采用激光双扫描策略加工表层图案轨迹生成方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN112008248A(43)申请公布日2020.12.01(21)申请号202010743519.4(22)申请日2020.07.29(71)申请人大连理工大学地址116024辽宁省大连市甘井子区凌工路2号(72)发明人马建伟王健贾振元韩东旭姜文文王旭林(74)专利代理机构大连理工大学专利中心21200代理人关慧贞(51)Int.Cl.B23K26/362(2014.01)B25J9/16(2006.01)权利要求书7页说明书10页附图7页(54)发明名称采用激光双扫描策略加工表层图案轨迹生成方法(57)摘要本发明采用激光双扫描策略加工表层图案轨迹生成方法属于激光加工轨迹规划技术领域，涉及一种采用激光双扫描策略加工表层图案轨迹生成方法。该方法通过对图案划分外区和内区，并分别采用环扫和行扫的扫描策略。首先确定外廓曲线最小曲率半径及其位置，计算由图案轮廓曲线及机床动态性能限制的外区宽度，并与扫描行距匹配。以图案轮廓等距偏置线划分图案为内外区，图案廓形为拼接曲线时内外区分界线还需去自交处理。以扫描行距等距偏置图案轮廓生成外区环扫轨迹，对拼接曲线环扫轨迹时进行自交处理。经去自交处理后轨迹间无交叠，避免实际激光加工中局部过烧。保证扫描速度能够满足机床动态响应能力，所生成加工轨迹与刻蚀图案边缘平滑。CN112008248ACN112008248A权利要求书1/7页1.一种采用激光双扫描策略加工表层图案的轨迹生成方法，其特征在于，该方法对图案划分外区和内区，并分别采用环扫和行扫的扫描策略；首先由图案外廓曲线计算其各点曲率半径、单位法矢和凹凸方向等几何参数，并确定图案外廓曲线的最小曲率半径及其位置；其次，确定由图案轮廓曲线及机床极限加工能力限制的最大外区宽度，结合扫描行距条件进行外区宽度匹配，以图案轮廓等距偏置线将图案划分为内外区，对于廓形为拼接曲线的复杂图案还需进行内外区分界线的去自交处理；然后，对图案轮廓进行等距偏置生成外区环扫轨迹，对于廓形为拼接曲线的复杂图案，还需进行环扫轨迹的去自交处理；最后，通过生成一系列间距为扫描行距的、覆盖内区的直线集，计算和去除直线位于内区之外的部分，生成内区行扫轨迹；方法的具体步骤如下：步骤1，由图案外廓曲线计算曲线相关几何参数以位于x-O-y平面内的图案为例，当其外廓曲线C(t)由参数方程(x＝x(t),y＝y(t),z＝0)给出时，按顺时针方向沿C(t)运动时，其单位切矢为：另设单位向量则指向C(t)内部的单位法矢为：C(t)的一阶导数、二阶导数以及曲率半径分别为：由于曲线上某点二阶导矢方向与该点到其密切圆圆心指向相同，因而其反映了该点邻域的曲线段凹凸方向；C(t)的二阶导矢计算如下：则根据和方向的异同，建立曲线凹凸方向判断参数：其中，dir(t)＝1表示该点邻域曲线段为外凸形状，若dir(t)＝-1表示该点邻域曲线段2CN112008248A权利要求书2/7页为内凹形状，若dir(t)＝0表示直线段；C(t)的最小曲率半径表示为：ρmin＝min{ρ(t)}＝min{min{ρ(t)}|dir(t)＝1，min{ρ(t)}|dir(t)＝-1}(8)其中，min{ρ(t)}|dir(t)＝1和min{ρ(t)}|dir(t)＝-1分别是C(t)外凸部分和内凹部分的最小曲率半径；步骤2，对图案进行内外区划分在步骤1计算C(t)各几何参数基础上，对C(t)进行等距偏置得到等距偏置线也即图案内外区分界线的表达形式：其中，dN为等距偏置线Cd(t)的偏置距离，也即图案外区宽度；而Cd(t)的曲率半径表示为：ρN(t)＝ρ(t)-dir(t)dN(10)上式表明对于C(t)上内凹的曲线段，Cd(t)相应位置的曲率半径会变大，对于C(t)上外凸的曲线段，Cd(t)相应位置的曲率半径会变小；①当C(t)为一阶连续曲线时若ρmin＝min{ρ(t)}|dir(t)＝-1即C(t)最小曲率半径位于内凹部分，且C(t)存在外凸曲线段时，机床动态性能约束相对较容易满足，只需使Cd(t)的最小曲率半径大于等于ρmin即可保证整个外区的扫描速度可达性；由式(8)和式(10)得到最大外区宽度为：dN＝min{ρ(t)}|dir(t)＝1-ρmin(11)若ρmin＝min{ρ(t)}|dir(t)＝1即C(t)最小曲率半径位于外凸部分时，需要考虑由加工参数和机床参数决定的机床极限加工能力；对于直线插补运动是以微线段逼近曲线段，在每个微线段内扫描速度经历了加速-匀速-减速的过程，将机床加速度、规划扫描速度分别表示为a和v0，则速度从0增加到v0用时为v0/a；匀速运动的时间占比越多，加减/速阶段对整段加工质量的影响就越小，定义加速与减速运动距离占总运动距