CN104741791B - 一种曲面工件表面阵列微结构图形布局方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种曲面工件表面阵列微结构图形布局方法，包括如下步骤：采用逆向工程方法测量自由曲面工件表面的外形尺寸，获得重构曲面；将重构曲面上划分为若干个无缝隙排列的曲面等边三角形；记录所有不重复的曲面等边三角形顶点坐标P_i，并计算求得P_i所在重构曲面位置的切平面K_i和外法矢量V_i；在所有切平面K_i或者与切平面K_i平行的平面上，以其对应的P_i点为几何中心点，对应排布一个单元微结构的设计图形G_i，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_i上的投影线之间的夹角均为固定值。本发明计算规模稳定且保持收敛，布局效率高，可完全消除完全消除了表面阵列微结构图形的布局与加工误差。

Description

一种曲面工件表面阵列微结构图形布局方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种曲面工件表面阵列微结构图形布局方法。

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工件表面上再制备出阵列微结构。微结构是指面形精度达亚微米级，表面粗糙度达纳米级的，具有特定功能的微小表面拓扑形状。微结构最主要的特征是其结构的功能性，如微结构表面光学元件的表面结构决定了对光线的反射，透射或衍射性能，便于光学设计者优化光学系统，减轻重量，缩小体积。另一特征是它们一般都有大的深宽比，这与传统的表面参数及统计特性不同。

由于曲面工件外形的不规则性、非回转性和不可展性等特点，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，点云数据可以通过曲面工件的逆向工程技术获得。逆向工程技术是一种能根据现有的物理部件通过CAD、CAM、CAE或其他软件构筑3D虚拟模型的方法。逆向工程的过程采用了通过丈量实际物体的尺寸并将其制作成3D模型的方法，真实的对象可以通过如CMMs，激光扫描仪，结构光源转换仪或者X射线断层成像这些3D扫描技术进行尺寸测量。曲面重构技术是逆向工程中的关键技术，根据所采用的曲面表达方式，曲面重构的方法主要有：(1)函数曲面方法；(2)隐函数方法；(3)多边形模型法；(4)三角Bézier方法；(5)细分曲面方法；(6)B样条以及NURBS方法等。

现有技术中，针对曲面工件外形的表面阵列微结构的加工一般有两种方法。第一种方法是先基于理论工件模型进行离线虚拟设计再对实际工件进行在线加工，但是由于任何自由曲面工件在其自由曲面外形的加工过程中都有加工公差，因此这种方法没有考虑工件实际外形尺寸与理论工件模型的误差，加工误差较大。第二种方法是先基于表面阵列微结构图形进行离线虚拟布局和设计，再对实际工件进行在线加工，但是由于刀具的方位误差和磨损误差或激光束的投影拼接误差的存在，使得微结构图形布局与加工均存在较大的偏差。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种曲面工件表面阵列微结构图形布局方法；该曲面工件表面阵列微结构图形布局方法计算规模稳定且保持收敛，布局效率高，可完全消除表面阵列微结构图形的布局与加工误差。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种曲面工件表面阵列微结构图形布局方法，包括如下步骤：

(1)采用逆向工程方法测量自由曲面工件表面的外形尺寸，获得自由曲面工件表面的重构模型，即重构曲面；

(2)将重构曲面上划分为若干个无缝隙排列的曲面等边三角形，每个曲面等边三角形的边长均为周期性单元间距D；

(3)在重构曲面所在的坐标系中，记录所有不重复的曲面等边三角形顶点坐标P_i，并计算求得P_i所在重构曲面位置的切平面K_i和外法矢量V_i；其中i＝0～n，n为大于3的整数；

(4)在重构曲面所在的坐标系中，任意选择一个空间基准向量；

(5)在所有切平面K_i或者与切平面K_i平行的平面上，以其对应的P_i点为几何中心点，对应排布一个单元微结构的设计图形G_i，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_i上的投影线之间的夹角均为固定值。

进一步的，步骤(2)中“将重构曲面上划分为若干个无缝隙排列的曲面等边三角形”的实现方法包括如下步骤：

(a)在重构曲面上，任取初始点P₀、P₁、P₂，使得P₀、P₁、P₂三点中任意两点的距离近似等于阵列微结构的周期性单元间距D；将P₀、P₁、P₂构成的曲面等边三角形T₀的三条边L₀、L₁、L₂都标记为“未扩展”；

(b)在重构曲面上，对任意一条标记为“未扩展”的边L_j，都向外扩展一个曲面等边三角形T_j；若向外扩展成功，则将T_j的三条边标记为“未扩展”，将L_j标记为“已扩展”；若L_j无法向外扩展，则仅仅将L_j标记为“已扩展”；

其中，向外扩展的含义为：根据边的两个端点，在重构曲面上取第三点，使得满足第三点与两个端点之间的距离等于周期性单元间距D，并且第三点不在任何已扩展得到的等边三角形的内部；

无法向外扩展的含义为：根据边的两个端点，在重构曲面上无法取到第三点，使得满足第三点与两个端点之间的距离等于周期性单元间距D，并且第三点不在任何已扩展得到的等边三角形的内部；

(c)反复执行步骤(b)，直至不存在标记为“未扩展”的边。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用逆向工程方法测量建模待加工自由曲面工件外形，并基于重构曲面模型进行表面阵列微结构的设计图形布局，在线测量、设计与加工可以在同一坐标系下进行，相比传统方法完全消除了工件实际外形尺寸与理论工件模型的误差问题，并且阵列微结构的设计图形采用了平行投影方式，后续可以利用激光束或电子束等高能束进行投影式直写加工，显然本发明在设计布局图形时的投影映射方法与激光束等高能束在直写加工时的光束平移完全一致(激光束平移加工本质就是光线平行投影)，从而也完全消除了表面阵列微结构图形的布局与加工误差。

2、本发明的表面阵列微结构图形的布局与设计，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；

3、本发明的表面阵列微结构图形布局方法，可以保证周期性阵列图形的单元间距一定，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_i上的投影线之间的夹角均为固定值α，从而保证所有的阵列微结构的空间朝向尽可能整齐，若周期性阵列微结构的功能为频率选择表面，则该空间基准向量与入射电磁波的方向一致，十分精确、灵活和便于调整。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供了一种曲面工件表面阵列微结构图形布局方法，采用该方法可以在给定某个具有光滑表面的自由曲面工件表面排布和制备周期性阵列微结构，之后再进行阵列微结构的加工；其中，构成周期性阵列微结构的单元微结构之间的周期性单元间距为D；周期性单元间距的定义为任意两个单元微结构的各自几何中心点之间的沿曲面弧长或空间直线距离(二者任取其一，一旦取定之后在整个方法中都保持一致)。若周期性单元间距定义的是沿曲面弧长，那么本发明中提到的“距离”也是指沿曲面弧长；若周期性单元间距定义的是空间直线距离，那么本发明中提到的“距离”也是指空间直线距离。

本发明所述的曲面工件表面阵列微结构图形布局方法，具体包括如下步骤：

(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，获得自由曲面工件表面的重构模型，以下将自由曲面工件表面的重构模型简称为重构曲面，显然此处重构曲面是自由曲面工件表面的近似拟合模型，其近似程度可以由逆向工程方法的测量精度和拟合精度共同控制；

(2)将重构曲面上划分为若干个无缝隙排列的曲面等边三角形，每个曲面等边三角形的边长均为周期性单元间距D；

具体包括如下步骤：

(a)在重构曲面上，取初始点P₀(x₀，y₀，z₀)、P₁(x₁，y₁，z₁)、P₂(x₂，y₂，z₂)，使得P₀、P₁、P₂三点中任意两点的距离(近似等于周期性单元间距D，显然P₀、P₁、P₂构成曲面等边三角形T₀(边长定义与周期性单元间距D的定义相同)，将T₀的三条边L₀、L₁、L₂都标记为“未扩展”；

这里近似等于的含义为：给定一个允许误差delta，即若任意两点的距离d与周期性单元间距D的差的绝对值小于delta，就认为满足“近似等于”。delta的选择根据图形布局的精度要求而定，即小于图形布局的位置精度要求(或称位置公差)。

(b)在重构曲面上，对任意一条标记为“未扩展”的边L_j，都向外扩展一个曲面等边三角形T_j；若向外扩展成功，则将T_j的三条边标记为“未扩展”，将L_j标记为“已扩展”；若L_j无法向外扩展，则仅仅将L_j标记为“已扩展”；

其中，向外扩展的含义为：根据边的两个端点，在重构曲面上取第三点，使得满足第三点与两个端点之间的距离等于周期性单元间距D，并且第三点不在任何已扩展得到的等边三角形的内部。

无法向外扩展的含义为：根据边的两个端点，在重构曲面上无法取到(即不存在)第三点，使得满足第三点与两个端点之间的距离等于周期性单元间距D，并且第三点不在任何已扩展得到的等边三角形的内部。

(c)反复执行步骤(b)，直至不存在标记为“未扩展”的边。

(3)对步骤(2)获得的所有曲面等边三角形，记录其所有不重复的曲面等边三角形顶点坐标P_i(i＝0～n，n为大于3的整数)，并计算求得P_i所在重构曲面位置的切平面K_i和外法矢量V_i(即K_i与V_i垂直)；

(4)在重构曲面所在的空间XYZ直角坐标系中，任意选择一个空间基准向量(若周期性阵列微结构的功能为频率选择表面，则该空间基准向量与入射电磁波的方向一致)；

(5)在所有切平面K_i(i＝0～n，n为大于3的整数)或者与切平面K_i平行的平面上，以其对应的P_i点为几何中心点，对应排布一个单元微结构的设计图形G_i(i＝0～n，n为大于3的整数)，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(所述特征边线是指构成设计图形G_i的任一线段)与空间基准向量在K_i上的投影线之间的夹角均为固定值(即限定设计图形绕P_i点的旋转方位角，保证所有的阵列微结构的空间朝向尽可能整齐)；至此完成曲面工件表面阵列微结构图形布局。

在完成上述图形布局后，可以采用激光加工方法或者数控机床、水刀等多种加工方法对阵列微结构图形进行加工。本实施例中仅以激光刻蚀加工为例，进行详细说明。

基于布局完成的曲面工件进行激光刻蚀加工，具体包括如下步骤：

(a)对步骤(5)获得的所有的设计图形G_i(i＝0～n，n为大于3的整数)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_i(i＝0～n，n为大于3的整数)，R_i由若干条位于切平面K_i上的几何线条构成，该几何线条可以为直线，也可以为曲线。

其中，激光刻蚀加工路径规划定义为：根据激光束聚焦光斑外形尺寸和功率密度(组合起来决定了单次扫描的刻蚀线宽和刻蚀深度)，确定激光束聚焦光斑的图形轮廓线和内部填充线的扫描路径，显然此处扫描路径为对应切平面K_i上的几何线条。

(b)对所有激光刻蚀加工路径集合R_i(i＝0～n，n为大于3的整数)，根据其所在的切平面K_i、几何中心点P_i以及对应外法矢量V_i，将R_i中的所有激光刻蚀加工路径沿着V_i方向向重构曲面上进行平行投影，获得重构曲面上的激光刻蚀加工路径集合R_i’(i＝0～n，n为大于3的整数)，并且计算R_i中的每一条几何线条的起点和终点与R_i’中对应的几何线条的起点和终点的空间距离d_s、d_t(其中，起点与起点的空间距离标记为d_s、终点与终点的空间距离标记为d_t)；

(c)对所有激光刻蚀加工路径集合R_i(i＝0～n，n为大于3的整数)，根据其所在的切平面K_i、几何中心点P_i以及对应外法矢量V_i，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_i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_i平行；

(d)在R_i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根据工艺需要有一定的离焦量；打开激光；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根据工艺需要有一定的离焦量；到达终点后，标记该几何线条为已加工过，关闭激光(若下一条未加工过的几何线条与当前这条首尾衔接则不必关闭激光)，标记该几何线条为已加工过；

(e)重复执行步骤(d)，直至R_i中所有的几何线条均被加工过。

本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。

Claims (2)

1.一种曲面工件表面阵列微结构图形布局方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)采用逆向工程方法测量自由曲面工件表面的外形尺寸，获得自由曲面工件表面的重构模型，即重构曲面；

(2)将重构曲面划分为若干个无缝隙排列的曲面等边三角形，每个曲面等边三角形的边长均为周期性单元间距D；所述周期性单元间距D为任意两个单元微结构的各自几何中心点之间的沿曲面弧长或空间直线距离；

(3)在重构曲面所在的坐标系中，记录所有不重复的曲面等边三角形顶点坐标P_i，并计算求得P_i所在重构曲面位置的切平面K_i和外法矢量V_i；其中i＝0～n，n为大于3的整数；

(4)在重构曲面所在的坐标系中，任意选择一个空间基准向量；

(5)在所有切平面K_i或者与切平面K_i平行的平面上，以其对应的P_i点为几何中心点，对应排布一个单元微结构的设计图形G_i，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_i上的投影线之间的夹角均为固定值。

2.根据权利要求1所述的曲面工件表面阵列微结构图形布局方法，其特征在于，步骤(2)中“将重构曲面上划分为若干个无缝隙排列的曲面等边三角形”的实现方法包括如下步骤：

(a)在重构曲面上，任取初始点P₀、P₁、P₂，使得P₀、P₁、P₂三点中任意两点的距离近似等于阵列微结构的周期性单元间距D；将P₀、P₁、P₂构成的曲面等边三角形T₀的三条边L₀、L₁、L₂都标记为“未扩展”；

(b)在重构曲面上，对任意一条标记为“未扩展”的边L_j，都向外扩展一个曲面等边三角形T_j；若向外扩展成功，则将T_j的三条边标记为“未扩展”，将L_j标记为“已扩展”；若L_j无法向外扩展，则仅仅将L_j标记为“已扩展”；

其中，向外扩展的含义为：根据边的两个端点，在重构曲面上取第三点，使得满足第三点与两个端点之间的距离等于周期性单元间距D，并且第三点不在任何已扩展得到的等边三角形的内部；

无法向外扩展的含义为：根据边的两个端点，在重构曲面上无法取到第三点，使得满足第三点与两个端点之间的距离等于周期性单元间距D，并且第三点不在任何已扩展得到的等边三角形的内部；

(c)反复执行步骤(b)，直至不存在标记为“未扩展”的边。