点云描述曲面工件的表面阵列微结构激光加工方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种点云描述曲面工件的表面阵列微结构激光加工方法。
【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，即散乱点云数据来描述自由曲面模型。其中，散乱点云数据可以直接来自于采用逆向工程方法测量尺寸并制作成3D模型后，再在CAD/CAM系统中对其进行离散化获得。
[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点云描述曲面工件的表面阵列微结构激光加工方法。
[0007]本发明是通过如下技术方案实现的:
[0008]一种点云描述曲面工件的表面阵列微结构激光加工方法，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，获得基于散乱点云数据描述的曲面模型，即点云描述曲面；其中，散乱点云数据中相邻点的最大空间距离不大于预先设定的值α，且ADist >a，AAngle > D/ a ； ADist为周期性阵列微结构布局最大距离误差值，AAngle为周期性阵列微结构布局的最大角度误差值，D为周期性阵列微结构中任意两个单元微结构的各自几何中心点之间的空间直线距离；
[0010](2)将顶点集合初始化为空集；并在点云描述曲面上，取两个初始点PQ(xQ，y0, z0)和？“^，Y1, Z1),使得匕、P1两点的空间直线距离Dist_P与周期性单元间距D满足关系D-ADist < Dist_P < D+ADist，将P。、PjP标记为“未扩展”并加入顶点集合；
[0011](3)取顶点集合中任意一个标记为“未扩展”的点Pi,在点云描述曲面上进行N等分扩展操作，获得M个扩展点Pj;N取3、4、5或6，j = I?M ;
[0012]其中，N等分扩展操作的含义为:根据点Pi及点P —个相邻的且标记为“未扩展”的点Pi+1，在点云描述曲面的点云数据中搜索寻取扩展点Pj，使得满足如下条件:l)P1、Pj两点的距离Dist_P」需要满足关系D-ADist < Dist_P j< D+ADist ;2)Ρρ Pj两点连线与 P1、pi+1 两点连线之间的夹角 angle 满足 2k π /N-AAngle < angle < 2k π /Ν+Δ Angle,k为小于等于N的正整数；
[0013](4)将步骤(3)得到的M个扩展APj，都标记为“未扩展”并加入顶点集合，将Pi标记为“已扩展”;分别计算P」与顶点集合中所有其他点的空间直线距离，若得到的所有空间直线距离值中存在至少一个空间距离值小于D/2，则表明？」是冗余点，将其从顶点集合删除；
[0014](5)重复步骤(3)-(4)，直至顶点集合不存在标记为“未扩展”的点；
[0015](6)对步骤(2)-(5)获得的顶点集合中的所有点Pt，计算求得Pt所在点云描述曲面位置的切平面Kt和外法矢量V t;t为大于2的整数；
[0016](7)在点云描述曲面所在的空间XYZ直角坐标系中，任意选择一个空间基准向量；
[0017](8)在所有切平面Kt上，以其对应的P 为几何中心点，对应排布一个单元微结构的设计图形Gt，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Kt上的投影线之间的夹角均为固定值；
[0018](9)对步骤⑶获得的所有的设计图形Gt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Rt，Rt由若干条位于切平面K t上的几何线条构成。
[0019](10)对所有激光刻蚀加工路径集合Rt，根据其所在的切平面Kt、几何中心点Pt以及对应外法矢量Vt，经过Rt中的每一条几何线条的起点P st，作与Vt方向平行的平行线V st，搜索点云描述曲面的点云数据中距离Vst最近的点P st’，并且计算Pst和P st’的空间距离ds;同样的，经过Rt中的每一条几何线条的终点P tt，作与Vt方向平行的平行线V tt，搜索点云描述曲面的点云数据中距离Vtt最近的点P tt’，并且计算Ptt和P tt’的空间距离dt;
[0020](11)对所有激光刻蚀加工路径集合Rt，根据其所在的切平面Kt、几何中心点Pt以及对应外法矢量vt，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Vt方向射向自由曲面工件，即使得激光加工头的聚焦物镜出射的聚焦激光束光轴与Vt平行；
[0021](12)在Rt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](13)打开激光；
[0023](14)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，即保证光束焦点在行进过程中始终位于自由曲面工件表面或有离焦量；到达终点后，标记该几何线条为已加工过；
[0024](15)在Rt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Rt中所有的几何线条均被加工过，转入步骤(18);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(14)中已加工过的几何线条首尾衔接，若是，则转入步骤(17);否则进入步骤(16);
[0025](16)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