CN103447891B

CN103447891B - 一种磁流变高精度定位装置及磁流变去除函数转换方法

Info

Publication number: CN103447891B
Application number: CN201310377414.1A
Authority: CN
Inventors: 钟显云; 万勇建; 施春燕; 杨金山; 陈辉
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2013-08-26
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2033-08-26
Also published as: CN103447891A

Abstract

本发明公开了一种磁流变高精度定位装置及磁流变去除函数转换方法，包括：固定支撑机构、外圆定位机构、端面定位机构；方法步骤：选取常规加工的光学元件基片进行单点去除效率测量并建立去除效率对比系数库，采用微晶材料进行四点去除效率测量并转换为待加工元件的去除效率，通过手轮、螺杆调节外圆定位架、端面定位架及滑块的位置，放置工件，将转换后的待加工工件去除效率对工件表面误差进行仿真计算，拟合生产机床代码进行数控加工。本发明集成度高、定位精度准等优势；同时具有提高去除函数准确度、缩短测量时间、提高加工效率、降低加工耗材成本等优势。本发明可应用于平面及高陡度球面、非球面以及自由曲面光学元件的快速加工。

Description

一种磁流变高精度定位装置及磁流变去除函数转换方法

技术领域

本发明涉及磁流变技术高精度加工的技术领域，特别涉及一种磁流变高精度定位装置及磁流变去除函数转换方法，该支撑装置及方法可应用于平面、球面、非球面以及自由曲面等光学元件加工。

背景技术

随着现代光学系统性能的不断发展，光学零件的质量要求也在不断提升。为提高光学系统的成像质量并降低成本，现代光学零件正朝着非球面、大相对口径、纳米精度的趋势发展。如193nm深紫外光刻系统对高陡度球面、高次非球面的面形精度要求为RMS2nm以下，粗糙度Rq要求为0.2nm以下；极紫外光刻系统（EUV）对离轴非球面光学元件的面形精度要求为RMS10nm以下，粗糙度Rq要求为0.1nm以下。传统手修技术方法已不能该面形误差精度、粗糙度的光学元件加工。纳米精度光学零件的制造方法已经逐步采取柔性、稳定的磁流变、离子束等高精度设备进行修形。

磁流变抛光技术是将电磁学、流体动力学、分析化学、计算机控制等多门学科相结合并应用于光学加工的一种新技术。磁流变液在梯度磁场中发生磁流变效应而形成的具有粘塑性的柔性抛光模，在电机的驱动下，抛光模与工件表面接触区域产生很大的剪切力，从而使工件表面材料被去除。磁流变抛光技术具有抛光效率高，去除函数稳定，边缘效应小，不会造成工件亚表面破坏等优点。

193nm光刻系统对成像系统及曝光系统光学元件的偏心、表面疵病、面形精度、中高频误差、粗糙度等指标具有严格的要求。真空吸附的装卡方式只适合于小口径、低陡度光学元件的磁流变技术加工，然而，对于大口径及装卡面为球面或非球面时，工件端面及外圆精度无法调节，装卡过程重复性差，而且，真空吸附压力太大而容易造成工件的装卡区域损伤。工具夹持方式是采用机械的装卡定位来保证工件的工作姿态，夹持过程需考虑光学元件应力变形、机床运动轨迹干涉，该结构设计复杂，装卡过程繁琐。

磁流变抛光工艺参数主要包括抛光液磨料、抛光液粘度、流量、抛光间隔、切入深度以及加工材料性能等。纳米精度光学元件加工过程是通过建立高效、稳定的去除函数，对光学元件的面形检测误差进行卷积运算，获取光学元件各个点的驻留时间。高精度数控加工过程一般需要选用与正式件加工的同样材料进行去除函数提取，提高加工过程收敛的稳定性与高效性。然而，高精度光学系统选用的进口光学材料较为昂贵，去除函数件采用同等材料成本大，同时，生产过程中，硒化锌、Si等材料较软，光洁度控制困难，采用该材料获取去除函数，该稳定性通常要小于70%，这直接影响到磁流变生产的加工成本与效率。微晶玻璃材料热膨胀系数0.05X10^-6k，为零膨胀光学材料，稳定性能好，比刚度为3.7X10⁶m，材料去除效率为SiC材料的50倍，采用该材料提取去除函数，稳定性能达到97%以上，去除函数提取过程较石英材料相比，检测过程镜子稳定时间可降低一倍以上。因此，研究磁流变去除函数转换方法对磁流变抛光技术的工程化应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为设计一种可应用于平面、球面、非球面以及自由曲面光学元件加工的磁流变高精度定位装置以及磁流变去除函数转换方法，从而提供了一种结构简单紧凑、控制简单、集成度高、操作方便、成本低廉，能够实现光学元件的磁流变高精度抛光的定位。

本发明的目的是由下述技术方案实现的：

一种磁流变高精度定位装置，其特征在于包括：固定支撑机构、外圆定位机构和端面定位机构，外圆定位机构通过导轨、第一丝杆定位架、第二丝杆定位架连接到固定支撑机构上，端面定位机构通过端面定位架固定于外圆定位机构的定位底座上，其中：

所述固定支撑机构，该模型主要包括圆锥盘、底盘。圆锥盘和底盘通过螺栓固定为一体。其中，圆锥盘下端面凸出两个轮毂，其目的是通过圆锥盘将整个磁流变高精度定位装置固定于磁流变抛光机床旋转轴上。同时，外圆定位机构的导轨、第一丝杆定位架、第二丝杆定位架通过螺栓与底盘固定为一体；

所述外圆定位机构，包括导轨、丝杆、丝杆螺母、定位底座、第一丝杆定位架、第二丝杆定位架、轴承、轴承挡盖、手轮、外圆定位架和垫片；其中，导轨、第一丝杆定位架、第二丝杆定位架通过螺栓与底盘固定为一体，丝杆两段分别固定于第一丝杆定位架、第二丝杆定位架上，丝杆螺母套于丝杆上，定位底座固定于丝杆螺母上，同时定位底座两侧分别与丝杆两侧的导轨上端面相切，防止丝杆滑动过程，定位底座晃动。

所述端面定位机构，包括端面定位架、滑块、螺杆挡盖、螺杆；其中，端面定位架固定于外圆定位机构的定位底座上，滑块套于端面定位架的凹槽上，螺杆挡盖固定于端面定位架上，螺杆穿过滑块孔固定于螺杆挡盖与端面定位架之间。

所述外圆定位机构及端面定位机构所选的丝杆为T型丝杆，定位重复精度好，具备自锁功能，螺距为0.5mm，调节精度高；

所述导轨端面具有1mm间隔的刻度，其目的是可根据工件的口径尺寸快速对外圆定位架及端面定位架的位置进行粗调；

所述端面定位机构的滑块为“工”形，与端面定位架高精度配合，通过调节螺杆实现滑块的升降；

所述定位底座具有螺孔、螺杆末端为圆柱形，两者能精密配合，配合公差小于0.03mm；

所述螺杆挡盖具备台阶孔，螺杆挡盖通过螺孔固定与端面定位架上，台阶孔与螺杆顶端配合，通过台阶孔可实现螺杆的调节；

所述定位底座螺孔、螺杆及螺杆挡盖台阶孔同轴，通过定位底座、螺杆挡盖固定螺杆，防止滑块升降过程螺杆窜动，以此提高滑块的重复性精度；

进一步地，去除函数转换方法是指通过对廉价、稳定、软性光学元件（如微晶）获取去除函数，通过系数转换为待加工的昂贵、硬性、稳定性差的光学材料（如石英、硅、硒化锌），缩短去除函数的提取时间，降低光学元件加工的成本。

进一步地、去除函数转换前提是通过采用同样抛光工艺对常规加工的光学元件进行单点获取去除效率，分析建立K9、石英、硒化锌、YGa、Si、SiC材料与微晶材料去除效率的对比系数库；

进一步地、采用微晶材料进行四点获取去除效率，四点去除函数去除率的稳定性需达95%以上，将微晶材料去除效率转换为待加工的光学元件去除效率，同时根据四个去除效率的特征点位置计算机床磨头定位误差。

进一步地、采用磁流变高精度定位装置进行磁流变去除函数转换方法主要包括不同材料去除效率系数库建立过程与正式件加工过程。不同材料去除效率系数库建立过程主要是指将不同材料工件（微晶、K9、石英、Si、硒化锌、SiC等）分别快速定位于高精度定位装置上，其端面误差、外圆误差小于0.01mm，工件的装卡状态保持一致，采用磁流变抛光磨头对该材料工件进行去除函数获取并获取不同材料间的去除效率对比系数；正式件加工过程是指将待正式加工件快速定位于高精度定位装置上，其端面误差、外圆误差小于0.01mm，通过稳定、软性材料（如微晶）获取去除函数并转换为正式件材料的去除函数，生成抛光数控代码进行高精度抛光。具体操作如下：

不同材料去除效率系数库建立过程：

第一步：根据不同材料（微晶、K9、石英、Si、硒化锌、SiC等）去除函数光学元件的加工外形尺寸确定工件的口径、端面矢高参数；

第二步：采用高精度定位装置分别对去除函数工件快速装卡。根据工件的口径通过手轮粗调节端面定位架的位置，由导轨上的刻度进行判断；通过螺杆调节滑块高度，放置工件；

第三步：旋转机床工作轴，采用千分表对三个外圆定位架侧支撑的工件外圆进行测量并计算平均值，调节手轮，细调节外圆定位架，至工件外圆的测量误差小于0.01mm；

第四步：旋转机床工作轴，采用千分表对3个滑块支撑的工件端面进行测量并计算平均值，调节螺杆，提升工件端面较低两处的滑块，至工件端面的测量误差小于0.01mm；

第五步：重复第三步、第四步，至工件外圆、端面定位精度小于0.01mm；

第六步：采用同样磁流变工艺参数对常规加工的光学元件，去除效率获取分析，分别建立微晶、K9、石英、Si、硒化锌及SiC等材料去除效率的对比系数库；

正式件加工过程：

第一步：与去除效率系数库建立过程的第二、三、四、五步同理，将微晶材料工件快速转卡，采用磁流变抛光磨头进行四点去除效率获取，通过第一步的对比系数转换为待加工的正式件去除效率，同时对四个去除效率的特征点位置计算机床磨头的定位误差；

第三步：根据光学元件的加工外形尺寸确定工件的口径、端面矢高参数；

第四步：与去除效率系数库建立过程的第二、三、四、五步同理，将正式加工件快速转卡，根据第三步转换后的去除效率对工件表面误差进行仿真计算，拟合生产机床代码进行数控加工。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、本发明对光学系统元件的加工主要应用于面形精度的快速提升及亚表面破坏层修复，装卡过程定位精度好，无残余应力。

2、本发明通过相同工艺参数对不同材料进行单点去除量分析，建立材料系数分析库，分析结果准确，对不同材料的加工较为方便。加工过程中，去除函数是通过微晶材料获取，微晶材料膨胀系数低，稳定性好，硬度适中，去除函数提取效率能提高一倍以上。

附图说明

图1为本发明的磁流变高精度定位装置结构图；

图2为本发明的磁流变高精度定位装置结构图；

图3为本发明的平移滑动机构示意图；

图4为本发明的丝杆定位结构示意图；

图5为本发明的端面定位机构示意图；

图6为本发明的滑块示意图；

图7为本发明的螺杆挡片示意图；

图8为本发明的微晶材料磁流变去除函数（PV53.7nm/s,体积去除率1.84*10^-3mm³/s）；

图9为本发明的石英材料磁流变去除函数（PV38.7nm/s,体积去除率1.61*10^-3mm³/s）；

图10为本发明的石英材料与微晶材料去除函数转换系数；

图11为微晶材料获取的4点去除函数；

图12为Ф200mmR-211.3mm石英球面镜初始面形（pv100.3nm,rms17.9nm）；

图13为Ф200mmR-211.3mm石英球面镜磁流变加工后面形（pv60.2nm,rms2.74nm）。

图中：圆锥盘1、底盘2、导轨3、丝杆4、丝杆螺母5、定位底座6、丝杆定位架7、8，轴承9、轴承挡盖10、手轮11、外圆定位架12，垫片13、端面定位架14，滑块15、螺杆挡盖16、螺杆17。

具体实施方式

以下结合附图以及具体实施方式对本发明做进一步的解释：

如图1、2所示，本发明的磁流变高精度定位装置包括固定支撑机构、外圆定位机构、端面定位机构，外圆定位机构通过导轨3、第一丝杆定位架7、第二丝杆定位架8连接到固定支撑机构上，端面定位机构通过端面定位架14固定于外圆定位机构的定位底座6上。

其中：所述固定支撑机构，该模型主要包括圆锥盘1、底盘2。圆锥盘1和底盘2通过螺栓连接为一体，圆锥盘1下端面凸出两个轮毂，通过两个轮毂将整个磁流变高精度定位装置固定于磁流变抛光机床旋转轴上；

所述外圆定位机构，包括导轨3、丝杆4、丝杆螺母5、定位底座6、第一丝杆定位架7、第二丝杆定位架8、轴承9、轴承挡盖10、手轮11、外圆定位架12，垫片13；导轨3、第一丝杆定位架7、第二丝杆定位架8通过螺栓与底盘2固定为一体，丝杆4两段分别固定于第一丝杆定位架7、第二丝杆定位架8上，丝杆螺母5套于丝杆4上，定位底座6固定于丝杆螺母5上，同时定位底座6两侧分别与丝杆两侧的导轨3上端面相切，防止丝杆4滑动过程，定位底座6晃动；

所述端面定位机构，端面定位架14、滑块15、螺杆挡盖16、螺杆17；端面定位架14固定于外圆定位机构的定位底座6上，滑块15套于端面定位架14的凹槽上，与端面定位架14精密配合，螺杆挡盖16固定于端面定位架14上，螺杆17穿过滑块15孔固定于螺杆挡盖16与端面定位架14之间，与定位底座6螺孔配合，通过调节螺杆17实现滑块15的升降；

如图1、3、4所示，外圆定位机构及端面定位机构所选的丝杆为T型丝杆，定位重复精度好，具备自锁功能，螺距为0.5mm，调节精度高；

如图1、2、3所示，所述导轨3端面具有1mm间隔的刻度，其目的是可根据工件的口径尺寸快速对外圆定位架12及端面定位架14的位置进行粗调；

如图1、5、6所示，所述端面定位机构的滑块15为“工”形，与端面定位架14高精度配合，通过调节螺杆17实现滑块15的升降；

如图1、3、5、6所示，所述定位底座6具有螺孔、螺杆17末端为圆柱形，两者能精密配合，配合公差小于0.03mm；

如图1、5、6所示，所述螺杆挡盖16具备台阶孔，螺杆挡盖16通过螺孔固定于端面定位架14上，台阶孔与螺杆17顶端配合，通过台阶孔可实现螺杆17的调节；

如图1、5、7所示，所述定位底座6螺孔、螺杆17、螺杆挡盖16台阶孔同轴，通过固定底座6、螺杆挡盖16固定螺杆17，防止滑块15升降过程螺杆17窜动，提高端面定位机构的重复性精度。

如图8、9、10所示，磁流变去除函数转换前提是通过采用同样抛光工艺对常规加工的光学元件进行单点获取去除效率，本实施发明中选用石英与微晶材料的去除效率进行对比分析，可获得去除率对比系数为K_f/z，即：

K_f/z(x_i,y_i)＝R_f(x_i,y_i)/R_z(x_i,y_i)（1）；

式中，R_f(x_i,y_i)为石英材料去除函数位置在(x_i,y_i)点的特征表达式；R_z(x_i,y_i)为微晶材料去除函数位置在(x_i,y_i)点的特征表达式；K_f/z(x_i,y_i)石英材料与微晶材料去除效率在(x_i,y_i)点的对比系数；

如图11所示，本实施发明中选用微晶材料进行四点去除函数分析，去除函数稳定性达98.3%，同时根据四个去除效率的特征点位置计算机床磨头定位误差δ(x_i,y_i)为第i个除函数最深点所在的坐标位置；δ(x₀,y₀)为根据四个去除函数特征值计算所得的磨头定位误差；

如图12、13所示，本实施发明中通过对微晶材料进行去除函数转换为石英材料，选用本发明的定位工装对Ф200mmR-211.3mm石英球面进行加工。通过面形检测，将获得的工件面形误差表达为：E(x,y)；根据面形误差的计算的仿真，面形加工后的参数为：

e (x, y) = E (x, y) - R (x, y) &CircleTimes; T (x, y) - - - (2);

式中，R(x,y)为(x,y)点的材料去除效率，T(x,y)为(x,y)位置面形误差的停留时间；e(x,y)为加工后(x,y)点的残余误差；

通过对微晶材料获取去除函数并根据（1）式的系数转换，石英材料工件加工后的残余误差可表达为：

e (x, y) = E (x, y) - K_{f / z} \cdot R_{z} (x, y) &CircleTimes; T (x, y) - - - (3)

根据理论计算，假设面形残差e(x,y)为0，将面形检测误差E(x,y)离散为（E1、E2、...En）n个数据，则对（3）式展开矩阵算法扩展，可得表达式（4），

[\begin{matrix} K_{1}^{1} * R_{1}^{1} & K_{1}^{2} * R_{1}^{2} & \cdot \cdot \cdot & K_{1}^{j} * R_{1}^{n} & \cdot \cdot \cdot & K_{1}^{n} * R_{1}^{n} \\ K_{2}^{1} * R_{2}^{1} & K_{2}^{2} * R_{2}^{2} & \cdot \cdot \cdot & K_{2}^{j} * R_{2}^{j} & \cdot \cdot \cdot & K_{2}^{n} * R_{2}^{n} \\ \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot \\ K_{i}^{1} * R_{i}^{1} & K_{i}^{2} * R_{i}^{2} & \cdot \cdot \cdot & K_{i}^{j} * R_{i}^{j} & \cdot \cdot \cdot & K_{i}^{n} * R_{i}^{n} \\ \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot \\ K_{n}^{1} * R_{n}^{1} & K_{n}^{2} * R_{n}^{2} & \cdot \cdot \cdot & K_{n}^{j} * R_{n}^{j} & \cdot \cdot \cdot & K_{n}^{n} * R_{n}^{n} \end{matrix}] * [\begin{matrix} T_{1} \\ T_{2} \\ \cdot \\ T_{i} \\ \cdot \\ T_{n} \end{matrix}] [\begin{matrix} E_{1} \\ E_{2} \\ \cdot \\ E_{i} \\ . \\ E_{n} \end{matrix}] - - - (4)

式中，为磁流变抛光磨头运动到工件上第i点时，对第j点去除效率的转换系数；为磁流变抛光磨头运动到工件上第i点时，对第j点的去除量；T_i为磁流变抛光磨头运动到工件上第i点的停留时间；E_i为磁流变抛光磨头在工件上第i点停留T_i时间所产生的去除量。

通过对理论公式（1）-（4）的去除函数转换及驻留时间计算，Ф200mmR-211.3mm石英球面初始面形精度为RMS（均方根）17.8nm，通过13分钟的磁流变加工，面形精度达到RMS2.7nm。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims

1.一种磁流变高精度定位装置，其特征在于包括：固定支撑机构、外圆定位机构和端面定位机构，外圆定位机构连接到固定支撑机构上，端面定位机构固定于外圆定位机构的定位底座(6)上，其中：

所述固定支撑机构包括：圆锥盘(1)和底盘(2)；圆锥盘(1)和底盘(2)通过螺栓连接为一体，圆锥盘(1)下端面凸出两个轮毂，通过两个轮毂将整个磁流变高精度定位装置固定于磁流变抛光机床旋转轴上；

所述外圆定位机构包括：导轨(3)、丝杆(4)、丝杆螺母(5)、定位底座(6)、第一丝杆定位架(7)、第二丝杆定位架(8)、轴承(9)、轴承挡盖(10)、手轮(11)、外圆定位架(12)和垫片(13)；导轨(3)、第一丝杆定位架(7)、第二丝杆定位架(8)通过螺栓与底盘(2)固定为一体，丝杆(4)两端分别固定于第一丝杆定位架(7)、第二丝杆定位架(8)上，丝杆螺母(5)套于丝杆(4)上，定位底座(6)固定于丝杆螺母(5)上，同时定位底座(6)两侧分别与丝杆两侧的导轨(3)上端面相切，防止丝杆(4)滑动过程中，定位底座(6)晃动；

所述端面定位机构包括：端面定位架(14)、滑块(15)、螺杆挡盖(16)和螺杆(17)；端面定位架(14)固定于外圆定位机构的定位底座(6)上，滑块(15)套于端面定位架(14)的凹槽上，与端面定位架(14)精密配合，螺杆挡盖(16)固定于端面定位架(14)上，螺杆(17)穿过滑块(15)孔固定于螺杆挡盖(16)与端面定位架(14)之间，与定位底座(6)螺孔配合，通过调节螺杆(17)实现滑块(15)的升降。

2.根据权利要求1所述的一种磁流变高精度定位装置，其特征在于：所述外圆定位机构的丝杆(4)为T型丝杆，重复性定位精度好，具备自锁功能，螺距为0.5mm，调节精度高。

3.根据权利要求1所述的一种磁流变高精度定位装置，其特征在于：所述端面定位机构的滑块(15)为“工”形。

4.根据权利要求1所述的一种磁流变高精度定位装置，其特征在于：所述定位底座(6)具有螺孔、螺杆(17)，螺杆(17)末端为圆柱形。

5.根据权利要求1所述的一种磁流变高精度定位装置，其特征在于：所述导轨(3)端面具有1mm间隔的刻度，其目的是可根据工件的口径尺寸快速对外圆定位架(12)及端面定位架(14)的位置进行粗调。

6.根据权利要求1所述的一种磁流变高精度定位装置，其特征在于：所述螺杆挡盖(16)具有台阶孔，螺杆挡盖(16)通过螺孔固定于端面定位架(14)上，螺杆挡盖(16)台阶孔与螺杆(17)顶端配合，通过台阶孔可实现螺杆的调节。

7.根据权利要求5所述的一种磁流变高精度定位装置，其特征在于：所述定位底座(6)螺孔、螺杆(17)及螺杆挡盖(16)台阶孔同轴，通过定位底座(6)、螺杆挡盖(16)固定螺杆(17)，防止滑块(15)升降过程螺杆(17)窜动，以此提高滑块(15)的重复性定位精度。

8.采用权利要求1所述的装置进行磁流变去除函数转换方法，其特征在于实现为：包括不同材料去除效率系数库建立过程与正式件加工过程，其中：

不同材料去除效率系数库建立过程：

(A)根据K9、石英、Si、硒化锌、SiC不同材料光学元件的加工外形尺寸确定工件的口径、端面矢高参数；

(B)采用高精度定位装置分别对去除函数工件快速装卡，根据工件的口径通过手轮(11)粗调节端面定位架(14)的位置，由导轨(3)上的刻度进行判断；通过螺杆(17)调节滑块(15)高度，放置工件；

(C)旋转机床工作轴，采用千分表对三个外圆定位架侧支撑的工件外圆进行测量并计算平均值，调节手轮(11)，细调节外圆定位架(12)，至工件外圆的测量误差小于0.01mm；

(D)旋转机床工作轴，采用千分表对3个滑块(15)支撑的工件端面进行测量并计算平均值，调节螺杆(17)，提升工件端面较低两处的滑块，至工件端面的测量误差小于0.01mm；

(E)重复步骤(C)、(D)至工件外圆、端面定位精度小于0.01mm；

(F)采用同样磁流变工艺参数对常规加工的光学元件，去除效率获取分析，分别建立不同材料的微晶、K9、石英、Si、硒化锌及SiC材料去除效率的对比系数库；

正式件加工过程：

(G)与去除效率系数库建立过程的(B)、(C)、(D)、(E)步相同，将微晶材料工件快速装卡，采用磁流变抛光磨头进行四点去除效率获取，通过步骤(F)的对比系数转换为待加工的正式件去除效率，同时对四个去除效率的特征点位置计算机床磨头的定位误差；

(H)根据光学元件的加工外形尺寸确定工件的口径、端面矢高参数；

(I)与去除效率系数库建立过程的(B)、(C)、(D)、(E)步相同，将正式加工件快速装卡，根据(C)转换后的去除效率对工件表面误差进行仿真计算，拟合生产机床代码进行数控加工。