基于轨迹映射场的五轴振镜激光加工补偿数据生成方法

本发明属于激光精密加工误差补偿，具体涉及基于轨迹映射场的五轴振镜激光加工补偿数据生成方法。

背景技术：

1、在以多片振镜协同偏转控制激光焦点位置与入射方向的激光加工系统中，受振镜几何与安装误差、光路畸变以及多轴耦合等因素影响，实际加工轨迹相对设计加工轨迹存在沿轨迹连续变化的系统性偏差，且焦平面位置与入射方向的偏差往往相互交织。为使加工结果逼近设计意图，通常在加工指令生成环节引入误差补偿，而补偿效果在很大程度上取决于用于建立补偿模型的误差测量样本能否真实表征整条加工轨迹上的偏差分布。

2、现有获取此类误差测量样本的方式主要有两类：一类是在加工幅面内设置离散标记点或专用校正图案，借助视觉测量得到各位置的偏差并建立校正表；另一类是将各调控自由度分别测量、分维度独立标定，并采用先以线性关系修正主导分量、再以样条等方法修正剩余非线性分量的分层修正方式。然而，上述方式在应用于多振镜激光加工系统时存在多方面局限：其一，离散标记点仅覆盖轨迹上的少数位置，对于复杂曲线、螺旋线、多段折线或局部非线性误差明显的加工路径，难以代表整条轨迹上的真实误差分布，标记点之间的误差结构以及轨迹自身的顺序、方向、分段等信息被丢弃，而单纯依靠人工增加点选密度又会使工作量迅速增大并累积点选误差。其二，仅凭设计轨迹与实测加工轨迹两条曲线，难以自动建立二者之间可靠的逐点对应关系，在曲线方向反转、相似片段、局部断裂以及螺旋或网格结构中，容易出现路径身份、圈数或分段的对应歧义。其三，对于多片振镜协同偏转的系统，任意一片振镜的偏转量或安装偏差均会同时影响焦平面位置与入射方向，各误差分量相互耦合、难以分维度独立剥离与标定，分层修正方式并不适用。其四，单一平面成像只能获得加工痕迹的平面落点位置，无法区分激光的入射方向，难以为包含入射方向的误差补偿提供测量依据。

3、因此，亟需一种面向多振镜激光加工系统的补偿数据生成方法，能够克服离散标记点采样稀疏、不连续且丢失轨迹结构的缺陷，在设计轨迹与实测加工轨迹之间建立可靠的连续对应，沿整条加工轨迹生成密集且可追溯的误差测量样本，并能够提供包含位置与入射方向的误差信息，从而为该类系统的误差补偿建模提供高质量训练数据。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提出基于轨迹映射场的五轴振镜激光加工补偿数据生成方法，该方法通过参数化轨迹映射场建立设计轨迹与实测轨迹的连续可靠对应，沿整条轨迹生成误差样本，并可扩展生成包含位置与入射方向的四维密集误差样本，解决现有技术中采样稀疏、离散采样丢失轨迹结构、曲线对应易歧义、多轴耦合难标定的问题，为五轴振镜激光加工系统的统一误差补偿建模提供高质量数据支撑。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种基于轨迹映射场的五轴振镜激光加工补偿数据生成方法，用于五轴振镜激光加工系统中，包括以下步骤：

4、s1、获取设计加工轨迹，按照设计采样点序号、弧长或设计模板中的归一化参数对设计加工轨迹进行参数化，得到参数化设计轨迹；

5、s2、对激光加工后的样品图像进行数字化处理，得到连续有序的实测加工轨迹，并按照实测加工轨迹的有序点列或弧长建立实测归一化参数；

6、s3、在设计加工轨迹上确定设计锚点，在实测加工轨迹上确定与设计锚点一一对应的实测锚点，建立设计锚点与实测锚点间的锚点对集合；

7、s4、以锚点对集合作为拓扑与参数轴控制约束，构建由设计参数域到实测参数域的参数化轨迹映射场；所述参数化轨迹映射场中，在相邻锚点区间内满足局部单调性和分段连续性，在各锚点位置满足锚点一致性条件；

8、s5、沿参数化设计轨迹选取密集采样点在设计轨迹上的参数位置，通过计算得到密集误差样本；

9、s6、输出密集误差样本作为补偿建模数据或补偿建模候选数据。

10、优选地，所述五轴振镜激光加工系统包括沿光路依次设置的激光源、扩束与偏振调节组件、动态聚焦振镜、四片可偏转的振镜、f-theta场镜以及加工平台；四片所述振镜协同偏转以控制激光焦点在焦平面上的平面位置与入射方向，且平面位置与入射方向相互耦合；所述动态聚焦振镜控制激光焦点的轴向位置，四片振镜与动态聚焦振镜共同构成对焦点位置与入射方向的五轴控制。

11、优选地，步骤s2中，所述样品图像包括沿光轴方向相距距离d的第一平面图像和第二平面图像；分别由所述第一平面图像和第二平面图像得到第一实测加工轨迹与第二实测加工轨迹，并分别构建设计参数域到第一实测参数域和第二实测参数域的参数化轨迹映射场。

12、优选地，步骤s3中，所述设计锚点和实测锚点包括拓扑锚点与度量锚点；所述拓扑锚点用于约束轨迹方向、路径身份和分段边界；所述度量锚点用于约束相邻锚点区间内的局部参数变形；所述拓扑锚点包括轨迹起点、轨迹终点、分支点、拐角点、分段交界点或路径编号切换点中的一种或多种；所述度量锚点包括序号标记点、曲率特征点、拐点或残差异常区段补充锚点中的一种或多种。

13、优选地，步骤s3中，在所述设计加工轨迹的设计锚点位置预先设置索引标记；所述索引标记随设计加工轨迹一并被激光加工而再现于样品上，在实测加工轨迹上呈现为尺寸大于加工痕迹线宽的标记点；确定实测锚点时，在实测加工轨迹上以标记点为目标进行点选或识别，得到与对应设计锚点配对的实测锚点。

14、优选地，步骤s4中，锚点一致性条件满足：

15、φ(si)=ui，

16、其中，为映射场函数；φ(si)为映射场函数在第i个设计锚点处的取值；i为锚点编号；si为第i个设计锚点在参数化设计轨迹上的参数位置；ui为第i个实测锚点在实测加工轨迹上的参数位置。

17、优选地，步骤s5的具体计算过程为：通过uk=φ(sk)获得对应的实测参数位置，并通过e(sk)=m(uk)－d(sk)生成带有参数位置和质量状态的密集误差样本；其中，sk为第k个密集采样点在设计轨迹上的参数位置；uk为与sk对应的实测参数位置；e(sk)为第k个密集采样点的密集误差样本；m(uk)为实测轨迹在对应点的实际加工位置；d(sk)为设计轨迹在第k个密集采样点的目标位置。

18、优选地，步骤s5中，在同一设计参数位置sk处，通过设计参数域到第一实测参数域的参数化轨迹映射场及设计参数域到第二实测参数域的参数化轨迹映射场，分别获得第一平面实测位置与第二平面实测位置；

19、在零入射角条件下测量第一平面与第二平面的横向落点差作为横向基准偏移；从第一平面与第二平面的原始实测位置差中扣除横向基准偏移，得到校正后的落点差，满足：

20、，

21、其中，为校正后的x方向落点差；为第一平面与第二平面对应测点的x方向原始落点差；为零入射角下的x方向横向基准偏移；为校正后的y方向落点差；为第一平面与第二平面对应测点的y方向原始落点差；为零入射角下的y方向横向基准偏移；

22、由第一平面实测位置与第二平面实测位置的落点差与间距d反算激光入射方向的实测方向余弦，结合设计侧的目标方向余弦，生成包含焦平面位置残差和入射方向残差的四维密集误差样本，满足：

23、，

24、其中，δx为x方向位置残差；xact为x方向实测坐标；xdes为x方向设计坐标；δy为y方向位置残差；yact为y方向实测坐标；ydes为y方向设计坐标；δl为x向方向余弦残差；lact为x向方向余弦实测值；ldes为x向方向余弦设计值；δm为y向方向余弦残差；mact为y向方向余弦实测值；mdes为y向方向余弦设计值。

25、优选地，步骤s5和步骤s6间还包括质量门控步骤，具体过程为：根据锚点残差、映射区段覆盖率、局部残差突变、实测轨迹断裂状态或人工复核状态中的一种或多种，确定密集误差样本是否允许进入补偿模型训练；当轨迹区段的锚点残差或密集对应残差超出预设阈值时，在轨迹区段补充锚点并重新构建参数化轨迹映射场，直至满足预设质量条件或达到预设迭代终止条件。

26、采用上述技术方案后，本发明具有如下有益效果：

27、1、本发明实现沿轨迹的密集连续误差采样，完整保留轨迹拓扑信息。本发明将稀疏锚点从采样主体转化为轨迹映射场的控制约束，通过映射场插值生成整条轨迹的密集误差样本，完整保留轨迹的顺序、方向与分段信息，解决了离散标记点采样稀疏、无法表征连续误差分布的问题，显著提升了误差样本对连续轨迹偏差的表征能力。

28、2、本发明保障复杂轨迹下的对应可靠性，降低匹配歧义。本发明通过拓扑锚点与度量锚点的分层约束机制，结合映射场的单调性与连续性约束，有效避免了螺旋线、网格、多段折线等复杂轨迹的路径身份、圈数或分段对应歧义，同时通过物理索引标记提升锚点配对的可重复性与准确性。

29、3、本发明支持生成四维密集误差样本，适配强耦合五轴振镜激光加工系统。本发明通过双平面成像与零入射角基准偏移校正，反算得到激光入射方向信息，生成同时包含位置与方向余弦的四维密集误差样本，为位置与入射方向强耦合的五轴振镜激光加工系统提供了统一残差补偿建模的数据基础，克服了传统分维度标定方法的局限性。

30、4、本发明具备质量管控与迭代优化能力，保障样本质量。本发明通过质量门控机制筛选高置信度样本，结合残差驱动的锚点自适应补充机制，可针对性提升局部误差表征精度，降低低质量样本进入补偿模型的风险，保障后续补偿建模的有效性。