点云描述曲面工件的表面阵列微结构排布方法

摘要

本发明提供了一种点云描述曲面工件的表面阵列微结构排布方法，包括：采用逆向工程方法测量自由曲面工件表面的外形尺寸，获得点云描述曲面；在点云描述曲面上，寻找若干个顶点，将其加入顶点集合；计算顶点集合中的所有点Pt所在点云描述曲面位置的切平面Kt和外法矢量Vt；任意选择一个空间基准向量；在所有切平面Kt上，以其对应的Pt点为几何中心点，对应排布一个单元微结构的设计图形Gt，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Kt上的投影线之间的夹角均为固定值。本发明所述的点云描述曲面工件的表面阵列微结构排布方法加工误差小、兼容各种类型的自由曲面，计算规模稳定且保持收敛，布局效率高。

说明书

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种点云描述曲面工件的表面阵列微结构排布方法。

背景技术

在机械工业和电子工业领域，经常需要在已经成型的自由曲面工件表面上再制备出阵列微结构。微结构是指面形精度达亚微米级，表面粗糙度达纳米级的，具有特定功能的微小表面拓扑形状。微结构最主要的特征是其结构的功能性，如微结构表面光学元件的表面结构决定了对光线的反射，透射或衍射性能，便于光学设计者优化光学系统，减轻重量，缩小体积。另一特征是它们一般都有大的深宽比，这与传统的表面参数及统计特性不同。

由于曲面工件外形的不规则性、非回转性和不可展性等特点，一般很难用数学方程精确地描述，通常采用一系列离散型值点，即散乱点云数据来描述自由曲面模型。其中，散乱点云数据可以直接来自于采用逆向工程方法测量尺寸并制作成3D模型后，再在CAD/CAM系统中对其进行离散化获得。

现有技术中，针对曲面工件外形的表面阵列微结构的加工一般有两种方法。第一种方法是先基于理论工件模型进行离线虚拟设计再对实际工件进行在线加工，但是由于任何自由曲面工件在其自由曲面外形的加工过程中都有加工公差，因此这种方法没有考虑工件实际外形尺寸与理论工件模型的误差，加工误差较大。第二种方法是先基于表面阵列微结构图形进行离线虚拟布局和设计，再对实际工件进行在线加工，但是由于刀具的方位误差和磨损误差或激光束的投影拼接误差的存在，使得微结构图形布局与加工均存在较大的偏差。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种点云描述曲面工件的表面阵列微结构排布方法；该点云描述曲面工件的表面阵列微结构排布方法加工误差小、兼容各种类型的自由曲面，计算规模稳定且保持收敛，布局效率高。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种点云描述曲面工件的表面阵列微结构排布方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)采用逆向工程方法测量自由曲面工件表面的外形尺寸，获得基于散乱点云数据描述的曲面模型，即点云描述曲面；其中，散乱点云数据中相邻点的最大空间距离不大于预先设定的值α，且ΔDist＞α，ΔAngle＞D/α；ΔDist为周期性阵列微结构布局最大距离误差值，ΔAngle为周期性阵列微结构布局的最大角度误差值，D为周期性阵列微结构中任意两个单元微结构的各自几何中心点之间的空间直线距离；

(2)在点云描述曲面上，寻找若干个顶点，将其加入顶点集合；

(3)在点云描述曲面所在的坐标系中，计算顶点集合中的所有点P_t所在点云描述曲面位置的切平面K_t和外法矢量V_t；t为大于2的整数；

(4)在点云描述曲面所在的坐标系中，任意选择一个空间基准向量；

(5)在所有切平面K_t上，以其对应的P_t点为几何中心点，对应排布一个单元微结构的设计图形G_t，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K_t上的投影线之间的夹角均为固定值。

进一步的，步骤(2)中“寻找若干个顶点”的实现方法为：

(a)将顶点集合初始化为空集；并在点云描述曲面上，取两个初始点P₀(x₀，y₀，z₀)和P₁(x₁，y₁，z₁)，使得P₀、P₁两点的空间直线距离Dist_P与周期性单元间距D满足关系D-ΔDist＜Dist_P＜D+ΔDist，将P₀、P₁都标记为“未扩展”并加入顶点集合；

(b)取顶点集合中任意一个标记为“未扩展”的点P_i，在点云描述曲面上进行N等分扩展操作，获得M个扩展点P_j；N取3、4、5或6，j＝1～M；

其中，N等分扩展操作的含义为：根据点P_i及点P_i的一个相邻的且标记为“未扩展”的点P_i+1，在点云描述曲面的点云数据中搜索寻取扩展点P_j，使得满足如下条件：1)P_i、P_j两点的距离Dist_P_j需要满足关系D-ΔDist＜Dist_P_j＜D+ΔDist；2)P_i、P_j两点连线与P_i、P_i+1两点连线之间的夹角angle满足2kπ/N-ΔAngle＜angle＜2kπ/N+ΔAngle，k为小于等于N的正整数；

(c)将步骤(b)得到的M个扩展点P_j，都标记为“未扩展”并加入顶点集合，将P_i标记为“已扩展”；分别计算P_j与顶点集合中所有其他点的空间直线距离，若得到的所有空间直线距离值中存在至少一个空间距离值小于D/2，则表明P_j是冗余点，将其从顶点集合删除；

(d)重复步骤(b)-(c)，直至顶点集合不存在标记为“未扩展”的点。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明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点云描述曲面模型进行表面阵列微结构的设计图形布局，在线测量、设计与加工在同一坐标系下进行，相比传统方法完全消除了工件实际外形尺寸与理论工件模型的误差问题，并且阵列微结构的设计图形采用了平行投影方式，后续可以利用激光束或电子束等高能束进行投影式直写加工，显然本发明在设计布局图形时的投影映射方法与激光束等高能束在直写加工时的光束平移完全一致(激光束平移加工本质就是光线平行投影)，从而也完全消除了表面阵列微结构图形的布局与加工误差。

2、本发明虽然采用逆向工程设备对自由曲面工件进行测量，但后续布局设计及加工处理都是直接基于点云数据进行处理，省去了曲面拟合处理，大大减少了计算量；

3、本发明的表面阵列微结构图形的布局与设计，计算量与自由曲面的曲率分布与变化无关，兼容各种类型的自由曲面，计算规模稳定且保持收敛，布局效率高；

4、本发明的表面阵列微结构图形布局方法，布局精度与逆向工程测量的点云数据精度直接相关，具有可预测、可控制的优点，尤其可以根据需要和具体应用灵活控制，合理规划点云数据量，进一步优化计算量；

5、本发明的表面阵列微结构图形布局方法，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K_i上的投影线之间的夹角均为固定值，从而保证所有的阵列微结构的空间朝向尽可能整齐，若周期性阵列微结构的功能为频率选择表面，则该空间基准向量与入射电磁波的方向一致，十分精确、灵活和便于调整；

6、本发明通过N等分扩展操作(N可为3、4、5、6之一)，从而使得周期性阵列微结构的图形布局可以设计成120、90、72、60度交错排列之一，并不局限于传统的60度交错。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供了一种点云描述曲面工件的表面阵列微结构排布方法，采用该方法可以在给定某个具有光滑表面的自由曲面工件表面排布周期性阵列微结构，为后续制备周期性阵列微结构提供前提。其中，构成周期性阵列微结构的单元微结构之间的周期性单元间距为D；周期性单元间距的定义为任意两个单元微结构的各自几何中心点之间的空间直线距离。预先设置周期性阵列微结构布局中最大距离误差值ΔDist(ΔDist为大于0的实数)和最大角度误差值ΔAngle(ΔAngle为大于0的实数，单位一般用弧度表示)。

本发明所述的点云描述曲面工件的表面阵列微结构排布方法，具体包括如下步骤：

(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，获得基于散乱点云数据描述的曲面模型，以下将基于散乱点云数据描述的曲面模型简称点云描述曲面。其中，点云描述曲面的精度由逆向工程方法的测量精度和取点疏密程度控制，可以通过三维逆向工程设备测量参数设定所获得的散乱点云数据中相邻点的最大空间距离不大于值α(α为大于0的实数，可根据需要任意设定)，并且要求ΔDist＞α，ΔAngle＞D/α，其意义在于保证后续步骤中的点的“N等分扩展操作”一定可以找到对应的扩展点；

(2)将顶点集合初始化为空集；并在点云描述曲面上，取两个初始点P₀(x₀，y₀，z₀)和P₁(x₁，y₁，z₁)，使得P₀、P₁两点的空间直线距离Dist_P与周期性单元间距D满足关系D-ΔDist＜Dist_P＜D+ΔDist，将P₀、P₁都标记为“未扩展”并加入顶点集合；

(3)取顶点集合中任意一个标记为“未扩展”的点P_i，在点云描述曲面上进行N等分扩展操作(N取3、4、5或6)，获得M个扩展点P_j(j＝1～M)；

其中，N等分扩展操作的含义为：根据点P_i及点P_i的一个相邻的且标记为“未扩展”的点P_i+1(显然，P_i、P_i+1两点的空间直线距离大于D-ΔDist，小于D+ΔDist)，在点云描述曲面的点云数据中搜索寻取扩展点P_j(j＝1～M)，使得满足如下条件：1)P_i、P_j两点的距离Dist_P_j需要满足关系D-ΔDist＜Dist_P_j＜D+ΔDist；2)P_i、P_j两点连线与P_i、P_i+1两点连线之间的夹角angle满足2kπ/N-ΔAngle＜angle＜2kπ/N+ΔAngle，k为小于等于N的正整数；

(4)将步骤(3)得到的M个扩展点P_j，都标记为“未扩展”并加入顶点集合，将P_i标记为“已扩展”；分别计算P_j与顶点集合中所有其他点的空间直线距离，若得到的所有空间直线距离值中存在至少一个空间距离值小于D/2，则表明P_j是冗余点，将其从顶点集合删除；

(5)重复步骤(3)-(4)，直至顶点集合不存在标记为“未扩展”的点；

(6)对步骤(2)-(5)获得的顶点集合中的所有点P_t(t为大于2的整数)，计算求得P_t所在点云描述曲面位置的切平面K_t和外法矢量V_t(即K_t与V_t垂直)；

(7)在点云描述曲面所在的空间XYZ直角坐标系中，任意选择一个空间基准向量(若周期性阵列微结构的功能为频率选择表面，则该空间基准向量与入射电磁波的方向一致)；

(8)在所有切平面K_t上，以其对应的P_t点为几何中心点，对应排布一个单元微结构的设计图形G_t，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(所述特征边线是指构成设计图形G_i的任一线段)与空间基准向量在K_t上的投影线之间的夹角均为固定值(即限定设计图形绕P_t点的旋转方位角，保证所有的阵列微结构的空间朝向尽可能整齐)。至此完成点云描述曲面工件的表面阵列微结构排布。

在完成上述表面阵列微结构排布后，可以采用激光加工方法或者数控机床、水刀等多种加工方法对阵列微结构图形进行加工。本实施例中仅以激光刻蚀加工为例，进行详细说明。

基于表面阵列微结构排布完成的曲面工件进行激光刻蚀加工，具体包括如下步骤：

(a)对步骤(8)获得的所有的设计图形G_t(t＝0～n，n为大于2的整数)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R_t(t＝0～n，n为大于2的整数)，R_t由若干条位于切平面K_t上的几何线条构成，该几何线条可以为直线，也可以为曲线。

其中，激光刻蚀加工路径规划定义为：根据激光束聚焦光斑外形尺寸和功率密度(组合起来决定了单次扫描的刻蚀线宽和刻蚀深度)，确定激光束聚焦光斑的图形轮廓线和内部填充线的扫描路径，显然此处扫描路径为对应切平面K_i上的几何线条。

(b)对所有激光刻蚀加工路径集合R_t(t＝0～n，n为大于2的整数)，根据其所在的切平面K_t、几何中心点P_t以及对应外法矢量V_t，经过R_t中的每一条几何线条的起点P_st，作与V_t方向平行的平行线V_st，搜索点云描述曲面的点云数据中距离V_st最近的点P_st’，并且计算P_st和P_st’的空间距离d_s；同样的，经过R_t中的每一条几何线条的终点P_tt，作与V_t方向平行的平行线V_tt，搜索点云描述曲面的点云数据中距离V_tt最近的点P_tt’，并且计算P_tt和P_tt’的空间距离d_t；

(c)对所有激光刻蚀加工路径集合R_t(t＝0～n，n为大于2的整数)，根据其所在的切平面K_t、几何中心点P_t以及对应外法矢量V_t，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V_t方向射向自由曲面工件，即使得激光加工头的聚焦物镜出射的聚焦激光束光轴与V_t平行；

(d)在R_t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根据工艺需要有一定的离焦量；打开激光；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V_i方向的距离均匀的调整d_t-d_s大小，即保证光束焦点在行进过程中始终位于自由曲面工件表面或根据工艺需要有一定的离焦量；到达终点后，标记该几何线条为已加工过，关闭激光(若下一条未加工过的几何线条与当前这条首尾衔接则不必关闭激光)，标记该几何线条为已加工过；

(e)重复执行步骤(d)，直至R_i中所有的几何线条均被加工过。

本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。