技术领域
[0001] 本
发明属于先进激光制造领域，涉及一种飞秒激光复杂构件表面加工制造方法。该方法采用复杂构件模型重构和表面加工图案拼接
算法、加工区域划分和图案分割算法、加工图案实时检测和在线拼接制造技术对复杂构件表面进行加工。
背景技术
[0002] 20世纪60年代出现一种新型
光源，具有单色性好、方向性好、相干性好、
能量集中等特点。飞秒光脉冲是指持续时间为10-12s-10-15s的激光脉冲，这种激光脉冲具有极高的
峰值功率，很宽的
光谱宽度和极短的激光发射时间的特点。飞秒激光以其独特的超短持续时间和超强峰值功率开创了材料超精细、低损伤和空间三维加工处理的新领域，而且应用越来越广。根据飞秒激光超短和超强的特点，大体上可以将应用研究领域分成超快瞬态现象的研究和超强现象的研究。它们都是随着激光脉冲宽度的缩短和脉冲能量的增加而不断的得以深入和发展。飞秒脉冲激光的最直接应用是人们利用它作为光源, 形成多种时间分辨光谱技术和
泵浦/探测技术。它的发展直接带动物理、化学、
生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域, 并开创了一些全新的研究领域, 如飞秒化学、量子控制化学、
半导体相干光谱等。飞秒脉冲激光与纳米显微术的结合, 使人们可以研究半导体的纳米结构(量子线、
量子点和
纳米晶体)中的载流子动
力学。在生物学方面,人们正在利用飞秒激光技术所提供的差异吸收光谱、泵浦/ 探测技术, 研究光合作用反应中心的传能、转能与电荷分离过程。超短脉冲激光还被应用于信息的传输、处理与存贮方面。
[0003] 第一台利用啁啾脉冲放大技术实现的台式太瓦激光的成功运转始于1988年，这一成果标志着在实验室内飞秒超强及超高强光物理研究的开始。在这一领域研究中，由于超短激光场的作用已相当于或者大大超过
原子中
电子所受到的束缚场，微扰论已不能成立，新的理论处理有待于发展。在1020W/cm2的光强下，可以实现模拟天体物理现象的研究。1019-1021W/ cm2的超高强激光产生的热电子（200KeV）。飞秒激光的另一个重要的应用就是微精细加工。通常，按激光脉冲标准来说，持续时间大于10皮秒（相当于热传导时间）的激光脉冲属于长脉冲，用它来加工材料，由于热效应使周围材料发生变化，从而影响加工
精度。而脉冲宽度只有几千万亿分之一秒的飞秒激光脉冲则拥有独特的材料加工特性，如加工孔径的熔融区很小或者没有；可以实现多种材料，如金属、半导体、透明材料内部甚至
生物组织等的微
机械加工、雕刻；加工区域可以小于聚焦尺寸，突破衍射极限等等。一些
汽车制造厂和重型设备加工厂目前正研究用飞秒激光加工更好的
发动机喷油嘴。使用超短脉冲激光，可在金属上打出几百纳米宽的小孔。在最近于奥兰多举行的美国光学学会会议上，IBM公司的海特说，IBM已将一种飞秒激光系统用于大规模集成
电路芯片的
光刻工艺中。用飞秒激光进行切割，几乎没有热传递。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的研究人员发现，这种
激光束能安全地切割高爆炸药。该实验室的洛斯克说：“飞秒激光有希望作为一种冷处理工具，用于拆除退役的火箭、火炮炮弹及其他武器。”
[0004] 飞秒激光能用于切割易碎的
聚合物，而不改变其重要的生物化学特性。生物医学专家已将它作为超精密外科手术刀，用于视力矫正手术，既能减少组织损伤又不会留下手术后遗症，甚至可对单个细胞动精密手术或者用于基因疗法。目前人们还在研究如何将飞秒激光用于牙科
治疗。有科学家发现，利用超短脉冲激光能去掉牙的一小
块，而不影响周围的物质。美国Clark-MXR公司最近推出的UMW系列超快激光微加工
工作台正是代表了这个领域里最前沿的商用飞秒激光微加工系统，它包括了用超短脉冲激光进行微加工所需的一切设备与配件，可用于微加工任何材料，生成亚微米精细结构，而不会对周边材料造成损害，不会造成材料飞溅，加工结果极其精确并具有高度可重复性。
[0005] 飞秒脉冲的直接用途就是时间分辨
光谱学。用飞秒脉冲来观测物理，化学和生物等超快过程，飞秒脉冲可作共焦
显微镜的光源，来作生物样品的三维图象。用飞秒脉冲作光源的光学相干
断层扫描(optical coherence tomography,简称OCT)可观察活
体细胞的三维图象，此时并不是利用飞秒脉冲的时间特性，而是利用飞秒光源的宽谱线，来产生类似白光的干涉，利用飞秒脉冲在半导体中激发的声子的反射可用来实时测量半导体
薄膜的厚度，以监测半导体薄膜的生长，用飞秒脉冲来作微型加工，打出的孔光滑而没有毛刺，因为飞秒脉冲不是靠热效应先
熔化再
蒸发，而是靠强场直接蒸发材料，飞秒脉冲用作光通信的光源，可把现有的通信速度提高几百倍，高能量的飞秒脉冲激光与
等离子体相互作用可产生高次谐波及X－射线，并有可能用于受控
核聚变，人们还尝试用飞秒脉冲产生的兆兆赫兹
辐射，来检测集成电路的
包装质量，甚至肉类制品的脂肪含量。总之，飞秒脉冲的应用很多。
[0006] 随着飞秒脉冲
激光器的进一步发展和完善，一定能开辟出更多的应用前景。值得注意的是，每当研究发展到一定阶段，各国的研究人员中就有一批人从研究小组分离出来，把研究成果转化为产品，当然原有的激光器公司也注意吸收新的研究成果。例如当时还在罗彻斯特大学的巴窦(P.Bado)早在1985年就成立了自己的公司麦道克斯(Medox)，生产高速光
开关，后来随着飞秒脉冲放大技术的发展，他又与生产飞秒
脉冲激光器的克拉克仪器(ClarkInstruments)公司联合成立了克拉克－麦道克斯(Clark－MXR)公司，专
门生产飞秒脉冲固体，光纤激光器和
放大器，及其周边仪器，华盛顿州立(Washington State)大学莫内恩与其丈夫卡普廷(H.Kapteyn)在创造了11-fs
钛宝石激光器以后，虽然没有脱离大学(现均移往密西根大学任教)，却成立了以他们夫妇名字命名的业余公司“KM-Laboratory”，出售他们制造的10-fs激光器，维也纳工业大学的克劳斯小组中的施丁格尔(A.Stingl)等几个人也独立出来成立公司叫Femto Lasers,出售他们制造的使用色散反射镜的亚10-fs激光器，匈牙利固体物理研究所的采波奇也“停薪留职”，成立了Laser Optics公司，利用匈牙利固体物理研究所的设备，生产飞秒脉冲激光器用的色散反射镜，用他自己的话说，是他在“养活”研究所里的其他人，另一对以飞秒脉冲研究出名的夫妇凯勒和维因咖顿(K.Weingarten)更有趣，一个仍在大学做教授，另一个退出了美国光波公司(Lightwave Electronics)而随妻凯勒来到瑞士创办了一个叫“时间带宽积”的公司(Time-bandwidth Products)，生产凯勒发明的用可饱和吸收镜启动
锁模的飞秒脉冲激光器，两大激光器公司相干公司和光谱物理公司也当仁不让，倚仗它们雄厚的实力从泵浦激光器，飞秒脉冲
振荡器，放大器到参量振荡器各个领域与群雄展开全面竞争。
[0007] 在国家科技战略方面，美国的做法是支持几个重点大学和国家实验室，例如密西根大学的超快光学中心，加州大学圣迭哥分校的强场物理实验室，劳仑斯-利物莫实验室等。日本则是以通产省大型“产(产业)官(官厅，即国家实验室)学(大学)”研究项目的形式，于1996年开始了所谓“飞秒技术计划”，集中了日本几乎所有的知名大公司，国家实验室和大学，还拉上了美国的贝尔实验室，开展飞秒脉冲技术的研究，目标是在兆兆比特高速通信技术方面独占鳌头。
[0008] 基于飞秒激光的各种特点，本发明将其用于复杂构件的加工上。特别是航空航天典型构件表面的图案制造，由于航空航天构件大且结构完整性的保证，因此对其加工难度很大，本发明提出的加工方法完全满足航空航天行业要求。本发明开发了激光大尺度曲面加工过程中图案精密分割与单元在线拼接装置，突破传统制造依赖机械综合运动精度的限制，实现大尺寸曲面上复杂图案的高精高效制造。装置的图案尺寸检测精度误差≤0.005mm，
工件表面靶标点
位置测量精度误差≤0.005mm。
发明内容
[0009] 在传统激光制造工艺中，通常采用构件运动配合激光单点加工技术实现表面图案制造，但这类加工技术应用在本课题的大型复杂曲面构件时，会严重影响表面图案的加工效率及品质，通过图案分割与单元图案快速制造技术，可实现大型复杂曲面的高效制造，因此提出一种新的制造方法。
[0010] 大型复杂构件的激光加工精度受到机械综合运动累积误差影响，且存在单点加工导致的效率低下问题。为提升激光制造品质及效率，必须将大型构件划分为多个加工区域，进行图案的精密分割与单元图案在线拼接制造。本发明提出一种大型构件表面加工方法，开发激光大尺度曲面加工过程中图案精密分割与单元在线拼接装置，突破传统制造依赖机械综合运动精度的限制，实现大尺寸曲面上复杂图案的高精高效制造。装置的图案尺寸检测精度误差≤0.005mm，工件表面靶标点位置测量精度误差≤0.005mm。
[0011] 加工具体方法主要包括三个部分：第一部分为复杂构件模型重构和表面加工图案拼接算法。复杂构件转化为数字模型后，存在法向量缺失或错误，导致拓扑
缺陷，为此，需要设计合理的插补算法，重构正确的复杂构件模型。此外，为实现被加工图案
刻蚀，满足图案拓扑关系及拼接精度，需要在复杂构件表面进行拼接，开发高效图案拼接算法。分析各类复杂构件模型法向量错误规律，设计复杂构件拓扑检测算法，提出拓扑缺陷类型判定方法，基于插补算法处理拓扑缺陷问题，重建构件表面图形；分析不同图元种类及布局特点，生成其包络外轮廓，进而研究复杂构件表面的加工图案周期性和非周期性布局的过程和特点，设计高效图案拼接算法，实现加工图案快速布局。第二部分为加工区域划分和图案分割算法。在将布局好的表面图案分割为多个加工区域时，需要根据空间面片法矢及
曲率变化、激光焦深及振镜扫描范围，设计合理的区域高效分割算法，以保证大量加工区域边界上的分割效果及效率。基于单次加工区域面积参数和焦深参数，分析复杂构件的三维形体数据，设计区域生长算法，搜索符合约束条件的复杂构件的待加工表面上相邻三
角面片，进而提出高效的表面图案加工区域划分算法；分析加工图案中图元种类及组合方法，根据加工区域的划分空间，提出完整图案沿不同加工区域的图形分割算法。第三部分为加工图案实时检测和在线拼接制造技术。在表面图案精细加工过程中，已加工与待加工区域之间的配准精度直接影响图案间的连续性。为此，需研究基于
图像识别方法的已加工区域边界检测技术，设计待加工区域图案矫正变换算法，完成与已加工区域的精确匹配，实现图案的在线拼接制造。设计加工部位视频图像获取方法，研究基于图像识别方法的已加工区域边界检测技术，提出待加工图案与已加工图案配准方法，进而依据待加工图案的边界信息计算旋转、平移与缩放等操作的矫正变换参数，提出待加工图案进行矫正变换处理方法，完成激光加工过程中的在线拼接制造。
[0012] 首先根据激光加工区域面积和焦深，设定约束条件和区域生长算法，划分加工区域，并对区域边界进行简化处理得到合理的加工区域；其次，总结分析组成加工图案图元种类及布局特点，根据周期性和非周期性布局的过程和特点，设计拼接算法使得加工图案自动快速地在复杂构件表面进行布局；再次，分析加工图案中图元的种类和组合方式并设计分割算法，求得图元与加工区域边界的交点并正确归类子图案到合适的加工区域；最后，通过设计和安装高精度CCD 摄像机获得加工部位的视频图像，基于
图像处理算法实时识别已加工图案的边界，进而根据待加工图案边界信息来预判两幅加工图案的配准误差，获取所需矫正变换参数，实现激光加工过程中的在线拼接制造。
[0013] 上述方法基于相邻区域拓扑连续性、周期和非周期布局规律、加工图案的图元特点等构件表面图案信息，以及成熟的高精度摄像与图像处理
基础算法，保障了该技术的可行性。由于功能完备的加工图案处理
软件系统非常鲜见，国内多依赖进口，自主研发的针对激光精密制造的功能相对完备的三维处理软件系统基本处于空白，或仅针对平面图形或拓扑简单的规则图形，无法满足复杂构件表面图案拼接制造需求，因此本发明对于完成航空航天构件加工很有效。
附图说明
[0014] 图1飞秒激光复杂构件表面加工制造方法示意图。
[0015] 图2图案分割与单元图案拼接制造步骤示意图。
具体实施方式
[0016] 卫星固面天线发射器、雷达隐身
频率选择器、发动机机匣薄壁筒体等大型构件表面的图案精细制造和精细刻型，如利用常规的激光固
定位置单点加工结合构件运动实现大尺度曲面图形制造，不仅加工效率低下，而且大行程装置的机械综合精度直接影响到图案的制造精度。
[0017] 为提升大型复杂构件表面的激光制造品质及效率，本项目提出大幅面三维图案精密分割与单元图案在线拼接制造技术，将大型构件划分为多个加工区域，根据空间面片法矢及曲率变化、激光焦深及振镜扫描范围，设计合理的区域划分算法，利用振镜实现分割单元图形的快速制造；针对复杂构件转化为数字模型后存在的拓扑缺陷，设计合理的插补算法，重构正确的构件模型；之后，根据加工图案图元种类及布局特点，根据开发的高效图案拼接算法在构件表面进行拼接，以满足图案拓扑关系及拼接精度要求。
[0018] 另外，在表面图案精细加工过程中，已加工区域与待加工区域之间的配准精度直接影响图案之间的连续性与精确性。为此，基于图像识别方法开发已加工区域边界检测技术，设计待加工区域图案各种矫正变换算法，进而完成与已加工区域的精确匹配，实现表面图案的高精度在线拼接制造。
[0019] 加工具体方法主要包括三个部分：第一部分为复杂构件模型重构和表面加工图案拼接算法。复杂构件转化为数字模型后，存在法向量缺失或错误，导致拓扑缺陷，为此，需要设计合理的插补算法，重构正确的复杂构件模型。此外，为实现被加工图案刻蚀，满足图案拓扑关系及拼接精度，需要在复杂构件表面进行拼接，开发高效图案拼接算法。分析各类复杂构件模型法向量错误规律，设计复杂构件拓扑检测算法，提出拓扑缺陷类型判定方法，基于插补算法处理拓扑缺陷问题，重建构件表面图形；分析不同图元种类及布局特点，生成其包络外轮廓，进而研究复杂构件表面的加工图案周期性和非周期性布局的过程和特点，设计高效图案拼接算法，实现加工图案快速布局。第二部分为加工区域划分和图案分割算法。在将布局好的表面图案分割为多个加工区域时，需要根据空间面片法矢及曲率变化、激光焦深及振镜扫描范围，设计合理的区域高效分割算法，以保证大量加工区域边界上的分割效果及效率。基于单次加工区域面积参数和焦深参数，分析复杂构件的三维形体数据，设计区域生长算法，搜索符合约束条件的复杂构件的待加工表面上相邻三角面片，进而提出高效的表面图案加工区域划分算法；分析加工图案中图元种类及组合方法，根据加工区域的划分空间，提出完整图案沿不同加工区域的图形分割算法。第三部分为加工图案实时检测和在线拼接制造技术。在表面图案精细加工过程中，已加工与待加工区域之间的配准精度直接影响图案间的连续性。为此，需研究基于图像识别方法的已加工区域边界检测技术，设计待加工区域图案矫正变换算法，完成与已加工区域的精确匹配，实现图案的在线拼接制造。设计加工部位视频图像获取方法，研究基于图像识别方法的已加工区域边界检测技术，提出待加工图案与已加工图案配准方法，进而依据待加工图案的边界信息计算旋转、平移与缩放等操作的矫正变换参数，提出待加工图案进行矫正变换处理方法，完成激光加工过程中的在线拼接制造。
[0020] 对于本领域技术人员，上述
实施例仅为本发明的优选实施例，不能理解为对本发明的
专利范围的限制，在不脱离本发明的构思的前提下，做出的若干改进、替代都属于本发明的保护范围。
