[发明专利]基于曲面工件外形的表面阵列微结构激光刻蚀制备方法

摘要

本发明提供了一种基于曲面工件外形的表面阵列微结构激光刻蚀制备方法，包括：采用逆向工程方法测量建模待加工自由曲面工件外形，并基于重构曲面模型进行表面阵列微结构的设计图形布局；之后对设计图形进行激光刻蚀加工路径规划，根据加工路径所在的切平面、几何中心点以及对应外法矢量，调整激光加工头相对自由曲面工件的空间方位，使激光束沿法向方向射向自由曲面工件，逐条进行几何线条的激光刻蚀加工。本发明可以有效保证光束焦点在加工过程中始终位于自由曲面工件表面或有一定的离焦量，是一种全新的“准确聚焦”激光加工方法，完全消除了表面阵列微结构图形的布局与加工误差，确保了激光刻蚀加工工艺质量的精确性和稳定性。

主权项

一种基于曲面工件外形的表面阵列微结构激光刻蚀制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)固定装夹和定位自由曲面工件；基于空间XYZ直角坐标系，采用逆向工程方法测量自由曲面工件表面的外形尺寸，获得自由曲面工件表面的重构模型，即重构曲面；(2)在重构曲面上，取初始点P0(x0，y0，z0)、P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2)，使得P0、P1、P2三点中任意两点的距离等于阵列微结构的周期性单元间距D，将P0、P1、P2构成的曲面等边三角形T0的三条边L0、L1、L2都标记为“未扩展”；(3)在重构曲面上，对任意一条标记为“未扩展”的边Lj，都向外扩展一个曲面等边三角形Tj；若向外扩展成功，则将Tj的三条边标记为“未扩展”，将Lj标记为“已扩展”；若Lj无法向外扩展，则仅仅将Lj标记为“已扩展”；其中，向外扩展的含义为：根据边的两个端点，在重构曲面上取第三点，使得满足第三点与两个端点之间的距离等于周期性单元间距D，并且第三点不在任何已扩展得到的等边三角形的内部；无法向外扩展的含义为：根据边的两个端点，在重构曲面上无法取到第三点，使得满足第三点与两个端点之间的距离等于周期性单元间距D，并且第三点不在任何已扩展得到的等边三角形的内部；(4)反复执行步骤(3)，直至不存在标记为“未扩展”的边；(5)对步骤(2)至(4)获得的所有曲面等边三角形，记录其所有不重复的曲面等边三角形顶点坐标Pi，并计算求得Pi所在重构曲面位置的切平面Ki和外法矢量Vi；其中i＝0～n，n为大于3的整数；(6)在重构曲面所在的空间XYZ直角坐标系中，任意选择一个空间基准向量；(7)在所有切平面Ki或者与切平面Ki平行的平面上，以其对应的Pi点为几何中心点，对应排布一个单元微结构的设计图形Gi，并且满足所有切平面上的设计图形的同一条对应特征边线与空间基准向量在Ki上的投影线之间的夹角均为固定值；(8)对步骤(7)获得的所有的设计图形Gi进行激光刻蚀加工路径规划，获得对应的激光刻蚀加工路径集合Ri，Ri由若干条位于切平面Ki上的几何线条构成；(9)对所有激光刻蚀加工路径集合Ri，根据其所在的切平面Ki、几何中心点Pi以及对应外法矢量Vi，将Ri中的所有激光刻蚀加工路径沿着Vi方向向重构曲面上进行平行投影，获得重构曲面上的激光刻蚀加工路径集合Ri’，并且计算Ri中的每一条几何线条的起点和终点与Ri’中对应的几何线条的起点和终点的空间距离ds、dt；(10)对所有激光刻蚀加工路径集合Ri，根据其所在的切平面Ki、几何中心点Pi以及对应外法矢量Vi，调整激光加工头相对自由曲面工件的空间方位，使激光束沿Vi方向射向自由曲面工件；(11)在Ri中选择任意一条未加工过的几何线条，平移激光加工头使得经过聚焦物镜出射的聚焦激光束穿过该几何线条的起点，并且光束焦点位于自由曲面工件表面或有离焦量；(12)打开激光；(13)平移激光加工头，使光束焦点以一定的扫描速度沿着该几何线条的轨迹由起点向终点平移行进，行进过程中同时使得聚焦物镜与自由曲面工件沿Vi方向的距离均匀的调整dt‑ds大小；到达终点后，标记该几何线条为已加工过；(14)在Ri中任意选择一条未加工过的几何线条作为下一条加工线条，若不存在下一条加工线条，则表明Ri中所有的几何线条均被加工过，转入步骤(17)；若存在下一条加工线条，则判断下一条加工线条是否与步骤(13)中已加工过的几何线条首尾衔接，若是，则转入步骤(16)；否则进入步骤(15)；(15)关闭激光；平移激光加工头使得经过聚焦物镜出射的聚焦激光束穿过下一条加工线条的起点，并且光束焦点位于自由曲面工件表面或有离焦量；返回步骤(12)；(16)平移激光加工头使得经过聚焦物镜出射的聚焦激光束穿过下一条加工线条的起点，并且光束焦点位于自由曲面工件表面或有离焦量；返回步骤(13)；(17)结束。