CN101786200A - 一种自由曲面上的投影式激光刻蚀方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自由曲面上的投影式激光刻蚀方法，该方法利用激光振镜和三轴坐标定位技术相结合，采用分块平行投影和高度映射原理，基于自由曲面零件的离散点云模型直接进行表面激光精密刻蚀加工。该方法利用激光加工在聚焦镜焦深范围内光斑形状尺寸、能量分布等加工特性保持不变的特点，将自由曲面转化为若干平面子块的加工，即便采用现有的激光刻蚀加工工艺也可以大幅度提高自由曲面高精度加工时的效率。激光束的聚焦光斑可达几个微米直径，比传统刀具加工部位的尺寸小很多，通过控制激光能量特性，可实现10微米左右的加工精度。该方法能够在满足自由曲面表面图案刻蚀加工的高精度、高效率要求前提下，实现自由曲面的高可靠性、柔性化加工。

Description

一种自由曲面上的投影式激光刻蚀方法

技术领域

本发明属于激光超精密加工、自由曲面零件制造技术领域，涉及一种在自由曲面零件表面上进行精密刻蚀加工方法。

背景技术

在机械工业和电子工业领域，经常需要在已经成型的自由曲面零件表面上再进行精密刻蚀加工，如在曲面表层雕刻三维纹理图案或刻蚀密布浅沟槽，可以获得美观、耐磨或特殊电磁学特性等效果。但由于自由曲面是一种不规则的、非回转型的、不可展的曲面，一般很难用数学方程精确地描述，通常采用一系列离散型值点，即离散点云模型进行描述。其中，点云数据可以直接来自于在CAD/CAM系统中对自由曲面模型进行离散化获得，或者通过自由曲面零件的反求工程技术获得，如通过三坐标测量机(CMM)、激光线结构光扫描系统、投影光栅测量系统及工业CT等测量零件表面，均可获得自由曲面的离散点云模型[文献：基于激光测量的自由曲面数字制造基础技术研究，李剑，浙江大学博士学位论文，2001]。

目前，自由曲面上的刻蚀加工方法主要是依靠多轴联动数控机床的逐点可控数字化加工技术。如专利申请号为200910028286.3、发明名称为“五轴联动数控加工中心”的中国专利文献，利用五轴联动数控机床同时具有五个方向的自由度(X、Y、Z方向再加上两个回转方向)，刀具可始终保持和工件表面垂直，从而原理上可以实现在自由曲面零件表面上加工任意图形。但利用五轴联动数控机床对自由曲面表面二次加工时，需要保证刀具始终位于加工位置的法线方向，因此必须事先计算获得曲面表面每一个加工位置的近似参数曲面方程和法线方向，在高精度加工情形下的不仅计算量很大，而且设备构成复杂，设备制造成本和运行成本都较高。

激光刻蚀技术具有非接触、无污染和可实现微米线宽精细加工的特点，已经广泛用于金属、聚合物、陶瓷等多种材料的平面零件表面的图形刻蚀加工，也可以安装在多轴联动数控机床上，代替传统刀具进行自由曲面零件表面的二次精密刻蚀加工，且不必要保持激光束位于加工位置的法线方向。但为了加工自由曲面上的空间曲线图形，仍需要复杂的多轴插补动作，数控编程十分复杂。

专利申请号为200710067504.5、发明名称为“一种仿形激光雕刻加工方法及其激光雕刻机”的中国专利，利用CCD位移传感器来探测激光头与被加工件之间的距离，生成被雕刻材料的三维地形图，确保激光焦点位于被加工零件表面，从而可实现对自由曲面零件表面的雕刻加工。但由于该发明本质上仅仅依靠三轴定位实现逐点加工，其加工效率不高。

激光扫描振镜通过电机精确控制两个反射镜片的协调偏转运动，可以实现激光高速扫描动作，如专利申请号为200810197661.2、发明名称为“一种振镜式激光三维扫描系统”的中国专利申请，设计了一种振镜式激光三维扫描系统，包括激光器、扩束镜、XY两轴扫描振镜、扫描聚焦透镜、Z轴移动机构及控制系统，从而可以通过固定在可沿Z轴方向上下移动的Z轴移动机构的扫描聚焦透镜来实现三维立体加工功能。该技术方案的三维立体加工方法类似于专利申请号为03134316.3、专利名称为“口腔金属修复体的激光立体成形制备方法”的中国专利文献所采用的技术方案，都是首先在计算机中将三维计算机辅助设计(CAD)模型按一定厚度分层“切片”，转换成一系列的二维轮廓图形信息并进行激光扫描加工。这种方式依赖三维CAD模型，无法直接基于自由曲面零件的离散点云模型对已有零件表面进行二次加工。

因此，本发明提出了一种利用激光振镜和三轴坐标定位技术相结合，采用子块平行投影和高度映射原理，基于自由曲面零件的离散点云模型直接进行表面激光精密刻蚀加工的新方法。

发明内容

针对自由曲面零件表面加工现有方法的不足，本发明目的旨在提供一种自由曲面上的投影式激光刻蚀方法，该方法工艺简单，所需要设备的复杂程度低，能够在满足自由曲面表面图案刻蚀加工的高精度、高效率要求前提下，实现自由曲面的高可靠性、柔性化加工。

本发明提供的自由曲面上的投影式激光刻蚀方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(1)建立XYZ直角坐标系下的自由曲面零件表面的离散点云模型，离散点云模型中的数据要么直接来自于将计算机辅助设计自由曲面零件的三维实体模型转换的点云数据，要么来自于对已有的自由曲面零件进行反向工程测量获得的点云数据；

(2)将自由曲面上待刻蚀加工的图形或图案划分为子块，且在子块内部的点云数据Z坐标值的最大差值小于聚焦光路确定的激光焦深；设与各子块内部点云数据Z坐标平均值对应或最接近的点为该子块的加工起始位置，则其Z坐标值即为该子块对应的激光加工焦距；

(3)将各子块内的待加工图形或图案依照平行投影原则向XY平面进行投影，获得子块投影加工图形；

(4)控制XY二维工作台将激光定位到自由曲面上第一个子块的加工起始位置，再在Z轴方向上调节激光焦点与加工起始位置的Z坐标重合；

(5)利用二轴激光振镜对振镜扫描区域内所有具有相同Z坐标值的子块投影图形进行扫描加工；

(6)按照(4)至(5)的步骤，遍历各子块进行加工，直至所有子块子块投影图形全部加工完毕。

本发明采用平行投影原则对自由曲面零件表面的待加工图形进行平面投影映射，具有以下特点：(1)点的投影是点，直线或线段的投影仍是直线或线段；(2)曲面上的平行直线的投影仍是平行或重合的直线，在同一直线或平行直线上，两条线段投影的比等于这两条线段的比；(3)在自由曲面零件表面为平面的特例下，该投影原理仍然适用，平行于投影平面的线段，它的投影与这条线段平行且等长，与投影平面平行的平面图形，它的投影与这个图形全等；(4)当自由曲面上的图形投影至平面时，平面投影图形相比曲面原形虽然都会发生变形，但投影形状总与原形相仿，即平面投影后，与原形的对应线段保持定比性，表现为投影形状与原形的边数相同、平行性相同、凸凹性相同及边的直线或曲线性质不变。以上四个特点保证了本发明自由曲面图形的投影加工方法在理论上的可行性和正确性。

本发明具有如下显著的优点：整个加工过程直接基于自由曲面的点云数据加工，不需要计算自由曲面的近似参数方程。

较五轴联动数控机床加工，本发明摆脱了需要逐点寻找加工点法线的不足，工艺简单、设备成本低；较三轴联动数控机床的测量式加工，本发明采用了二轴激光振镜扫描加工方式，利用了激光加工在聚焦镜焦深范围内光斑形状尺寸、能量分布等加工特性保持不变的特点，因此，本发明的实质是将自由曲面转化为若干平面子块的加工，本发明并不局限于对各平面子块技术采用特殊的加工工艺，即便采用现有的激光刻蚀加工工艺也可以大幅度提高自由曲面高精度加工时的效率。激光束的聚焦光斑可达几个微米直径，比传统刀具加工部位的尺寸小很多，通过控制激光能量特性，可实现10微米左右的加工精度。

附图说明

图1为本发明自由曲面上的投影式激光刻蚀方法的示意图。

具体实施方式

本发明提供的自由曲面上的投影式激光刻蚀方法，采用的是通用的“3+2”轴数控激光加工机床，所述机床包括XYZ三轴运动定位机构和二轴激光振镜扫描装置，通过XY两轴实现子块定位，Z轴移动机构配合激光振镜进行子块投影式加工，该方法包括下列步骤：

(1)建立XYZ直角坐标系下的自由曲面零件表面的离散点云模型，点云数据要么直接来自于将计算机辅助设计(CAD)自由曲面零件的三维实体模型转换为点云数据类型，要么来自于对已有的自由曲面零件进行反向工程测量获得的点云数据；

(2)将自由曲面上待刻蚀加工的图形或图案划分子块，各子块形状可以不同，如矩形、三角形或梯形等其它形状，各子块的大小也可以不等，但必须保证在子块内部的点云数据Z坐标值的最大差值小于激光加工机床的聚焦光路确定的激光焦深；设与各子块内部点云数据Z坐标平均值对应或最接近的点为该子块的加工起始位置，则其Z坐标值即为该子块对应的激光加工焦距；

(3)将各子块内的待加工图形或图案依照平行投影原则向XY平面进行投影，获得子块投影加工图形；

(4)控制XY二维工作台将激光定位到自由曲面上第一个子块的加工起始位置，利用Z轴焦点定位系统调节激光焦点与加工起始位置的Z坐标重合；

(5)利用二轴激光振镜对振镜扫描区域内所有具有相同Z坐标值的子块投影图形进行扫描加工；

(6)按照(4)至(5)的步骤，进行遍历加工运动，直至所有子块投影图形全部加工完毕。

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

本实例采用如图1所示的系统，本发明系统由激光器1、扩束镜2、反射镜3、反射镜4、X轴扫描振镜5、Y轴扫描振镜6、扫描聚焦透镜7、Z轴移动机构8、马鞍面10、两维工作台11和控制系统等组成。其工作原理是：激光器1发出激光束，经扩束镜2放大准直后，通过两片反射镜3和4，将激光束导入X轴扫描振镜5和Y轴扫描振镜6，经聚焦透镜7汇聚到待加工曲面10的表面上。其中反射镜4、X轴扫描振镜5、Y轴扫描振镜6以及扫描聚焦透镜7，固定于Z轴移动机构8上，随着Z轴上下移动来调节激光焦点在Z轴方向的位置，利用计算机加工软件控制构成激光振镜的两块组合反射镜5和6的角度偏转运动，实现激光束在待加工曲面上的扫描轨迹沿着曲面图形的相应平面投影图形9，完成待加工曲面零件表面上刻蚀加工的任务。

下面以子块为矩形块为例予以说明。

本实例所用的马鞍面工件为聚合物材料，待加工的图形为一个曲面圆，激光器为全固态三倍频调Q激光器，发出波长为532nm的绿激光，以1000mm/s的扫描速度在马鞍面表面刻蚀圆。详细步骤如下：

(1)建立马鞍面工件10的表面离散点云模型；

(2)将马鞍面工件10表面待加工的曲面圆图形划分为若干矩形子块，且子块大小保证在子块内部的点云数据Z坐标值的最大差值小于聚焦光路确定的激光焦深(依聚焦光路不同约为20～200微米)；由于曲率是衡量曲面局部区域弯曲程度的测量标准，划分后，中间曲率大的地方划分为最小块，往外子块依次增大，两边曲率小的地方子块将最大。保存与各子块内部点云数据Z坐标平均值对应或最接近的点为该子块的加工起始位置，其Z坐标值为该子块对应的激光加工焦距，并设置所有子块的加工标记为未加工；

(3)将各矩形子块内的待加工图形或图案依照平行投影原则向XY平面进行投影，获得投影加工图形9为各子块投影图形拼接的不规则椭圆图形；

(4)控制XY二维工作台11将激光定位到自由曲面上第一个加工标记为未加工的子块的加工起始位置，同时控制Z轴定位机构8不断上升和下降，使激光焦点与子块几何中心的Z坐标值重合，两维扫描振镜5和6通过偏转角度来调节激光焦点在XY两维平面上的位置，对振镜扫描区域内所有具有相同Z坐标值的子块投影图形进行逐点扫描加工，并将这些子块的加工标记设置为加工完成；

(5)利用XY两位工作台11运动使激光定位到下一个加工标记为未加工的子块的加工起始位置，依据上面的加工过程进行加工和设置加工标记，直至遍历加工完曲面圆的所有子块，这些子块拼接在一起，就组成了马鞍面工件10表面上的曲面圆图形。

本实例不局限于上述具体实施方式和附图所公开的内容，所采用的激光器不局限于波长是532nm的绿激光，也可以是波长为1064nm的基频全固态激光器，波长为355nm、266nm的紫外激光器，甚至是波长为10.6um的CO₂气体激光器。本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明。因此，凡是采用本发明的技术方案和思路，或者是做一些简单的变化和修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种自由曲面上的投影式激光刻蚀方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(1)建立XYZ直角坐标系下的自由曲面零件表面的离散点云模型，离散点云模型中的数据要么直接来自于将计算机辅助设计自由曲面零件的三维实体模型转换的点云数据，要么来自于对已有的自由曲面零件进行反向工程测量获得的点云数据；

(2)将自由曲面上待刻蚀加工的图形或图案划分为子块，且在子块内部的点云数据Z坐标值的最大差值小于聚焦光路确定的激光焦深；设与各子块内部点云数据Z坐标平均值对应或最接近的点为该子块的加工起始位置，则其Z坐标值即为该子块对应的激光加工焦距；

(3)将各子块内的待加工图形或图案依照平行投影原则向XY平面进行投影，获得子块投影加工图形；

(4)控制XY二维工作台将激光定位到自由曲面上第一个子块的加工起始位置，再在Z轴方向上调节激光焦点与加工起始位置的Z坐标重合；

(5)利用二轴激光振镜对振镜扫描区域内所有具有相同Z坐标值的子块投影图形进行扫描加工；

(6)按照(4)至(5)的步骤，遍历各子块进行加工，直至所有子块子块投影图形全部加工完毕。

Images