一种微曲率半径天线激光加工扫描轨迹优化方法.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CN111515548A(43)申请公布日2020.08.11(21)申请号202010273752.0(22)申请日2020.04.09(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)发明人马建伟贺广智贾振元韩东旭姜文文刘巍司立坤(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)B23K26/082(2014.01)B23K26/70(2014.01)G06F17/18(2006.01)权利要求书4页说明书8页附图3页(54)发明名称一种微曲率半径天线激光加工扫描轨迹优化方法(57)摘要本发明一种微曲率半径天线激光加工扫描轨迹优化方法属于特种加工领域，涉及一种虑及蚀槽轮廓非对称问题的微曲率半径天线激光加工扫描轨迹优化方法。该方法基于纳秒激光加工复杂图案零件表面能量动态分布模型，求解零件表面能量密度极大值位置，计算最大烧蚀深度位置偏移量。依据理想天线带线设计曲线Frenet标架方程，计算实际最大烧蚀深度曲线，求解优化后激光扫描轨迹。根据圆形图案激光扫描轨迹优化结果，求解基于密切圆离散近似策略的复杂扫描轨迹优化曲线，实现微曲率半径天线激光加工扫描轨迹优化。该方法有效可靠，可应用于具有微曲率半径特征飞行器高性能天线激光加工扫描轨迹优化中，对提高该类天线服役性能具有重要的实际应用意义。CN111515548ACN111515548A权利要求书1/4页1.一种微曲率半径天线激光加工扫描轨迹优化方法，其特征在于，该方法考虑纳秒级多脉冲激光加工过程中激光蚀槽轮廓几何特征与扫描轨迹曲率半径关联性，基于纳秒级多脉冲激光加工复杂图案零件表面能量动态分布模型，求解零件表面能量密度极大值位置，计算最大烧蚀深度位置偏移量；然后，依据理想天线带线设计曲线各位置Frenet标架方程，计算实际最大烧蚀深度曲线，通过二阶偏微分方程组求解优化后激光加工扫描轨迹；最终根据圆形图案激光扫描轨迹优化结果，求解基于密切圆离散近似策略的复杂扫描轨迹优化曲线，实现微曲率半径天线激光加工扫描轨迹优化；方法的具体步骤如下：步骤1：求解最大烧蚀深度位置的偏移量纳秒级多脉冲激光单脉冲能量密度在束腰平面上分布公式为：其中，w0为束腰半径，F0为激光能量密度，x、y为束腰平面上点坐标；纳秒级多脉冲激光沿半径为R的圆弧轨迹加工时，靶材表面能量动态分布模型为：其中，f为激光重复频率，v为激光扫描速度，k为光斑相对位置，其与靶材表面激光扫描区域内任意一点至圆弧中心长度r和圆弧半径R满足：r＝R+kw(3)由公式(2)的单调性规律可知，在激光整个扫描区域内，公式(2)有唯一极大值点，即：其中，i为R与w0的比值：由公式(2)可知，Fk不恒为0，若公式(4)有解则必须保证因此公式(4)的理论解为：此外，在天线设计过程中，为保证天线表面的加工性能，天线带线几何特征通常有如下约束：i≥2(7)2CN111515548A权利要求书2/4页由公式(6)和(7)得到：因此在整个激光扫描区域内，能量密度最大值的相对位置kd为：因此，最大烧蚀深度位置的偏移量ld表示为：步骤2：基于Frenet标架求解优化后激光加工扫描轨迹假设理想天线带线设计曲线为r＝r(s)，其Frenet标架方程{r(s):α(s),β(s)}表示为：其中，s为曲线弧长，α(s)为曲线切矢，β(s)为曲线法矢；曲线曲率κ(s)由公式(12)求得；t为弧长s的特征，则s表示为：s＝s(t)(13)因此，公式(10)-(12)进一步表示为：当激光沿曲线r(t)加工时，考虑步骤1中所求最大烧蚀深度位置偏移量，实际最大烧蚀深度曲线rd(t)将沿曲线r(t)各位置法矢方向β(t)偏离理想曲线r(t)，偏移距离为：因此，实际最大烧蚀深度曲线为：rd(t)＝r(t)+ld(t)·β(t)(19)因此，必须优化激光加工扫描轨迹保证实际激光最大烧蚀深度位置更接近理想位置；令优化后的激光加工扫描轨迹为ro＝ro(t)，曲线曲率为κo(t)；同理，当激光沿该轨迹3CN111515548A权利要求书3/4页烧蚀靶材时，最大烧蚀深度曲线也会沿其法矢方向βo(t)偏离激光加工扫描轨迹，位置偏差为：扫描轨迹优化后加工的实际最大烧蚀深度曲线应为：r(t)＝ro(t)+lo(t)·βo(t)(21)因此，用二阶偏微分方程组求解优化后的激光加工扫描轨迹ro(t)：步骤3：基于密切圆离散近似策略求解复杂扫描轨迹优化曲线步骤2给出了利用二阶偏微分方程组求解优化后激光加工扫描轨迹的方法，然而，若理想天线带线设计曲线r＝r(t)解析式复杂或无解析式时，该方程组的求解过程较为繁琐困难，很难应用于实际复杂几何