CN105855722B - 基于激光偏振系统的曲面零件表面目标图形的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于激光振镜系统的曲面零件表面目标图形的加工方法，包括步骤：建立曲面零件及其目标图形的三维模型并确定其的空间坐标系，再从目标图形所在区域曲面内选取曲面片，曲面片在曲面零件的Z轴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面且过曲面片在曲面零件Z轴的分量的中心点的基准平面，最后将曲面片的目标图形投影到基准平面形成二维图形；定位曲面零件，使其Z轴与激光束的中心线重合，并使激光束的焦点落在基准平面，然后将二维图形扫描加工于曲面零件；重复上述步骤直至加工完成。该加工方法利用模拟激光光束逆向演推得到的二维图形作为扫描轨迹，从原理上补偿了激光振镜系统对于曲面加工产生的误差畸变。

Description

基于激光偏振系统的曲面零件表面目标图形的加工方法

技术领域

本发明涉及曲面零件表面目标图形的加工方法技术领域，特别涉及基于激光偏振系统的曲面零件表面目标图形的加工方法。

背景技术

近年来，在航空航天、汽车、造船、模具、军事等领域和行业中，复杂曲面的应用也越来越广泛和多样化了，如航空叶轮、翼型叶片、船用螺旋桨，曲面模具等，它们具有曲面造型复杂和较高的精度。现代制造业和机械、材料、力学、电子、通信以及光电等多学科也越来越偏向于交叉融合发展，常常需要在复杂曲面零部件表面进行二次精密加工，如加工三维微结构图案以获得微波发射、传导以及耐磨耐蚀等特殊表面性能，来满足特定领域的特殊要求。

根据曲面的空间展开特性，复杂曲面又可以分为可展曲面和不可展曲面，即若某复杂曲面能够通过简单变形展开成为平面，那么我们称之为可展曲面，如圆柱面，圆锥面等；反之，便是不可展曲面，如球面。

对于可展曲面的表面二次加工，常常采用的方法是将待加工二次图形利用机械或者特种加工技术刻于平面上，再将平面进行简单变形成为加工要求的可展曲面。现代工业对于平面的二次加工技术已经趋于成熟，能够在平面上加工制造出相当高精度的目标图形，因此在可展曲面表面上的二次加工也较为成熟。然而，不可展曲面由于它的空间几何特性并不能够经过简单变形完全展开为平面，而对于精度要求较高的曲面加工时，其近似的展开也没有一套成熟的理论使展开误差足够小范围内。

不可展曲面表面图案的二次精加工根据加工方法的不同又可以分为传统机械加工和非传统特种加工技术，如曲面机械雕刻加工、激光刻蚀加工等，这些方法均是基于平面图案向不可展曲面表面映射的原理进行实施的。在此类加工方法中，激光加工技术以高相干性、高单色性、高方向性、高能量密度和非接触等特点，使加工过程周期短、适应性强以及避免局部应力产生，能够得到比传统机械加工技术更高精度和质量的加工表面。

激光加工技术又可以根据其应用领域的不同可以分作许多类，如激光切割、激光打孔，激光焊接、激光刻蚀等，其中激光刻蚀多用于平面或曲面表面的二次加工刻蚀。

激光刻蚀技术具体通过激光偏振系统来实现，激光偏振系统通常包括两块激光平面反射镜和一个扫描聚焦透镜，其工作原理是从谐振腔中导出的激光通过扩束经过垂直安装、由伺服电机驱动的一对折返镜(分别称为x、y轴激光平面反射镜)的反射，再由扫描聚焦透镜聚焦后输出作用于待加工对象上。偏振激光刻蚀过程为：首先，将待加工的平面轨迹图案输入激光偏振系统；再，通过控制x、y轴的偏振就可以使聚焦后的激光束在焦深范围内的曲面表面进行轨迹扫描刻蚀，得到所要求的曲面图案。

根据前述偏振激光刻蚀过程可知，偏振激光加工过程是基于光学投影原理，即将二维轨迹以投影的方式在曲面扫描刻蚀。现行的偏振激光对于曲面表面图案的加工方法常常是将目标图形直接当做二维轨迹对曲面进行刻蚀，这种方法虽然简单方便，但每次定位只能加工曲面在激光束定位z轴较近的一片区域，在偏离定位z轴较远的位置会产生较大误差畸变而失真。

有鉴于此，基于激光振镜系统的现有加工技术加工曲面零件表面目标图形时失真问题，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的核心目的在于，提供基于激光振镜系统的曲面零件表面目标图形的加工方法，以消除基于激光振镜系统的现有加工方法加工曲面零件表面目标图形时的失真问题。

为达到上述目的，本发明所提供的基于激光振镜系统的曲面零件表面目标图形的加工方法包括如下步骤：

S00、先建立所述曲面零件及其目标图形的三维模型并确定所述曲面零件的空间坐标系，再从所述目标图形所在区域曲面内选取曲面片，所述曲面片在所述曲面零件的Z轴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面且过所述曲面片在所述曲面零件的Z轴上的分量的中心点的基准平面，最后将所述曲面片的目标图形透视投影到所述基准平面形成二维图形；

S10、定位所述曲面零件，使所述曲面零件的空间坐标系的Z轴与激光振镜系统的激光束的中心线重合，并使所述激光束的焦点落在所述基准平面，然后将所述二维图形扫描加工于所述曲面零件；

S20、判断是否遍历所述曲面零件的目标图形所在区域曲面，若否，进入步骤S10；若是，则加工完成。

上述加工方法主要是基于激光振镜系统，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，在激光振镜系统扫描范围内，对Z轴方向上焦深内的曲面片进行点光源逆向投影的到基准平面形成二维图形，并将该二维图形输入激光振镜系统对曲面零件进行扫描刻蚀，从原理上补偿了偏振激光系统对于曲面扫描刻蚀图形产生的误差畸变。

可选地，步骤S00中，在所述目标图形所在区域曲面内选取基准点，并确定所述基准点在Z轴上的投影，再在所述曲面零件的Z轴选取距基准点在Z轴上的投影等于或小于1/2M的两点，并投影至所述曲面零件后形成所述曲面片的上边界点和下边界点，其中，M是指激光振镜系统的焦深。

可选地，步骤S00中，作出所述曲面片的基准点和半球零件的空间坐标系零点的连线，并作出所述连线在所述曲面零件空间坐标系的XOY面内投影线，然后确定所述连线与Z轴正向所成的第一角，以及所述投影线与X轴的正向所成的第二角，再通过调整所述第一角和所述第二角来确定相对于初始的所述曲面片的剩余曲面片的基准点。

可选地，所述激光振镜系统具体为光纤振镜激光打标机。

附图说明

图1示出了本发明所提供的基于激光振镜系统的曲面零件目标图形加工方法的流程示意图；

图2示出了采用图1中所示加工方法加工半球零件目标图形时的某个区域点光源投影示意图；

图3示出了图2中所示半球零件在XOZ平面内的投影结构示意图。

图2中附图标记与各个部件名称之间的一一对应关系为：

1半球零件、2目标图形。

具体实施方式

本发明的核心在于，提供一种基于激光振镜系统的曲面零件目标图形加工方法，以从根本上消除激光振镜系统对于曲面零件表面扫描刻蚀产生的误差畸变问题。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图以在半球零件表面上加工目标图形为例来对本发明作进一步的详细说明。

请参见图1至图3，其中，图1示出了本发明所提供的基于激光振镜系统的曲面零件表面目标图形加工方法的流程示意图，图2示出了采用图1中所示加工方法加工半球零件目标图形时的某个区域点光源投影示意图，图3示出了图2中所示半球零件在XOZ平面内的投影结构示意图。

如图1所示，基于激光振镜系统在半球零件1表面上加工目标图形2的方法包括如下步骤：

S00、先建立半球零件1及其目标图形2的三维模型并确定半球零件1的空间坐标系，再从目标图形2所在区域曲面内选取曲面片，曲面片在半球零件1Z轴上的分量等于或小于激光振镜系统的焦深M；然后，建立平行于半球零件1的XOY面且过曲面片在半球零件1的空间坐标系的Z轴上的分量的中心点的基准平面；最后，将曲面片的目标图形2透视投影到基准平面形成二维图形；

具体地，分析半球零件1及其表面二次加工图形的结构，确定半球零件1的空间坐标系，该空间坐标系的Z轴为半球零件1的底平面法线且过底平面中心，此外为了将目标图形2在一次定位中加工完成，尽可能使目标图形2所在区域与Z轴的夹角为锐角。

可以理解，本具体实施例中仅是为了便于清楚地说明加工方法而仅在半球零件1的局部加工一个简单的图形，但在实践中目标图形2复杂且可能会占用曲面零件表面的较大区域，因此建立曲面零件的空间坐标系时，尽量使目标图形2位于空间坐标系Z轴的正区域(XOY平面上方)。

半球零件1的空间坐标系建成后，再从目标图形2所在区域曲面内选取曲面片。

结合图2和图3，曲面片的选取方法为：首先，在目标图形2所在区域曲面内选取基准点A，并确定基准点A在Z轴上的投影；然后，在曲面零件的Z轴选取距基准点A在Z轴上的投影等于或小于1/2M的两点，并投影至曲面零件后形成所述曲面片的上边界点E和下边界点D，其中，M是指激光振镜系统的焦深，也就是说，曲面片在半球零件1Z轴上的分量为激光振镜系统的焦深M。

需要说明的是，由于激光振镜系统的点光源发出的激光束将会呈圆锥状辐射，因此选取曲面片时只需确定其上边界点E和下边界点D即可。

然后，建立平行于半球零件1空间坐标系的XOY面且过曲面片在半球零件1的空间坐标系的Z轴上的分量的中心点的基准平面x-y(0)，也即该基准平面x-y(0)平行于半球零件1空间坐标的XOY面且过基准点A。

最后，在Z轴上确定投影点O₁，投影点O₁至基准平面x-y(0)的距离为激光振镜系统的焦距h，并将曲面片上的目标图形2逆向点投影(透视投影)到基准平面x-y(0)形成二维图形。

至此，半球零件1表面上目标图形2已逆向投影为二维图形，接下来再将该二维图形作为激光振镜系统的扫描轨迹刻蚀加工至半球零件1的相应区域。

即进入步骤10、定位曲面零件，使曲面零件的空间坐标系的Z轴与激光振镜系统的激光束的中心线重合，并使激光束的焦点落在基准平面x-y(0)，然后将所述二维图形扫描加工于曲面零件的相应区域。

具体地，将半球零件1以底平面置于激光振镜系统的工作底平面，并保证半球零件1的Z轴与激光振镜系统的激光束的中心线重合，再调节激光振镜系统的竖直方向的滑动机构，使激光振镜系统的点光源(投影点O₁)与基准平面x-y(0)的垂直距离为焦距h，也就是说，激光振镜系统的激光束的焦点位于基准平面x-y(0)内。

然后，将二维图形输入激光振镜系统并扫描刻蚀加工于半球零件1表面的区域。至此，半球零件1的一个曲面片表面的目标图形2以加工完成。

再继续进入步骤S20，判断是否遍历所述曲面零件的目标图形2所在区域曲面，若否，进入步骤S10；若是，则结束。

可以理解，步骤S20中，如果半球零件1表面的目标图形2剩余部分位于激光振镜系统的扫描范围内时，无需再重新定位半球零件1，只需根据步骤S00得出下一个曲面片的二维图形，然后在垂向上调整激光振镜系统的镜头使其焦点位于新的基准平面即可。

另外，进一步地，本具体实施例还提供了由初始曲面片来确定剩余曲面片的方法，该方法简单易行。

详细地，步骤S00中作出初始曲面片的基准点A和半球零件1的空间坐标系零点O的连线OA，并作出连线OA在曲面零件空间坐标系的XOY面内投影线OB，然后确定连线OA与Z轴正向所成的第一角β，以及投影线与X轴的正向所成的第二角γ。

可以想见，当初始曲面片确定后，只需简单调整连线OA与Z轴正向所成的第一角β和投影线OB与X轴的正向所成的第二角γ即可。需要说明的是，本文此处的序数词“第一”和“第二”只是为了区分两个角，以便本技术领域的人员清楚的了解技术方案，并不含有特殊含义。

当然，在满足曲面片选取规则基础上，也可以人工任意选取基准点A根据步骤S00确定上边界点E和下边界点D来确定曲面片。

综上所述，与现有技术相比，上述加工方法主要是基于激光振镜系统，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，在激光振镜系统扫描范围内，对Z轴方向上焦深内的曲面片进行点光源逆向投影的到基准平面形成二维图形，并将该二维图形输入激光振镜系统对曲面零件进行扫描刻蚀，从原理上补偿了偏振激光系统对于曲面扫描刻蚀图形产生的误差畸变。

此外，步骤S00中曲面零件表面的目标图形2如果都位于曲面零件空间坐标系的XOY面的上方区域，那么步骤S10中只需调整激光振镜系统的镜头使其焦点位于相应基准平面即可，从而极大地提高了加工效率。

需要再次说明的是，为了便于本技术领域的人员快速清楚地理解本发明的加工方法，本文中以半球零件1表面加工目标图形2为例来加以说明，但这并不限定该加工方法的适用范围，该加工方法可适用于圆柱面和圆锥面等可展开曲面零件，尤其适用于加工球面等不可展开曲面零件的表面图形。

另外，本具体实施例的步骤S10中具体采用光纤振镜激光打标机作为激光振镜系统来加工半球零件1表面的目标图形2，当然，激光振镜系统并不仅限于光纤振镜激光打标机，还可以为具备激光振镜技术的其他激光振镜系统。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.基于激光振镜系统的曲面零件表面目标图形的加工方法，其特征在于，所述加工方法包括如下步骤：

S00、先建立所述曲面零件及其目标图形的三维模型并确定所述曲面零件的空间坐标系，再从所述目标图形所在区域曲面内选取曲面片，所述曲面片在所述曲面零件的Z轴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面且过所述曲面片在所述曲面零件的Z轴上的分量的中心点的基准平面，最后将所述曲面片的目标图形透视投影到所述基准平面形成二维图形；

S10、定位所述曲面零件，使所述曲面零件的空间坐标系的Z轴与激光振镜系统的激光束的中心线重合，并使所述激光束的焦点落在所述基准平面，然后将所述二维图形扫描加工于所述曲面零件；

S20、判断是否遍历所述曲面零件的目标图形所在区域曲面，若否，进入步骤S10；若是，则加工完成。

2.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于，步骤S00中，在所述目标图形所在区域曲面内选取基准点，并确定所述基准点在Z轴上的投影，再在所述曲面零件的Z轴选取距基准点在Z轴上的投影等于或小于二分之一倍M的两点，并投影至所述曲面零件后形成所述曲面片的上边界点E和下边界点D，其中，M是指激光振镜系统的焦深。

3.如权利要求1或2所述的加工方法，其特征在于，步骤S00中，作出初始所述曲面片的基准点和半球零件的空间坐标系零点的连线，并作出所述连线在所述曲面零件空间坐标系的XOY面内投影线，然后确定所述连线与Z轴正向所成的第一角，以及所述投影线与X轴的正向所成的第二角，再通过调整所述第一角和所述第二角来确定相对于初始的所述曲面片的剩余曲面片的基准点。

4.如权利要求3所述的加工方法，其特征在于，所述激光振镜系统具体为光纤振镜激光打标机。