基于曲面工件外形的表面阵列微结构激光刻蚀制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种基于曲面工件外形的表面阵列微结构激光刻蚀制备方法。
【背景技术】
[0002]在机械工业和电子工业领域，经常需要在已经成型的自由曲面工件表面上再制备出阵列微结构。微结构是指面形精度达亚微米级，表面粗糙度达纳米级的，具有特定功能的微小表面拓扑形状。微结构最主要的特征是其结构的功能性，如微结构表面光学元件的表面结构决定了对光线的反射，透射或衍射性能，便于光学设计者优化光学系统，减轻重量，缩小体积。另一特征是它们一般都有大的深宽比，这与传统的表面参数及统计特性不同。
[0003]由于曲面工件外形的不规则性、非回转性和不可展性等特点，一般很难用数学方程精确地描述，通常采用一系列离散型值点，即离散点云模型进行描述。其中，点云数据可以通过曲面工件的逆向工程技术获得。逆向工程技术是一种能根据现有的物理部件通过CAD、CAM、CAE或其他软件构筑3D虚拟模型的方法。逆向工程的过程采用了通过丈量实际物体的尺寸并将其制作成3D模型的方法，真实的对象可以通过如CMMs，激光扫描仪，结构光源转换仪或者X射线断层成像这些3D扫描技术进行尺寸测量。曲面重构技术是逆向工程中的关键技术，根据所采用的曲面表达方式，曲面重构的方法主要有:(I)函数曲面方法；(2)隐函数方法；(3)多边形模型法；(4)三角B6zier方法；(5)细分曲面方法；(6)B样条以及NURBS方法等。
[0004]激光刻蚀加工在激光加工中属于激光去除类，也可以称之为蒸发加工，是基于激光与被加工材料相互作用引起物态变化形成的热物理效应，以及各种能量变化产生的综合结果。影响加工质量的主要因素取决于激光的波长、激光功率密度、光束质量、聚焦状态和被加工材料本身的物理特性等参数。激光束初始经过聚焦透镜后照射在处于焦平面的工件上，使被加工材料表面的温度迅速上升。当温度上升到接近于材料的蒸发温度时，激光对材料的去除加工开始进行。此时固态金属发生强烈的相变，最先金属开始融化，之后一部分开始汽化。随着温度不断上升，金属蒸汽携带着液相物质以极高的速度从液相底部猛烈的喷溅出来，从而将底部新的表面暴露在激光束照射之下，从而持续产生熔化、蒸发与喷溅。通过这种不断的照射、熔化-蒸发、喷溅、照射，直至达到要求的激光刻蚀深度或穿透整个工件材料。与此同时，激光束按照设定的速度和路径移动，可以获得要求的激光刻蚀加工结构。
[0005]现有技术中，针对曲面工件外形的表面阵列微结构的加工一般有两种方法。第一种方法是先基于理论工件模型进行离线虚拟设计再对实际工件进行在线加工，但是由于任何自由曲面工件在其自由曲面外形的加工过程中都有加工公差，因此这种方法没有考虑工件实际外形尺寸与理论工件模型的误差，加工误差较大。第二种方法是先基于表面阵列微结构图形进行离线虚拟布局和设计，再对实际工件进行在线加工，但是由于刀具的方位误差和磨损误差或激光束的投影拼接误差的存在，使得微结构图形布局与加工均存在较大的偏差。
【发明内容】
[0006]本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种加工误差小、精确性好和稳定性高的基于曲面工件外形的表面阵列微结构激光刻蚀制备方法。
[0007]本发明是通过如下技术方案实现的:
[0008]一种基于曲面工件外形的表面阵列微结构激光刻蚀制备方法，包括如下步骤:
[0009](I)固定装夹和定位自由曲面工件；基于空间XYZ直角坐标系，采用逆向工程方法测量自由曲面工件表面的外形尺寸，获得自由曲面工件表面的重构模型，即重构曲面；
[0010](2)在重构曲面上，取初始点 P0 (X。，y。，Z0) 'P1 (X1, Y1, Z1)、P2 (x2，y2, z2)，使得 P0>PP匕三点中任意两点的距离等于阵列微结构的周期性单元间距DdfPp P1, P2构成的曲面等边三角形Ttl的三条边L r Lp匕都标记为“未扩展”；
[0011](3)在重构曲面上，对任意一条标记为“未扩展”的边Lj，都向外扩展一个曲面等边三角形Tj;若向外扩展成功，则将T j的三条边标记为“未扩展”，将L」标记为“已扩展”;若L J无法向外扩展，则仅仅将Lj标记为“已扩展”；
[0012]其中，向外扩展的含义为:根据边的两个端点，在重构曲面上取第三点，使得满足第三点与两个端点之间的距离等于周期性单元间距D，并且第三点不在任何已扩展得到的等边三角形的内部；
[0013]无法向外扩展的含义为:根据边的两个端点，在重构曲面上无法取到第三点，使得满足第三点与两个端点之间的距离等于周期性单元间距D，并且第三点不在任何已扩展得到的等边三角形的内部；
[0014](4)反复执行步骤(3)，直至不存在标记为“未扩展”的边；
[0015](5)对步骤(2)至(4)获得的所有曲面等边三角形，记录其所有不重复的曲面等边三角形顶点坐，并计算求得Pi所在重构曲面位置的切平面Ki和外法矢量V1:其中i =O?η，η为大于3的整数；
[0016](6)在重构曲面所在的空间XYZ直角坐标系中，任意选择一个空间基准向量；
[0017](7)在所有切平面Ki或者与切平面1^平行的平面上，以其对应的Pi点为几何中心点，对应排布一个单元微结构的设计图形Gi,并且满足所有切平面上的设计图形的同一条对应特征边线与空间基准向量在&上的投影线之间的夹角均为固定值；
[0018](8)对步骤(7)获得的所有的设计图形Gi进行激光刻蚀加工路径规划，获得对应的激光刻蚀加工路径集合Ri, Ri由若干条位于切平面K i上的几何线条构成；
[0019](9)对所有激光刻蚀加工路径集合Ri,根据其所在的切平面Kp几何中心点Pi以及对应外法矢量Vi,将Ri中的所有激光刻蚀加工路径沿着V 向向重构曲面上进行平行投影，获得重构曲面上的激光刻蚀加工路径集合R/，并且计算Ri中的每一条几何线条的起点和终点与R/中对应的几何线条的起点和终点的空间距离ds、dt;
[0020](10)对所有激光刻蚀加工路径集合Ri,根据其所在的切平面1、几何中心点PiW及对应外法矢量Vi,调整激光加工头相对自由曲面工件的空间方位，使激光束沿Vi方向射向自由曲面工件；
[0021](11)在民中选择任意一条未加工过的几何线条，平移激光加工头使得经过聚焦物镜出射的聚焦激光束穿过该几何线条的起点，并且光束焦点位于自由曲面工件表面或有离隹量.
[0022](12)打开激光；
[0023](13)平移激光加工头，使光束焦点以一定的扫描速度沿着该几何线条的轨迹由起点向终点平移行进，行进过程中同时使得聚焦物镜与自由曲面工件沿Vi方向的距离均匀的调整dt-ds大小；到达终点后，标记该几何线条为已加工过；
[0024](14)在民中任意选择一条未加工过的几何线条作为下一条加工线条，若不存在下一条加工线条，则表明民中所有的几何线条均被加工过，转入步骤(17);若存在下一条加工线条，则判断下一条加工线条是否与步骤(13)中已加工过的几何线条首尾衔接，若是，则转入步骤(16);否则进入步骤(15);
[0025](15)关闭激光；平移激光加工头使得经过聚焦物镜出射的聚焦激光束穿过下一条加工线条的起点，并且光束焦点位于自由曲面工件表面或有离焦量；返回步骤(12);
[0026](16)平移激光加工头使得经过聚焦物镜出射的聚焦激光束穿过下一条加工线条的起点，并且光束焦点位于自由曲面工件表面或有离焦量；返回步骤(13);
[0027](17)结束。
[0028]本发明具有如下有益效果:
[0029]1、本发明采用逆向工程方法测量建模待加工自由曲面工件外形，并基于重构曲面模型进行表面阵列微结构的设计图形布局，在线测量、设计与加工在同一坐标系下进行，相比传统方法完全消除了工件实际外形尺寸与理论工件模型的误差问题，并且阵列微结构的设计图形采用了平行投影方式，与激光加工的光束平移完全一致(激光束平移加工本质就是光线平行投影)，从而也完全消除了表面阵列微结构图形的布局与加工误差。
[0030]2、本发明的表面阵列微结构图形的布局与设计，计算量与自由曲面的曲率分布与变化无关，兼容各种类型的自由曲面，计算规模稳定且保持收敛，布局效率高；
[0031]3、本发明的表面阵列微结构图形布局方法，可以保证周期性阵列图形的单元间距一定，满足所有切平面上的设计图形的同一条对应特征边线与空间基准向量在1上的投影线之间的夹角均为固定值α，从而保证所有的阵列微结构的空间朝向尽可能整齐，若周期性阵列微结构的功能为频率选择表面，则该空间基准向量与入射电磁波的方向一致，十分精确、灵活和便于调整；
[0032]4、本发明的表面阵列微结构的激光刻蚀加工方法，可以有效保证光束焦点在加工过程中始终位于自由曲面工件表面或根据工艺需要有一定的离焦量，相比目前现有在自由曲面工件表面上的各种“近似聚焦”的激光加工方法，是一种全新的“准确聚焦”激光加工方法，确保了激光刻蚀加工工艺质量的精确性和稳定性。
【具体实施方式】
[0033]下面结合【具体实施方式】对本发明做进一步详细的说明。
[0034]本发明提供了一种基于曲面工件外形的表面阵列微结构激光刻蚀制备方法，采用该方法可以在给定某个具有光滑表面的自由曲面工件表面排布和制备周期性阵列微结构；其中，构成周期性阵列微结构的单元微结构之间的周期性单元间距为D ;周期性单元间距的定义为任意两个单元微结构的各自几何中心点之间的沿曲面弧长或空间直线距离(二者任取其一，一旦取定之后在整个方法中都保持一致)。
[0035]上述基于曲面工件外形的表面阵列微结构激光刻蚀制备方法具体包括如下步骤:
[0036](I)固定装夹和定位自由曲面工件；基于空间XYZ直角坐标系，采用逆向工程方法测量自由曲面工件表面的外形尺寸，获得自由曲面工件表面的重构模型，以下将自由曲面工件表面的重构模型简称为重构曲面，显然此处重构曲面是自由曲面工件表面的近似拟合模型，其近似程度可以由逆向工程方法的测量精度和拟合精度共同控制；
[0037](2)在重构曲面上，取初始点 P。(X。，y0, z0) > P1 (X1, Y1, Z1) > P2 (x2, y2, z2)，使得 P。、PpP2S点中任意两点的距