CN108705224A - 一种高能束移锋加工路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高能束移锋加工路径规划方法，属于高能束制造技术领域，其在生成待加工各层的填充扫描路径时，在相邻数层之内，将高能束扫描路径中功率最高的位置相互偏移设定量，从而改善加工过程中的能量分布，进而提高增材制造或者减材制造过程中加工质量和精度，其包括如下步骤：(1)对加工模型进行分层；(2)设置移锋加工路径规划参数；(3)生成移锋周期内首层加工路径；(4)生成移锋周期内后续各层移锋加工路径；(5)重复步骤(3)和(4)，直到完成所有层的加工路径生成。本发明通过调节相邻加工层高能束扫描路径的中心位置偏移，也即移开尖峰，简称移锋，实现多层加工的能量密度均匀化，从而提高加工质量和精度。

Description

一种高能束移锋加工路径规划方法

技术领域

本发明属于高能束制造技术领域，涉及激光铣削(又称为激光刻蚀)、激光增材制造、电弧增材制造、离子束加工、电子束加工等高能束增材、减材制造技术，具体为通过高能束移锋加工路径规划方法，从而提高增、减材制造的高能束加工质量和精度。

背景技术

以激光束、电子束、离子束、电弧等高能束为工具的增材、减材制造技术，将高功率密度的能量束作用于材料，使材料熔化堆积(增材制造)或气化去除(减材制造)，具有非接触加工、功率可调节、无刀具磨损、易于传输控制等优点，在机械、材料、微电子、新能源等工业领域以宏加工、微加工等方式得到广泛应用。

与此同时，高能束加工精度、效率和加工质量(包括几何形貌、粗糙度和内部组织性能等)易受到系统结构、能束参数(形状、脉宽、功率密度)、加工路径、环境参数等多方面因素影响，成为学术界和工业界研究热点和难点，而通过高能束加工路径的优化提高加工质量和精度，也一直是相关各领域的重要研究课题，这在诸多公开文献中已有论述。

专利号CN 103801838A提出了一种变线宽激光振镜扫描快速刻蚀方法及装置，利用激光束离焦后功率密度变小光斑变大的原理，通过设置不同的在焦和离焦激光加工距离及对应功率参数和激光振镜扫描参数来控制激光光斑大小，对图形填充区采用离焦后的大光斑光栅扫描填充，然后对图形轮廓进行矢量扫描勾勒，实现了不同粗细线宽图形的快速精密刻蚀，极大提高了激光刻蚀加工效率。公开号CN 101786200A发明专利则针对自由曲面提出了一种投影式激光刻蚀方法，利用激光加工在聚焦镜焦深范围内光斑形状尺寸、能量方分等基本不变的特点，将曲面分块平行投影，即将曲面加工转化成多个平面小区域进行加工，实现了自由曲面的激光振镜扫描刻蚀加工。申请号为201210364197的发明专利申请提供了一种对铣削路径上的拐角部进行加工的控制装置，其通过对相互邻接的两个主加工路径以及与这些主加工路径的双方连续的一个或多个圆弧或直线加工路径进行分析，计算与主加工路径之间的距离以及角度，根据主加工路径的激光加工条件变更圆弧加工或直线加工路径上的激光加工条件，提高拐角加工精度。

申请号为201510740545的发明专利申请提出一种高能束选区熔化成形的熔化路径规划方法，首先获取待加工工件多个分层截面图像，然后对各层截面图像的待加工区域分别进行熔化路径填充，生成表层环形扫描路径和内核直线扫描路径，表层路径采用轮廓线等距填充，以提高成形件表面光滑度和致密度。申请号201610120704.1发明专利申请公开了一种用于增材制造的棋盘式激光扫描路径规划方法，通过将零件单层截面中的小于用户自定义最小分区面积值的过小分区与其相邻分区进行合并，对合并后分区整体进行平行线扫描路径规划，避免了过小分区加工时容易对激光器及成形零件质量造成的不良影响。申请号为201610120719.8的发明专利申请则公开了一种条带式激光扫描路径规划方法，通过将零件单层截面各条带分区中的过短路径与相邻分区内与其位于同一直线上的扫描路径进行合并，以避免加工过短路径激光不断开合问题。

目前，公开的加工路径规划方案主要有通过缩短辅助加工路径提高加工效率，优化加工路径改善层内拼接区域质量，或者为减小热影响而在时空离散加工路径等研究，其局限是都在单层内规划加工路径。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高能束移锋加工路径规划方法，其实质为一种提高增、减材制造的高能束加工质量和精度的方法，目的在于，通过调节相邻加工层高能束扫描路径的中心位置偏移(即移开尖峰，简称移锋)，实现多层加工的能量密度均匀化，从而提高加工质量和精度。

本发明提供了一种提高增、减材制造的高能束加工质量和精度的方法，通过调节相邻加工层高能束扫描路径的中心位置偏移(即移开尖峰，简称移锋)，实现多层加工的能量密度均匀化，该方法在常规层内加工路径生成算法(例如光栅扫描、环形填充、螺旋填充、分区填充等)的基础上，在相邻的两层或者数层之间，应用移锋处理规则，使得加工时相邻数层中高能束尖峰轨迹相互错开，提高整体的均匀性。

具体地，本发明提供的一种技术方案包括如下步骤：

首先对高能束加工区域三维模型进行分层切片。对于一定高度的增材制造和一定深度的减材制造，加工区域都可以通过三维模型进行表达，生成高能束加工路径的数据处理的第一步，是对三维模型进行切片分层。对于增材制造，待加工的三维模型是要制造得到的物体模型，根据每一层的制造高度进行分层；对于铣削减材加工，待加工的三维模型是要铣削去除的区域，根据每一层的铣削深度进行分层。对于简单的模型例如等宽度的方块或者沟槽加工，可以无需三维模型，直接在程序中根据长宽高参数自动生成待加工各层数据。

常规的层内加工路径生成算法只需要设置扫描填充间距参数，本发明提出的移锋加工路径规划，需要增设层间移锋加工参数，包括移锋周期n和移锋偏移di(i＝1…n-1)。移锋周期是指一个移锋加工周期内包括的层数量，譬如移锋周期n＝3，实际应用中可以根据需要设置n为2、4、5或者其他更大的正整数。移锋偏移则指移锋周期内各层生成扫描路径时，相对于移锋周期内第一层扫描路径增加一个小于扫描填充间距参数的偏移量，移锋周期层数内的各层可以分别指定不同的能束路径中心移锋偏移值。

生成移锋周期内首层加工路径可采用常规的层内加工路径生成算法，例如光栅扫描、环形填充、螺旋填充、分区填充等，根据设置的扫描填充间距，对第一层加工区域进行扫描填充，获得第一层所有扫描加工路径。

生成移锋周期内后续各层移锋加工路径时，在常规的层内加工路径生成算法(例如光栅扫描，还包括环形填充、螺旋填充、分区填充等)基础上，根据移锋加工路径规划参数，对后续各层加工区域进行移锋扫描填充，使得移锋周期内各层扫描线，按照指定移锋偏移量移动一定距离

重复移锋周期的各步骤，生成所有层的扫描加工路径。

本发明提出了一种适用于增、减材制造的高能束移锋加工路径规划方法，这里提到的高能束包括激光、电弧、离子束、电子束等，增材、减材制造技术既包括厘米级、米级宏加工，也涵盖微米级、纳米级微加工领域。

本发明提出了一种高能束移锋加工路径规划方法，目的在于通过调节相邻加工层高能束扫描路径的中心位置偏移(即错开尖峰，简称移锋)，实现多层加工的能量密度均匀化，从而提高加工质量和精度。

本发明提供的一种高能束移锋加工路径规划方法，该方法在常规层内加工路径生成算法(例如光栅扫描、环形填充、螺旋填充、分区填充等)的基础上，在相邻的两层或者数层之间，应用移锋处理规则，使得加工时相邻数层之内，能束尖峰相互错开。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明方法在常规的层内加工路径生成算法的基础上，通过增设移锋加工参数，对各层加工区域进行移锋扫描填充，将移锋周期内各层扫描线中心错开一定距离，使得加工时能束尖峰错开，增强了加工过程能量分布均匀性。

(2)本发明方法通过相邻层加工路径的移锋，改善了高能束加工过程的能量分布，能提高各层加工精度和质量。对于增材制造有利于改善成形精度和提高材料组织性能一致性，减小气孔和缺陷；对于铣削加工，有利于提高铣削精度和减小表面粗糙度。

(3)本发明方法提出的是一种高能束移锋加工路径规划方法，可以广泛应用到已有的光栅扫描、环形填充、螺旋填充、分区填充等层内加工路径生成算法之上，通过软件算法升级，在不显著增加数据运算量的情况下，大幅度提高高能束制造系统的加工工艺性能。

(4)本发明方法突破层内加工路径规划研究局限，从多层加工路径规划入手，提出一种高能束移锋加工路径规划方法，可大幅提高多层增材或减材加工质量和精度，在高能束加工领域具有广泛应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例提供的高能束移锋加工路径规划流程图；

图2为本发明实施例高能束加工区域三维模型分层切片示意图；

图3为本发明实施例提供的高能束移锋加工路径与常规加工路径对比图，图3中(a)为高能束常规加工路径图，图3中(b)为高能束移锋加工路径图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明针对高能束加工中能量分布不均匀的特点，提出一种在多层扫描路径生成时，应用移锋处理规则，使得加工时相邻数层之内，高能束尖峰相互错开，从而改善加工过程中的能量分布，能提高各层加工精度和质量。对于增材制造有利于改善成形精度和提高材料组织性能一致性，减小气孔和缺陷；对于铣削加工，有利于提高铣削精度和减小表面粗糙度。

所述移锋处理规则是指在生成待加工各层的填充扫描路径时，在相邻数层之内，有意将高能束扫描路径的中心线即功率最高的位置，相互偏移一定量，就像将激光刀的刀锋移动一定位置，从而改善加工过程中的能量分布。

图1为本发明实施例提供的高能束移锋加工路径规划流程图，如图1所示，本发明提供的一种高能束移锋加工路径规划方法，包括下列步骤：

(1)首先对高能束加工区域三维模型进行分层切片。对于一定高度的增材制造和一定深度的减材制造，加工区域都可以通过三维模型进行表达，生成高能束加工路径的数据处理的第一步，是对三维模型进行切片分层，如图2，图2为本发明实施例高能束加工区域三维模型分层切片示意图。对于增材制造，待加工的三维模型是要制造得到的物体模型，根据每一层的制造高度进行分层；对于铣削减材加工，待加工的三维模型是要铣削去除的区域，根据每一层的铣削深度进行分层。对于简单的模型例如等宽度的方块或者沟槽加工，可以无需三维模型，直接在程序中根据长宽高参数自动生成待加工各层数据。

(2)设置移锋加工路径规划参数。常规的层内加工路径生成算法只需要设置扫描填充间距参数，如图3所示，图3为本发明实施例提供的高能束移锋加工路径与常规加工路径对比图，图3中(a)为高能束常规加工路径图，图3中(b)为高能束移锋加工路径图。实线为扫描路径，路径之间间隔为d0，每一层均按照一样的位置进行扫描路径填充。本发明提出的移锋加工路径规划，需要增设层间移锋加工参数，包括移锋周期n和移锋偏移di(i＝1..n-1)。移锋周期是指一个移锋加工周期内包括的层数量，如图3(b)中移锋周期n＝3，实际应用中可以根据需要设置n为2、4、5或者其他更大的正整数。移锋偏移则指移锋周期内各层生成扫描路径时，相对于移锋周期内第一层扫描路径增加一个小于扫描填充间距参数的偏移量，如图3(b)中d1,d2。移锋周期层数内的各层可以分别指定不同的能束路径中心移锋偏移值。

(3)生成移锋周期内首层加工路径。采用常规的层内加工路径生成算法，例如光栅扫描、环形填充、螺旋填充、分区填充等，根据设置的扫描填充间距，对第一层加工区域进行扫描填充，获得第一层所有扫描加工路径，如图3(b)中层1；

(4)生成移锋周期内后续各层移锋加工路径。继续生成后续待加工层加工路径，在常规的层内加工路径生成算法(例如图3(a)所示光栅扫描，还包括环形填充、螺旋填充、分区填充等)基础上，根据移锋加工路径规划参数，对后续各层加工区域进行移锋扫描填充，使得移锋周期内各层扫描线，按照指定移锋偏移量移动一定距离，如图3(b)层2中d2,层3中d3。

(5)重复步骤(3)(4)，生成所有层的扫描加工路径。

以上所述为本发明应用于常规填充算法之一的光栅填充算法的一个具体实施例而已，但本发明不局限于该实施例和附图所公开的内容。

本发明核心思想是在多层增材或者减材能束加工中，生成分层扫描加工路径时，应用移锋处理规则，使得加工时相邻数层之内，高能束尖峰相互偏移一定量，从而改善加工过程中的能量分布，进而提高整体加工精度和质量。

具体的，对于增材制造有利于改善成形精度和提高材料组织性能一致性，减小气孔和缺陷；对于铣削加工，有利于提高铣削精度和减小表面粗糙度。所述方法在实际应用中可以应用于环形填充、螺旋填充、分区填充等各种层内加工路径生成算法，应用领域包括激光、离子束、电子束、电弧等高能束增、减材及其复合加工领域。这些应用方案都属于本发明思想的具体实施。所以凡是不脱离本发明所公开的思路而仅做局部调整或修改完成的方法或装置，都落入本发明的保护范围。

本发明中提到的高能束包括激光、电弧、离子束、电子束等，增材、减材制造技术既包括厘米级、米级宏加工，也涵盖微米级、纳米级微加工领域。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡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保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高能束移锋加工路径规划方法，其特征在于，在生成待加工各层的填充扫描路径时，在相邻数层之内，将高能束扫描路径中功率最高的位置相互偏移设定量，从而改善加工过程中的能量分布，进而提高增材制造或者减材制造过程中加工质量和精度，其包括如下步骤：

(1)对加工模型进行分层，对于增材制造，将待加工的三维模型按照每一层的制造高度进行分层；对于铣削减材加工，将待加工的三维模型按照每一层的铣削深度进行分层；对于结构简单而无需三维模型的，直接在程序中根据长、宽、高参数自动生成待加工各层数据；

(2)设置移锋加工路径规划参数，除层内加工路径生成算法的扫描填充间距参数之外，增设层间移锋加工参数，包括移锋层数和移锋偏移，

移锋层数是指一个移锋加工周期内包括的加工层数量，移锋偏移则指移锋周期内各层生成扫描路径时，相对于移锋周期内第一层扫描路径增加一个小于扫描填充间距参数的偏移量；

(3)生成移锋周期内首层加工路径，采用层内加工路径生成算法根据设置的扫描填充间距，对第一层加工区域进行扫描填充，获得第一层加工路径信息，所述加工路径生成算法包括光栅扫描、环形填充、螺旋填充、分区填充；

(4)生成移锋周期内后续各层移锋加工路径，在层内加工路径生成算法基础上，根据移锋加工路径规划参数，对后续各层加工区域进行移锋扫描填充，使得移锋周期内各层同一(x，y)坐标处的扫描线按照指定移锋偏移量移动设定距离，以错开能束尖峰；

(5)重复步骤(3)和步骤(4)，直到完成所有层的加工路径生成。

2.如权利要求1所述的一种高能束移锋加工路径规划方法，其特征在于，步骤(2)中，在一个移锋周期的各层能分别指定不同的能束中心移锋偏移值。

3.如权利要求2所述的一种高能束移锋加工路径规划方法，其特征在于，步骤(4)中，所述层内加工路径生成算法包括光栅扫描、环形填充、螺旋填充和分区填充。