[发明专利]一种三维曲面激光刻蚀方法

说明书

本发明涉及一种三维曲面激光刻蚀方法，应用于航天、电子、光学器件等领域，解决现有三维曲面激光加工方法只能针对已经具有待加工的表面纹理特征的零件，加工出的图形会产生角度变化，从而无法得到理想的纹理图形的问题。该方法包括以下步骤：1)将二维图形映射到三维曲面模型的对应位置；2)根据扫描振镜加工区域以及激光焦深进行图形分割，并计算出各个分割区域的中心点法矢坐标；3)确定出扫描振镜在各个分割区域的加工轨迹；4)由步骤2)得到的中心点法矢坐标作为机床五轴运动的目标点位置，将步骤3)得到的扫描振镜加工轨迹作为每个分割区域的加工图形行扫描加工，完成曲面零件的激光刻蚀加工。

技术领域

本发明涉及激光加工刻蚀领域，具体涉及一种三维曲面激光刻蚀方法，该方法利用二维扫描振镜及机床五轴联动功能进行激光三维曲面刻蚀加工，应用于航天、电子、光学器件等领域。

背景技术

现代产品中，越来越多的大型曲面零件需要对其表面进行加工，尤其体现在航空航天、微电子等领域，为了满足一些特殊的功能要求，需要在某些零部件表面加工出复杂的表面纹理，例如航空卫星天线罩、飞机雷达天线罩的微结构刻蚀以及模具型腔的三维纹理蚀纹等，如何高效高精度的在三维曲面上加工出理想的表面纹理对当今的加工制造能力提出了新的要求。

激光加工技术作为一项先进的制造技术，其能量密度高、准直性好、聚焦光斑往往能够达到微米级精度。因此，以特定的激光加工头代替传统机械加工中的刀具，利用聚焦激光高能量的特点，通过多轴电机的三维插补定位功能，对空间曲线或曲面的扫描标刻，实现材料的改性或移除已经成为高精度加工领域的一项重要手段。

五轴联动的激光数控设备已经在国外得到了广泛应用。德国DMG公司目前在DMU系列数控加工中心上集成了表面激光纹理加工技术，实现了在同一台机床上进行铣削与激光加工。该机床使用激光聚焦加工头配合五轴联动的控制方式使出射光束到达复杂工件表面的加工区域，激光头通过HSK刀柄安装在机床上，一次装夹即可完成模具的纹理加工。瑞士阿奇夏米尔公司的LASER P 1200U是一台专用的激光加工设备，它使用激光头直接聚焦光束并作用于工件表面上，通过五轴联动的运动方式实现高效和可重复的纹理加工、雕刻以及微结构化处理，并对物体做复杂的二维或三维标刻。以上所述加工方式均以传统五轴插补的运动方式实现曲面零件的表面纹理刻蚀，加工效率较低，加工精度受限于五轴插补的精度。

国内目前在激光三维曲面刻蚀领域还没有成套的激光五轴联动数控机床，因此对于开展如何在三维曲面尤其是大尺寸的零件上，加工出高质量纹理的研究是非常有必要的，能够对航空航天、微电子、模具等领域起到一定的推动作用。

深圳市海目星激光科技有限公司的陈良辉等人对三维曲面激光加工技术进行了研究，通过曲面纹理映射以及曲面分块加工等技术手段实现模具表面复杂纹理的激光刻蚀，但是由于其采用的曲面纹理映射技术只适用于可参数化展开的曲面零件，对于曲率较大、形状复杂的曲面不可适用。

华中科技大学曹宇等人提出了“一种适用于复杂曲面的激光加工方法及装置”，专利号为CN 102151984 B。该方法通过对曲面零件的分块处理并对各分块区域沿中心点法矢方向平行投影，并将所得到的发送到扫描振镜系统，然后利用机床五轴联动对曲面各个分块区域依次定位实现各个区域的激光扫描，最终完成整个零件的加工。该刻蚀系统使用的方法相比激光五轴插补的方式实现纹理的加工来说，无论在效率还是在精度上都要高很多，但是该方法也存在一些缺陷：1、只能针对已经具有待加工的表面纹理特征的零件，这样就无疑增大了零件表面纹理的设计难度，当纹理发生变化时也会大大限制零件的柔性化制造。2、零件由于加工需要，尤其是大尺寸零件在加工时，不可避免的会遇到零件(或扫描振镜)旋转或偏摆的问题，由此而导致加工出的图形会产生角度变化，从而无法得到准确的纹理图形。

发明内容