CN111736531B - 一种面向化铣演变的激光刻型过程的轨迹规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向化铣演变的激光刻型过程的轨迹规划方法，属于激光表面制造技术。其技术要点在于，基于两次化铣演变的化铣零件第二次刻蚀三维数模期望点选取；基于化铣演变的第二次激光刻型位置点选取；化铣零件三维数模第一次激光刻型期望点选取；第一次激光刻型位置点选取；面向规则特征的轨迹规划；面向自由曲线特征的轨迹规划。本发明建立了基于化铣演变的变侵蚀比的激光刻型轨迹规划，有效解决了不同侵蚀比条件/不同化铣深度条件下激光刻型轨迹的智能生成问题，可以更好的保证制造精度提升激光刻型效率，使激光刻型制造加工更加智能化。

Description

一种面向化铣演变的激光刻型过程的轨迹规划方法

技术领域

本发明涉及激光制造领域，特别是涉及一种面向化铣演变的激光刻型过程的轨迹规划方法。

背景技术

随着航空航天飞机机构件的设计了大量的加强筋结构，结构形式越来越复杂。为了解决这些复杂型面零件的加工，航空航天飞机结构件采用了化铣加工工艺。化铣图案的激光刻型是整个机匣化铣工艺流程中的一个关键步骤，是将需化学铣削部分的防护层上刻出设计的图案并实现剥离。目前，国内外广泛使用激光来进行零件化铣图案的激光刻型。

现有激光刻型工艺和方法的主要难点在于：一是加工过程中，由于一般情况下没有考虑化铣侵蚀比对零件的影响，给定的实际加工零件是经过了多次激光刻型化铣后的最终零件，激光刻型过程零件模型一般不直接给出，造成在第一次和第二次激光刻型中的激光刻型点和轨迹的选取困难。二是面向复杂型面的曲线或者以及经过化铣后加强经侧壁复杂结构的轨迹规划难以实现自适应调整。三是现有激光刻型考虑化铣演变时主要针对平面激光刻型，化铣侵蚀比的缩放简单，无法解决曲面信息的缩放问题。

因此，研发一种面向化铣演变的激光刻蚀过程的轨迹规划方法，成为一个亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种面向化铣演变的激光刻蚀过程的轨迹规划方法，考虑侵蚀比变化的实际激光刻型位置选取、工字型结构多次激光刻型位置点选取及轨迹规划，有效的解决了三维型面和工字型结构的侵蚀比缩放等问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种面向化铣演变的激光刻型过程的轨迹规划方法，零件经过两次“激光刻型—化学铣削”，即“第一次激光刻型--第一次化学铣削--第二次激光刻型--第二次化学铣削”才能实现最终加工成型，两次激光刻型轨迹都需要化学铣削工艺过程侵蚀比参数来进行实际轨迹规划；具体步骤为：

STEP1：基于化铣零件三维数模期望点选取；

读取化铣零件三维数模信息，选取的三维数模期望点，包括位置点坐标信息，位置点所在的边界曲线或曲面信息，根据曲线曲面信息可以计算该点的切矢量和法矢量；期望点可以选择模型上的某一固定位置点，也可以选择三维数模边界曲线，离散后获得激光刻型的期望位置点；

STEP2：基于化铣演变的曲面第一次激光刻型位置点计算：

期望位置点是化学铣削后获得的，激光刻型过程的实际位置点要考虑化铣侵蚀的演变过程，三维曲面第一次激光刻型的实际位置点计算方法为：

1)根据给定的实际激光刻型零件三维数模，选取一次化铣后的三维数模期望点P1、化铣后数模边线AB、第一次化铣侵蚀比k1以及实际需要刻蚀深度h1，其中

b为侧向化铣深度；

2)根据AB边界曲线和所在曲面信息，计算P1点所在曲面的法向量M(a,b,c)，边线AB的切向量N(a',b',c')，可以求得垂直于F法向量和切向量的单位向量

3)在第一次化铣的截面投影信息，在直角坐标系中计算出实际化铣的侧向深度

4)在三维数模中，根据平移坐标变换，可以计算出实际激光刻型位置点P1'＝(P1x,P1y,P1z)＝P1-b1·e＝P1-(k1/h1)·e；

5)根据实际化铣的方向可以确定向量e的正负取值，最终获得实际激光刻型位置点；

6)根据工件坐标系与机床坐标变换矩阵，计算第一次激光刻型过程中实际激光刻型点在工件坐标系或机床坐标系的位置；

STEP3：基于化铣演变的工字型结构第二次激光刻型期望点选取

三维曲面第二次化铣激光刻型是在第一次化铣激光刻型的基础上，沿第一次化铣的棱边侧壁进行第二次激光刻型，通过化学铣削使零件的界面形成工字型结构；工字型加强筋结构期望点选取与STEP1要求相同；

STEP4：基于化铣演变的工字型结构第二次位置点计算

第二次激光刻型期望点是经过两次化学铣削后获得的，激光刻型过程的实际位置点要综合考虑两次化铣侵蚀的演变过程，并且二次化学铣削中，化铣同时向深度、侧壁以及顶层位置化铣；三维曲面第二次激光刻型的工字型结构实际位置点计算方法为

1)已知第一次激光刻型后的加强筋截面参数，第二次激光刻型后的工字型结构理想数模，化铣后数模边线AB、一次化铣侵蚀比

第二次化铣侵蚀比

以及数模中模型期望点P₂；

2)第二次激光刻型是在一次激光刻型的基础上进行位置点的确定，通过2D轮廓仪器可以测量一次激光刻型和二次激光刻型的实际加工加强筋的实际轮廓，两次激光刻型的轮廓基本可以拟合成圆弧，圆弧的圆心O和半径R可以根据拟合计算获得，计算第一次化铣后近似圆弧特征曲线为

和二次化铣后圆弧曲线

3)在工字型结构截面中，已知期望点P₂、圆弧曲线方程和二次化铣侧向和深度侵蚀比

二次化铣深度要求h₂，在直角坐标系中计算出实际化铣的侧向深度

4)根据AB边界曲线和所在一次激光刻型轮廓信息，计算P2点所在加工加强筋的实际轮廓曲面的法向量M2(a2,b2,c2)，边线AB的切向量N2(a2',b2',c2')，可以求得垂直于F法向量和切向量的单位向量

5)根据方向向量e2和第二次化铣后的数模边界圆弧曲线

可以计算圆弧内通过过圆心O₂且垂直于方向向量e2的向量e3以及

上一点p2；

7)在三维数模中，可以计算出实际激光刻型位置点P2'＝(P2x,P2y,P2z)＝p2-b2·e2＝P2-(k2/h2)·e2；

8)根据坐标变换矩阵，计算第二次激光刻型过程中实际激光刻型点在工件坐标系或机床坐标系的位置。

STEP5：面向规则特征的轨迹规划；

根据STEP2和STEP4，可以计算的一系列实际激光刻型位置点，结合零件的数模信息，对于规则曲线所获的位置点，可以插值或拟合成所需要的规则曲线，包括：直线、圆弧、圆柱螺旋线、圆锥螺旋线、相贯线等轨迹；

STEP6：面向自由曲线特征的轨迹规划；

根据STEP2和STEP4计算的一系列激光刻型位置点，对于无法用规则曲线表述曲线，通过最小二乘拟合成多项式曲线、B样条曲线或NURBS曲线。

所述的工字型结构第二次激光刻型的实际位置点确定，通过2D轮廓仪器可以测量第一次激光刻型和第二次激光刻型的实际加工加强筋的实际轮廓，根据实际轮廓信息拟合获得两次化铣的实际轮廓，并计算推导二次化铣的侵蚀比。

本申请的优点：

第一，由上述本发明提供的技术案可以看出，与现有技术相比考虑了化铣演变对于轨迹加工点的选取过程，给出了工字型结构第二次激光刻型位置点选取及轨迹规划，实现了给定刻蚀深度h和侵蚀比k条件下的轨迹规划位置点自动选取，解决了化铣流程中三维复杂曲面以及工字型结构特征的激光刻型中轨迹规划问题；本发明，对工人的经验要求低，并可以的节省大量的工艺编程准备时间，大大提激光刻型过程和零件化铣全流程生产效率。

第二，零件采用二次激光刻型得到，首先根据化铣零件三维数模信息，计算第二次激光刻型的位置点，然后在计算第一次激光刻型的位置点。即，本申请的轨迹计算是倒着来计算的，先是计算第二次、然后计算第一次；根据上述轨迹计算结果，生产时，是根据第一次、第二次的数据来进行生产。也即，轨迹计算与实际生产过程是相反的。

附图说明：

图1为本发明一种复杂型面薄壁化铣件激光刻型工艺和方法流程图。

图2为本发明中基于化铣侵蚀比的激光刻型轨迹选取示意图。

图3为本发明中加强筋位置一次、二次化铣后截面特征。

图4为本发明加强肋一次、二次化铣后截面特征拟合示意图。

图5为本发明中工件坐标与机床坐标位置变换示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有点更加清楚明白，以下结合附图进行详细说明。

一种面向化铣演变的激光刻型过程的轨迹规划方法，如图1所示，包括以下步骤：

STEP1：基于化铣零件的三维数模期望点选取；

读取化铣零件三维数模信息，选取三维数模期望点：

期望点可以选择模型上的任意一固定位置点；或者，期望点也可以选择三维数模边界曲线离散后获得激光刻型的期望点；

读取所述期望点的坐标信息；读取期望点所在的边界曲线或曲面信息，根据曲线曲面信息可以计算得到所述期望点的切矢量和法矢量；

STEP2：基于化铣演变的曲面第一次激光刻型位置点计算；

期望点是化学铣削后获得的，激光刻型过程的实际位置点要考虑化铣侵蚀的演变过程，，如图2左侧所示，三维曲面第一次激光刻型的实际位置点计算方法为：

1)根据给定的实际激光刻型零件三维数模，选取一次化铣后的三维数模期望点P1、化铣后数模边线AB(图2)、第一次化铣侵蚀比k1以及实际需要刻蚀深度h1；

2)根据AB边界曲线和所在曲面信息，计算P1点所在曲面的法向量M(a,b,c)，边线AB的切向量N(a',b',c')，可以求得垂直于法向量和切向量的单位向量

3)在第一次化铣的截面投影信息，在直角坐标系中计算出实际化铣的侧向深度

其中b1为侧向化铣深度，如图4右侧所示；

4)在三维数模中，根据平移坐标变换，可以计算出实际激光刻型位置点P1'＝(P1x,P1y,P1z)＝P1-b1·e＝P1-(k1/h1)·e；

5)根据实际化铣的方向可以确定向量e的正负取值，最终获得实际激光刻型位置点；

6)根据工件坐标系与机床坐标变换矩阵，计算第一次次激光刻型过程中实际激光刻型位置点在工件坐标系或机床坐标系的位置，如图5所示；

STEP3：基于化铣演变的工字型结构第二次激光刻型期望点选取

三维曲面第二次化铣激光刻型是在第一次化铣激光刻型的基础上，沿第一次化铣的棱边侧壁进行第二次激光刻型，通过化学铣削使零件的界面形成工字型结构；工字型加强筋结构期望点选取与STEP1要求相同；

STEP4：基于化铣演变的工字型结构第二次位置点计算

第二次激光刻型期望点是经过两次化学铣削后获得的，激光刻型过程的实际位置点要综合考虑两次化铣侵蚀的演变过程，并且二次化学铣削中，化铣同时向深度、侧壁以及顶层位置化铣，如图3所示；三维曲面第二次激光刻型的工字型结构实际位置点计算方法为：

1)已知一次激光刻型后的加强筋截面参数，第二次激光刻型后的工字型结构理想数模，化铣后数模边线AB、一次激光刻型侵蚀比

第二次激光刻型侵蚀比

以及数模中模型期望点P₂；

2)第二次激光刻型是在一次激光刻型的基础上进行位置点的确定，通过2D轮廓仪器可以测量一次激光刻型和二次激光刻型的实际加工加强筋的实际轮廓，两次激光刻型的轮廓基本可以拟合成圆弧，圆弧的圆心O和半径R可以根据拟合计算获得，并计算第一次化铣后近似圆弧特征曲线为

和二次化铣圆弧曲线

如图3左侧所示；

3)在工字型结构截面中，已知期望点P₂、圆弧曲线方程和二次激光刻型侧向和深度侵蚀比

二次激光刻型深度要求h₂，在直角坐标系中计算出实际化铣的侧向深度

如图4左侧所示；

4)根据AB边界曲线和所在一次激光刻型轮廓信息，计算P2点所在加工加强筋的实际轮廓曲面的法向量M2(a2,b2,c2)，边线AB的切向量N2(a2',b2',c2')，可以求得垂直于法向量和切向量的单位向量

5)根据方向向量e2和第二次化铣后的数模边界圆弧曲线

可以计算圆弧内通过过圆心O₂且垂直于方向向量e2的向量e3以及

上一点p2

1)在三维数模中，可以计算出实际激光刻型位置点P2'＝(P2_x,P2_y,P2_z)＝p2-b2·e2＝P2-(k2/h2)·e2；

2)根据坐标变换矩阵，计算第二次激光刻型过程中实际激光刻型点在工件坐标系或机床坐标系的位置，如图5所示。

STEP5：面向规则特征的轨迹规划；

根据STEP2和STEP4计算的一系列实际激光刻型位置点，结合零件的数模信息，对于规则曲线所获的位置点，可以插值或拟合成所需要的直线、圆弧、圆柱螺旋线、圆锥螺旋线、相贯线等轨迹，如图2中A'B'所示；

其中，以圆柱螺旋线为具体实施例。已知空间位置中两点坐标Q₁＝(x₁,y₁,z₁),Q₂＝(x₂,y₂,z₂)，根据圆柱螺旋线方程

可以分别计算出a，θ₁，θ₂和h，因此可以求得圆柱螺旋线轨迹方程。

STEP6：面向自由曲线特征的轨迹规划；

根据STEP2和STEP4计算的一系列实际激光刻型位置点，对于无法用规则曲线表述曲线，通过最小二乘拟合成多项式曲线、B样条曲线或NURBS曲线。

其中，最小二乘法拟合B样条曲线的实施例

已知，给定一系列激光刻型加工位置点Q_i＝(x_i,y_i,z_i)

根据，p次B样条曲线定义：

采用最小二乘拟合方法，要求逼近误差平方和，如下：

同时，考虑拐点处切矢连续。此时，最小二乘拟合转换为等式约束的最小二乘拟合，即：

因此，可以计算出B样条曲线的控制顶点信息、节点矢量等信息，即为所求得的轨迹曲线方程。

所述的工字型结构第二次激光刻型的实际位置点确定，通过2D轮廓仪器可以测量第一次激光刻型和第二次激光刻型的实际加工加强筋的实际轮廓，根据实际轮廓信息拟合获得两次化铣的实际轮廓，并计算推导二次化铣的侵蚀比。

由上述本发明提供的技术案可以看出，与现有技术相比考虑了化铣演变对于轨迹加工点的选取过程，给出了工字型结构第二次激光刻型位置点选取及轨迹规划，实现了给定刻蚀深度h和侵蚀比k条件下的轨迹规划位置点自动选取，解决了化铣流程中三维复杂曲面以及工字型结构特征的激光刻型中轨迹规划问题；本发明，对工人的经验要求低，并可以的节省大量的工艺编程准备时间，大大提高激光刻型过程和零件化铣全流程生产效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种面向化铣演变的激光刻型过程的轨迹规划方法，其特征在于，包括以下特征：

零件经过两次“激光刻型—化学铣削”，即“第一次激光刻型--第一次化学铣削--第二次激光刻型--第二次化学铣削”才能实现最终加工成型，两次激光刻型轨迹都需要化学铣削工艺过程侵蚀比参数来进行实际轨迹规划；

S1，根据化铣零件三维数模信息，计算第二次激光刻型的结构实际位置点；

S2，计算第一次激光刻型的结构实际位置点；

所述的S1中，其包括以下几个子步骤：

S1.1，化铣零件三维数模期望点选取；

读取化铣零件三维数模信息，选取任意一点作为期望点:包括期望点坐标信息，期望点所在的边界曲线或曲面信息、以及根据曲线曲面信息计算所述期望点的切矢量和法矢量；

S1.2，第二次激光刻型期望点是经过两次化学铣削后获得的，即S1.1中读取化铣零件三维数模信息，第二次激光刻型过程的实际位置点要综合考虑两次化铣侵蚀的演变过程，并且二次化学铣削中，化铣同时向深度、侧壁以及顶层位置化铣；

三维曲面第二次激光刻型的结构实际位置点计算方法为：

1)已知第二次激光刻型后的结构理想数模，即S1.1中的化铣零件三维数模信息，化铣后数模边线AB、一次激光刻型侵蚀比

第二次激光刻型侵蚀比

以及数模中模型期望点P₂；

2)第二次激光刻型是在第一次激光刻型的基础上进行位置点的确定，通过2D轮廓仪器能够测量一次激光刻型和第二次激光刻型的实际加工加强筋的实际轮廓，两次激光刻型的轮廓基本能够拟合成圆弧，圆弧的圆心O和半径R可以根据拟合计算获得，并计算第一次化铣后近似圆弧特征曲线为

和二次化铣圆弧曲线

3)在结构截面中，已知期望点P₂、圆弧曲线方程和二次激光刻型侧向和深度侵蚀比

二次激光刻型深度要求h₂，在直角坐标系中计算出实际化铣的侧向深度

4)根据AB边界曲线和所在一次激光刻型轮廓信息，计算P2点所在的结构的实际轮廓曲面的法向量M2(a2,b2,c2)，边线AB的切向量N2(a2',b2',c2')，可以求得垂直于法向量和切向量的单位向量

5)根据方向向量e2和第二次化铣后的数模边界圆弧曲线

能够计算圆弧内通过过圆心O₂且垂直于方向向量e2的向量e3以及

上一点P2；

6)在三维数模中，能够计算出第二次激光刻型/蚀刻的位置点:

P2'＝(P2_x,P2_y,P2_z)＝p2-b2·e2＝P2-(k2/h2)·e2；

7)根据坐标变换矩阵，计算第二次激光刻型过程中实际激光刻型点在工件坐标系或机床坐标系的位置；

8)期望点选取若干个点，重复S1.2中的1)至7)的步骤，得到第二次激光刻型过程中实际激光刻型点在工件坐标系或机床坐标系的位置。

2.如权利要求1所述的一种面向化铣演变的激光刻型过程的轨迹规划方法，其特征在于，包括以下特征：

所述的S2中，其包括以下步骤：

基于化铣演变的第一次激光刻型位置点计算：

第一次激光刻型的实际位置点计算方法为：

1)根据给定的实际激光刻型零件三维数模，选取一次化铣后的三维数模期望点P1、化铣后数模边线AB、第一次化铣侵蚀比k1以及实际需要刻蚀深度h1，其中

b为侧向化铣深度；

2)根据AB边界曲线和所在曲面信息，计算P1点所在曲面的法向量M(a,b,c)，边线AB的切向量N(a',b',c')，可以求得垂直于法向量和切向量的单位向量

3)在第一次化铣的截面投影信息，在直角坐标系中计算出实际化铣的侧向深度

4)在三维数模中，根据平移坐标变换，可以计算出第二次激光刻型/蚀刻为支点P1'＝(P1_x,P1_y,P1_z)＝P1-b1·e＝P1-(k1/h1)·e；

5)根据实际化铣的方向可以确定向量e的正负取值，最终获得实际激光刻型位置点；

6)根据工件坐标系与机床坐标变换矩阵，计算第一次激光刻型过程中实际激光刻型位置点在工件坐标系或机床坐标系的位置；

7)重复S2中的1)至6)的步骤，得到若干个期望点所对应的的第一次实际激光刻型位置点。

3.如权利要求2所述的一种面向化铣演变的激光刻型过程的轨迹规划方法，其特征在于，

还包括以下步骤：

面向规则特征的轨迹规划；

根据S1和S2中计算的一系列实际激光刻型点位置，结合零件的数模信息，对于规则曲线所获的位置点，通过插值或拟合成所需要的直线、圆弧、圆柱螺旋线、圆锥螺旋线、相贯线轨迹。

4.如权利要求3所述的一种面向化铣演变的激光刻型过程的轨迹规划方法，其特征在于，

还包括以下步骤：

面向自由曲线特征的轨迹规划；

根据S1和S2计算的一系列实际激光刻型点位置，通过最小二乘拟合成多项式曲线、B样条曲线或NURBS曲线。

5.一种工字型结构的激光刻型方法，其特征在于，采用如权利要求4所述的一种面向化铣演变的激光刻型过程的轨迹规划方法，实现零件界面工字型结构加工。

6.如权利要求5所述的一种工字型结构的激光刻型方法，其特征在于，第二次化铣激光刻型是在第一次化铣后零件的基础上，沿第一次化铣的棱边侧壁进行第二次激光刻型，通过化学铣削使零件的界面形成工字型结构。

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