一种飞秒激光加工不规则曲面的三维形貌分析方法及系统

本发明涉及一种飞秒激光加工不规则曲面的三维形貌分析方法及系统，属于非硅微纳制造。

背景技术：

1、难加工材料的先进制造技术是国防重器、医疗植入物、电子器件等性能跨越式提升的关键。惯性器件对于全地域全时间全天候自主导航具有不可替代的作用，其中，三浮陀螺的精度直接影响战略导弹导航/打击精度和战略威慑力，而动压螺旋槽表面的不规则曲面加工技术又决定了陀螺精度与稳定性，从而影响到战略武器装备的先进性和实用性。

2、当前动压螺旋槽复杂曲面的加工通常是离子束刻蚀和激光烧蚀的方法，但是仍然存在很多问题：单槽的加工精度很低、多槽的一致性较差、成品的合格率较低等等。制约这些问题的关键在于，实际加工过程中无法精确控制实验参数的选取，完成复杂的不规则曲面加工过程后对于样件三维形貌的分析无法反馈优化至试验加工的步骤。所以，亟需一种完整成体系的飞秒激光加工不规则曲面的三维形貌分析方法，从而提高实际加工样件的精度和成品率。

技术实现思路

1、本发明主要目的是提供一种飞秒激光加工不规则曲面的三维形貌分析方法及系统，不仅能够对实际样件的加工区域进行完整的表面三维形貌分析，而且能够反馈至激光加工前的模型重构和代码优化中，从而显著提高飞秒激光加工不规则曲面的精准程度，减小次品率。

2、为实现上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：

3、本发明公开的一种飞秒激光加工不规则曲面的三维形貌分析方法，包括以下步骤：

4、步骤一、根据待加工样品的实际尺寸与组分信息，制作适配的装夹工件，确保高精密五轴加工平台的正常运行。

5、步骤二、检测电荷耦合器件(ccd相机)与五轴位移台在实际加工过程中的灵敏程度，确认仪器响应和偶然误差带来的影响。所述电荷耦合器件为ccd相机。

6、步骤三、计算使用材料的飞秒激光烧蚀阈值和调试激光焦点的位置：寻找焦点并标记信号，使成像平面与焦点平面基本重合，并记录实时的光斑大小和功率，用于对后续激光参数的改变进行提取和分析。

7、步骤四、保证“三心合一”：使五轴加工平台的转台旋转中心、特制装夹工件的中心、入射激光光束的中心处于同一条直线上，减少加工误差。

8、步骤五、在五轴平台的数据读取模块导入符合实际加工工况的g代码：需要使用软件生成样品的理论模型，并确定激光焦点的脱焦距离，再对g代码进行补偿。在飞秒激光快速扫描的不同工况下，实现激光焦点实时跟踪复杂三维曲面。

9、步骤六、三维形貌分析：表面形貌组成，具体元素分布，加工区域的深度、粗糙度，整体的圆度和线轮廓度分析。

10、步骤七、三维模型重构：根据三维形貌分析所得到的加工区域的具体信息，重新构建不规则曲面样品的理论模型，反复修改g代码。

11、步骤八、反馈优化加工过程：根据修改后的模型与代码，改变b轴、c轴两个旋转轴和x轴、y轴、z轴三个位移平面的位置，加工结束后返回步骤六、步骤七，迭代优化，直至实现对飞秒激光加工不规则曲面的三维形貌分析。

12、本发明还公开一种飞秒激光加工不规则曲面的三维形貌分析系统，用于实现所述一种飞秒激光加工不规则曲面的三维形貌分析方法。

13、所述一种飞秒激光加工不规则曲面的三维形貌分析系统，包括：①飞秒激光协同五轴联动精密平移台系统，②不规则曲面的ccd成像系统，③三维形貌显微成像系统，④复杂曲面轮廓分析系统。

14、飞秒激光协同五轴联动精密平移台系统由钛蓝宝石飞秒激光光源、高精密五自由度加工平移台、各类基本的光学元件组成。所述飞秒激光协同五轴联动精密平移台系统用于实现不规则曲面的三维刻型，五自由度包括x轴、y轴、z轴、b轴、c轴，平台的基座包括气浮减震平台和大理石支撑架，通过平台基座减少环境振动带来的激光加工误差。

15、不规则曲面的ccd成像系统主要由白光照明系统和工业级集成相机系统构成。所述ccd成像系统包括分束镜、反射镜、平凸透镜、光学元件基座、长款镜筒、ccd相机。其中，飞秒激光通过反射镜、分束镜、平凸透镜等汇聚到样品表面并产生反射光，反射光通过分束镜后被ccd相机收集，在图像软件上显示出实时成像观测，确保加工时焦点位置和加工进行的情况。

16、三维形貌显微成像系统主要由激光共聚焦显微镜、三坐标仪、轮廓仪、扫描电子显微镜、tof-sims飞行时间二次离子质谱仪、白光干涉仪组成。激光共聚焦显微镜用于对同种材料的平面样品加工结果进行反馈，三坐标仪和扫描电子显微镜主要反应复杂曲面刻型的基本形貌信息；通过轮廓仪和白光干涉仪对加工后的样件表面的圆度、线轮廓度进行数据提取，提取的数据用于拟合分析再优化。

17、复杂曲面轮廓分析系统用于不同复杂曲面样品的特定模型重构和代码的优化补偿，优化后续加工参数。

18、有益效果：

19、1.本发明公开的一种飞秒激光加工不规则曲面的三维形貌分析方法及系统，适用范围不局限于半球型动压螺旋槽的曲面刻型的表面形貌分析，也能够在各种相对复杂的不规则曲面、复合叠层的异质表面进行加工并分析，具有普遍性、实用性。

20、2.本发明公开的一种飞秒激光加工不规则曲面的三维形貌分析方法及系统，通过时域整形(调控飞秒激光的脉冲延时)、空域整形(平顶光束匀化电子分布)、频域整形(调控表层材料的烧蚀阈值)协同的方式，将飞秒激光整形后的高质量光斑直接作用于物体表面，突破传统加工技术的效率限制，显著提高样件的定位精度、加工精度、成品率。

21、3.本发明公开的一种飞秒激光加工不规则曲面的三维形貌分析方法及系统，联合使用各类算法辅助模型重构的过程，使加工结果与加工参数的选择形成闭环反馈，显著提高使用者在配置实验条件方面的准确性与便利程度。

技术特征：

1.一种飞秒激光加工不规则曲面的三维形貌分析方法，其特征在于：包括以下步骤，

2.一种飞秒激光加工不规则曲面的三维形貌分析系统，用于实现如权利要求1所述的一种飞秒激光加工不规则曲面的三维形貌分析方法，其特征在于：包括：①飞秒激光协同五轴联动精密平移台系统，②不规则曲面的ccd成像系统，③三维形貌显微成像系统，④复杂曲面轮廓分析系统；

技术总结
本发明公开的一种飞秒激光加工不规则曲面的三维形貌分析方法及系统，属于非硅微纳制造技术领域。本发明包括飞秒激光协同五轴联动精密平移台系统、CCD成像系统、三维形貌显微成像系统、复杂曲面轮廓分析系统。五轴加工平台的转台旋转中心、特制装夹工件的中心、入射激光光束的中心处于同一条直线上。本发明通过分析待加工样品的组分信息；使用时域整形、空域整形、频域整形协同进行光束控制，将飞秒激光整形后的高质量光斑直接作用于物体表面，显著提高样件的定位精度、加工精度、成品率。本发明不仅能够对实际样件的加工区域进行完整的表面三维形貌分析，而且能够反馈至激光加工前的模型重构和代码优化中，进一步提高飞秒激光加工的精准程度。

技术研发人员：姜澜,樊佳业,王猛猛,朱彤,张新闯
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13