【技术实现步骤摘要】
一种薄壁曲面表层图案激光加工轨迹求解方法
本专利技术属于薄壁曲面表层图案精密制造
，涉及一种薄壁曲面表层图案激光加工轨迹求解方法。
技术介绍
随着航空航天、信息传导等领域的发展，针对电磁波传输控制需要的复杂曲面结构功能一体化部件逐渐成为了一种重要的构件形式。高速飞行器天线是此类构件的一重要应用，为满足高性能和轻量化需求，天线多采用轻质材料薄壁曲面基体结构，且加工精度要求一般在微米级，对现有加工技术提出了新的挑战。在薄壁曲面零件表面高效率、高精度的制造复杂图案仍是研究的热点与难点。近年来迅速发展的激光刻蚀加工技术，因其非接触式加工、易于与多轴驱动装置结合等优点，逐渐成为复杂曲面构件表层图案精密高效制造的有效方法。但是薄壁曲面件刚度低，在夹紧态下易产生弹性变形，导致实际加工曲面与理想曲面产生偏差，若按理想天线图案规划的加工轨迹进行加工，将导致装夹释放后天线图案曲线的轮廓、位置与原始设计不符。此外，薄壁曲面变形后曲率发生变化，加工过程激光工艺参数将发生改变，影响天线图案的加工尺寸精度。因此迫切需要研究一种薄壁曲面表层图案激光加工轨迹求解方法，求解图案理想加工轨迹在夹紧态曲面的映射轨迹，并考虑曲面变形后的曲率变化对激光工艺参数的影响，并以加工图案曲线的轮廓精度和尺寸精度为约束对加工轨迹超差点进行调整，实现薄壁曲面表层图案的精密加工。现有技术文献1“Simulationofworkpiecedeformationcausedbyreleasingtheclampingforce”，ShaoXiaodong...
【技术保护点】
1.一种薄壁曲面表层图案激光加工轨迹求解方法，其特征在于，该方法首先根据薄壁曲面件装夹变形特点，提出装夹变形主要沿径向方向的假设，通过三坐标测量机获得夹紧态曲面点云数据，沿径向方向映射到理想曲面，分别构建夹紧态曲面及理想曲面三角网格映射关系，求解理想加工轨迹在夹紧态曲面上的映射轨迹；然后，根据激光烧蚀尺寸预测模型，离散化求解映射轨迹上任一刀位点处的材料烧蚀深度和烧蚀宽度，考虑曲面曲率变化导致的瞬时工艺参数变化，并对图案曲线尺寸或轮廓超差处进行局部加工轨迹点调整，最终后处理生成符合加工精度要求的五轴数控加工轨迹；方法的具体步骤如下：/n步骤1，构建夹紧态曲面与理想曲面的三角网格映射关系/n首先，在Ansys软件中，以圆筒底端面(2)的圆心为原点，建立坐标系，圆筒底端面(2)为XOY平面，圆筒轴线为Z轴；采用Ansys有限元分析软件对薄壁圆筒的装夹过程进行仿真，在Ansys中建立四节点shell181单元模型，并设置材料属性，采用自由网格划分方式；在4个夹紧点(J
【技术特征摘要】
1.一种薄壁曲面表层图案激光加工轨迹求解方法，其特征在于，该方法首先根据薄壁曲面件装夹变形特点，提出装夹变形主要沿径向方向的假设，通过三坐标测量机获得夹紧态曲面点云数据，沿径向方向映射到理想曲面，分别构建夹紧态曲面及理想曲面三角网格映射关系，求解理想加工轨迹在夹紧态曲面上的映射轨迹；然后，根据激光烧蚀尺寸预测模型，离散化求解映射轨迹上任一刀位点处的材料烧蚀深度和烧蚀宽度，考虑曲面曲率变化导致的瞬时工艺参数变化，并对图案曲线尺寸或轮廓超差处进行局部加工轨迹点调整，最终后处理生成符合加工精度要求的五轴数控加工轨迹；方法的具体步骤如下：
步骤1，构建夹紧态曲面与理想曲面的三角网格映射关系
首先，在Ansys软件中，以圆筒底端面(2)的圆心为原点，建立坐标系，圆筒底端面(2)为XOY平面，圆筒轴线为Z轴；采用Ansys有限元分析软件对薄壁圆筒的装夹过程进行仿真，在Ansys中建立四节点shell181单元模型，并设置材料属性，采用自由网格划分方式；在4个夹紧点(J1、J2、J3、J4)施加集中载荷，在圆筒上端面(1)设置全约束，求解当前载荷与约束下的结果；在后处理界面设置在柱坐标系下查看结果，此时x方向代表径向方向，y方向代表切向方向，z方向代表轴向方向；将节点变形量计算结果导出，并计算各个节点径向变形与总变形间的偏差值，若偏差值比总变形小一个数量级，提出薄壁圆筒件装夹变形主要沿径向方向的假设；
用三坐标测量机测量获得夹紧态薄壁圆筒离散点云，并沿径向映射到理想曲面上，即可求解理想曲面中测量点的唯一映射点；将夹紧态曲面离散点云进行三角网格剖分，构建夹紧态圆筒三角网格曲面，并根据映射点云以相同拓扑关系构建理想曲面的三角网格单元；由此将测量点与映射点间映射关系转化为两三角网格曲面顶点间的映射关系，建立夹紧态曲面与理想曲面间的映射关系；
步骤2，求解理想轨迹在夹紧态曲面的映射轨迹
通过三角形的仿射变换理论，求解理想曲面网格与夹紧态曲面网格上任一点的映射关系；根据原始设计图案在理想曲面上生成理想刀位点，令某一理想刀位点为Wi(i＝1,2,...,n)，n为刀位点个数，在理想曲面网格中根据刀位点坐标值找到它所在的的三角面片，令此三角面片顶点坐标为Qi,Mi,Ni；理想刀位点Wi在ΔQiMiNi中的面积坐标可表示为为Wi(λ1,λ2,λ3)，则点Wi满足公式(1)，且λ1+λ2+λ3＝1；
(λ1+λ2+λ3)Wi＝λ1Qi+λ2Mi+λ3Ni(1)
点Wi与ΔQiMiNi各顶点将ΔQiMiNi分割为ΔQiMiWi，ΔMiNiWi，ΔQiNiWi，其面积分别为由三角形面积坐标的性质可得：
理想网格曲面中的三角面片ΔQiMiNi在夹紧态网格曲面中的映射三角面片为ΔQ′iM′iN′i，由根据三角形仿射变换的面积坐标不变性，可以求得ΔQiMiNi内任意刀位点Wi在ΔQ′iM′iN′i内的映射刀位点W′i的坐标为：
W′i＝λ1Q′i+λ2M′i+λ3N′i(3)
在UG中建立薄壁圆筒件理想模型，在工件表面绘制图案曲线，并投影到工件表面，用曲线驱动的方式生成五轴加工轨迹；将刀位点导出，并由式(1)-(3)求解其在夹紧态曲面的映射点，实现加工轨迹的映射；
步骤3，建立烧蚀尺寸预测模型
建立激光烧蚀尺寸预测模型，便于后续离散化求解映射轨迹上任一刀位点处的材料烧蚀深度和烧蚀宽度，判断轨迹超差点；采用纳秒激光进行加工，光束在x-z截面激光能量密度的分布可表达为：
式中，w为实际光斑尺寸，F0为光束作用在x-z截面的峰值能量密度，由下式计算：
式中，为激光器的平均功率，f为激光的脉冲重复频率；
光束在z方向任意位置的光斑尺寸w表示为：
式中，w0为光束在束腰位置的光斑尺寸，λ为激光的波长；
当脉冲激光能量密度超过材料的烧蚀阈值时，激光作用区内材料表面出现蒸发现象，形成材料的去除，此过程符合能量守恒定律：
(1-R)F(x,z)-Fth＝δ(x,z)(ρsHsl+ρlHlv)(7)
式中，R为目标材料对激光的反射率，ρl为目标材料的液态密度，Hlv为目标材料的汽化焓，Hsl为目标材料的熔化焓，Fth为激光对目标材料的烧蚀阈值，F(x,z)为光束在x-z截面的能量密度分布，δ(x,z)为作用于材料表面的单脉冲激光束离焦量为z时，x-z截面上任一点材料烧蚀深度，记为单脉冲激光烧蚀深度；
则单脉冲烧蚀深度δ(x,z)表示为：
作用于材料表面的光斑偏移焦平面距离z为负值时，激光束焦平面在材料表面上方，记为负离焦；z为正值时，激光束焦平面在材料表面下方，记为正离焦；
当脉冲激光的扫描速度为v时，作用于某位置的激光脉冲个数N表示为：
其中，int为向下取整函数；激光束在传播过程中逐渐发散，光束的发散度由光斑尺寸的微分方程表示：
则某位置(x,z)处的激光的发散角θ*为：
经过位置(xk-1,zk-1)的第k个激光脉冲烧蚀之前，光束的离焦量zk-1表示为：
zk-1＝z0+δk-1(12)
式中，z0为光束的初始离焦量，δk-1为前k-1个脉冲烧蚀深度之和；
经过烧蚀位置(xk-1,zk-1)的第k个激光脉冲的单脉冲能量分布表示为：
计算的烧蚀位置(xk-1,zk-1)处的激光发散角θ*(xk-1,zk-1)表示为：
烧蚀沿着激光的传播方向进行，经过烧蚀位置(xk-1,zk-1)的第k个激光脉冲烧蚀深度表示为：
烧蚀前后两个空间位置(xk-1,zk-1)和(xk,zk)有以下几何关系：
令N＝2n+1则脉冲激光烧蚀目标材料的截面尺寸表示为：
当x＝0时，烧蚀深度达到最大值，最大烧蚀深度为depth(0)；
depth(x)＝0时的位置即为烧蚀轮廓的边缘，两侧边缘的距离为最大烧蚀宽度，令x＝depth-1(x)为depth(x)的反函数，当depth(x)＝0时，反函数的两个解分别为x1，x2，则最大烧蚀宽度width＝|x1-x2|；
步骤4，虑及曲面曲率变化的映射轨迹调整
结合烧蚀尺寸预测...
【专利技术属性】
技术研发人员：马建伟，姜文文，贾振元，韩东旭，王健，王福吉，刘巍，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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