一种大型复杂曲面动态聚焦激光加工方法及系统技术方案

本发明专利技术属于激光加工技术领域，并具体公开了一种大型复杂曲面动态聚焦激光加工方法及系统，该方法首先采用分片‑分块‑分层的方式依次分解复杂曲面片，进而以分层‑分块‑分片的成形次序实现大型复杂曲面动态聚焦激光加工；所述系统包括多轴联动机床和激光扫描装置，多轴联动机床用于对待激光加工的大型复杂曲面进行定位，并带动大型复杂曲面运动到激光扫描装置的扫描范围内或带动激光扫描装置运动使大型复杂曲面在激光扫描装置的扫描范围内，激光扫描装置用于发射激光束至大型复杂曲面以对大型复杂曲面进行激光快速三维扫描加工。本发明专利技术具有加工效率高、加工精度高、质量好等优点，适用于各种曲率的大型复杂曲面的激光三维动态扫描加工。

【技术实现步骤摘要】
一种大型复杂曲面动态聚焦激光加工方法及系统
本专利技术属于激光加工
，更具体地，涉及一种大型复杂曲面动态聚焦激光加工方法及系统。
技术介绍
随着航空航天和微电子技术的飞速发展，为了满足某些特殊的表面性能要求，往往需要在导弹的雷达罩、航天器固面天线反射器、三维模塑互联器件等大型复杂曲面零部件表面上制作各种功能性的复杂图形结构。然而这些大型复杂曲面零部件一般是由复合材料/金属膜层、硬质合金或陶瓷等不同体系材料组成，如何高精度、高质量、高效率地在其表面加工各种功能性的复杂图形成为新的挑战。激光加工技术具有非接触、加工精度高、速度快、热影响区域小、柔性程度好、可加工材料广泛、易于与数控系统结合等特点，特别适合难加工材料(超脆、超软、超硬、超薄)以及复杂曲面零部件表面复杂图形的加工。目前，用于复杂曲面零部件激光三维加工的技术方案主要有以下几种：一是基于五轴联动机床的聚焦式激光三维加工，五轴联动数控机床具有任意空间插补定位能力，利用激光束替换传统的刀具能够实现复杂曲面三维加工功能，通过五轴联动机床对加工路径上所有的插补点进行定位，确保入射激光束的光轴始终垂直于被加工工件表面，因此具有较高的加工精度。但由于惯性太大，频繁启动和加工速度极慢，导致其加工效率极低，存在高精度和高效率难以同时兼容的问题。二是基于“3+2”轴的三维激光投影式振镜扫描加工，扫描振镜通过电机控制x、y轴两个镜片的偏转实现聚焦激光束在二维平面的高速扫描，具有输出力矩大、转动惯量小、响应时间短、加速度高、扫描速度快、定位精度高等优良特性，通过与3轴联动数控机床的集成，实现复杂曲面三维加工功能，与基于五轴联动机床的聚焦式激光三维加工相比，该方案可以大幅度提高加工的效率。例如，专利CN200910061324.5公开的一种多功能激光加工设备，将二维振镜安装在Z轴移动机构上与XY轴直线电机共同构成“3+2”轴数控激光加工机床，通过控制Z轴移动机构调节焦点在Z方向的位置，实现三维精密加工。专利CN201010115968.0公开的一种自由曲面上的投影式激光刻蚀方法，基于“3+2”轴加工系统，根据焦深将离散点云模型描述的待加工自由曲面划分为不同的子块，并将子块内的加工图形向XY平面进行平行投影，XY轴负责各子块的定位，通过Z轴配合二维振镜实现投影加工图形的快速扫描。虽然基于“3+2”轴的三维激光投影式振镜扫描加工设备结构简单，但其只能沿单一方向进行整体投影，当加工曲面曲率较大时，子块划分的数量急剧增加，导致3轴联动数控机床频繁启停定位，同样严重影响了加工效率；同时造成聚焦光斑变形增大，功率密度减小，加工尺寸精度和质量的一致性变差。因此，该方案只适合加工曲率不大的复杂曲面。三是基于“5+3”轴投影式振镜扫描激光三维加工，如专利CN201110048935.3公开的一种适用于复杂曲面的激光加工方法及装置，其通过对复杂曲面划分曲面片并根据右手准则建立曲面片坐标系，使得曲面片坐标系内任意点的法线正方向与Z轴的夹角小于90度，且曲面片内加工图形沿Z轴方向平行投影所得图形的尺寸小于振镜扫描范围，同时根据焦深对曲面片进行分层，进而控制五轴机床，使扫描聚焦透镜镜面中心处的法线方向与曲面片的Z轴重合，通过三坐标振镜扫描式激光加工头对投影加工图形进行扫描加工。该方案不仅可以加工各种曲率的复杂曲面；且通过建立曲面片将大曲率复杂曲面转化为小曲率，减小了子块划分的数量，进而降低Z轴移动机构对焦次数，有效的提高了加工的效率。但该方案仍存在着各种局限性：1)其在曲面划分时，以曲面片坐标系下曲面片外表面任意位置的法线正方向与Z轴正方向的夹角小于90度为划分依据，如此划分获得的曲面片范围较大，激光加工时聚焦光斑容易变形增大，导致聚焦光斑能量密度减小，影响加工精度质量；2)其在曲面分层时，分层高度受焦深影响，需要限定在待使用的激光振镜输出的激光束焦深范围内，而一般的激光束焦深最大也就200微米(即微米级别)，也即其分层高度在微米级别，在该微米级别的分层高度下，完成一定厚度(例如毫米级别)曲面的激光加工，需要Z轴频繁反复定位，大大影响加工效率，生产周期长；3)碍于分层厚度的限制，使得曲面片的分层数量多，层与层之间的拼接数量大大增加，严重影响曲面的加工质量。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种大型复杂曲面动态聚焦激光加工方法及系统，其采用分片-分块-分层处理的方式实现大型复杂曲面动态聚焦激光加工，具有加工效率高、加工精度高、质量好等优点，适用于各种曲率的大型复杂曲面的激光三维动态扫描加工。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提出了一种大型复杂曲面动态聚焦激光加工方法，其特征在于，包括如下步骤：S1对待加工的大型复杂曲面进行分片处理，将其划分为多个曲面片，获取各曲面片的边界以及曲面片中心点的位置坐标和法向矢量，使用于激光加工的激光束光轴与曲面片中心点法向矢量重合；S2以曲面片中心点为坐标原点建立曲面坐标系xyz，基于激光扫描范围，对曲面片进行分块处理以将曲面片划分为多个子块，平移激光束使激光束光轴与子块的中心点重合；S3基于激光焦点动态可调范围对子块进行分层处理，将其分为多个层，使各层z方向的层厚不大于激光焦点动态可调范围；S4竖直移动激光束使激光束的焦点移动到子层的顶部，通过控制激光束在xy平面上进行扫描，同时动态调节激光焦点在z方向的上下位置，完成当前子层的三维动态激光扫描加工；S5重复步骤S4，依次遍历同一子块中的各子层，直至完成当前子块中所有子层的激光扫描加工；S6平移激光束使激光束光轴与同一曲面片中的另一子块的中心点重合，重复步骤S3-S5，直至完成同一曲面片内所有子块的加工；S7使激光束光轴与下一曲面片中心点法向矢量重合，重复S2-S6，依次遍历各曲面片，以此实现大型复杂曲面动态聚焦激光加工。作为进一步优选的，基于激光入射角对待加工的大型复杂曲面进行分片处理，使得分片处理后获得的曲面片在激光扫描加工时激光入射角在最大允许角度θ范围内。作为进一步优选的，最大允许角度θ为±50°，优选为±40°。按照本专利技术的另一方面，提供了一种大型复杂曲面动态聚焦激光加工系统，其特征在于，包括多轴联动机床和激光扫描装置，其中：所述多轴联动机床用于对待激光加工的大型复杂曲面进行定位，并带动大型复杂曲面运动到激光扫描装置的扫描范围内或带动激光扫描装置运动使大型复杂曲面在激光扫描装置的扫描范围内；所述激光扫描装置用于发射激光束至大型复杂曲面以对大型复杂曲面进行激光快速三维扫描加工，其包括依次设置的且位于同一光路中的激光器、扩束镜、导光组件和三维动态聚焦振镜扫描组件，工作时，激光器发出的激光束经扩束镜扩束准直后，由导光组件直接导入三维动态聚焦振镜扫描组件中，并经三维动态聚焦振镜扫描组件出射至大型复杂曲面，该三维动态聚焦振镜扫描组件用于控制激光束在水平面内扫描，同时动态调节激光焦点在竖直方向的位置。作为进一步优选的，所述三维动态聚焦振镜扫描组件包括依次设置的且位于同一光路中的动态聚焦模块、二维振镜和远心聚焦透镜，作为进一步优选的，所述动态聚焦模块包括依次设置的且位于同一光路中的动态聚焦镜、第一聚焦透镜和第二聚焦透镜。作为进一步优选的，所述动态聚焦镜安装于由音圈电机或压电陶瓷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大型复杂曲面动态聚焦激光加工方法，其特征在于，包括如下步骤：S1对待加工的大型复杂曲面进行分片处理，将其划分为多个曲面片，获取各曲面片的边界以及曲面片中心点的位置坐标和法向矢量，使用于激光加工的激光束光轴与曲面片中心点法向矢量重合；S2以曲面片中心点为坐标原点建立曲面坐标系xyz，基于激光扫描范围，对曲面片进行分块处理以将曲面片划分为多个子块，平移激光束使激光束光轴与子块的中心点重合；S3基于激光焦点动态可调范围对子块进行分层处理，将其分为多个层，使各层z方向的层厚不大于激光焦点动态可调范围；S4竖直移动激光束使激光束的焦点移动到子层的顶部，通过控制激光束在xy平面上进行扫描，同时动态调节激光焦点在z方向的上下位置，完成当前子层的三维动态激光扫描加工；S5重复步骤S4，依次遍历同一子块中的各子层，直至完成当前子块中所有子层的激光扫描加工；S6平移激光束使激光束光轴与同一曲面片中的另一子块的中心点重合，重复步骤S3‑S5，直至完成同一曲面片内所有子块的加工；S7使激光束光轴与下一曲面片中心点法向矢量重合，重复S2‑S6，依次遍历各曲面片，以此实现大型复杂曲面动态聚焦激光加工。

【技术特征摘要】
1.一种大型复杂曲面动态聚焦激光加工方法，其特征在于，包括如下步骤：S1对待加工的大型复杂曲面进行分片处理，将其划分为多个曲面片，获取各曲面片的边界以及曲面片中心点的位置坐标和法向矢量，使用于激光加工的激光束光轴与曲面片中心点法向矢量重合；S2以曲面片中心点为坐标原点建立曲面坐标系xyz，基于激光扫描范围，对曲面片进行分块处理以将曲面片划分为多个子块，平移激光束使激光束光轴与子块的中心点重合；S3基于激光焦点动态可调范围对子块进行分层处理，将其分为多个层，使各层z方向的层厚不大于激光焦点动态可调范围；S4竖直移动激光束使激光束的焦点移动到子层的顶部，通过控制激光束在xy平面上进行扫描，同时动态调节激光焦点在z方向的上下位置，完成当前子层的三维动态激光扫描加工；S5重复步骤S4，依次遍历同一子块中的各子层，直至完成当前子块中所有子层的激光扫描加工；S6平移激光束使激光束光轴与同一曲面片中的另一子块的中心点重合，重复步骤S3-S5，直至完成同一曲面片内所有子块的加工；S7使激光束光轴与下一曲面片中心点法向矢量重合，重复S2-S6，依次遍历各曲面片，以此实现大型复杂曲面动态聚焦激光加工。2.如权利要求1所述的大型复杂曲面动态聚焦激光加工方法，其特征在于，优选的，基于激光入射角对待加工的大型复杂曲面进行分片处理，使得分片处理后获得的曲面片在激光扫描加工时激光入射角在最大允许角度θ范围内。3.如权利要求2所述的大型复杂曲面动态聚焦激光加工方法，其特征在于，最大允许角度θ为±50°，优选为±40°。4.一种大型复杂曲面动态聚焦激光加工系统，其特征在于，包括多轴联动机床和激光扫描装置，其中：所述多轴联动机床用于对待激光加工的大型复杂曲面进行定位，并带动大型复杂曲面运动到激光扫描装置的扫描范围内或带动激光扫描装置运动使大型复杂曲面在激光扫描装置的扫描范围内；所述激光扫描装置用于发射激光束至大型复杂曲面以对大型复杂曲面进行激光快速三维扫描加工，其包括依次设置的且位于同一光路中的激光器、扩束镜、导光组件...

【专利技术属性】
技术研发人员：段军，张军军，张菲，曾晓雁，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42