基于动态聚焦振镜系统的三维激光加工算法及软件设计研究

摘要

由于激光加工非接触、高能量、高精度与可控性等优点，其已成为表面加工的主要方式之一。在过往的研究中，研究方向主要针对于二维平面的表面加工，针对于三维表面的高速度与精度的加工方式并不常见，市场上尚未有成熟的整体解决方案。本文旨在针对该领域进行整体的系统开发研究。 首先，根据基于动态聚焦的三维振镜和五轴工作台，搭建出了整个系统的软硬件平台。并从实验中测量得出光路真实世界坐标与硬件系统坐标的关系，进一步计算测量得到软件系统与硬件系统之间的坐标映射。 其次，根据工业中通用的几种三维模型的特点，对模型进行了解构与拓扑结构重建，并对数据结构进行了优化以加快计算速度。同时在软件中设计了三维视窗，提出了模型分割、拾取与网格化显示等算法。 第三，在已分割的重建后三维模型的基础上，根据黎曼几何中共形几何的定义与计算方法，深入研究了计算机图形学中的纹理贴图方式，提出了将三维模型最小失真平面化的优化最小二乘共形参数化（Optimizing Least Squared Conformal Parametrization，OLSCP）算法与将局部区域内失真度降到最低的区域优先多重参数化（Multi-Field Prior Parametrization,MF-P）算法。借助这些算法，可以将三维模型参数化为二维网格，以便将编辑好的二维图形定位到模型上。之后，采用矢量化算法与相交算法，将离散化顶点精确定位到模型上，并进行控制点插补。 最后，根据计算结果输出激光器与振镜控制参数，得到在真实物体上的加工轨迹并与常规加工方式对比，分析了实验结果与误差。并提出了一些后续优化改进研究的方向。

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