一種曲面工件表面陣列微結構圖形布局方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于激光加工技術領域，具體涉及一種曲面工件表面陣列微結構圖形布局方法。
【背景技術】
[0002]在機械工業和電子工業領域，經常需要在已經成型的自由曲面工件表面上再制備出陣列微結構。微結構是指面形精度達亞微米級，表面粗糙度達納米級的，具有特定功能的微小表面拓撲形狀。微結構最主要的特征是其結構的功能性，如微結構表面光學元件的表面結構決定了對光線的反射，透射或衍射性能，便于光學設計者優化光學系統，減輕重量，縮小體積。另一特征是它們一般都有大的深寬比，這與傳統的表面參數及統計特性不同。
[0003]由于曲面工件外形的不規則性、非回轉性和不可展性等特點，一般很難用數學方程精確地描述，通常采用一系列離散型值點，即離散點云模型進行描述。其中，點云數據可以通過曲面工件的逆向工程技術獲得。逆向工程技術是一種能根據現有的物理部件通過CAD、CAM、CAE或其他軟件構筑3D虛擬模型的方法。逆向工程的過程采用了通過丈量實際物體的尺寸并將其制作成3D模型的方法，真實的對象可以通過如CMMs，激光掃描儀，結構光源轉換儀或者X射線斷層成像這些3D掃描技術進行尺寸測量。曲面重構技術是逆向工程中的關鍵技術，根據所采用的曲面表達方式，曲面重構的方法主要有:(I)函數曲面方法；(2)隱函數方法；(3)多邊形模型法；(4)三角B6zier方法；(5)細分曲面方法；(6)B樣條以及NURBS方法等。
[0004]現有技術中，針對曲面工件外形的表面陣列微結構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行離線虛擬設計再對實際工件進行在線加工，但是由于任何自由曲面工件在其自由曲面外形的加工過程中都有加工公差，因此這種方法沒有考慮工件實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構圖形進行離線虛擬布局和設計，再對實際工件進行在線加工，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，使得微結構圖形布局與加工均存在較大的偏差。

【發明內容】

[0005]本發明針對上述現有技術的不足，提供了一種曲面工件表面陣列微結構圖形布局方法；該曲面工件表面陣列微結構圖形布局方法計算規模穩定且保持收斂，布局效率高，可完全消除完全消除了表面陣列微結構圖形的布局與加工誤差。
[0006]本發明是通過如下技術方案實現的:
[0007]一種曲面工件表面陣列微結構圖形布局方法，包括如下步驟:
[0008](I)采用逆向工程方法測量自由曲面工件表面的外形尺寸，獲得自由曲面工件表面的重構模型，即重構曲面；
[0009](2)將重構曲面上劃分為若干個無縫隙排列的曲面等邊三角形，每個曲面等邊三角形的邊長均為周期性單元間距D ;
[0010](3)在重構曲面所在的坐標系中，記錄所有不重復的曲面等邊三角形頂點坐標Pi,并計算求得Pi所在重構曲面位置的切平面Ki和外法矢量Vi;其中i = O?η，η為大于3的整數；
[0011](4)在重構曲面所在的坐標系中，任意選擇一個空間基準向量；
[0012](5)在所有切平面Ki或者與切平面1^平行的平面上，以其對應的Pi點為幾何中心點，對應排布一個單元微結構的設計圖形Gi,并且滿足所有切平面上的設計圖形的同一條對應特征邊線與空間基準向量在&上的投影線之間的夾角均為固定值。
[0013]進一步的，步驟(2)中“將重構曲面上劃分為若干個無縫隙排列的曲面等邊三角形”的實現方法包括如下步驟:
[0014](a)在重構曲面上，任取初始點Pc^PpP2，使得P。、Pp P2三點中任意兩點的距離近似等于陣列微結構的周期性單元間距D ;將匕、？1、己構成的曲面等邊三角形T。的三條邊L。、LpLjP標記為“未擴展”；
[0015](b)在重構曲面上，對任意一條標記為“未擴展”的邊Lj,都向外擴展一個曲面等邊三角形Tj;若向外擴展成功，則將T j的三條邊標記為“未擴展”，將L」標記為“已擴展”;若L J無法向外擴展，則僅僅將Lj標記為“已擴展”；
[0016]其中，向外擴展的含義為:根據邊的兩個端點，在重構曲面上取第三點，使得滿足第三點與兩個端點之間的距離等于周期性單元間距D，并且第三點不在任何已擴展得到的等邊三角形的內部；
[0017]無法向外擴展的含義為:根據邊的兩個端點，在重構曲面上無法取到第三點，使得滿足第三點與兩個端點之間的距離等于周期性單元間距D，并且第三點不在任何已擴展得到的等邊三角形的內部；
[0018](c)反復執行步驟(b)，直至不存在標記為“未擴展”的邊。
[0019]本發明具有如下有益效果:
[0020]1、本發明采用逆向工程方法測量建模待加工自由曲面工件外形，并基于重構曲面模型進行表面陣列微結構的設計圖形布局，在線測量、設計與加工可以在同一坐標系下進行，相比傳統方法完全消除了工件實際外形尺寸與理論工件模型的誤差問題，并且陣列微結構的設計圖形采用了平行投影方式，后續可以利用激光束或電子束等高能束進行投影式直寫加工，顯然本發明在設計布局圖形時的投影映射方法與激光束等高能束在直寫加工時的光束平移完全一致(激光束平移加工本質就是光線平行投影)，從而也完全消除了表面陣列微結構圖形的布局與加工誤差。
[0021]2、本發明的表面陣列微結構圖形的布局與設計，計算量與自由曲面的曲率分布與變化無關，兼容各種類型的自由曲面，計算規模穩定且保持收斂，布局效率高；
[0022]3、本發明的表面陣列微結構圖形布局方法，可以保證周期性陣列圖形的單元間距一定，滿足所有切平面上的設計圖形的同一條對應特征邊線與空間基準向量在1上的投影線之間的夾角均為固定值α，從而保證所有的陣列微結構的空間朝向盡可能整齊，若周期性陣列微結構的功能為頻率選擇表面，則該空間基準向量與入射電磁波的方向一致，十分精確、靈活和便于調整。
【具體實施方式】
[0023]下面結合【具體實施方式】對本發明做進一步詳細的說明。
[0024]本發明提供了一種曲面工件表面陣列微結構圖形布局方法，采用該方法可以在給定某個具有光滑表面的自由曲面工件表面排布和制備周期性陣列微結構，之后再進行陣列微結構的加工；其中，構成周期性陣列微結構的單元微結構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單元微結構的各自幾何中心點之間的沿曲面弧長或空間直線距離(二者任取其一，一旦取定之后在整個方法中都保持一致)。若周期性單元間距定義的是沿曲面弧長，那么本發明中提到的“距離”也是指沿曲面弧長；若周期性單元間距定義的是空間直線距離，那么本發明中提到的“距離”也是指空間直線距離。
[0025]本發明所述的曲面工件表面陣列微結構圖形布局方法，具體包括如下步驟:
[0026](I)固定裝夾和定位自由曲面工件；基于空間XYZ直角坐標系，采用逆向工程方法測量自由曲面工件表面的外形尺寸，獲得自由曲面工件表面的重構模型，以下將自由曲面工件表面的重構模型簡稱為重構曲面，顯然此處重構曲面是自由曲面工件表面的近似擬合模型，其近似程度可以由逆向工程方法的測量精度和擬合精度共同控制；
[0027](2)將重構曲面上劃分為若干個無縫隙排列的曲面等邊三角形，每個曲面等邊三角形的邊長均為周期性單元間距D ;
[0028]具體包括如下步驟:
[0029](a)在重構曲面上，取初始點 P0 (X。，y。，z。)'P1 (X1, Y1, Z1)、P2 (x2，y2, z2)，使得 P0>PP己三點中任意兩點的距離(近似等于周期性單元間距D，顯然P。、P1, P2構成曲面等邊三角形Ttl (邊長定義與周期性單元間距D的定義相同)，將Ttl的三條邊L VLpL2都標記為“未擴展 ；
[0030]這里近似等于的含義為:給定一個允許誤差delta，即若任意兩點的距離d與周期性單元間距D的差的絕對值小于delta，就認為滿足“近似等于”。delta的選擇根據圖形布局的精度要求而定，即小于圖形布局的位