基于激光偏振系統(tǒng)的曲面零件表面目標(biāo)圖形的加工方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于激光振鏡系統(tǒng)的曲面零件表面目標(biāo)圖形的加工方法，包括步驟：建立曲面零件及其目標(biāo)圖形的三維模型并確定其的空間坐標(biāo)系，再從目標(biāo)圖形所在區(qū)域曲面內(nèi)選取曲面片，曲面片在曲面零件的Z軸上的分量小于或等于激光束的焦深，然再建立平行于曲面零件的XOY面且過曲面片在曲面零件Z軸的分量的中心點的基準(zhǔn)平面，最后將曲面片的目標(biāo)圖形投影到基準(zhǔn)平面形成二維圖形；定位曲面零件，使其Z軸與激光束的中心線重合，并使激光束的焦點落在基準(zhǔn)平面，然后將二維圖形掃描加工于曲面零件；重復(fù)上述步驟直至加工完成。該加工方法利用模擬激光光束逆向演推得到的二維圖形作為掃描軌跡，從原理上補(bǔ)償了激光振鏡系統(tǒng)對于曲面加工產(chǎn)生的誤差畸變。
【專利說明】
基于激光偏振系統(tǒng)的曲面零件表面目標(biāo)圖形的加工方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及曲面零件表面目標(biāo)圖形的加工方法技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于激光偏振系統(tǒng)的曲面零件表面目標(biāo)圖形的加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，在航空航天、汽車、造船、模具、軍事等領(lǐng)域和行業(yè)中，復(fù)雜曲面的應(yīng)用也越來越廣泛和多樣化了，如航空葉輪、翼型葉片、船用螺旋槳，曲面模具等，它們具有曲面造型復(fù)雜和較高的精度。現(xiàn)代制造業(yè)和機(jī)械、材料、力學(xué)、電子、通信以及光電等多學(xué)科也越來越偏向于交叉融合發(fā)展，常常需要在復(fù)雜曲面零部件表面進(jìn)行二次精密加工，如加工三維微結(jié)構(gòu)圖案以獲得微波發(fā)射、傳導(dǎo)以及耐磨耐蝕等特殊表面性能，來滿足特定領(lǐng)域的特殊要求。
[0003]根據(jù)曲面的空間展開特性，復(fù)雜曲面又可以分為可展曲面和不可展曲面，即若某復(fù)雜曲面能夠通過簡單變形展開成為平面，那么我們稱之為可展曲面，如圓柱面，圓錐面等;反之，便是不可展曲面，如球面。
[0004]對于可展曲面的表面二次加工，常常采用的方法是將待加工二次圖形利用機(jī)械或者特種加工技術(shù)刻于平面上，再將平面進(jìn)行簡單變形成為加工要求的可展曲面?，F(xiàn)代工業(yè)對于平面的二次加工技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，能夠在平面上加工制造出相當(dāng)高精度的目標(biāo)圖形，因此在可展曲面表面上的二次加工也較為成熟。然而，不可展曲面由于它的空間幾何特性并不能夠經(jīng)過簡單變形完全展開為平面，而對于精度要求較高的曲面加工時，其近似的展開也沒有一套成熟的理論使展開誤差足夠小范圍內(nèi)。
[0005]不可展曲面表面圖案的二次精加工根據(jù)加工方法的不同又可以分為傳統(tǒng)機(jī)械加工和非傳統(tǒng)特種加工技術(shù)，如曲面機(jī)械雕刻加工、激光刻蝕加工等，這些方法均是基于平面圖案向不可展曲面表面映射的原理進(jìn)行實施的。在此類加工方法中，激光加工技術(shù)以高相干性、高單色性、高方向性、高能量密度和非接觸等特點，使加工過程周期短、適應(yīng)性強(qiáng)以及避免局部應(yīng)力產(chǎn)生，能夠得到比傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)更高精度和質(zhì)量的加工表面。
[0006]激光加工技術(shù)又可以根據(jù)其應(yīng)用領(lǐng)域的不同可以分作許多類，如激光切割、激光打孔，激光焊接、激光刻蝕等，其中激光刻蝕多用于平面或曲面表面的二次加工刻蝕。
[0007]激光刻蝕技術(shù)具體通過激光偏振系統(tǒng)來實現(xiàn)，激光偏振系統(tǒng)通常包括兩塊激光平面反射鏡和一個掃描聚焦透鏡，其工作原理是從諧振腔中導(dǎo)出的激光通過擴(kuò)束經(jīng)過垂直安裝、由伺服電機(jī)驅(qū)動的一對折返鏡(分別稱為x、y軸激光平面反射鏡)的反射，再由掃描聚焦透鏡聚焦后輸出作用于待加工對象上。偏振激光刻蝕過程為:首先，將待加工的平面軌跡圖案輸入激光偏振系統(tǒng);再，通過控制x、y軸的偏振就可以使聚焦后的激光束在焦深范圍內(nèi)的曲面表面進(jìn)行軌跡掃描刻蝕，得到所要求的曲面圖案。
[0008]根據(jù)前述偏振激光刻蝕過程可知，偏振激光加工過程是基于光學(xué)投影原理，即將二維軌跡以投影的方式在曲面掃描刻蝕?，F(xiàn)行的偏振激光對于曲面表面圖案的加工方法常常是將目標(biāo)圖形直接當(dāng)做二維軌跡對曲面進(jìn)行刻蝕，這種方法雖然簡單方便，但每次定位只能加工曲面在激光束定位Z軸較近的一片區(qū)域，在偏離定位Z軸較遠(yuǎn)的位置會產(chǎn)生較大誤差畸變而失真。
[0009]有鑒于此，基于激光振鏡系統(tǒng)的現(xiàn)有加工技術(shù)加工曲面零件表面目標(biāo)圖形時失真問題，是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的核心目的在于，提供基于激光振鏡系統(tǒng)的曲面零件表面目標(biāo)圖形的加工方法，以消除基于激光振鏡系統(tǒng)的現(xiàn)有加工方法加工曲面零件表面目標(biāo)圖形時的失真問題。
[0011]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所提供的基于激光振鏡系統(tǒng)的曲面零件表面目標(biāo)圖形的加工方法包括如下步驟:
[0012]S00、先建立所述曲面零件及其目標(biāo)圖形的三維模型并確定所述曲面零件的空間坐標(biāo)系，再從所述目標(biāo)圖形所在區(qū)域曲面內(nèi)選取曲面片，所述曲面片在所述曲面零件的Z軸上的分量小于或等于激光束的焦深，然后建立平行于所述曲面零件的XOY面且過所述曲面片在所述曲面零件的Z軸上的分量的中心點的基準(zhǔn)平面，最后將所述曲面片的目標(biāo)圖形透視投影到所述基準(zhǔn)平面形成二維圖形；
[0013]S10、定位所述曲面零件，使所述曲面零件的空間坐標(biāo)系的Z軸與激光振鏡系統(tǒng)的激光束的中心線重合，并使所述激光束的焦點落在所述基準(zhǔn)平面，然后將所述二維圖形掃描加工于所述曲面零件；
[0014]S20、判斷是否遍歷所述曲面零件的目標(biāo)圖形所在區(qū)域曲面，若否，進(jìn)入步驟S10;若是，則加工完成。
[0015]上述加工方法主要是基于激光振鏡系統(tǒng)，利用激光加工在聚焦鏡焦深范圍內(nèi)光斑形狀尺寸、能量分布等加工特性保持不變的特點，在激光振鏡系統(tǒng)掃描范圍內(nèi)，對Z軸方向上焦深內(nèi)的曲面片進(jìn)行點光源逆向投影的到基準(zhǔn)平面形成二維圖形，并將該二維圖形輸入激光振鏡系統(tǒng)對曲面零件進(jìn)行掃描刻蝕，從原理上補(bǔ)償了偏振激光系統(tǒng)對于曲面掃描刻蝕圖形產(chǎn)生的誤差畸變。
[0016]可選地，步驟SOO中，在所述目標(biāo)圖形所在區(qū)域曲面內(nèi)選取基準(zhǔn)點，并確定所述基準(zhǔn)點在Z軸上的投影，再在所述曲面零件的Z軸選取距基準(zhǔn)點在Z軸上的投影等于或小于I/2M的兩點，并投影至所述曲面零件后形成所述曲面片的上邊界點和下邊界點，其中，M是指激光振鏡系統(tǒng)的焦深。
[0017]可選地，步驟SOO中，作出所述曲面片的基準(zhǔn)點和半球零件的空間坐標(biāo)系零點的連線，并作出所述連線在所述曲面零件空間坐標(biāo)系的XOY面內(nèi)投影線，然后確定所述連線與Z軸正向所成的第一角，以及所述投影線與X軸的正向所成的第二角，再通過調(diào)整所述第一角和所述第二角來確定相對于初始的所述曲面片的剩余曲面片的基準(zhǔn)點。
[0018]可選地，所述激光振鏡系統(tǒng)具體為光纖振鏡激光打標(biāo)機(jī)。
【附圖說明】
[0019]圖1示出了本發(fā)明所提供的基于激光振鏡系統(tǒng)的曲面零件目標(biāo)圖形加工方法的流程不意圖；
[0020]圖2示出了采用圖1中所示加工方法加工半球零件目標(biāo)圖形時的某個區(qū)域點光源投影示意圖；
[0021 ]圖3示出了圖2中所示半球零件在XOZ平面內(nèi)的投影結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2中附圖標(biāo)記與各個部件名稱之間的一一對應(yīng)關(guān)系為:
[0023]I半球零件、2目標(biāo)圖形。
【具體實施方式】
[0024]本發(fā)明的核心在于，提供一種基于激光振鏡系統(tǒng)的曲面零件目標(biāo)圖形加工方法，以從根本上消除激光振鏡系統(tǒng)對于曲面零件表面掃描刻蝕產(chǎn)生的誤差畸變問題。
[0025]為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖以在半球零件表面上加工目標(biāo)圖形為例來對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0026]請參見圖1至圖3，其中，圖1示出了本發(fā)明所提供的基于激光振鏡系統(tǒng)的曲面零件表面目標(biāo)圖形加工方法的流程示意圖，圖2示出了采用圖1中所示加工方法加工半球零件目標(biāo)圖形時的某個區(qū)域點光源投影示意圖，圖3示出了圖2中所示半球零件在XOZ平面內(nèi)的投影結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]如圖1所示，基于激光振鏡系統(tǒng)在半球零件I表面上加工目標(biāo)圖形2的方法包括如下步驟:
[0028]S00、先建立半球零件I及其目標(biāo)圖形2的三維模型并確定半球零件I的空間坐標(biāo)系，再從目標(biāo)圖形2所在區(qū)域曲面內(nèi)選取曲面片，曲面片在半球零件IZ軸上的分量等于或小于激光振鏡系統(tǒng)的焦深M;然后，建立平行于半球零件I的XOY面且過曲面片在半球零件I的空間坐標(biāo)系的Z軸上的分量的中心點的基準(zhǔn)平面;最后，將曲面片的目標(biāo)圖形2透視投影到基準(zhǔn)平面形成二維圖形；
[0029]具體地，分析半球零件I及其表面二次加工圖形的結(jié)構(gòu)，確定半球零件I的空間坐標(biāo)系，該空間坐標(biāo)系的Z軸為半球零件I的底平面法線且過底平面中心，此外為了將目標(biāo)圖形2在一次定位中加工完成，盡可能使目標(biāo)圖形2所在區(qū)域與Z軸的夾角為銳角。
[0030]可以理解，本具體實施例中僅是為了便于清楚地說明加工方法而僅在半球零件I的局部加工一個簡單的圖形，但在實踐中目標(biāo)圖形2復(fù)雜且可能會占用曲面零件表面的較大區(qū)域，因此建立曲面零件的空間坐標(biāo)系時，盡量使目標(biāo)圖形2位于空間坐標(biāo)系Z軸的正區(qū)域(Χ0Υ平面上方)。
[0031]半球零件I的空間坐標(biāo)系建成后，再從目標(biāo)圖形2所在區(qū)域曲面內(nèi)選取曲面片。
[0032]結(jié)合圖2和圖3，曲面片的選取方法為:首先，在目標(biāo)圖形2所在區(qū)域曲面內(nèi)選取基準(zhǔn)點A，并確定基準(zhǔn)點A在Z軸上的投影;然后，在曲面零件的Z軸選取距基準(zhǔn)點A在Z軸上的投影等于或小于1/2M的兩點，并投影至曲面零件后形成所述曲面片的上邊界點E和下邊界點D，其中，M是指激光振鏡系統(tǒng)的焦深，也就是說，曲面片在半球零件IZ軸上的分量為激光振鏡系統(tǒng)的焦深M。
[0033]需要說明的是，由于激光振鏡系統(tǒng)的點光源發(fā)出的激光束將會呈圓錐狀輻射，因此選取曲面片時只需確定其上邊界點E和下邊界點D即可。
[0034]然后，建立平行于半球零件I空間坐標(biāo)系的XOY面且過曲面片在半球零件I的空間坐標(biāo)系的Z軸上的分量的中心點的基準(zhǔn)平面x-y(o)，也即該基準(zhǔn)平面x-y(o)平行于半球零件I空間坐標(biāo)的XOY面且過基準(zhǔn)點A。
[0035]最后，在Z軸上確定投影點O1,投影點O1至基準(zhǔn)平面x-y(0)的距離為激光振鏡系統(tǒng)的焦距h，并將曲面片上的目標(biāo)圖形2逆向點投影(透視投影)到基準(zhǔn)平面x-y(O)形成二維圖形。
[0036]至此，半球零件I表面上目標(biāo)圖形2已逆向投影為二維圖形，接下來再將該二維圖形作為激光振鏡系統(tǒng)的掃描軌跡刻蝕加工至半球零件I的相應(yīng)區(qū)域。
[0037]即進(jìn)入步驟10、定位曲面零件，使曲面零件的空間坐標(biāo)系的Z軸與激光振鏡系統(tǒng)的激光束的中心線重合，并使激光束的焦點落在基準(zhǔn)平面x-y(O)，然后將所述二維圖形掃描加工于曲面零件的相應(yīng)區(qū)域。
[0038]具體地，將半球零件I以底平面置于激光振鏡系統(tǒng)的工作底平面，并保證半球零件I的Z軸與激光振鏡系統(tǒng)的激光束的中心線重合，再調(diào)節(jié)激光振鏡系統(tǒng)的豎直方向的滑動機(jī)構(gòu)，使激光振鏡系統(tǒng)的點光源(投影點O1)與基準(zhǔn)平面x-y(O)的垂直距離為焦距h，也就是說，激光振鏡系統(tǒng)的激光束的焦點位于基準(zhǔn)平面x-y(O)內(nèi)。
[0039]然后，將二維圖形輸入激光振鏡系統(tǒng)并掃描刻蝕加工于半球零件I表面的區(qū)域。至此，半球零件I的一個曲面片表面的目標(biāo)圖形2以加工完成。
[0040]再繼續(xù)進(jìn)入步驟S20，判斷是否遍歷所述曲面零件的目標(biāo)圖形2所在區(qū)域曲面，若否，進(jìn)入步驟S1;若是，則結(jié)束。
[0041]可以理解，步驟S20中，如果半球零件I表面的目標(biāo)圖形2剩余部分位于激光振鏡系統(tǒng)的掃描范圍內(nèi)時，無需再重新定位半球零件I，只需根據(jù)步驟SOO得出下一個曲面片的二維圖形，然后在垂向上調(diào)整激光振鏡系統(tǒng)的鏡頭使其焦點位于新的基準(zhǔn)平面即可。
[0042]另外，進(jìn)一步地，本具體實施例還提供了由初始曲面片來確定剩余曲面片的方法，該方法簡單易行。
[0043]詳細(xì)地，步驟S00中作出初始曲面片的基準(zhǔn)點A和半球零件I的空間坐標(biāo)系零點O的連線OA，并作出連線OA在曲面零件空間坐標(biāo)系的XOY面內(nèi)投影線OB，然后確定連線OA與Z軸正向所成的第一角β，以及投影線與X軸的正向所成的第二角γ。
[0044]可以想見，當(dāng)初始曲面片確定后，只需簡單調(diào)整連線OA與Z軸正向所成的第一角β和投影線OB與X軸的正向所成的第二角γ即可。需要說明的是，本文此處的序數(shù)詞“第一”和“第二”只是為了區(qū)分兩個角，以便本技術(shù)領(lǐng)域的人員清楚的了解技術(shù)方案，并不含有特殊含義。
[0045]當(dāng)然，在滿足曲面片選取規(guī)則基礎(chǔ)上，也可以人工任意選取基準(zhǔn)點A根據(jù)步驟S00確定上邊界點E和下邊界點D來確定曲面片。
[0046]綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述加工方法主要是基于激光振鏡系統(tǒng)，利用激光加工在聚焦鏡焦深范圍內(nèi)光斑形狀尺寸、能量分布等加工特性保持不變的特點，在激光振鏡系統(tǒng)掃描范圍內(nèi)，對Z軸方向上焦深內(nèi)的曲面片進(jìn)行點光源逆向投影的到基準(zhǔn)平面形成二維圖形，并將該二維圖形輸入激光振鏡系統(tǒng)對曲面零件進(jìn)行掃描刻蝕，從原理上補(bǔ)償了偏振激光系統(tǒng)對于曲面掃描刻蝕圖形產(chǎn)生的誤差畸變。
[0047]此外，步驟S00中曲面零件表面的目標(biāo)圖形2如果都位于曲面零件空間坐標(biāo)系的XOY面的上方區(qū)域，那么步驟SlO中只需調(diào)整激光振鏡系統(tǒng)的鏡頭使其焦點位于相應(yīng)基準(zhǔn)平面即可，從而極大地提高了加工效率。
[0048]需要再次說明的是，為了便于本技術(shù)領(lǐng)域的人員快速清楚地理解本發(fā)明的加工方法，本文中以半球零件I表面加工目標(biāo)圖形2為例來加以說明，但這并不限定該加工方法的適用范圍，該加工方法可適用于圓柱面和圓錐面等可展開曲面零件，尤其適用于加工球面等不可展開曲面零件的表面圖形。
[0049]另外，本具體實施例的步驟SlO中具體采用光纖振鏡激光打標(biāo)機(jī)作為激光振鏡系統(tǒng)來加工半球零件I表面的目標(biāo)圖形2，當(dāng)然，激光振鏡系統(tǒng)并不僅限于光纖振鏡激光打標(biāo)機(jī)，還可以為具備激光振鏡技術(shù)的其他激光振鏡系統(tǒng)。
[0050]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。任何在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.基于激光振鏡系統(tǒng)的曲面零件表面目標(biāo)圖形的加工方法，其特征在于，所述加工方法包括如下步驟: S00、先建立所述曲面零件及其目標(biāo)圖形的三維模型并確定所述曲面零件的空間坐標(biāo)系，再從所述目標(biāo)圖形所在區(qū)域曲面內(nèi)選取曲面片，所述曲面片在所述曲面零件的Z軸上的分量小于或等于激光束的焦深，然后建立平行于所述曲面零件的XOY面且過所述曲面片在所述曲面零件的Z軸上的分量的中心點的基準(zhǔn)平面，最后將所述曲面片的目標(biāo)圖形透視投影到所述基準(zhǔn)平面形成二維圖形； S10、定位所述曲面零件，使所述曲面零件的空間坐標(biāo)系的Z軸與激光振鏡系統(tǒng)的激光束的中心線重合，并使所述激光束的焦點落在所述基準(zhǔn)平面，然后將所述二維圖形掃描加工于所述曲面零件； S20、判斷是否遍歷所述曲面零件的目標(biāo)圖形所在區(qū)域曲面，若否，進(jìn)入步驟S10;若是，則加工完成。2.如權(quán)利要求1所述的加工方法，其特征在于，步驟SOO中，在所述目標(biāo)圖形所在區(qū)域曲面內(nèi)選取基準(zhǔn)點，并確定所述基準(zhǔn)點在Z軸上的投影，再在所述曲面零件的Z軸選取距基準(zhǔn)點在Z軸上的投影等于或小于1/2M的兩點，并投影至所述曲面零件后形成所述曲面片的上邊界點E和下邊界點D，其中，M是指激光振鏡系統(tǒng)的焦深。3.如權(quán)利要求1或2所述的加工方法，其特征在于，步驟SOO中，作出初始所述曲面片的基準(zhǔn)點和半球零件的空間坐標(biāo)系零點的連線，并作出所述連線在所述曲面零件空間坐標(biāo)系的XOY面內(nèi)投影線，然后確定所述連線與Z軸正向所成的第一角，以及所述投影線與X軸的正向所成的第二角，再通過調(diào)整所述第一角和所述第二角來確定相對于初始的所述曲面片的剩余曲面片的基準(zhǔn)點。4.如權(quán)利要求3所述的加工方法，其特征在于，所述激光振鏡系統(tǒng)具體為光纖振鏡激光打標(biāo)機(jī)。
【文檔編號】B23K26/362GK105855722SQ201610297208
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】姜開宇, 趙驥
【申請人】微刻（北京）科技有限公司