摘要:文章提出了一种新的激光三维雕刻技术,阐述了其雕刻原理,并探讨了利用CATIA软件获取雕刻过程中所需点云数据和正投影图形两个关键文件的方法,最后通过实例验证这种新技术的可行性。
关键词:激光技术;激光三维雕刻;点云数据;正投影图形
中图分类号:TG665文献标识码:A
文章编号:1009-2374 (2010)27-0013-02
0引言
雕刻是指在双色板、金属、木材、石头、玻璃以及塑料等材料上刻出文字及图形装饰等,用以满足相关特定的要求。从方法上,雕刻可以分为手工雕刻、机械雕刻和激光雕刻。手工雕刻劳动强度大,生产效率低,精度差,成本高,生产周期长,无法进行批量生产,但全自由度空间雕刻目前只能依靠手工雕刻;机械雕刻中的数控雕刻主要以金属材料和有机玻璃等为主,雕刻精度受到铣刀尺寸限制;激光雕刻嫩能够雕刻任何材料,雕刻精度高,雕刻速度快,尤其是激光三维雕刻,能够在空间曲面或斜面上雕刻复杂图案,这对于复杂零部件的表面纹理图案雕刻是相当有益的,但激光雕刻目前国内还主要是用于二维雕刻,对于三维雕刻报道甚少。本文提出一种新的激光三维雕刻技术,利用雕刻表面点云数据和三维雕刻图形的正投影图形,配合两维高速扫描振镜进行扫描加工,从而在曲面或斜面上雕刻出需要的文字或图形。
1激光三维雕刻原理
激光雕刻的基本原理是激光束经过导光聚焦系统后射向被加工材料,利用激光和材料的相互作用,将材料的指定范围除去,而在未被激光照射到的地方材料保持原样,使材料表面留下有规律的具有一定深度、尺寸和形状的凹点和凸点,这些凹凸点的组合就是所要雕刻的图案。
不同于三维切片雕刻,本文提出的激光三维雕刻技术关键在于利用雕刻表面的点云数据和三维雕刻图形的正投影图形,使两者进行高度匹配,赋予投影图形高度值,再通过X、Y两轴工作台精确定位,结合Z轴移动机构和两维高速扫描振镜,并且利用聚焦激光束的焦深特性,逐点扫描加工投影图形,则在曲面或斜面上雕刻出了所需图形,激光三维雕刻原理图如图1所示:
2关键文件获取方法
本文提出的激光三维雕刻技术中需要获取的两个关键文件就是雕刻曲面或斜面的点云数据和三维雕刻图形的正投影图形,这两个文件是雕刻过程中保证高加工精度和高加工效率的必备条件。
2.1点云数据的获取
对于存在实物的曲面或斜面,可以通过三坐标测量机获得点云数据,而对于存在3D模型的曲面或斜面,只需通过CATIA软件即可得到所需点云数据,获取的点云数据文件如图2所示,这里只对后者进行阐述。获取点云数据的步骤为:
首先,打开CATIA软件,进入“机械设计”模块,选择“Wireframe and Surface Design”命令,绘制曲面或斜面,或者是打开已经存在的模型文件;
其次,进入“加工”模块,选择“STL Rapid Protyping”命令,再选择工具栏里的“Tesselation”命令,把曲面离散化,在弹出的对话框里“Sag”参数不用改变,只需设置“Step”参数,即为离散点之间的间距值,再保存文件为stl格式;
然后,进入“形状”模块,选择“Digitized Shape Editor”命令,再选择工具栏里的“Import”命令,导入刚保存的stl文件,比例因子设置为1,根据需要选择不同的单位,选择刚才离散化的曲面或斜面,点击“确定”按钮;
最后,再选择“Export”命令,导出为ASCⅡ文件,将文件格式改为txt,用记事本打开即可看到点云数据。
由图2可以看到,导出的点云数据文件包括各个点的三坐标值以及点的总数,根据不同需要,改变“Step”参数,即可调整点间距和点的总数。
2.2正投影图形的获取
对于曲面或斜面的三维雕刻图形的正投影图形,通过CATIA软件获取的步骤为:
首先,打开CATIA软件,同样进入“机械设计”模块,选择“Wireframe and Surface Design”命令,绘制曲面或斜面,或者是打开已经存在的模型文件;
其次,在曲面或斜面上绘制三维雕刻图形,然后选择工具栏上的“Projection”命令,在弹出的对话框里选择投影类型为“normal”,即为正投影,再选择要投影的图形以及投影平面,点击“确定”按钮,则将三维雕刻图形正投影到平面上;
最后,通过输出工程图的方式或者通过UG软件,将投影图形保存为DXF格式,即可用AUTOCAD软件打开投影图形。
利用CATIA软件得到的正投影图形如图3所示:
3实验设备与结果
实验所用设备为实验室自主研发的激光切割机,X-Y两轴直线电机工作台和Z轴伺服电机移动机构,组成一个三维联动定位机构,加上两维高速扫描振镜,组成一个“3+2”轴联动激光精密加工系统,激光器为全固态三倍频调Q开关Nd:YOV4激光器,主要参数见表1:
表1激光器主要参数
激光参数参数范围
波长 / nm355
功率 / W0～9
重复频率 / kHz10～100
脉冲宽度 / ns10～60
脉冲能量 / J0～0.36
能量密度 / (J/cm2)0～208
实验中,利用自设简易夹具,调整斜面倾斜角度,在一块6061铝合金平板斜面上雕刻文字,结果如图4和图5所示:
从图4和图5可以看到,利用本文提出的激光三维雕刻技术成功地在倾斜平面上雕刻出了文字图案,证明了这种新的激光三维雕刻技术是可行的。
4结论
本文提出了一种新的激光三维雕刻技术,相比机械雕刻,具有雕刻精度高和雕刻速度快的优点,而且不需要根据不同字体或图形更换刀具,不会出现断刀及过切现象,工艺简单,雕刻文字图形美观。
参考文献
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作者简介:余国虎(1984-),男,湖北武汉人,华中科技大学机械科学与工程学院硕士研究生,研究方向:激光加工技术及其装备。