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申请/专利权人：西安交通大学

摘要：本发明公开了基于3D激光超焦深处理的复杂结构表面激光抛光方法，步骤如下：对待抛光复杂结构工件表面进行扫描和分析；2、抛光装置搭建及调整；3、对工件表面缺陷划分网格，包括曲面分块和曲面分片；4、3D振镜模块的畸变校正；5、3D振镜动态聚焦；6、激光参数调整；7、激光抛光；8、抛光后重扫描；本发明方法利用三维振镜对激光束焦点进行调控,通过补偿z轴的距离更加精确的对工件表面进行精细抛光，能够在复杂曲面和微小尺寸零件上实现高精度的表面处理，可实现对各种材料的精细抛光。

主权项：1.基于3D激光超焦深处理的复杂结构表面激光抛光方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1.表面扫描和分析:对待抛光复杂结构工件表面进行扫描，生成工件三维图象，并对扫描所得的三维图像数据进行统计和分析，明确工件表面凹凸结构和对应粗糙度信息；步骤2.抛光装置搭建及调整：1.抛光装置的搭建：第一步，安装激光发生模块，以箱体1为搭建基准，在箱体1的左端面固定激光发生装置2，在激光发生装置2的右端面自下而上分别固定复合抛光激光光镜3和表面扫描光镜5，分别在复合抛光激光光镜3和表面扫描光镜5的右端固定首次聚光凸透镜4；第二步，安装激光聚焦模块，距首次聚光凸透镜预设位置将扩束镜6安装在一个传动装置上，距首次聚光凸透镜预设位置处用场镜固定架固定场镜7；第三步，安装3D振镜模块，距箱体1右端面预设位置安装振镜固定架，并将Z轴振镜11固定在振镜固定架上，在箱体1右端正下方用螺栓固定XY轴振镜扫描箱体8，并在XY轴振镜扫描箱体8内部的左侧和右侧分别安装振镜固定架，并将Y轴振镜9和X轴振镜12分别固定在XY轴振镜扫描箱体8内部左侧和右侧的振镜固定架上；第四步，安装测量模块，在XY轴振镜扫描箱体8右端面外侧中心位置固定红外激光测距传感器13，在XY轴振镜扫描箱体8下端面外侧固定工业相机10；第五步，将三轴运动平台固定在实验平台上，再将搭建完成的抛光装置主体部分安装在三轴运动平台上，于振镜面正15下方预设距离处固定抛光工作台,具体距离由待抛光复杂结构工件的高度决定；2.工业相机角度的调整：打开激光发生装置2，调整工业相机10的角度，使其能够捕获到被激光照亮的待抛光复杂结构工件表面，通过图像处理技术从图像中提取激光线，从而得到激光图像；采用中值滤波对采集的激光图像进行预处理，随后采用灰度重心法对激光中心进行提取；根据激光中心位置重新调整工业相机的角度；步骤3.对工件表面缺陷划分网格：根据所用激光的有效焦深，在该焦深范围内完成曲面的网格划分；网格划分包括曲面分块和曲面分片；具体如下：曲面分块：根据步骤1扫描所得的待抛光复杂结构工件的曲面面积和所用激光的有效焦深范围确定待抛光复杂结构工件表面长、宽方向的采样条带条数和单条采样带上的采样点数；在三维造型软件中完成代抛光复杂结构工件的三维建模，得到待抛光复杂结构工件的工件三维模型，并对工件三维模型中提取到的表面信息分别进行曲面宽度方向和曲面长度方向的条带采样，具体如下：1根据待抛光复杂结构工件的曲面面积和激光焦深范围，确定曲面宽度方向的采样条带条数和单条采样带上的采样点点数，单条采样带上所有采样点构成该采样条带的采样点集；2针对单条采样条带上的采样点，计算多个采样点与采样点集两端采样点所形成的直线之间的距离，得到该采样条带上不同采样点与采样点集两端采样点所形成的直线之间的距离，取其最大值为该采样条带的最大距离，若最大距离小于有效焦深时说明采样点集两端采样点所形成的直线距离能够作为采样条带的最大加工长度；3若步骤2中得到的最大距离大于有效焦深，则将步骤2中的采样条带二等分，得到两条新采样条带，新采样条带上所有采样点构成该新采样条带的采样点集，重复步骤2计算新采样条带上的最大距离，若最大距离小于有效焦深时说明采样点集两端采样点所形成的直线距离能够作为采样条带的最大加工长度；4若新采样条带上的最大距离大于有效焦深，则重复步骤3，计算等分后的采样条带上的最大距离；否则，停止计算，得到最后一次二等分所得的采样条带的采样点集，将采样点集两端采样点所形成的直线距离作为步骤2中采样条带的最大加工长度；若此过程中有不满足要求的，则减少集中采样点数量重新进行计算；5单条采样条带上的最大加工长度确定后，重复步骤2、步骤3和步骤4，计算曲面宽度方向上其余采样条带上的最大加工长度，最后取所有采样条带上的最大加工长度中的最小值作为曲面宽度方向上的最大划分长度m；6重复步骤1到5，计算曲面长度方向上的最大划分长度n，最终得到曲面分块的最佳面积为m×n。曲面分片：将步骤1扫描所得的待抛光复杂结构工件的三维图像转化为三维点云的格式；将三维点云按照曲面分块所得的最佳面积进行划分，并导入到MATLAB软件中，采用拟合算法对点云块中的点进行拟合，得到拟合平面，将拟合平面投影回点云块，然后计算投影点到拟合平面的距离，并采用最近邻距离法评估这些距离的分布情况；如果这些距离近似呈正态分布且围绕零值对称，那么将得到的拟合平面作为点云块的平面并导出投影点距此拟合平面的距离；将获取到的距离与所用激光的有效焦深进行比较，如果不大于有效焦深，则该块曲面区域无需分片；否则，找到第一次大于有效焦深的点的x坐标或y坐标，从此坐标开始进行分片对点云坐标进行计算；对于需要分片的工件，在分片处需要驱动扩束镜6进一步动作，根据结果的正负值左移或右移一个有效焦深的当量距离，此动作在3D振镜模块14中完成，因此提高有效焦深，以适应待抛光复杂结构工件表面凹凸结构特征；步骤4.3D振镜模块的畸变校正：3D振镜模块采用后物镜扫描系统，激光先经过扩束镜6，再由场镜7聚焦，然后分别经过Z轴振镜11、X轴振镜12和Y轴振镜9的反射；在场镜7聚焦时会产生几何畸变，这种畸变将极大影响拼接精度；经推导可得X，Y方向的畸变量分别为： 其中εx,εy分别为X、Y方向的畸变量，θx,θy分别为X轴振镜和Y轴振镜的旋转角度，f为场镜焦距；采用校正表法进行振镜畸变校正，校正步骤如下：1根据步骤1所得的待抛光复杂结构工件曲面范围，在相纸上扫描该区域，将其划分为正方形网格；2在工业相机10下依次拾取每行的校正点，并生成校正表；在拾取校正点时，移动三轴运动平台，并用目视判断校正点的中心位置；3在抛光时调用保存的校正表即能对输出的位置点进行非线性校正；步骤5.3D振镜动态聚焦：利用红外激光测距传感器13测定待抛光复杂结构工件表面到振镜面15的距离，根据所用激光的离焦量和有效焦深值，调整Z轴振镜11和扩束镜6的初始位置，使得激光加工区域与工件待抛光位置重合；对于需要曲面分片的工件，在曲面分片处需要驱动扩束镜6沿光轴方向进一步动作，重新根据所用激光的离焦量和有效焦深值，调整扩束镜6的初始位置；通过Phoenix软件控制实现扩束镜6与X轴振镜12、Y轴振镜9的联合协调工作，保障激光加工区域始终与工件待抛光位置重合；步骤6.激光参数调整：根据步骤1的扫描结果和工件的抛光要求，调整激光的抛光扫描路径、抛光扫描速度、抛光扫描间隔、抛光功率、抛光离焦量；根据步骤3的网格划分和采样数据,选择激光的抛光扫描路径，确保整个加工区域都能得到充分的处理。步骤7.激光抛光：将步骤6中确定的抛光扫描路径投影到步骤3中得到的三维点云的相应位置，得到相应的三维点云文件，将三维点云文件导入到3D数据处理软件中，使用其内置的算法进行表面重建、滤波操作，进而生成三轴运动平台的G加工指令；启动激光发生装置2，在氩气保护环境下根据G加工指令进行激光抛光；在抛光过程中，根据步骤3所得的校正表确定实际的抛光位置，并根据步骤5实现3D振镜的动态聚焦，确保抛光过程中激光加工区域始终与工件待抛光的实际位置重合；步骤8.抛光后重扫描：用粗糙度仪测量工件表面粗糙度，明确工件表面粗糙度信息；不断重复步骤6和7，直至表面粗糙度达到预期效果，得到待抛光工件的最佳抛光参数组合。

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