一种直圆孔激光加工螺旋线轨迹规划方法

1.本发明属于一种螺旋线轨迹规划方法，具体涉及一种直圆孔激光加工螺旋线轨迹规划方法。


背景技术：

2.在涡轮叶片气膜孔、燃油喷嘴等直圆形状的微孔激光加工中，规划合适的光束运动轨迹是实现加工过程、保证加工精度的首要条件。在现有的激光加工系统中，普遍采用振镜或旋切扫描模块来驱动光束运动，并可以轻易的使扫描轨迹呈现等间距的同心圆或者等螺距的阿基米德螺旋线。但是，采用这种激光加工系统，激光单次扫描刻蚀后的零件形貌严重依赖于光束的加减速、扫描速度及刻蚀位置。经过上述轨迹刻蚀后的微孔底面往往呈现出凹凸不平的几何形貌，在不改变轨迹形式的情况下，微孔底面的几何形貌将愈发崎岖，会严重影响微孔的加工精度，导致加工过程无法得到精确控制。另外，最终的加工效果也难以满足大深径比微孔的加工需求。


技术实现要素：

3.本发明为解决现有激光加工系统进行微孔激光加工时，微孔底面往往呈现出凹凸不平的几何形貌，影响微孔加工精度，使加工过程无法得到精确控制，以及加工效果难以满足大深径比微孔加工需求的技术问题，提供一种直圆孔激光加工螺旋线轨迹规划方法。
4.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
5.一种直圆孔激光加工螺旋线轨迹规划方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
6.s1，沿孔的轴向ha将孔深分割为m个区间，再将每个区间沿轴向ha分为nm层，m和nm均为大于1的整数；
7.s2，根据步骤s1的分层结果和各层的深度，确定各层的中心点和轴向边界点；
8.s3，对于每一层，确定沿轴向的任一截面内加工螺旋线的轨迹类型；
9.s4，根据加工螺旋线的轨迹类型，获取加工螺旋线各圈的半径，确定加工螺旋线的轨迹点坐标；
10.s5，构建各层的局部坐标系，根据各层的局部坐标系，得到加工螺旋线的轨迹点映射到各层的变换矩阵，确定各层变换后的加工螺旋线轨迹点，得到完整的螺旋线轨迹。
11.进一步地，步骤s1中，所述将每个区间沿轴向ha分为nm层具体为：
12.将每个区间沿轴向ha按照预设的单层深度分为多层，若层数为整数，则以当前层数作为nm；否则，对当前层数进行向上取整处理，并按照向上取整处理后得到的层数和预设的单层深度，重新确定各区间的深度dm。
13.进一步地，步骤2具体为，通过下式得到各层的中心点和轴向边界点：
14.pn＝h
c-dnha+(p
m-hc)haha15.bn＝pn+(p
m-hc)-(p
m-hc)haha16.其中，pn为第n层的中心点，bn为第n层的轴向边界点，n大于等于1且小于等于孔深
方向的总层数，hc为直圆孔的孔位点dn为第n层的高度位置，pm为直圆孔的最高点。
17.进一步地，步骤s3中，所述加工螺旋线的轨迹类型包括以下四种：
18.每一圈包围的螺旋环面积相等，记作类型一；
19.相邻螺距比例相等，记作类型二；
20.将截面沿半径划分为多个区域，每个区域内相邻螺距相等，记作类型三；
21.将截面沿半径划分为多个区域，每个区域内相邻螺距线性变化，记作类型四。
22.进一步地，步骤s4具体为：
23.s4.1，根据加工螺旋线的轨迹类型，获取加工螺旋线各圈的半径
24.加工螺旋线的轨迹类型为类型一时，第nc圈的半径rc为：
[0025][0026]
其中，r为直圆孔的半径，n为加工螺旋线的固定圈数；
[0027]
加工螺旋线的轨迹类型为类型二时，第nc圈的半径rc为：
[0028][0029]
其中，lk为加工螺旋线的初始间隔；
[0030]
加工螺旋线的轨迹类型为类型三时，第nc圈的半径rc为：
[0031][0032]
其中，q＝1,2,3,
…
,p，p为加工螺旋线的轨迹类型为类型三时，截面沿半径划分的区域总数，sli为当前区域之前的区域的螺距，ni为加工螺旋线的轨迹类型为类型三时，当前区域之前的区域的圈数，i为加工螺旋线的轨迹类型为类型三时，当前区域之前的区域计数参数，slq为第q区域的螺距；
[0033]
加工螺旋线的轨迹类型为类型四时，第nc圈的半径rc为：
[0034][0035]
其中，r为当前区域之前的区域计数参数，nr为加工螺旋线的轨迹类型为类型四时，当前区域之前的区域的圈数，t＝1,2,3,
…
,s，s为加工螺旋线的轨迹类型为类型四时，截面沿半径划分的区域总数，r
t-1
为t-1区域的半径，sl
t
为t区域的初始螺距；
[0036][0037]
s4.2，通过下式得到加工螺旋线的轨迹点坐标ps(x,y,z,1)：
[0038][0039]
进一步地，步骤s5具体为：
[0040]
s5.1，构建各层的局部坐标系m
local
，m
local
＝[x
l
,y
l
,z
l
]；其中，z
l
＝ha，y
l
＝z
l
×
x
l
；其中，bn为第n层的轴向边界点，pn为第n层的中心点；
[0041]
s5.2，通过下式得到加工螺旋线的轨迹点映射到各层的变换矩阵m
t
：
[0042][0043]
s5.3，通过下式得到各层变换后的加工螺旋线轨迹点qs：
[0044]qs
＝m
t
·
ps；
[0045]
s5.4，根据各层变换后的加工螺旋线轨迹点qs，得到完整的螺旋线轨迹。
[0046]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0047]
1.本发明提出一种直圆孔激光加工螺旋线轨迹规划方法，基于直圆孔的几何信息，给出了深度方向的动态分层方法，使得直圆孔可在不同深度位置规划不同的层内轨迹参数，使得到的螺旋线轨迹更加精准，不受微孔深径比影响，能够充分满足大深径比微孔的加工需求。
[0048]
2.本发明在进行轨迹规划时，层内轨迹规划给出了多种螺旋线分布方式，不仅保证了激光刻蚀轨迹的连续性，也满足了激光加工后，孔底几何形貌的抵消需求，能够进一步提高直圆孔的激光加工精度。
附图说明
[0049]
图1为本发明一种直圆孔激光加工方法实施例中直圆孔的几何特征示意图；
[0050]
图2为本发明一种直圆孔激光加工方法实施例中螺旋线轨迹为等面积轨迹形式的示意图；
[0051]
图3为本发明一种直圆孔激光加工方法实施例中螺旋线轨迹为等比例轨迹形式且相邻螺距的比例小于1时的示意图；
[0052]
图4为本发明一种直圆孔激光加工方法实施例中螺旋线轨迹为等比例轨迹形式且相邻螺距的比例大于1时的示意图；
[0053]
图5为本发明一种直圆孔激光加工方法实施例中螺旋线轨迹为动态离散轨迹形式的示意图；
[0054]
图6为本发明一种直圆孔激光加工方法实施例中螺旋线轨迹为动态连续轨迹形式的示意图。
具体实施方式
[0055]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0056]
为了解决现有激光加工系统进行微孔激光加工时，光束运动轨迹无法满足大深径比直圆孔的加工需求，本发明提出了一种直圆孔激光加工方法，该方法具体包含以下步骤：
[0057]
1.直圆孔几何信息获取
[0058]
如图1所示，按照直圆孔的几何特征，获取直圆孔的孔位点hc，孔轴向ha，最高点pm，以及孔深度hd，孔半径r。
[0059]
2.直圆孔分层高度获取
[0060]
沿孔轴向ha，将孔深hd分割为m个区间，每个区间的深度为dm，再将每个区间沿轴向ha分为多层，对应区间中的单层深度为sdm，则每个区间的分层数，则每个区间的分层数
[0061]
以靠近最高点pm的区间作为第1个区间，从第1个区间开始计算，当分层数nm不为整数时，则向上取整，多出的单层深度向下一层借用，最后一层不用处理。按照向上取整后的分层数nm与单层深度sdm重新计算当前区间的深度，同时修正下一个区间的深度，以此重新计算所有区间的分层数。
[0062]
修正后，按照对应区间的深度dm及分层数nm，获取每一层的高度位置dn。
[0063]
3.分层几何信息获取
[0064]
按照分层后每一层的高度位置，在加工过程中，获取当前层的中心点pn以及轴向边界点bn。其中，
[0065]
pn＝h
c-dnha+(p
m-hc)haha[0066]bn
＝pn+(p
m-hc)-(p
m-hc)haha[0067]
其中，pn为第n层的中心点，vn为第n层的轴向边界点，n大于等于1且小于等于孔深方向的总层数，dn为第n层的高度位置。
[0068]
4.螺旋线轨迹动态规划
[0069]
对于每一层，在xoy平面对半径为r的圆进行螺旋线轨迹规划，本发明示出了4种螺旋线的轨迹形式。实际加工时，一个区间内，以此对各层加工，各层之间激光加工头仅沿轴向运动，xoy平面为各层与直圆孔底面平行的平面，也泛指一个区间中沿轴向的任一截面。
[0070]
4.1.等面积轨迹形式
[0071]
如图2所示，按照每一圈所包围的螺旋环面积相等的原则，计算等面积螺旋线在固定圈数n下，当圈数为nc时的半径rc，可以近似表示为：
[0072][0073]
如图2中，相邻间隔的s1所在区域与s2所在区域面积相同。
[0074]
4.2.等比例轨迹形式
[0075]
按照相邻螺距的比例均为k的原则，计算等比例螺旋线在初始间隔lk下，当圈数为nc时的半径rc，表示为：
[0076][0077]
上述的初始间隔lk指最靠近圆心处的间隔。
[0078]
如图3所示，为相邻螺距的比例k＜1时的情况，图3中间隔e2与间隔e1之间的比例为k；如图4所示，为相邻螺距的比例k＞1时的情况，图4中间隔e2与e1间的比例为k。
[0079]
4.3.动态离散轨迹形式
[0080]
沿半径方向将层内划分为p个区域，每个区域的宽度为lq，其中，q＝1,2,3,
…
,p，对应区域的螺距为slq，相邻区域的螺距相等，则每个区域的圈数为当圈数为nc时，半径rc表示为：
[0081][0082]
其中，i为当前区域之前的区域计数参数，sli为当前区域之前的区域的螺距，ni为当前区域之前的区域的圈数。
[0083]
如图5所示，沿半径方向将层内划分为a1和a2这2个区域，其中，区域a1的螺旋线的相邻螺距相等，即区域a1内相邻螺距e1＝e2；区域a2的螺旋线的相邻螺距相等，即区域a2内相邻螺距e3＝e4。
[0084]
4.4.动态连续轨迹形式
[0085]
沿半径方向将层内截面划分为s个区域，每个区域的宽度为l
t
，其中，t＝1,2,3,
…
,s，对应区域的初始螺距为sl
t
，相邻区域的螺距线性变化，则每个区域的圈数n
t
为：
[0086][0087]
每个区域对应的线性变化量ck
t
为:
[0088][0089]
当圈数为nc时，半径rc表示为:
[0090][0091]
其中，r为当前区域之前的区域计数参数，nr为当前区域之前的区域的圈数。
[0092]
如图6所示，沿半径方向将层内划分为b1和b2这2个区域，其中，区域b1的螺旋线的相邻螺距相差为该区域的线性变化量，即e
6-e5＝ck1；区域b2的螺旋线的相邻螺距相差为该区域的线性变化量，即e
8-e7＝ck2。
[0093]
4.5.螺旋线轨迹点计算
[0094]
按照当前圈数及半径，以直圆孔轴向为z轴，以直圆孔底面为xoy平面的空间直角坐标系中，螺旋线轨迹点ps(x,y,z,1)可表示为：
[0095][0096]
5.直圆孔的螺旋线轨迹映射
[0097]
按照当前层的中心点pn、边界点bn以及孔轴向ha，构造当前层的局部坐标系m
local
＝[x
l
,y
l
,z
l
]。其中，局部坐标系的x
l
轴为局部坐标系的z
l
轴为z
l
＝ha，则局部坐标系的y
l
轴为y
l
＝z
l
×
x
l
。
[0098]
基于局部坐标系m
local
构建螺旋线轨迹点映射到当前层的变换矩阵m
t
，表示为：
[0099][0100]
则变换后的螺旋线轨迹点qs为：
[0101]qs
＝m
t
·
ps[0102]
6.直圆孔完整轨迹计算
[0103]
对于每个高度位置dn，按照步骤3-5进行计算，得到直圆孔完整的螺旋线加工轨迹，实际加工时，可按照该加工轨迹进行直圆孔加工。
[0104]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种直圆孔激光加工螺旋线轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：s1，沿孔的轴向h
a
将孔深分割为m个区间，再将每个区间沿轴向h
a
分为n
m
层，m和n
m
均为大于1的整数；s2，根据步骤s1的分层结果和各层的深度，确定各层的中心点和轴向边界点；s3，对于每一层，确定沿轴向的任一截面内加工螺旋线的轨迹类型；s4，根据加工螺旋线的轨迹类型，获取加工螺旋线各圈的半径，确定加工螺旋线的轨迹点坐标；s5，构建各层的局部坐标系，根据各层的局部坐标系，得到加工螺旋线的轨迹点映射到各层的变换矩阵，确定各层变换后的加工螺旋线轨迹点，得到完整的螺旋线轨迹。2.根据权利要求1所述一种直圆孔激光加工螺旋线轨迹规划方法，其特征在于：步骤s1中，所述将每个区间沿轴向h
a
分为n
m
层具体为：将每个区间沿轴向h
a
按照预设的单层深度分为多层，若层数为整数，则以当前层数作为n
m
；否则，对当前层数进行向上取整处理，并按照向上取整处理后得到的层数和预设的单层深度，重新确定各区间的深度d
m
。3.根据权利要求2所述一种直圆孔激光加工螺旋线轨迹规划方法，其特征在于：步骤2具体为，通过下式得到各层的中心点和轴向边界点：p
n
＝h
c-d
n
h
a
+(p
m-h
c
)h
a
h
a
b
n
＝p
n
+(p
m-h
c
)-(p
m-h
c
)h
a
h
a
其中，p
n
为第n层的中心点，b
n
为第n层的轴向边界点，n大于等于1且小于等于孔深方向的总层数，h
c
为直圆孔的孔位点，d
n
为第n层的高度位置，p
m
为直圆孔的最高点。4.根据权利要求3所述一种直圆孔激光加工螺旋线轨迹规划方法，其特征在于：步骤s3中，所述加工螺旋线的轨迹类型包括以下四种：每一圈包围的螺旋环面积相等，记作类型一；相邻螺距比例相等，记作类型二；将截面沿半径划分为多个区域，每个区域内相邻螺距相等，记作类型三；将截面沿半径划分为多个区域，每个区域内相邻螺距线性变化，记作类型四。5.根据权利要求4所述一种直圆孔激光加工螺旋线轨迹规划方法，其特征在于，步骤s4具体为：s4.1，根据加工螺旋线的轨迹类型，获取加工螺旋线各圈的半径加工螺旋线的轨迹类型为类型一时，第n
c
圈的半径r
c
为：其中，r为直圆孔的半径，n为加工螺旋线的固定圈数；加工螺旋线的轨迹类型为类型二时，第n
c
圈的半径r
c
为：其中，l
k
为加工螺旋线的初始间隔；
加工螺旋线的轨迹类型为类型三时，第n
c
圈的半径r
c
为：其中，q＝1,2,3,
…
,p，p为加工螺旋线的轨迹类型为类型三时，截面沿半径划分的区域总数，sl
i
为当前区域之前的区域的螺距，n
i
为加工螺旋线的轨迹类型为类型三时，当前区域之前的区域的圈数，i为加工螺旋线的轨迹类型为类型三时，当前区域之前的区域计数参数，sl
q
为第q区域的螺距；加工螺旋线的轨迹类型为类型四时，第n
c
圈的半径r
c
为：其中，r为当前区域之前的区域计数参数，n
r
为加工螺旋线的轨迹类型为类型四时，当前区域之前的区域的圈数，t＝1,2,3,
…
,s，s为加工螺旋线的轨迹类型为类型四时，截面沿半径划分的区域总数，r
t-1
为t-1区域的半径，sl
t
为t区域的初始螺距；s4.2，通过下式得到加工螺旋线的轨迹点坐标p
s
(x,y,z,1)：6.根据权利要求5所述一种直圆孔激光加工螺旋线轨迹规划方法，其特征在于，步骤s5具体为：s5.1，构建各层的局部坐标系m
local
，m
local
＝[x
l
,y
l
,z
l
]；其中，z
l
＝h
a
，y
l
＝z
l
×
x
l
；其中，b
n
为第n层的轴向边界点，p
n
为第n层的中心点；s5.2，通过下式得到加工螺旋线的轨迹点映射到各层的变换矩阵m
t
：s5.3，通过下式得到各层变换后的加工螺旋线轨迹点q
s
：q
s
＝m
t
·
p
s
；s5.4，根据各层变换后的加工螺旋线轨迹点q
s
，得到完整的螺旋线轨迹。

技术总结
本发明属于一种螺旋线轨迹规划方法，为解决现有激光加工系统进行微孔激光加工时，微孔底面往往呈现出凹凸不平的几何形貌，影响微孔加工精度，使加工过程无法得到精确控制，以及加工效果难以满足大深径比微孔加工需求的技术问题，提供一种直圆孔激光加工螺旋线轨迹规划方法，基于直圆孔的几何信息，给出了深度方向的动态分层方法，使得直圆孔可在不同深度位置规划不同的层内轨迹参数，使得到的螺旋线轨迹更加精准，不受微孔深径比影响，能够充分满足大深径比微孔的加工需求。足大深径比微孔的加工需求。足大深径比微孔的加工需求。


技术研发人员：侯尧华 王晶 赵华龙 赵卫
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/7/22