[發明專利]一種自由曲面上的投影式激光刻蝕方法

有效

• 申請號: 201010115968.0
• 申請日: 2010-02-26
• 公開（公告）號: CN101786200A
• 公開（公告）日: 2010-07-28
• 發明（設計）人: 曹宇;曾曉雁;段軍
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B23K26/00
• 分類號: B23K26/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于激光超精密加工、自由曲面零件制造技術領域，涉及一種 在自由曲面零件表面上進行精密刻蝕加工方法。

背景技術

在機械工業和電子工業領域，經常需要在已經成型的自由曲面零件表 面上再進行精密刻蝕加工，如在曲面表層雕刻三維紋理圖案或刻蝕密布淺 溝槽，可以獲得美觀、耐磨或特殊電磁學特性等效果。但由于自由曲面是 一種不規則的、非回轉型的、不可展的曲面，一般很難用數學方程精確地 描述，通常采用一系列離散型值點，即離散點云模型進行描述。其中，點 云數據可以直接來自于在CAD/CAM系統中對自由曲面模型進行離散化獲 得，或者通過自由曲面零件的反求工程技術獲得，如通過三坐標測量機 (CMM)、激光線結構光掃描系統、投影光柵測量系統及工業CT等測量零 件表面，均可獲得自由曲面的離散點云模型[文獻：基于激光測量的自由曲 面數字制造基礎技術研究，李劍，浙江大學博士學位論文，2001]。

目前，自由曲面上的刻蝕加工方法主要是依靠多軸聯動數控機床的逐 點可控數字化加工技術。如專利申請號為200910028286.3、發明名稱為“五 軸聯動數控加工中心”的中國專利文獻，利用五軸聯動數控機床同時具有五 個方向的自由度(X、Y、Z方向再加上兩個回轉方向)，刀具可始終保持和 工件表面垂直，從而原理上可以實現在自由曲面零件表面上加工任意圖形。 但利用五軸聯動數控機床對自由曲面表面二次加工時，需要保證刀具始終 位于加工位置的法線方向，因此必須事先計算獲得曲面表面每一個加工位 置的近似參數曲面方程和法線方向，在高精度加工情形下的不僅計算量很 大，而且設備構成復雜，設備制造成本和運行成本都較高。

激光刻蝕技術具有非接觸、無污染和可實現微米線寬精細加工的特點， 已經廣泛用于金屬、聚合物、陶瓷等多種材料的平面零件表面的圖形刻蝕 加工，也可以安裝在多軸聯動數控機床上，代替傳統刀具進行自由曲面零 件表面的二次精密刻蝕加工，且不必要保持激光束位于加工位置的法線方 向。但為了加工自由曲面上的空間曲線圖形，仍需要復雜的多軸插補動作， 數控編程十分復雜。

專利申請號為200710067504.5、發明名稱為“一種仿形激光雕刻加工方 法及其激光雕刻機”的中國專利，利用CCD位移傳感器來探測激光頭與被 加工件之間的距離，生成被雕刻材料的三維地形圖，確保激光焦點位于被 加工零件表面，從而可實現對自由曲面零件表面的雕刻加工。但由于該發 明本質上僅僅依靠三軸定位實現逐點加工，其加工效率不高。

激光掃描振鏡通過電機精確控制兩個反射鏡片的協調偏轉運動，可以 實現激光高速掃描動作，如專利申請號為200810197661.2、發明名稱為“一 種振鏡式激光三維掃描系統”的中國專利申請，設計了一種振鏡式激光三維 掃描系統，包括激光器、擴束鏡、XY兩軸掃描振鏡、掃描聚焦透鏡、Z軸 移動機構及控制系統，從而可以通過固定在可沿Z軸方向上下移動的Z軸 移動機構的掃描聚焦透鏡來實現三維立體加工功能。該技術方案的三維立 體加工方法類似于專利申請號為03134316.3、專利名稱為“口腔金屬修復體 的激光立體成形制備方法”的中國專利文獻所采用的技術方案，都是首先在 計算機中將三維計算機輔助設計(CAD)模型按一定厚度分層“切片”，轉 換成一系列的二維輪廓圖形信息并進行激光掃描加工。這種方式依賴三維 CAD模型，無法直接基于自由曲面零件的離散點云模型對已有零件表面進 行二次加工。

因此，本發明提出了一種利用激光振鏡和三軸坐標定位技術相結合， 采用子塊平行投影和高度映射原理，基于自由曲面零件的離散點云模型直 接進行表面激光精密刻蝕加工的新方法。

發明內容

針對自由曲面零件表面加工現有方法的不足，本發明目的旨在提供一 種自由曲面上的投影式激光刻蝕方法，該方法工藝簡單，所需要設備的復 雜程度低，能夠在滿足自由曲面表面圖案刻蝕加工的高精度、高效率要求 前提下，實現自由曲面的高可靠性、柔性化加工。

本發明提供的自由曲面上的投影式激光刻蝕方法，其特征在于，該方 法包括下列步驟：

(1)建立XYZ直角坐標系下的自由曲面零件表面的離散點云模型， 離散點云模型中的數據要么直接來自于將計算機輔助設計自由曲面零件的 三維實體模型轉換的點云數據，要么來自于對已有的自由曲面零件進行反 向工程測量獲得的點云數據；