一种三维曲面激光刻蚀方法与流程

本发明涉及激光加工刻蚀领域，具体涉及一种三维曲面激光刻蚀方法，该方法利用二维扫描振镜及机床五轴联动功能进行激光三维曲面刻蚀加工，应用于航天、电子、光学器件等领域。

背景技术

现代产品中，越来越多的大型曲面零件需要对其表面进行加工，尤其体现在航空航天、微电子等领域，为了满足一些特殊的功能要求，需要在某些零部件表面加工出复杂的表面纹理，例如航空卫星天线罩、飞机雷达天线罩的微结构刻蚀以及模具型腔的三维纹理蚀纹等，如何高效高精度的在三维曲面上加工出理想的表面纹理对当今的加工制造能力提出了新的要求。

激光加工技术作为一项先进的制造技术，其能量密度高、准直性好、聚焦光斑往往能够达到微米级精度。因此，以特定的激光加工头代替传统机械加工中的刀具，利用聚焦激光高能量的特点，通过多轴电机的三维插补定位功能，对空间曲线或曲面的扫描标刻，实现材料的改性或移除已经成为高精度加工领域的一项重要手段。

五轴联动的激光数控设备已经在国外得到了广泛应用。德国dmg公司目前在dmu系列数控加工中心上集成了表面激光纹理加工技术，实现了在同一台机床上进行铣削与激光加工。该机床使用激光聚焦加工头配合五轴联动的控制方式使出射光束到达复杂工件表面的加工区域，激光头通过hsk刀柄安装在机床上，一次装夹即可完成模具的纹理加工。瑞士阿奇夏米尔公司的laserp1200u是一台专用的激光加工设备，它使用激光头直接聚焦光束并作用于工件表面上，通过五轴联动的运动方式实现高效和可重复的纹理加工、雕刻以及微结构化处理，并对物体做复杂的二维或三维标刻。以上所述加工方式均以传统五轴插补的运动方式实现曲面零件的表面纹理刻蚀，加工效率较低，加工精度受限于五轴插补的精度。

国内目前在激光三维曲面刻蚀领域还没有成套的激光五轴联动数控机床，因此对于开展如何在三维曲面尤其是大尺寸的零件上，加工出高质量纹理的研究是非常有必要的，能够对航空航天、微电子、模具等领域起到一定的推动作用。

深圳市海目星激光科技有限公司的陈良辉等人对三维曲面激光加工技术进行了研究，通过曲面纹理映射以及曲面分块加工等技术手段实现模具表面复杂纹理的激光刻蚀，但是由于其采用的曲面纹理映射技术只适用于可参数化展开的曲面零件，对于曲率较大、形状复杂的曲面不可适用。

华中科技大学曹宇等人提出了“一种适用于复杂曲面的激光加工方法及装置”，专利号为cn102151984b。该方法通过对曲面零件的分块处理并对各分块区域沿中心点法矢方向平行投影，并将所得到的发送到扫描振镜系统，然后利用机床五轴联动对曲面各个分块区域依次定位实现各个区域的激光扫描，最终完成整个零件的加工。该刻蚀系统使用的方法相比激光五轴插补的方式实现纹理的加工来说，无论在效率还是在精度上都要高很多，但是该方法也存在一些缺陷：1、只能针对已经具有待加工的表面纹理特征的零件，这样就无疑增大了零件表面纹理的设计难度，当纹理发生变化时也会大大限制零件的柔性化制造。2、零件由于加工需要，尤其是大尺寸零件在加工时，不可避免的会遇到零件(或扫描振镜)旋转或偏摆的问题，由此而导致加工出的图形会产生角度变化，从而无法得到准确的纹理图形。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有三维曲面激光加工方法只能针对已经具有待加工表面纹理特征的零件，加工出的图形会产生角度变化，从而无法得到准确纹理图形的问题，提出了一种激光三维曲面刻蚀方法，该方法包含了零件表面纹理映射、曲面图形纹理分割、投影方向的角度计算、曲面图形的平面投影等关键技术，通过这些关键技术可实现曲面零件的纹理设计及激光三维曲面纹理刻蚀。

本发明的技术方案是：

一种三维曲面激光刻蚀方法，包括以下步骤：

1)将二维图形映射到三维曲面模型的对应位置；

2)根据扫描振镜的加工区域及激光焦深进行图形分割，并计算出各分割区域的中心点法矢坐标；

3)确定出扫描振镜在各个分割区域的加工轨迹；

3.1)机床ac轴分别围绕x轴及z轴旋转，根据旋转量得到对应的旋转矩阵，通过旋转矩阵计算得到旋转后的扫描振镜坐标系，在旋转后的扫描振镜坐标系中得到待加工图形的各个点坐标；

3.2)通过待加工图形上的各个点坐标得到转换坐标系后的曲面图形；

3.3)以步骤2)确定的法矢点坐标为坐标原点，矢量方向为投影坐标系的z方向，当前加工区域的扫描振镜坐标系xy方向作为投影坐标系的xy方向，依照该投影方向将曲面图形投影为平面图形，得到的平面图形即为扫描振镜加工轨迹；

4)将步骤2)得到的中心点法矢坐标作为机床五轴运动的目标点位置，将步骤3)得到的扫描振镜加工轨迹作为每个分割区域的加工图形行扫描加工，完成曲面零件的激光刻蚀加工。

进一步地，步骤3.1)具体为

设扫描振镜坐标系ocxcyczc上原点及代表xyz轴坐标正方向的单位矢量分别为po、px、py、pz，机床ac轴分别围绕x轴及z轴旋转，其旋转量分别为α、γ，对应的旋转矩阵分别为

由上述旋转矩阵计算出机床ac轴运动后的扫描振镜坐标系oc′xc′yc′zc′，各轴坐标的单位矢量分别为po′、px′、py′、pz′，则待加工点的坐标为：′

进一步地，步骤1)具体包括以下步骤：

1.1)根据被映射二维图形的尺寸，将三维曲面模型划分为多块贴图区域，每块贴图区域均包含一个贴图中心点和贴图坐标系；

所述贴图坐标系是以贴图中心点所在区域的法向矢量为坐标系z轴，坐标系x轴所在的直线与三维曲面模型坐标系的xy平面平行，坐标系的y轴通过z轴与x轴的矢量叉乘确定；

1.2)将被映射的二维图形通过各个贴图中心点位置以及贴图坐标系分块投影到三维曲面模型上。

进一步地，步骤2)具体包括以下步骤：

2.1)区域分割：对三维曲面模型按照扫描振镜的加工范围以及激光焦深条件进行分割区域的划分，找到每一个分割区域内所属的多个三角面片；

2.2)边界搜索：根据步骤2.1)找到的三角面片，搜索三角面片的外围边，所述外围边即为该分割区域的边界；

2.3)平面参数求取：根据步骤2.2)得到边界，计算出该分割区域的中心点坐标，根据该中心点坐标搜索中心点所在的三角面片，并以该三角面片的法向量作为该分割区域的中心点法矢坐标。

进一步地，步骤4)具体包括以下步骤：

4.1)五轴机床控制扫描振镜运行到待加工区域的法矢点处，将扫描振镜的工作坐标系的z轴方向与法矢量方向重合；

4.2)按照步骤3)得到的扫描振镜的加工轨迹作为每个分割区域的加工图形进行扫描加工；

4.3)五轴机床控制扫描振镜移动到下一个加工区域；

4.4)重复4.1)至4.3)，直到整个零件加工完成。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明方法通过获取ac轴旋转变化而发生振镜坐标系角度的改变量，从而得到当ac轴旋转后振镜在机床上的实际角度姿态，以此纠正了由于扫描振镜旋转或偏摆而导致的原加工图形与实际图形角度偏差的问题，提高了激光加工的准确性。

2.本发明方法基于分块投影的纹理映射方法可适用于任意曲率的曲面零件，其零件设计的柔性化程度高，可根据需要任意变更纹理图形，并且解决了加工过程中由于零件或扫描振镜的旋转而导致的纹理图形的角度改变问题。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为现有激光加工设备结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：

本发明设备为现有激光加工设备，主要由激光器、二维扫描振镜以及xyzac五轴联动数控机床等部件组成。本方法通过xyzac轴的五轴运动使二维扫描振镜在加工之前实现被加工零件上各种位置及角度的定位，然后开启激光完成加工区域的扫描刻蚀。由于扫描振镜的加工区域有限，若被加工零件较大，扫描振镜一次只能加工零件的部分区域，因此对于大幅曲面零件的加工，需要将扫描振镜根据加工区域依次定位、扫描，直至整个零件完成加工。

本发明三维曲面激光刻蚀方法如下，首先，将平面纹理映射到三维曲面模型上完成待加工零件的纹理设计；其次，根据扫描振镜加工区域以及激光焦深进行图形分割，并计算出各个分割区域的中心点法矢坐标；再次，根据具体的结构形式得到在各个分割区域中扫描振镜的姿态，从而得到各分块曲面片的投影坐标系，根据该坐标系将各个曲面片投影成供扫描振镜加工的平面图形；最后，根据各分割区域的中心点法矢坐标、平面投影图形生成五轴机床以及扫描振镜的加工程序，通过该程序完成曲面零件的激光刻蚀加工。

如图1所示，本发明三维曲面激光刻蚀方法具体包括以下步骤：

1)将二维图形映射到三维模型对应位置；

本步骤可简称为“贴图”过程，需根据stl三维模型的贴图点位及选定的坐标系将被加工的阵子图形映射到模型中，stl是用于表示封闭的曲面或者体的文件，该文件用三角形网格或者二进制形式来表示，在本发明方法中仅讨论三角形网格这种表示形式；

1.1)在“贴图”之前首先根据被“贴图”的平面图形的尺寸，将stl格式的三维模型的划分为多块“贴图”区域，在每块区域中都包含了一个贴图中心点以及“贴图”坐标系，贴图中心点指的贴图区域的几何中心，其中“贴图”坐标系是以贴图中心点的所在区域的法向矢量为该坐标系的z轴，坐标系x轴所在的直线与三维模型坐标系的xy平面平行，且方向可人为设定，坐标系的y轴通过z轴与x轴的矢量叉乘确定；

1.2)将要“贴图”的平面图形按照各个“贴图”中心点位置以及“贴图”坐标系这两个约束条件分块投影到三维曲面模型上；

2)根据扫描振镜加工区域以及激光焦深进行图形分割；

待加工平面图形投影到三维曲面模型之后，需要对模型按照扫描振镜的加工范围以及激光焦深的原则进行加工区域的划分，并在此后计算出加工区域的法矢坐标，这里主要包含三个步骤：区域分割、边界搜索和平面参数求取；

2.1)区域分割：根据扫描振镜的加工范围和焦深等限制条件进行分割区域的划分，找到每一个小区域内所属的多个三角面片；

2.2)边界搜索：根据分割过程找到的三角面片，搜索这些三角面片的哪些边是外围的边，也就是三角面片的哪些边是该区域的边界；

2.3)平面参数求取：根据边界搜索过程中找到的边界，计算出该分割区域的中心点坐标，根据该中心点坐标搜索中心点所在的三角面片，并以该三角面片的法向量作为该分割区域的法向量；

3)确定出扫描振镜在各个分割区域的加工轨迹；

加工区域分割完成后，由于扫描振镜存在自身的平面坐标系，当机床五轴联动时由于ac轴的旋转和摆动，导致扫描振镜坐标系也随之发生改变，为了保证加工图形的正确性，在得到各个加工区域的中心点法矢坐标后，还需要确定出扫描振镜在各个加工区域的姿态。

3.1)扫描振镜在加工前需要将曲面图形投影为平面图形用来加工，而扫描振镜(零件)的运动姿态是随着五轴数控机床的运动而变化的，为满足扫描振镜在不同姿态下都能正确的加工二维图形，需要对各个分块区域的投影坐标系进行计算，在图形做平面投影之前首先通过机床五轴的轨迹计算得出扫描振镜在每个加工区域的角度值，并根据该角度值计算出投影的方向，计算方法如下：

设扫描振镜坐标系ocxcyczc上原点及代表xyz轴坐标正方向的单位矢量分别为po、px、py、pz，并且由于机床的xyz轴平移对于振镜加工的图形方向不影响，因此此处仅考虑ac轴的旋转，投影方向角度的确定可根据各个区域中心点法矢坐标以及机床五轴的结构形式得出扫描振镜在各个法矢点的角度变化，从而得到各个分块图形的投影方向；机床ac轴分别绕着x轴及z轴旋转，并设其旋转量分别为α、γ,因此其对应的旋转矩阵分别为

由上述旋转矩阵可计算出机床ac轴运动后的扫描振镜坐标系oc′xc′yc′zc′，其各轴坐标的单位矢量分别为po′、px′、py′、pz′，如机床的ac轴分别旋转α、γ，其最终坐标为：

3.2)待加工图形的各个点坐标均由式(8)计算求出，通过待加工图形上的各个点坐标即可得到转换坐标系后的曲面图形，由此解决了扫描振镜坐标系在加工中出现的旋转问题；

3.3)以步骤3.2)确定的法矢点xyz坐标为坐标原点，矢量方向为投影坐标系的z方向，当前加工区域的扫描振镜坐标系xy方向作为投影坐标系的xy方向，依照该投影方向将曲面图形投影为平面图形，该平面图形即为扫描振镜的加工轨迹；

4)生成加工路径及五轴运动程序，完成曲面零件的激光刻蚀加工；

待加工零件通过以上处理后还需要按照各个分割区域的法矢点坐标规划加工轨迹并生成相应的加工程序，在此之后启动数控设备完成零件的加工，其主要工作流程为：

4.1)五轴机床控制扫描振镜运行到待加工区域的法矢点处，将扫描振镜的工作坐标系的z轴方向与法矢量方向重合；

4.2)按照步骤3)得到的扫描振镜的加工轨迹作为每个分块区域的加工图形进行扫描加工；

4.3)五轴机床控制扫描振镜移动到下一个加工区域；

4.4)重复4.1)至4.3)，直到整个零件加工完成。

如图2所示，本发明方法实施例所采用系统由龙门定柱机床及五轴运动机构、激光器、冷水机、光路传输系统、扫描振镜加工头、烟雾净化器和数控系统等模块组成。

龙门定柱机床及五轴运动机构，床身结构采用龙门定柱结构，x轴驱动工作台做纵向移动，y轴在龙门横梁上驱动激光器及光路传输系统做横向运动，z轴在y轴滑板上做横向运动，c轴和a轴安装在z轴下端做垂直方向运动，扫描振镜加工头安装在a轴前端。

激光器包括一台飞秒激光器和一台纳秒激光器，波长为1064nm，激光束经过光路传输系统将能量会聚到复合材料壳体表面，将金属薄膜汽化去除，实现刻蚀加工。冷水机用于冷却激光器，使激光器工作稳定。光路传输系统将激光束精确传导至扫描振镜加工头实现刻蚀加工。

扫描振镜将导入的激光束高效地按照刻蚀图形聚焦到工件表面，实现刻蚀加工，其加工范围可达到100mm*100mm。烟雾净化器去除刻蚀加工过程产生的粉尘。

数控系统包括五轴控制系统、五轴数控系统、图形分块软件、刻蚀软件和仿真模拟软件等。

在本发明实施例中，利用上述激光加工设备及激光三维曲面刻蚀方法，在表面镀铜基底为复合材料的曲面零件上做激光刻蚀，具体过程描述如下：

1)平面纹理到三维曲面模型上的映射；

将dxf格式的平面纹理图形依据拟映射位置的点坐标投影到三维曲面模型上，从而得到具有表面纹理的待加工三维曲面模型，投影的方向可根据需要自行设定；

2)根据扫描振镜加工区域以及激光焦深进行图形分割；

本例程采用扫描振镜系统的扫描范围为100mm×100mm，激光焦深为1mm，根据这两个原则对stl三维曲面模型进行区域分割，并计算出分割区域的中心点法矢坐标(x,y,z,i,j,k)，中心点法矢坐标可根据边界的各点位置坐标(cx,cy,cz)分量的累加和以及边界的条数，得到中心点法矢的三个分量的平均值(cx’,cy’,cz’)，然后通过其所在的三角面片得到该点的i,j,k三个角度分量；

3)计算投影方向的角度，得到扫描振镜加工轨迹；

由于扫描振镜存在自身的平面坐标系，当机床五轴联动时由于ac轴的旋转和摆动，导致扫描振镜坐标系也随之发生改变，为了保证加工图形的正确性，在得到各个加工区域的中心点法矢坐标(x,y,z,i,j,k)后，还需要确定出扫描振镜在各个加工区域的姿态；

投影方向角度的确定可根据各个区域中心点法矢坐标以及机床五轴的结构形式得出扫描振镜在各个法矢点的角度变化，从而得到各个分块图形的投影方向，根据投影出来的平面图形作为扫描振镜的加工轨迹；

4)生成加工路径及五轴运动程序，完成曲面零件的激光刻蚀加工；

由步骤2)得到的中心点法矢坐标作为机床五轴运动的目标点位置，生成机床的运动程序，并将步骤3)得到的扫描振镜的加工轨迹作为每个分块区域的加工图形，其主要工作流程为：

4.1)五轴机床控制扫描振镜运行到待加工区域的法矢点处，将扫描振镜的工作坐标系的z轴方向与法矢量方向重合；

4.2)通过控制系统控制激光器的快门完成当前加工区域的扫描刻蚀；

4.3)五轴机床控制扫描振镜移动到下一个加工区域；

4.4)重复4.1)至4.3)，直到整个零件加工完成。