存在下一条加工线条，则表明R_t中所有的几何线条均被加工过，转入步骤(18)；若存在下一条加工线条，则判断下一条加工线条是否与步骤(14)中已加工过的几何线条首尾衔接，若是，则转入步骤(17)；否则进入步骤(16)；(16)关闭激光；平移激光加工头使得经过聚焦物镜出射的聚焦激光束穿过下一条加工线条的起点，并且光束焦点位于自由曲面工件表面或有离焦量；返回步骤(13)；(17)平移激光加工头使得经过聚焦物镜出射的聚焦激光束穿过下一条加工线条的起点，并且光束焦点位于自由曲面工件表面或有离焦量；返回步骤(14)；(18)结束。