基于曲面工件外形的表面陣列微結構激光刻蝕制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于激光加工技術領域，具體涉及一種基于曲面工件外形的表面陣列微結構激光刻蝕制備方法。
【背景技術】
[0002]在機械工業(yè)和電子工業(yè)領域，經常需要在已經成型的自由曲面工件表面上再制備出陣列微結構。微結構是指面形精度達亞微米級，表面粗糙度達納米級的，具有特定功能的微小表面拓撲形狀。微結構最主要的特征是其結構的功能性，如微結構表面光學元件的表面結構決定了對光線的反射，透射或衍射性能，便于光學設計者優(yōu)化光學系統，減輕重量，縮小體積。另一特征是它們一般都有大的深寬比，這與傳統的表面參數及統計特性不同。
[0003]由于曲面工件外形的不規(guī)則性、非回轉性和不可展性等特點，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，點云數據可以通過曲面工件的逆向工程技術獲得。逆向工程技術是一種能根據現有的物理部件通過CAD、CAM、CAE或其他軟件構筑3D虛擬模型的方法。逆向工程的過程采用了通過丈量實際物體的尺寸并將其制作成3D模型的方法，真實的對象可以通過如CMMs，激光掃描儀，結構光源轉換儀或者X射線斷層成像這些3D掃描技術進行尺寸測量。曲面重構技術是逆向工程中的關鍵技術，根據所采用的曲面表達方式，曲面重構的方法主要有:(I)函數曲面方法；(2)隱函數方法；(3)多邊形模型法；(4)三角B6zier方法；(5)細分曲面方法；(6)B樣條以及NURBS方法等。
[0004]激光刻蝕加工在激光加工中屬于激光去除類，也可以稱之為蒸發(fā)加工，是基于激光與被加工材料相互作用引起物態(tài)變化形成的熱物理效應，以及各種能量變化產生的綜合結果。影響加工質量的主要因素取決于激光的波長、激光功率密度、光束質量、聚焦狀態(tài)和被加工材料本身的物理特性等參數。激光束初始經過聚焦透鏡后照射在處于焦平面的工件上，使被加工材料表面的溫度迅速上升。當溫度上升到接近于材料的蒸發(fā)溫度時，激光對材料的去除加工開始進行。此時固態(tài)金屬發(fā)生強烈的相變，最先金屬開始融化，之后一部分開始汽化。隨著溫度不斷上升，金屬蒸汽攜帶著液相物質以極高的速度從液相底部猛烈的噴濺出來，從而將底部新的表面暴露在激光束照射之下，從而持續(xù)產生熔化、蒸發(fā)與噴濺。通過這種不斷的照射、熔化-蒸發(fā)、噴濺、照射，直至達到要求的激光刻蝕深度或穿透整個工件材料。與此同時，激光束按照設定的速度和路徑移動，可以獲得要求的激光刻蝕加工結構。
[0005]現有技術中，針對曲面工件外形的表面陣列微結構的加工一般有兩種方法。第一種方法是先基于理論工件模型進行離線虛擬設計再對實際工件進行在線加工，但是由于任何自由曲面工件在其自由曲面外形的加工過程中都有加工公差，因此這種方法沒有考慮工件實際外形尺寸與理論工件模型的誤差，加工誤差較大。第二種方法是先基于表面陣列微結構圖形進行離線虛擬布局和設計，再對實際工件進行在線加工，但是由于刀具的方位誤差和磨損誤差或激光束的投影拼接誤差的存在，使得微結構圖形布局與加工均存在較大的偏差。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明針對上述現有技術的不足，提供了一種加工誤差小、精確性好和穩(wěn)定性高的基于曲面工件外形的表面陣列微結構激光刻蝕制備方法。
[0007]本發(fā)明是通過如下技術方案實現的:
[0008]一種基于曲面工件外形的表面陣列微結構激光刻蝕制備方法，包括如下步驟:
[0009](I)固定裝夾和定位自由曲面工件；基于空間XYZ直角坐標系，采用逆向工程方法測量自由曲面工件表面的外形尺寸，獲得自由曲面工件表面的重構模型，即重構曲面；
[0010](2)在重構曲面上，取初始點 P0 (X。，y。，Z0) 'P1 (X1, Y1, Z1)、P2 (x2，y2, z2)，使得 P0>PP匕三點中任意兩點的距離等于陣列微結構的周期性單元間距DdfPp P1, P2構成的曲面等邊三角形Ttl的三條邊L r Lp匕都標記為“未擴展”；
[0011](3)在重構曲面上，對任意一條標記為“未擴展”的邊Lj，都向外擴展一個曲面等邊三角形Tj;若向外擴展成功，則將T j的三條邊標記為“未擴展”，將L」標記為“已擴展”;若L J無法向外擴展，則僅僅將Lj標記為“已擴展”；
[0012]其中，向外擴展的含義為:根據邊的兩個端點，在重構曲面上取第三點，使得滿足第三點與兩個端點之間的距離等于周期性單元間距D，并且第三點不在任何已擴展得到的等邊三角形的內部；
[0013]無法向外擴展的含義為:根據邊的兩個端點，在重構曲面上無法取到第三點，使得滿足第三點與兩個端點之間的距離等于周期性單元間距D，并且第三點不在任何已擴展得到的等邊三角形的內部；
[0014](4)反復執(zhí)行步驟(3)，直至不存在標記為“未擴展”的邊；
[0015](5)對步驟(2)至(4)獲得的所有曲面等邊三角形，記錄其所有不重復的曲面等邊三角形頂點坐，并計算求得Pi所在重構曲面位置的切平面Ki和外法矢量V1:其中i =O?η，η為大于3的整數；
[0016](6)在重構曲面所在的空間XYZ直角坐標系中，任意選擇一個空間基準向量；
[0017](7)在所有切平面Ki或者與切平面1^平行的平面上，以其對應的Pi點為幾何中心點，對應排布一個單元微結構的設計圖形Gi,并且滿足所有切平面上的設計圖形的同一條對應特征邊線與空間基準向量在&上的投影線之間的夾角均為固定值；
[0018](8)對步驟(7)獲得的所有的設計圖形Gi進行激光刻蝕加工路徑規(guī)劃，獲得對應的激光刻蝕加工路徑集合Ri, Ri由若干條位于切平面K i上的幾何線條構成；
[0019](9)對所有激光刻蝕加工路徑集合Ri,根據其所在的切平面Kp幾何中心點Pi以及對應外法矢量Vi,將Ri中的所有激光刻蝕加工路徑沿著V 向向重構曲面上進行平行投影，獲得重構曲面上的激光刻蝕加工路徑集合R/，并且計算Ri中的每一條幾何線條的起點和終點與R/中對應的幾何線條的起點和終點的空間距離ds、dt;
[0020](10)對所有激光刻蝕加工路徑集合Ri,根據其所在的切平面1、幾何中心點PiW及對應外法矢量Vi,調整激光加工頭相對自由曲面工件的空間方位，使激光束沿Vi方向射向自由曲面工件；
[0021](11)在民中選擇任意一條未加工過的幾何線條，平移激光加工頭使得經過聚焦物鏡出射的聚焦激光束穿過該幾何線條的起點，并且光束焦點位于自由曲面工件表面或有離隹量.
[0022](12)打開激光；
[0023](13)平移激光加工頭，使光束焦點以一定的掃描速度沿著該幾何線條的軌跡由起點向終點平移行進，行進過程中同時使得聚焦物鏡與自由曲面工件沿Vi方向的距離均勻的調整dt-ds大??；到達終點后，標記該幾何線條為已加工過；
[0024](14)在民中任意選擇一條未加工過的幾何線條作為下一條加工線條，若不存在下一條加工線條，則表明民中所有的幾何線條均被加工過，轉入步驟(17);若存在下一條加工線條，則判斷下一條加工線條是否與步驟(13)中已加工過的幾何線條首尾銜接，若是，則轉入步驟(16);否則進入步驟(15);
[0025](15)關閉激光；平移激光加工頭使得經過聚焦物鏡出射的聚焦激光束穿過下一條加工線條的起點，并且光束焦點位于自由曲面工件表面或有離焦量；返回步驟(12);
[0026](16)平移激光加工頭使得經過聚焦物鏡出射的聚焦激光束穿過下一條加工線條的起點，并且光束焦點位于自由曲面工件表面或有離焦量；返回步驟(13);
[0027](17)結束。
[0028]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0029]1、本發(fā)明采用逆向工程方法測量建模待加工自由曲面工件外形，并基于重構曲面模型進行表面陣列微結構的設計圖形布局，在線測量、設計與加工在同一坐標系下進行，相比傳統方法完全消除了工件實際外形尺寸與理論工件模型的誤差問題，并且陣列微結構的設計圖形采用了平行投影方式，與激光加工的光束平移完全一致(激光束平移加工本質就是光線平行投影)，從而也完全消除了表面陣列微結構圖形的布局與加工誤差。
[0030]2、本發(fā)明的表面陣列微結構圖形的布局與設計，計算量與自由曲面的曲率分布與變化無關，兼容各種類型的自由曲面，計算規(guī)模穩(wěn)定且保持收斂，布局效率高；
[0031]3、本發(fā)明的表面陣列微結構圖形布局方法，可以保證周期性陣列圖形的單元間距一定，滿足所有切平面上的設計圖形的同一條對應特征邊線與空間基準向量在1上的投影線之間的夾角均為固定值α，從而保證所有的陣列微結構的空間朝向盡可能整齊，若周期性陣列微結構的功能為頻率選擇表面，則該空間基準向量與入射電磁波的方向一致，十分精確、靈活和便于調整；
[0032]4、本發(fā)明的表面陣列微結構的激光刻蝕加工方法，可以有效保證光束焦點在加工過程中始終位于自由曲面工件表面或根據工藝需要有一定的離焦量，相比目前現有在自由曲面工件表面上的各種“近似聚焦”的激光加工方法，是一種全新的“準確聚焦”激光加工方法，確保了激光刻蝕加工工藝質量的精確性和穩(wěn)定性。
【具體實施方式】
[0033]下面結合【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步詳細的說明。
[0034]本發(fā)明提供了一種基于曲面工件外形的表面陣列微結構激光刻蝕制備方法，采用該方法可以在給定某個具有光滑表面的自由曲面工件表面排布和制備周期性陣列微結構；其中，構成周期性陣列微結構的單元微結構之間的周期性單元間距為D ;周期性單元間距的定義為任意兩個單元微結構的各自幾何中心點之間的沿曲面弧長或空間直線距離(二者任取其一，一旦取定之后在整個方法中都保持一致)。
[0035]上述基于曲面工件外形的表面陣列微結構激光刻蝕制備方法具體包括如下步驟:
[0036](I)固定裝夾和定位自由曲面工件；基于空間XYZ直角坐標系，采用逆向工程方法測量自由曲面工件表面的外形尺寸，獲得自由曲面工件表面的重構模型，以下將自由曲面工件表面的重構模型簡稱為重構曲面，顯然此處重構曲面是自由曲面工件表面的近似擬合模型，其近似程度可以由逆向工程方法的測量精度和擬合精度共同控制；
[0037](2)在重構曲面上，取初始點 P。(X。，y0, z0) > P1 (X1, Y1, Z1) > P2 (x2, y2, z2)，使得 P。、PpP2S點中任意兩點的距