點(diǎn)云描述曲面工件的表面陣列微結(jié)構(gòu)排布方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種點(diǎn)云描述曲面工件的表面陣列微結(jié)構(gòu)排布方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在機(jī)械工業(yè)和電子工業(yè)領(lǐng)域，經(jīng)常需要在已經(jīng)成型的自由曲面工件表面上再制備出陣列微結(jié)構(gòu)。微結(jié)構(gòu)是指面形精度達(dá)亞微米級(jí)，表面粗糙度達(dá)納米級(jí)的，具有特定功能的微小表面拓?fù)湫螤?。微結(jié)構(gòu)最主要的特征是其結(jié)構(gòu)的功能性，如微結(jié)構(gòu)表面光學(xué)元件的表面結(jié)構(gòu)決定了對(duì)光線(xiàn)的反射，透射或衍射性能，便于光學(xué)設(shè)計(jì)者優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)，減輕重量，縮小體積。另一特征是它們一般都有大的深寬比，這與傳統(tǒng)的表面參數(shù)及統(tǒng)計(jì)特性不同。
[0003]由于曲面工件外形的不規(guī)則性、非回轉(zhuǎn)性和不可展性等特點(diǎn)，一般很難用數(shù)學(xué)方程精確地描述，通常采用一系列離散型值點(diǎn)，即散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)描述自由曲面模型。其中，散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以直接來(lái)自于采用逆向工程方法測(cè)量尺寸并制作成3D模型后，再在CAD/CAM系統(tǒng)中對(duì)其進(jìn)行離散化獲得。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，針對(duì)曲面工件外形的表面陣列微結(jié)構(gòu)的加工一般有兩種方法。第一種方法是先基于理論工件模型進(jìn)行離線(xiàn)虛擬設(shè)計(jì)再對(duì)實(shí)際工件進(jìn)行在線(xiàn)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過(guò)程中都有加工公差，因此這種方法沒(méi)有考慮工件實(shí)際外形尺寸與理論工件模型的誤差，加工誤差較大。第二種方法是先基于表面陣列微結(jié)構(gòu)圖形進(jìn)行離線(xiàn)虛擬布局和設(shè)計(jì)，再對(duì)實(shí)際工件進(jìn)行在線(xiàn)加工，但是由于刀具的方位誤差和磨損誤差或激光束的投影拼接誤差的存在，使得微結(jié)構(gòu)圖形布局與加工均存在較大的偏差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種點(diǎn)云描述曲面工件的表面陣列微結(jié)構(gòu)排布方法；該點(diǎn)云描述曲面工件的表面陣列微結(jié)構(gòu)排布方法加工誤差小、兼容各種類(lèi)型的自由曲面，計(jì)算規(guī)模穩(wěn)定且保持收斂，布局效率高。
[0006]本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]一種點(diǎn)云描述曲面工件的表面陣列微結(jié)構(gòu)排布方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0008](I)采用逆向工程方法測(cè)量自由曲面工件表面的外形尺寸，獲得基于散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)描述的曲面模型，即點(diǎn)云描述曲面；其中，散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)中相鄰點(diǎn)的最大空間距離不大于預(yù)先設(shè)定的值α，且ADist > a，AAngle > D/ α ; Δ Dist為周期性陣列微結(jié)構(gòu)布局最大距離誤差值，AAngle為周期性陣列微結(jié)構(gòu)布局的最大角度誤差值，D為周期性陣列微結(jié)構(gòu)中任意兩個(gè)單元微結(jié)構(gòu)的各自幾何中心點(diǎn)之間的空間直線(xiàn)距離；
[0009](2)在點(diǎn)云描述曲面上，尋找若干個(gè)頂點(diǎn)，將其加入頂點(diǎn)集合；
[0010](3)在點(diǎn)云描述曲面所在的坐標(biāo)系中，計(jì)算頂點(diǎn)集合中的所有點(diǎn)Pt所在點(diǎn)云描述曲面位置的切平面Kt和外法矢量V t;t為大于2的整數(shù)；
[0011](4)在點(diǎn)云描述曲面所在的坐標(biāo)系中，任意選擇一個(gè)空間基準(zhǔn)向量；
[0012](5)在所有切平面Kt上，以其對(duì)應(yīng)的P 為幾何中心點(diǎn)，對(duì)應(yīng)排布一個(gè)單元微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖形Gt，并且滿(mǎn)足所有切平面上的設(shè)計(jì)圖形的同一條對(duì)應(yīng)特征邊線(xiàn)與空間基準(zhǔn)向量在Kt上的投影線(xiàn)之間的夾角均為固定值。
[0013]進(jìn)一步的，步驟(2)中“尋找若干個(gè)頂點(diǎn)”的實(shí)現(xiàn)方法為:
[0014](a)將頂點(diǎn)集合初始化為空集；并在點(diǎn)云描述曲面上，取兩個(gè)初始點(diǎn)PQ(xQ，y0, z0)和？“^，Y1, Zl)，使得匕、P1兩點(diǎn)的空間直線(xiàn)距離Dist_P與周期性單元間距D滿(mǎn)足關(guān)系D-ADist < Dist_P < D+ADist，將P。、PjP標(biāo)記為“未擴(kuò)展”并加入頂點(diǎn)集合；
[0015](b)取頂點(diǎn)集合中任意一個(gè)標(biāo)記為“未擴(kuò)展”的點(diǎn)Pi,在點(diǎn)云描述曲面上進(jìn)行N等分?jǐn)U展操作，獲得M個(gè)擴(kuò)展點(diǎn)Pj;N取3、4、5或6，j = I?M ;
[0016]其中，N等分?jǐn)U展操作的含義為:根據(jù)點(diǎn)Pi及點(diǎn)P —個(gè)相鄰的且標(biāo)記為“未擴(kuò)展”的點(diǎn)Pi+1，在點(diǎn)云描述曲面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中搜索尋取擴(kuò)展點(diǎn)Pj，使得滿(mǎn)足如下條件:l)P1、Pj兩點(diǎn)的距離Dist_P」需要滿(mǎn)足關(guān)系D-ADist < Dist_P j< D+ADist ;2)Ρρ Pj兩點(diǎn)連線(xiàn)與 P1、pi+1 兩點(diǎn)連線(xiàn)之間的夾角 angle 滿(mǎn)足 2k π /N-AAngle < angle < 2k π /Ν+Δ Angle,k為小于等于N的正整數(shù)；
[0017](c)將步驟(b)得到的M個(gè)擴(kuò)展點(diǎn)Pp都標(biāo)記為“未擴(kuò)展”并加入頂點(diǎn)集合，將Pi標(biāo)記為“已擴(kuò)展”;分別計(jì)算P」與頂點(diǎn)集合中所有其他點(diǎn)的空間直線(xiàn)距離，若得到的所有空間直線(xiàn)距離值中存在至少一個(gè)空間距離值小于D/2，則表明？」是冗余點(diǎn)，將其從頂點(diǎn)集合刪除；
[0018](d)重復(fù)步驟(b)_(C)，直至頂點(diǎn)集合不存在標(biāo)記為“未擴(kuò)展”的點(diǎn)。
[0019]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0020]1、本發(fā)明采用逆向工程方法測(cè)量建模待加工自由曲面工件外形并基于點(diǎn)云描述曲面模型進(jìn)行表面陣列微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖形布局，在線(xiàn)測(cè)量、設(shè)計(jì)與加工在同一坐標(biāo)系下進(jìn)行，相比傳統(tǒng)方法完全消除了工件實(shí)際外形尺寸與理論工件模型的誤差問(wèn)題，并且陣列微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖形采用了平行投影方式，后續(xù)可以利用激光束或電子束等高能束進(jìn)行投影式直寫(xiě)加工，顯然本發(fā)明在設(shè)計(jì)布局圖形時(shí)的投影映射方法與激光束等高能束在直寫(xiě)加工時(shí)的光束平移完全一致(激光束平移加工本質(zhì)就是光線(xiàn)平行投影)，從而也完全消除了表面陣列微結(jié)構(gòu)圖形的布局與加工誤差。
[0021]2、本發(fā)明雖然采用逆向工程設(shè)備對(duì)自由曲面工件進(jìn)行測(cè)量，但后續(xù)布局設(shè)計(jì)及加工處理都是直接基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，省去了曲面擬合處理，大大減少了計(jì)算量；
[0022]3、本發(fā)明的表面陣列微結(jié)構(gòu)圖形的布局與設(shè)計(jì)，計(jì)算量與自由曲面的曲率分布與變化無(wú)關(guān)，兼容各種類(lèi)型的自由曲面，計(jì)算規(guī)模穩(wěn)定且保持收斂，布局效率高；
[0023]4、本發(fā)明的表面陣列微結(jié)構(gòu)圖形布局方法，布局精度與逆向工程測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度直接相關(guān)，具有可預(yù)測(cè)、可控制的優(yōu)點(diǎn)，尤其可以根據(jù)需要和具體應(yīng)用靈活控制，合理規(guī)劃點(diǎn)云數(shù)據(jù)量，進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算量；
[0024]5、本發(fā)明的表面陣列微結(jié)構(gòu)圖形布局方法，滿(mǎn)足所有切平面上的設(shè)計(jì)圖形的同一條對(duì)應(yīng)特征邊線(xiàn)與空間基準(zhǔn)向量在Ki上的投影線(xiàn)之間的夾角均為固定值，從而保證所有的陣列微結(jié)構(gòu)的空間朝向盡可能整齊，若周期性陣列微結(jié)構(gòu)的功能為頻率選擇表面，則該空間基準(zhǔn)向量與入射電磁波的方向一致，十分精確、靈活和便于調(diào)整；
[0025]6、本發(fā)明通過(guò)N等分?jǐn)U展操作(N可為3、4、5、6之一)，從而使得周期性陣列微結(jié)構(gòu)的圖形布局可以設(shè)計(jì)成120、90、72、60度交錯(cuò)排列之一，并不局限于傳統(tǒng)的60度交錯(cuò)。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0027]本發(fā)明提供了一種點(diǎn)云描述曲面工件的表面陣列微結(jié)構(gòu)排布方法，采用該方法可以在給定某個(gè)具有光滑表面的自由曲面工件表面排布周期性陣列微結(jié)構(gòu)，為后續(xù)制備周期性陣列微結(jié)構(gòu)提供前提。其中，構(gòu)成周期性陣列微結(jié)構(gòu)的單元微結(jié)構(gòu)之間的周期性單元間距為D ;周期性單元間距的定義為任意兩個(gè)單元微結(jié)構(gòu)的各自幾何中心點(diǎn)之間的空間直線(xiàn)距離。預(yù)先設(shè)置周期性陣列微結(jié)構(gòu)布局中最大距離誤差值A(chǔ)Dist(ADist為大于O的實(shí)數(shù))和最大角度誤差值A(chǔ)Angle (AAngle為大于O的實(shí)數(shù)，單位一般用弧度表示)。
[0028]本發(fā)明所述的點(diǎn)云描述曲面工件的表面陣列微結(jié)構(gòu)排布方法，具體包括如下步驟:
[0029](I)固定裝夾和定位自由曲面工件；基于空間XYZ直角坐標(biāo)系，采用逆向工程方法測(cè)量自由曲面工件表面的外形尺寸，獲得基于散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)描述的曲面模型，以下將基于散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)描述的曲面模型簡(jiǎn)稱(chēng)點(diǎn)云描述曲面。其中，點(diǎn)云描述曲面的精度由逆向工程方法的測(cè)量精度和取點(diǎn)疏密程度控制，可以通過(guò)三維逆向工程設(shè)備測(cè)量參數(shù)設(shè)定所獲得的散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)中相鄰點(diǎn)的最大空間距離不大于值α (α為大于O的實(shí)數(shù)，可根據(jù)需要任意設(shè)定)，并且要求ADist > a , AAngle > D/a，其意義在于保證后續(xù)步驟中的點(diǎn)的“N等分?jǐn)U展操作” 一定可以找到對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展點(diǎn)；
[0030](2)將頂點(diǎn)集合初始化為空集；并在點(diǎn)云描述曲面上，取兩個(gè)初始點(diǎn)P。(X。，yQ，z0)和？“^，Y1, Z1),使得匕、P1兩點(diǎn)的空間直線(xiàn)距離Dist_P與周期性單元間距D滿(mǎn)足關(guān)系D-ADist < Dist_P < D+ADist，將P。、PjP標(biāo)記為“未擴(kuò)展”并加入頂點(diǎn)集合；
[0031](3)取頂點(diǎn)集合中任意一個(gè)標(biāo)記為“未擴(kuò)展”的點(diǎn)Pi,在點(diǎn)云描述曲面上進(jìn)行N等分?jǐn)U展操作(N取3、4、5或6)，獲得M個(gè)擴(kuò)展點(diǎn)Pj (