CN111324955B - 一种自由曲面激光切削加工的方法 - Google Patents

Abstract

一种自由曲面激光切削加工的方法属于激光加工技术领域。本发明包含一种网格模型数据结构拓扑优化的方法，解决了多个网格曲面公共顶点重复记录导致激光重复出光的问题；一种网格模型几何信息拓扑优化的方法，解决网格畸形、法相相反、共边、相交等问题；包含一种曲面型腔切削焦点轨迹规划规则，该规则可对曲面型腔进行轨迹规划。本发明与现有技术相比，可对材料进行大面积、高深度、任意曲率、连续光滑的自由曲面进行高精度直接切削加工，不受切削材料、切削尺寸的限制。本发明操作简单，使用可靠。

Description

一种自由曲面激光切削加工的方法

技术领域

本发明涉及一种自由曲面激光切削加工的方法，属于激光加工技术领域。

背景技术

自由曲面指表面形状不能被连续加工的，具有传统加工成型的任意性特点的曲面。自由曲面表达的产品具有很高的自由度和优良的空气动力学、流体动力学以及热力学性能等，广泛应用于航空、汽车、轮船等重要领域。但是由于其精度要求高且难以采用数学表达式精确表示，因此，自由曲面加工一直是当今加工领域一大难题。传统的自由曲面加工采用多轴联动数控机床，配备金刚石或合金刀具进行铣削,由于自由曲面的复杂性，刀具轨迹规划存在很多困难，加工过程需要反复调整规划参数，高成本加工之外，受铣刀自身尺寸的限制，能够达到的特征尺度非常有限，对于实际加工需求及尺度要求往往无法满足。同时，接触式的刀具机械切削对象有限，对于如硬质合金、陶瓷、单晶硅等硬脆性难加工材料基本无法胜任。激光切削可以不受刀具及材料限制，但常规激光切削加工通过控制激光束对同一图案进行反复扫描，一层一层烧蚀(或称剥离)材料以达到一定的尺寸要求，对待自由曲面加工，则需要配以高速或连续变化的焦平面调整，尚无法达到这样的硬件条件。激光三维内雕可以在透明材料内部形成三维图案，这只是利用激光对材料的爆轰点刻蚀，叠加出三维刻蚀图案，不是材料的有效去除，更难以实现面状材料的切削，且材料仅局限于透明材料。

发明内容

为了克服上述，本发明提出一种自由曲面的激光切削方法，包括网格模型的数据结构拓扑优化方法，网格模型几何信息拓扑优化方法和激光焦点轨迹生成方法。

本发明所述方法所使用的网格模型由Solidworks，Pro/Engineer等建模软件建立，并以STL网格模型储存。

上述方法所述的网格模型数据结构拓扑优化方法，其特征在于，每个顶点不仅包含对应的三维坐标信息，同时寄存顶点法矢信息；顶点、边、面可相互直接索引，读取某一顶点时，可直接索引对应的边和面信息；读取某条边或某个面时，可直接索引对应的顶点和面或边的信息，对相同的几何信息(顶点的三维坐标和网格面片的公共边)只存储一次。通过以上方法，解决网格模型顶点、边、面数据信息重复记录的问题。

上述方法所述的网格模型几何信息拓扑优化方法，其特征在于，调控网格模型的弦差，改变网格面片的数量，解决网格畸形、法相相反、共边、相交等问题，但并不仅限于解决以上问题。具体的，设网格面片T的外切圆半径为R，最短边长度为L_min，则当时，为最优网格质量。但在实际优化中，需兼顾计算机数据处理时间和内存消耗，对L_min和R的比值进行取值，完成网格模型几何信息拓扑优化。

上述方法所述的激光焦点轨迹生成的方法，其特征在于，对激光焦点实时控制，焦点轨迹生成规则描述如下：

1)将自由曲面网格模型分为若干切片，初始化边表中各边的状态标志F，将所有边的标志均设置为零，即F＝0；2)遍历所有边，查找与切平面相交的网格，P₁，P₂为切平面与网格的交点，将满足P₁·z≤Z＜P₂·z或者P₁·z＞Z≥P₂·z，z的边的标志设为1，即F＝1；3)遍历边表，将搜索到的第一条F＝1的边作为切片的起始边；4)建立用于存放轮廓交点的环链表，求得切平面与起始边的交点，并将交点加入此表；5)根据邻接边表查找此边伙伴边所在的网格，即邻接网格；6)找到此邻接网格中标志F＝1的边，首先判断该边是否是该环的起始边，若是则表明该环计算完毕，转7)；否则求得交点，将交点加入该环的链表，并将此边的标志F设为0，然后转5)。7)继续在边表中搜索F＝1的边，若发现则表明下一个环的起始边找到，然后转4)；否则转8)；8)结束该层切片。增加一个切片层高，首先判断整个模型是否切片完成，若是转9)；否则转2)，继续下一层的切片；9)结束切片。

所述的网格模型数据结构拓扑优化方法，其特征在于，每个顶点不仅包含对应的三维坐标信息，同时寄存顶点法矢信息。

所述的网格模型数据结构拓扑优化方法，其特征在于，顶点、边、面可相互直接索引，读取某一顶点时，可直接索引对应的边和面信息。

所述的网格模型数据结构拓扑优化方法，其特征在于，读取某条边或某个面时，可直接索引对应的顶点和面或边的信息。

所述的网格模型数据结构拓扑优化方法，其特征在于，对相同的几何信息(顶点的三维坐标和网格面片的公共边)只存储一次。

所述的网格模型几何信息拓扑优化方法，其特征在于，调控网格模型的弦差，改变网格面片的数量，解决网格畸形、法相相反、共边、相交等问题，但并不仅限于解决以上问题。

假设边的两个端点分别为P₁(x₁,y₁,z₁)、P₂(x₁,y₁,z₁)则这条边在空间的直线方程：

设切平面方程为z＝z₀，则两式交点的切平面坐标：

切平面与网格的某条边平行且刚好与此边重合或者三角形由于此边两个端点的Z坐标相等，但当z₁＝z₂时，无法由以上式求得交点的坐标，实际上交点的个数是无穷解，三角形的另外两条边来求交点，将确定边集的搜索条件设置为：

P₁·z≤Z＜P₂·z或者P₁·z＞Z≥P₂·z，

将两个端点Z坐标相等的边排除在外。

本发明与现有技术相比，可对材料进行大面积、高深度、任意曲率、连续光滑的自由曲面进行高精度直接切削加工，不受切削材料、切削尺寸的限制。

附图说明

图1是说明书实施例的参数模型；

图2是说明书实施例的参数模型转存的网格模型；

图3是说明书实施例数据结构拓扑前后网格对比；

图4是说明书实施例几何信息拓扑前后网格模型对比；

图5是说明书实施例自由曲面切削激光焦点轨迹；

图6是说明书实施例氧化铝陶瓷自由曲面的切削结果。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

本发明所选用切削材料为氧化铝陶瓷，使用的激光器为纳秒激光器，其完整的自由曲面激光切削过程如下：

(1)建立自由曲面参数模型，如图1所示，并以STL网格模型进行存储，如图2所示；

(2)对网格模型数据结构进行拓扑优化——拓扑后的网格模型每个顶点不仅包含对应的三维坐标信息，同时寄存算法计算的顶点法矢信息；顶点、边、面可相互直接索引，读取某一顶点时，可直接索引对应的边和面信息；读取某条边或某个面时，可直接索引对应的顶点和面或边信息。网格拓扑前后点、边、面对比如图3所示。

(3)对网格模型几何信息进行拓扑优化——调控网格模型的弦差，本实施例采取的比值，对网格模型进行几何信息优化，解决网格畸形、法相相反、共边、相交等问题。几何信息拓扑优化后的网格模型如图4所示。

(4)所述的轨迹生成方法：1)、2)……8)、9)，生成自由曲面激光切削焦点轨迹，第1层、10层、18、27层的激光焦点轨迹如图5。

(5)使用纳秒激光对拓扑优化后的模型，采用步骤(5)焦点轨迹完成氧化铝陶瓷自由曲面的切削，切削加工结果如图6所示。

Claims (6)

1.一种自由曲面激光切削加工的方法，其特征在于，包括网格模型的数据结构拓扑优化方法，网格模型几何信息拓扑优化方法，激光焦点轨迹生成方法；

激光焦点轨迹生成方法具体如下：

1)将自由曲面网格模型分为若干切片，初始化边表中各边的状态标志F，将所有边的标志均设置为零，即F＝0；

2)遍历所有边，查找与切平面相交的网格，P₁，P₂为切平面与网格的交点，将满足P₁·z≤Z＜P₂·z或者P₁·z＞Z≥P₂·z，z的边的标志设为1，即F＝1；

3)遍历边表，将搜索到的第一条F＝1的边作为切片的起始边；

4)建立用于存放轮廓交点的环链表，求得切平面与起始边的交点，并将交点加入此表；

5)根据邻接边表查找此边伙伴边所在的网格，即邻接网格；

6)找到此邻接网格中标志F＝1的边，首先判断该边是否是环的起始边，若是则表明该环计算完毕，转7)；否则求得交点，将交点加入该环的链表，并将此边的标志F设为0，然后转5)；

7)继续在边表中搜索F＝1的边，若发现则表明下一个环的起始边找到，然后转4)；否则转8)；

8)结束该层切片；增加一个切片层高，首先判断整个模型是否切片完成，若是转9)；否则转2)，继续下一层的切片；

9)结束切片。

2.根据权利要求1所述的一种自由曲面激光切削加工的方法，其特征在于，网格模型数据结构拓扑优化方法中，每个顶点不仅包含对应的三维坐标信息，同时寄存顶点法矢信息。

3.根据权利要求1所述的一种自由曲面激光切削加工的方法，其特征在于，网格模型数据结构拓扑优化方法中，顶点、边、面能相互直接索引，读取某一顶点时，直接索引对应的边和面信息。

4.根据权利要求1所述的一种自由曲面激光切削加工的方法，其特征在于，网格模型数据结构拓扑优化方法中，读取某条边或某个面时，直接索引对应的顶点和面或边的信息。

5.根据权利要求1所述的一种自由曲面激光切削加工的方法，其特征在于，网格模型数据结构拓扑优化方法中，对相同的几何信息只存储一次。

6.根据权利要求1所述的一种自由曲面激光切削加工的方法，其特征在于，网格模型几何信息扑优化方法中，调控网格模型的弦差，改变网格面片的数量，解决网格畸形、法相相反、共边、相交。