CN116038103B - 一种自由曲面多激光加工台协同加工装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自由曲面多激光加工台协同加工装置与方法，属于激光加工技术领域，该装置将大型复杂曲面工件固定在高精度旋转台上，并沿工件母线按照高低不同顺序将其划分为N个不同纬度的加工区，沿大型复杂曲面工件圆周方向设置有N台“5+3”轴激光扫描加工单元，每台“5+3”轴激光扫描加工单元的激光扫描加工头负责一个加工区。在加工时，N台“5+3”轴激光扫描加工单元同时协同定位扫描加工，完成大型复杂曲面微结构图形加工制造，实现多个激光扫描加工头同时协同加工大型复杂曲面的功能，并将大型复杂曲面加工制造效率提高N倍。

Description

一种自由曲面多激光加工台协同加工装置与方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，更具体地，涉及一种自由曲面多激光加工台协同加工装置与方法。

背景技术

随着现代工业的高速发展，大型复杂曲面由于几何形状可控且具有优良的工程学特性，广泛应用于航空航天航海、国防或民用交通等领域，而且为了获得光学、力学、电磁学或仿生生物学等特殊性能，常常需要在复杂曲面部件表面加工制备各种功能性的微结构。由于一般曲面部件的总体尺寸(米量级)与所需加工的功能性结构尺寸(微米量级)相比有几百倍的差别，因而属于典型的跨尺寸制造，其加工难度较大，不仅确保制备精度和质量难度大，而且制备时间久，导致制造效率极低。因此，如何实现大型复杂曲面工件的跨尺度高效率和高精度制造是目前精密制造技术领域的一项重要的关键技术。

激光加工技术具有非接触、加工精度高、速度快、热影响区域小、柔性程度好、可加工材料广泛、易于与数控系统结合等特点，特别适合于难加工的材料(超脆、超软、超硬、超薄)以及复杂曲面零部件表面图形结构的加工制造。目前，用于复杂曲面零部件激光三维加工的技术主要有以下几种：

一是基于五轴联动机床的聚焦式激光三维加工技术，利用五轴联动数控机床具有任意空间插补定位能力，确保入射激光束的光轴始终垂直于被加工工件表面，以上激光加工技术的优势使其能够替换传统的三维机械刀具进行复杂曲面三维加工制造，因此可实现任意材料的复杂曲面零部件表面图形微结构加工，并具有较高的加工精度和质量。但该技术由于惯性太大和频繁启动，导致加工速度极慢、加工效率极低，存在高精度和高效率难以同时兼容的问题。

二是基于“3+2”轴的三维激光投影式振镜扫描加工技术，通过扫描振镜的电机控制x、y轴两个镜片的偏转和扫描场镜聚焦，实现聚焦激光束在二维平面的高速扫描，具有输出力矩大、转动惯量小、响应时间短、加速度高、扫描速度快、定位精度高等优良特性，通过与3轴联动数控机床的集成，可实现复杂曲面三维加工功能，与五轴联动机床的聚焦式激光三维加工相比，该方案可以大幅度提高加工制造效率。

例如，申请号为200910061324.5的专利申请公开一种多功能激光加工设备，将二维振镜安装在Z轴移动机构上，并与XY轴直线电机共同构成“3+2”轴数控激光加工机床，通过控制Z轴移动机构调节焦点在Z方向的位置，实现三维精密加工。又例如，申请号为201010115968.0的专利申请公开的一种自由曲面上的投影式激光刻蚀方法，基于“3+2”轴加工系统，根据焦深将离散点云模型描述的待加工自由曲面划分为不同的子块，并将子块内的加工图形向XY平面进行平行投影，通过XY轴负责各子块的定位和Z轴配合，实现三维振镜投影加工图形的快速扫描加工。然而，虽然基于“3+2”轴的三维激光投影式振镜扫描加工设备结构简单，大幅提高了加工效率，但该技术只能沿单一方向进行整体投影，当加工曲面曲率较大时，子块划分的数量急剧增加，导致3轴联动数控机床频繁启停定位，同样也严重影响了加工效率，同时会造成聚焦光斑变形增大，功率密度减小，加工尺寸精度和质量的一致性变差，还会受到曲面曲率变化大小的限制。因此，该方案只适合加工曲率不大且加工范围小的复杂曲面，无法实现大型复杂曲面工件的跨尺度加工制造。

三是基于“5+3”轴投影式振镜扫描激光三维加工，例如，申请号为201110048935.3的专利申请公开一种适用于复杂曲面的激光加工方法及装置，通过对复杂曲面划分曲面片，并根据右手准则建立曲面片坐标系，使得曲面片坐标系内任意点的法线正方向与Z轴的夹角小于90度，且曲面片内加工图形沿Z轴方向平行投影所得图形的尺寸小于振镜扫描范围，同时根据焦深对曲面片进行分层，通过控制五轴机床，使扫描聚焦透镜镜面中心处的法线方向与曲面片的Z轴重合，采用三坐标振镜扫描式激光加工头对投影加工图形进行扫描加工。该方案不仅可以加工各种曲率的复杂曲面，且通过建立曲面片将大曲率复杂曲面转化为小曲率，可实现大型复杂曲面工件的跨尺度加工制造。

然而，这种“5+3”轴复杂曲面激光刻蚀系统只采用单个3维激光振镜扫描刻蚀头的加工方式，并且为了保证加工精度而导致刻蚀头扫描曲面面积较小，扫描加工范围一般小于50mm²，而对于几平方米面积的曲面加工部，必须将整个面积划分许多不大于50mm²的曲面片区，每一个曲面片区扫描加工完成后，再通过高惯量位移机构将3维激光振镜扫描刻蚀头移动至下一曲面片区域进行扫描加工，其加工效率同样有待提高，对于大型复杂曲面加工制造，这种单个激光扫描加工头仍存加工时间过长，制造效率较低的问题。

因此，需要开发一种新型的自由曲面多激光加工台协同加工装置与方法，以能高效率加工数平方米面积的自由曲面。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供自由曲面多激光加工台协同加工装置与方法，其中，沿大型复杂曲面工件圆周方向设置有N台“5+3”轴激光扫描加工单元，每台“5+3”轴激光扫描加工单元的激光扫描加工头负责一个加工区，在加工时，N台“5+3”轴激光扫描加工单元同时协同定位扫描加工，完成大型复杂曲面微结构图形加工制造，实现多个激光扫描加工头同时协同加工大型复杂曲面的功能，并将大型复杂曲面加工制造效率提高N倍。

为实现上述目的，本发明提供了一种自由曲面多激光加工台协同加工装置，其包括N台“5+3”轴激光扫描加工单元和用于放置待加工的大型复杂曲面工件的高精密旋转台，N台“5+3”轴激光扫描加工单元围绕高精密旋转台呈圆周布置，每台“5+3”轴激光扫描加工单元的有效加工高度不同，N台“5+3”轴激光扫描加工单元按照有效加工高度从高到低沿圆周布置，N台“5+3”轴激光扫描加工单元受外界工控机控制进行加工，

工作时，沿待加工的大型复杂曲面工件母线将加工区按照纬度划分成N个环带区，N台“5+3”轴激光扫描加工单元各自负责一个环带区的加工，N台“5+3”轴激光扫描加工单元同时协同扫描加工，完成大型复杂曲面工件的微结构图形的加工制造，

其中，大型复杂曲面工件的加工面积至少为一平方米，“5+3”轴激光扫描加工单元的有效加工高度是指其自身用于激光加工的激光束能扫描加工的高度范围，该高度是以基座为起点确定，高精密旋转台是指用于放置待加工的大型复杂曲面的平台，该平台能带动工件水平旋转，使每台“5+3”轴激光扫描加工单元完成其负责环带的加工。高精密旋转台的重复定位精度达到4″，其中，1°＝60′＝3600″。

进一步的，每台“5+3”轴激光扫描加工单元包括基座、XYZ高精度三维移动工作台、高精度旋转B轴、摆动A轴和三维激光扫描加工头，其中，XYZ高精度三维移动工作台设置在基座上，其用于实现x、y、z三个方向的直线运动，高精度旋转B轴安装在XYZ高精度三维移动工作台的Z轴上，用于实现360°旋转，摆动A轴安装在高精度旋转B轴上，用于实现±90°摆动，三维激光扫描加工头安装在摆动A轴上，用于实现激光扫描加工。

进一步的，基座为花岗岩材质，每个花岗岩基座的高度不同，其根据待加工的大型复杂曲面工件高度以及预定的有效加工高度而确定，其沿高精密旋转台的外周均匀布置。

进一步的，三维激光扫描加工头包括光纤激光器、光路组件、三维扫描组件、定位检测模块、保护吸尘罩、自动对焦模块和光柄接头，其中，光纤激光器用于输出设定波长的脉冲激光束，光路组件设置在光纤激光器出射光方向上，用于将脉冲激光束进行扩束准直，三维扫描组件接收经过扩束准直的脉冲激光束，并用于将该脉冲激光束聚焦，还用于控制聚焦激光束在待加工大型复杂曲面工件上进行三维曲面扫描加工，保护吸尘罩设置在三维扫描组件之后，用于阻挡烟雾，保护光学镜片，定位检测模块设置在保护吸尘罩侧面，用于精确定位待加工的大型复杂曲面在加工平台上的位置，自动对焦模块设置在保护吸尘罩侧面，用于确保激光焦点始终位于曲面的加工表面上，光柄接头设置在三维激光扫描加工头外壳两侧，用于实现加工头的旋转。

进一步的，三维扫描组件包括动态调焦模块、二维扫描振镜和扫描聚焦场镜，其中，动态调焦模块用于调节聚焦激光焦点沿z方向的位置，其还用于与自动对焦模块配合，以确保激光焦点始终位于待加工大型复杂曲面工件的加工表面上，二维扫描振镜设置在扫描聚焦场镜出射光方向上，用于控制由扫描聚焦场镜聚焦的激光束在x、y平面的移动轨迹，其还用于与动态调焦模块协同配合，实现三维曲面扫描加工。

按照本发明的第二个方面，还提供一种如上所述自由曲面多激光加工台协同加工装置的加工方法，将待加工的大型复杂曲面工件固定在高精度旋转台上，沿待加工的大型复杂曲面工件母线将加工区按照纬度不同划分为N个加工区，每台“5+3”轴激光扫描加工单元的激光扫描加工头负责一个加工区的扫描加工，多台“5+3”轴激光扫描加工单元的有效加工高度匹配不同纬度的加工区，N台“5+3”轴激光扫描加工单元同时协同定位扫描加工，完成大型复杂曲面工件的微结构图形的加工制造。

进一步的，先根据每台“5+3”轴激光扫描加工单元的有效加工范围细分每个加工区，获得多个加工曲面片，使每个加工区的多个加工曲面片尺寸不大于对应的“5+3”轴激光扫描加工单元的有效加工范围，再根据每台“5+3”轴激光扫描加工单元的二维扫描振镜有效扫描加工范围细分每个曲面片，以获得曲面块，使每个曲面块尺寸不大于对应的“5+3”轴激光扫描加工单元的二维扫描振镜的有效扫描加工范围。

进一步的，其包括如下步骤：

S1：对每台“5+3”轴激光扫描加工单元中的三维激光扫描加工头进行高精度旋转，移动到各自对应的加工区的第一个曲面片的第一个曲面块中心，并使三维激光扫描加工头的光轴与曲面块的几何中心法线重合，

S2：同时启动N台“5+3”轴激光扫描加工单元的三维激光扫描加工头，N台“5+3”轴激光扫描加工单元各自开始扫描加工各自对应的第一块曲面块，

S3：当任意一个曲面块扫描加工完后，该曲面块对应的“5+3”轴激光扫描加工单元关闭激光源，移动三维激光扫描加工头到第一个曲面片的第二个曲面块中心，并使三维激光扫描加工头的光轴与第二个曲面块的几何中心法线重合，开始激光三维扫描加工第二个曲面块，直至激光扫描加工头逐步扫描加工完成第一个曲面片中的最后一个曲面块，至此完成第一个曲面片加工，

S4：当N台“5+3”轴激光扫描加工单元均完成各自对应的第一个曲面片加工后，关闭所有N台“5+3”轴激光扫描加工单元的激光源，同时启动高精密旋转台，带动被加工的大型复杂曲面工件旋转一个角度，使N个不同纬度加工区间的第二个曲面片中心对应各自的“5+3”轴激光扫描加工单元的三维扫描加工头中心，

S5：依次重复步骤S2和S3，直至各个加工区的第二个曲面片加工完成，

S6：重复步骤S5，直至所有N个不同纬度的加工区的所有的曲面片加工完成。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下

有益效果：

本发明提供一种多台激光扫描加工单元协同制造的装置，将待加工大型复杂曲面工件固定于一台高精度转台上，并在大型复杂曲面工件周围设置多台激光扫描加工单元，多台激光扫描加工单元按大型复杂曲面工件纬度高低分区、分工合作加工，多台激光扫描加工单元按照有效加工高度沿着高精密转台沿周向布置。工作时，大型复杂曲面工件根据N台“5+3”轴激光扫描加工单元的有每台效加工高度，沿工件母线划分为N个加工区，每台“5+3”轴激光扫描加工单元的扫描加工头负责一个加工区间。每台“5+3”轴激光扫描加工单元均由花岗岩基座、XYZ高精度三维移动工作台、高精度旋转B轴和摆动A轴形成一个高精度5轴移动旋转机构，并与一个三维激光扫描加工头集成，形成一个“5+3”轴激光扫描加工单元。XYZ高精度三维移动工作台安装在花岗岩基座上，可实现x、y、z三个方向直线运动功能；旋转B轴安装在XYZ高精度三维移动工作台的Z轴上，可实现360°旋转功能；摆动A轴安装在旋转B轴上，可实现±90°摆动功能。三维激光扫描加工头由光纤激光器、光路组件、三维扫描党员、定位检测模块、保护吸尘罩、自动对焦模块和光柄接头等几部分组成，由光柄接头链接于摆动A轴，能实行曲面工件的第N曲面区的图形结构的高效率、高精度质量的x′y′z′三维激光扫描加工功能。

具体的，本发明的多台激光扫描加工单元协同制造装置进行工作时，首先将待加工大型复杂曲面工件沿母线方向根据每台“5+3”轴激光扫描加工单元的有效加工高度划分成N个加工区，每个加工区再按照每台激光扫描加工单元的有效扫描加工范围进行细分，沿大型复杂曲面工件纬度方向划分成M个加工曲面片，然后再将每个曲面片按照三维激光扫描加工头的有效扫场范围，细分为S个扫描加工曲面块。在N台“5+3”轴激光扫描加工单元协同进行激光扫描加工前，每台“5+3”轴激光扫描加工单元中的高精度5轴移动旋转结构带动各自的三维激光扫描加工头，移动到各自的加工区间中的第一个加工曲面片的第一个加工曲面块中心，并使三维激光扫描加工头的光轴与第一个曲面块的几何中心法线重合，同时启动N台“5+3”轴激光扫描加工单元中的三维激光扫描加工头，开始进行各自的第一块曲面块的激光三维扫描加工，当任意一个曲面块扫描加工完后，该台激光加工系统关闭激光源，启动高精度5轴移动旋转机构带动三维激光扫描加工头，移动到第一个曲面片的第二个加工曲面块中心，并使三维激光扫描加工头的光轴与第二个加工曲面块的几何中心法线重合，开始进行激光三维扫描加工第二个曲面块，直至该台激光扫描加工头逐步扫描加工完第一个曲面片中的最后一个曲面块，从而完成的第一个曲面片加工。当N台“5+3”轴激光扫描加工单元均完成各自的第一个曲面片加工后，关闭所有N台的激光源，同时启动高精度转台，带动大型复杂曲面工件旋转一个角度，使大型复杂曲面工件的N个加工区间的第二个曲面片移动到各自的“5+3”轴激光扫描加工单元中心，然后，每台的5轴移动旋转结构带动激光扫描加工头到第二个曲面片的第一个曲面块中心，并使三维激光扫描加工头的光轴与加工曲面块的几何中心法线重合。重复以上加工过程，直至N个加工区的所有的第二个曲面片加工完成。再重复以上加工过程，加工完成N个加工区的所有的第三个曲面片，直至N个加工区的所有的曲面片加工完成，由于N台“5+3”轴激光扫描加工单元同时协同工作，从而实现将大型复杂曲面加工制造效率提高N倍。

附图说明

图1是本发明实施例提供的自由曲面多激光加工台协同加工装置示意图；

图2是本发明实施例提供的“5+3”轴激光扫描加工单元的组成示意图；

图3是本发明实施例提供的三维激光扫描加工头的光路结构示意图；

图4是本发明实施例提供的三维扫描组件的光路结构示意图；

图5是本发明实施例提供的大型复杂曲面工件的分片处理示意图；

图6是本发明实施例提供的大型复杂曲面工件的分块处理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明实施例提供的自由曲面多激光加工台协同加工装置示意图，如图1所示，待加工大型复杂曲面工件1固定在一台高精度转台2上，在待加工大型复杂曲面工件1纬度周围按一定规律安装N台“5+3”轴激光扫描加工单元3-I(I＝1、2…N)，沿母线高度将大型复杂曲面工件1按照每台“5+3”轴激光扫描加工单元的有效加工高度划分为1-I(I＝1、2…N)个加工区，第一“5+3”轴激光扫描加工单元3-1负责第一1-1加工区、第二“5+3”轴激光扫描加工单元负责第1-2加工区、…第N“5+3”轴激光扫描加工单元3-N负责第1-N加工区的扫描加工。

图2是本发明实施例提供的“5+3”轴激光扫描加工单元的组成示意图，由图可知，每台“5+3”轴激光扫描加工单元均由花岗岩基座4、高精度直线移动X轴5、高精度直线移动Y轴6和高精度直线移动Z轴7、高精度旋转B轴8和摆动A轴9以及三维激光扫描加工头10组成。高精度直线移动X轴5安装在花岗岩基座4上，高精度直线移动Y轴6安装在高精度直线移动X轴5上，高精度直线移动Z轴7安装在高精度直线移动Y轴6上，高精度直线移动X轴5、高精度直线移动Y轴6和高精度直线移动Z轴7共同组成一个高精度直线三维移动工作台，可实现x、y、z三个方向直线运动功能。高精度旋转B轴8安装在三维移动工作台的高精度直线移动Z轴7上，可实现360°旋转功能。摆动A轴9安装在高精度旋转B轴8上，可实现正负90°摆动功能。三维激光扫描加工头10安装在摆动A轴9上，形成一个空间5轴移动机构。

图3是本发明实施例提供的三维激光扫描加工头的光路结构示意图，由图可知，三维激光扫描加工头10由光纤激光器11、光路组件12、三维扫描单元13、定位检测模块14、保护吸尘罩15、自动对焦模块16和光柄接头17等几部分组成。光纤激光器11的功能是输出一定波长的脉冲激光束，光路组件12的功能是将脉冲激光束进行扩束准直，三维扫描单元13的功能是将脉冲激光束聚焦并控制聚焦激光束在工件曲面上进行x、y、z三维曲面扫描加工。定位检测模块14的功能是用于精确定位待加工的大型复杂曲面在加工平台上的位置。保护吸尘罩15功能是将激光加工产生的烟雾吸走，保护光学镜片不受污染，其设置在三维扫描单元13之后。自动对焦模块16的功能是检测激光焦点是否位于曲面加工表面上。光柄接头17的功能是将三维激光扫描加工头10与空间5轴移动系统链接，形成(5+3)轴激光加工台。

图4是本发明实施例提供的三维扫描组件的光路结构示意图，由图可知，三维扫描单元13包括动态调焦模块18、二维扫描振镜19和扫描聚焦场镜20组成。二维扫描振镜19设置在动态调焦模块18出射光方向上，扫描聚焦场镜20设置在二维扫描振镜19出射光方向上。动态调焦模块18的功能是调节聚焦激光的焦点沿z方向的位置，与自动对焦模块16配合，确保激光焦点始终位于工件曲面上，以保证扫描加工的顺利进行。二维扫描振镜19用于控制由扫描聚焦场镜20聚焦的激光束在xy平面的移动轨迹，与动态调焦模块18协同配合，实现x、y、z三维曲面扫描加工。

图5是本发明实施例提供的大型复杂曲面工件的分片处理示意图，图6是本发明实施例提供的大型复杂曲面工件的分块处理示意图，结合两图可知，采用以上的自由曲面多激光加工台协同加工装置进行工作时候，将待加工大型复杂曲面工件1沿母线方向根据N台“5+3”轴激光扫描加工单元的有效加工高度，划分成N部分曲面状的加工区。每个曲面加工区间对应每台“5+3”轴激光扫描加工单元。然后，按照每台“5+3”轴激光扫描加工单元的有效扫描加工范围，沿大型复杂曲面工件纬度方向将每个加工区间细分成M个曲面片，比如，将第I个加工区1-I细分成M个曲面片，每个曲面片即为1-I-J(J＝1,2,…M)，具体如图5所示。最后，按照三维激光扫描加工头10的有效扫场范围，将曲面片进一步细分成S个曲面块，比如将第(I×J)个曲面片细分成S个曲面块，其中一个曲面块即为1-I-J-K(K＝1,2,…S)，如图6所示。每个加工区呈环带状，每个环带状的加工区被细分成多个曲面片，比如可以沿着大型复杂曲面工件的经度方向划分曲面片。每个曲面片又可以进一步细分成网格状的曲面块。

具体的，加工方法可以细分成如下步骤：

(1)在N台“5+3”轴激光扫描加工单元协同进行激光扫描加工前，每台“5+3”轴激光扫描加工单元中的高精度5轴移动旋转机构带动各自的三维激光扫描加工头10，移动到各自的加工区间中的第一个曲面片的第一个曲面块中心，并使三维激光扫描加工头的光轴与加工曲面块的几何中心法线重合；

(2)启动N台“5+3”轴激光扫描加工单元3-I(I＝1、2…N)中三维激光扫描加工头10的激光器，开始进行激光三维扫描加工各自的第一块曲面块1-I-1-1(I＝1、2…N)；

(3)当任意一个曲面块(如第一加工区的第一加工曲面片的第一曲面块1-1-1-1)扫描加工完后，该台“5+3”轴激光扫描加工单元3-1关闭激光源，启动高精度5轴移动旋转机构带动三维激光扫描加工头10，移动到第一个曲面片的第二个曲面块中心，并使三维激光扫描加工头10的光轴与加工曲面块的几何中心法线重合，开始进行激光三维扫描加工第二个曲面块，直至该台激光扫描加工头逐步扫描加工第一个曲面片中的最后一个曲面块1-1-1-S，从而完成的第一个曲面片1-I-1加工。

(4)当N台“5+3”轴激光扫描加工单元均完成各自的第一个曲面片加工后，关闭所有N台的激光源，同时启动高精度转台，带动大型复杂曲面工件旋转一个角度，使每个加工区间的第二个曲面片中心对应相应的“5+3”轴激光扫描加工单元中心，然后，每个5轴移动旋转机构带动激光扫描加工头移动到第二个曲面片的第一个曲面快中心，并使三维激光扫描加工头的光轴与加工曲面块的几何中心法线重合，并执行扫描加工；

(5)重复以上加工过程，直至N个加工区的所有的第二个曲面片1-I-2加工完成；

(6)再重复以上加工过程，加工完成N个加工区的所有的第三个曲面片1-I-3，重复以上加工过程，直至N个加工区的所有的曲面片加工完成。

以下为本发明的具体实施例：

采用4台“5+3”轴激光扫描加工单元对表面镀铜膜玻璃纤维环氧树脂复合材料的复杂曲面回转体工件进行协同激光加工，去除表面部分铜膜，但不损伤基体，从而在复杂曲面回转体工件表面制备一种阵列微结构图形，获得一种频率选择功能。工件最长尺寸为2.5m，最短尺寸为1m，高度为1.7m，固定在旋转精度为0.1°的圆盘上。每台“5+3”轴激光扫描加工单元有效加工范围为0.4m×0.4m×0.5m，三维激光扫描加工头的激光器输出波长为1064nm、最大输出功率50W的纳秒光纤激光器，动态聚焦模块选用非线性杠杆机构，动态聚焦范围为10mm，激光有效扫描加工范围20mm×20mmm×10mm。将工件按照4台“5+3”轴激光扫描加工单元的有效加工高度沿其母线划分为尺寸不大于0.5mm的4个回转曲面加工区间，4个回转曲面加工区间也即为四个环带状的加工区，每台“5+3”轴激光扫描加工单元负责一个加工区间。接着，每个回转曲面加工区间再按照每台“5+3”轴激光扫描加工单元的有效加工范围沿着工件纬度细分为一些加工尺寸不大于0.4m×0.4m×0.5m的曲面片。然后，每个曲面片再按照三维激光扫描加工头的有效扫描加工范围，将每个曲面片划分一些尺寸不大于20mm×20mmm×10mm曲面块。采用激光扫描加工参数为：激光功率30W、重复频率50KHz、扫描速度1000mm/s，启动4台“5+3”轴激光扫描加工单元协同进行激光扫描加工，每台激光扫描加工单元中的高精度5轴移动机构带动各自的三维激光扫描加工头，移动到各自的加工区间中的第一个区面片的曲面块中心，并使三维激光扫描加工头的光轴与加工曲面块的几何中心法线重合。再次，同时启动4台“5+3”轴激光扫描加工单元的三维激光扫描加工头的激光器，开始进行激光三维扫描加工各自的第一块曲面块。当任意一个曲面块扫描加工完后，该台激光加工系统关闭激光源，启动高精度5轴移动旋转机构带动三维激光扫描加工头移动到第二个加工曲面块中心，并使三维激光扫描加工头的光轴与加工曲面块的几何中心法线重合，开始进行激光三维扫描加工第二个曲面块，直至该台激光扫描加工头逐步扫描加工第一个曲面片中最后一个曲面块，从而完成的第一个曲面片加工。接着，当4台激光扫描加工系统均完成各自的第一个曲面片加工后，关闭所有4台的激光源，每台激光扫描加工头回到初始位置，同时启动高精度转台，带动曲面工件旋转一个角度，使4个回转曲面加工区间的第二个曲面片中心对应各自的“5+3”轴激光扫描加工单元中心，重复以上加工过程，直至4个回转曲面加工区间的所有的第二个曲面片加工完成。重复以上加工过程，直至4回转曲面加工区间的所有的曲面片加工完成。加工结果表明加工效率显著提升了4倍，金属膜刻蚀深度和粗糙度均满足工艺要求，加工边缘平滑、无毛刺，复合材料基板保持完好，无损伤和变形，加工尺寸精度和拼接误差均小于。

本发明中，大型复杂曲面工件是指不能用初等解析曲面(如柱面、球面、锥面等)描述和表达且大小超过三维激光扫描加工头有效扫描加工范围的曲面，包括战机雷达罩，船体外壳，汽车内饰面板，涡轮机叶片以及模具外形表面等。高精度旋转B轴是指重复精度达4″的旋转轴，与摆动A轴共同控制三维激光扫描加工头的方向，使加工头对准加工区域法线方向。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种自由曲面多激光加工台协同加工装置的加工方法，其特征在于，

自由曲面多激光加工台协同加工装置包括N台“5+3”轴激光扫描加工单元和用于放置待加工的大型复杂曲面工件的高精密旋转台，N台“5+3”轴激光扫描加工单元围绕高精密旋转台呈圆周布置，每台“5+3”轴激光扫描加工单元的有效加工高度不同，N台“5+3”轴激光扫描加工单元按照有效加工高度从高到低沿圆周布置，N台“5+3”轴激光扫描加工单元受外界工控机控制进行加工；

每台“5+3”轴激光扫描加工单元包括基座、XYZ高精度三维移动工作台、高精度旋转B轴、摆动A轴和三维激光扫描加工头，其中，XYZ高精度三维移动工作台设置在基座上，其用于实现x、y、z三个方向的直线运动，高精度旋转B轴安装在XYZ高精度三维移动工作台的Z轴上，用于实现360°旋转，摆动A轴安装在高精度旋转B轴上，用于实现±90°摆动，三维激光扫描加工头安装在摆动A轴上，用于实现激光扫描加工；

基座为花岗岩材质，每个花岗岩基座的高度不同，其根据待加工的大型复杂曲面工件高度以及预定的有效加工高度而确定，其沿高精密旋转台的外周均匀布置；

三维激光扫描加工头包括光纤激光器、光路组件、三维扫描组件、定位检测模块、保护吸尘罩、自动对焦模块和光柄接头，其中，光纤激光器用于输出设定波长的脉冲激光束，光路组件设置在光纤激光器出射光方向上，用于将脉冲激光束进行扩束准直，三维扫描组件接收经过扩束准直的脉冲激光束，并用于将该脉冲激光束聚焦，还用于控制聚焦激光束在待加工大型复杂曲面工件上进行三维曲面扫描加工，保护吸尘罩设置在三维扫描组件之后，与出射激光同心同轴，用于阻挡烟雾，保护光学镜片，定位检测模块设置在保护吸尘罩侧面，用于精确定位待加工的大型复杂曲面在加工平台上的位置，自动对焦模块设置在保护吸尘罩侧面，用于确保激光焦点始终位于加工表面上，光柄接头设置在三维激光扫描加工头外壳两侧，用于实现三维激光扫描加工头的旋转；

三维扫描组件包括动态调焦模块、二维扫描振镜和扫描聚焦场镜，其中，二维扫描振镜设置在动态调焦模块出射光方向上，扫描聚焦场镜设置在二维扫描振镜出射光方向上；

动态调焦模块用于调节聚焦激光焦点沿z方向的位置，其还用于与自动对焦模块配合，以确保激光焦点始终位于待加工大型复杂曲面工件的加工表面上，二维扫描振镜用于控制由扫描聚焦场镜聚焦的激光束在x、y平面的移动轨迹，其还用于与动态调焦模块协同配合，实现三维曲面扫描加工；

其中，大型复杂曲面工件的加工面积至少为一平方米，“5+3”轴激光扫描加工单元的有效加工高度是指其自身用于激光加工的激光束能扫描加工的高度范围，该高度是以基座为起点确定，高精密旋转台是指重复定位精度达到4''旋转台；

大型复杂曲面工件是指不能用初等解析曲面描述和表达且大小超过三维激光扫描加工头有效扫描加工范围的曲面，包括战机雷达罩，船体外壳，汽车内饰面板，涡轮机叶片以及模具外形表面，高精度旋转B轴是指重复精度达4″的旋转轴，与摆动A轴共同控制三维激光扫描加工头的方向，使加工头对准加工区域法线方向；

工作时，将待加工的大型复杂曲面工件固定在高精度旋转台上，沿待加工的大型复杂曲面工件母线将加工区按照纬度不同划分为N个加工区，每台“5+3”轴激光扫描加工单元的激光扫描加工头负责一个加工区的扫描加工，多台“5+3”轴激光扫描加工单元的有效加工高度匹配不同纬度的加工区，N台“5+3”轴激光扫描加工单元同时协同定位扫描加工，完成大型复杂曲面工件的微结构图形的加工制造。

2.如权利要求1所述的自由曲面多激光加工台协同加工装置的加工方法，其特征在于，先根据每台“5+3”轴激光扫描加工单元的有效加工范围细分每个加工区，获得多个加工曲面片，使每个加工区的多个加工曲面片尺寸不大于对应的“5+3”轴激光扫描加工单元的有效加工范围，再根据每台“5+3”轴激光扫描加工单元的三维扫描组件有效扫描加工范围细分每个曲面片，以获得曲面块，使每个曲面块尺寸不大于对应的“5+3”轴激光扫描加工单元的三维扫描组件的有效扫描加工范围。

3.如权利要求2所述的自由曲面多激光加工台协同加工装置的加工方法，其特征在于，其包括如下步骤：

S1：对每台“5+3”轴激光扫描加工单元中的三维激光扫描加工头进行高精度旋转，移动到各自对应的加工区的第一个曲面片的第一个曲面块中心，并使三维激光扫描加工头的光轴与曲面块的几何中心法线重合；

S2：同时启动N台“5+3”轴激光扫描加工单元的三维激光扫描加工头，N台“5+3”轴激光扫描加工单元各自开始扫描加工各自对应的第一块曲面块；

S3：当任意一个曲面块扫描加工完后，该曲面块对应的“5+3”轴激光扫描加工单元关闭激光源，移动三维激光扫描加工头到第一个曲面片的第二个曲面块中心，并使三维激光扫描加工头的光轴与第二个曲面块的几何中心法线重合，开始激光三维扫描加工第二个曲面块，直至激光扫描加工头逐步扫描加工完成第一个曲面片中的最后一个曲面块，至此完成第一个曲面片加工；

S4：当N台“5+3”轴激光扫描加工单元均完成各自对应的第一个曲面片加工后，关闭所有N台“5+3”轴激光扫描加工单元的激光源，同时启动高精密旋转台，带动被加工的大型复杂曲面工件旋转一个角度，使N个不同纬度加工区间的第二个曲面片中心对应各自的“5+3”轴激光扫描加工单元的三维扫描加工头中心；

S5：依次重复步骤S2和S3，直至各个加工区的第二个曲面片加工完成；

S6：重复步骤S5，直至所有N个不同纬度的加工区的所有的曲面片加工完成。