基于振镜式扫描的三维空间自由曲线曲面工件激光加工方法若干问题研究

随着社会需求多样化的不断增强，具有自由曲线曲面造型的产品呈增长趋势，加工难度与耗时逐渐加大，提高其加工精度、缩短其开发周期已成为提升企业竞争力的关键因素。振镜式扫描激光加工具有高速、高精度的特点，是一种先进的加工方式，本项目拟对基于振镜式扫描的空间自由曲线曲面工件激光加工方法展开研究，旨在结合空间自由曲线曲面特征、振镜式扫描机理、激光加工要求，建立三维振镜式扫描激光加工控制模型；探索如何基于非均匀有理B样条曲线插补算法和群智能算法，对光点运动轨迹进行规划，实现扫描速度平滑控制，满足轮廓加工对光点轨迹连续性、均匀性的要求，并实现对大幅面复杂造型工件的加工；在此基础上，研究如何基于封闭运动链理论、图像处理技术，建立误差补偿模型，修正光点定位误差。项目采用离线自动编程方式，以STEP-NC作为统一数据接口，构造集成系统。项目的研究及成果的取得对全面提升三维激光加工水平具有重要的指导意义。

振镜式扫描激光加工具有高速、高精度的特点，是一种先进的加工方式。目前，国内各研究机构对其在材料激光加工领域的研究主要集中在二维平面或准平面的应用，如激光标刻、3D打印等；对于三维空间自由曲线曲面振镜式扫描激光加工所涉及的关键技术，目前尚不能得到国外相关研究的公开理论成果。.项目的主要研究内容包括：(1)基于空间自由曲线曲面的特征、振镜式扫描机理、激光加工工艺要求，建立振镜式扫描激光加工控制模型。(2)高速度、高精度地在加工点处获得符合加工精度要求的光斑，满足空间轮廓加工对光点轨迹连续性、均匀性的要求。(3)基于误差补偿技术，提高光点定位精度。(4)简单、快捷地将加工信息转换为振镜式扫描激光加工数据。.针对项目研究拟解决的关键科学问题，通过进一步地论证，肯定了项目申请书所提出的研究方案的可行性、技术路线的正确性。项目研究方案以实现高精度、高速度的大幅面三维自由曲线曲面激光加工为目标，“点-面-体结合”为宗旨，多学科的先进理论及技术为手段。.项目研究按原定方案执行，通过项目研究，取得若干研究成果，包括：.(1)项目研究认为：对于三维振镜式扫描激光加工的运动轨迹规划，采用所提出的自适应NURBS实时插补算法，可以有效协调插补精度和速度的矛盾，满足高精度、高速度的加工要求；其核心思想包括速度前瞻模式下的S型加减速控制、加加速度控制及减速点的预测等。.(2)项目研究认为：对于大幅面、复杂曲线曲面工件振镜式扫描激光加工，基于动态聚焦和静态聚焦方式相结合的策略，可以有效地扩大加工空间、提高加工效率；其核心思想包括加工数据分层处理、系统设计、控制算法等。.(3)项目研究认为：对于三维振镜式扫描激光加工的定位误差，基于封闭运动链理论，进行误差补偿模型参数辨识，并将误差补偿分解到各运动轴，可以有效地提高定位精度；其核心思想包括伺服系统定位精度的优化控制、误差补偿模型的建立及定位误差的检测等。.通过本项目的研究，有助于探索高速、高效地空间自由曲线曲面工件激光加工新方法、新工艺。