CN103771729A - 一种可降低行程的离子束加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可降低行程的离子束加工方法，基于五轴加工设备，当加工所需的X轴和Y轴行程大于机床行程时，摆动A和B两个旋转轴来移动离子束加工点，利用极限行程进行加工，同时对旋转轴和Z轴运动坐标进行修正，并对驻留时间进行修正。本发明具有原理简单、易实现、适用范围广、尤其适应较大尺寸光学零件等优点。

Description

一种可降低行程的离子束加工方法

技术领域

本发明主要涉及到光学加工领域，特指一种适用于大口径光学零件的离子束加工方法。

背景技术

离子束修形加工是应用于光学零件确定性加工的一种新技术。离子束修形是在真空环境中，应用离子源发射的离子束轰击光学镜面，利用离子轰击产生的物理溅射效应去除光学零件表面的材料。离子束修形具有纳米量级的加工精度，是高确定性、高稳定性和非接触的加工方式。离子束修形克服了传统方法修形加工过程中的边缘效应、刀具磨损和压力负载等缺点。离子束修形适宜于加工高精度、非球面、异型、薄型等难加工光学零件。

目前，离子束加工光学零件有两种加工方式，五轴加工方式（如图1所示）和三轴加工方式（如图2所示）。采用五轴加工方式时，在加工过程中需要使离子束2垂直入射工件1（如光学曲面），入射角始终是0°。这种加工方式下，离子源3相对工件需要五个运动自由度，即调整位置的X、Y和Z三个线性运动自由度和调整姿态的A和B两个旋转自由度。采用三轴加工方式时，在加工过程中离子束2的姿态保持不变，离子束2始终平行于工件1的轴线。这种加工方式下，离子源3相对工件仅需要三个运动自由度，即调整位置的X、Y和Z三个线性运动自由度。

相应的，离子束加工设备也可分为两类，三轴加工设备和五轴加工设备。三轴加工设备仅有X、Y和Z三个线性运动轴，仅能进行三轴加工。五轴加工设备除了具有X、Y和Z三个线性轴之外，还具有A和B两个旋转轴。利用五轴加工设备，即可以进行五轴加工，也可进行三轴加工。可见，五轴加工设备通用性更好。

在离子束加工工艺中，尤其是加工大口径的光学零件时，所需的X轴和Y轴行程较大，当所需的行程超过机床的运动行程时，离子束将无法轰击到所要的加工点，因此将无法进行有效加工。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、易实现、适用范围广、尤其适应较大尺寸光学零件的可降低行程的离子束加工方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种可降低行程的离子束加工方法，基于五轴加工设备，当加工所需的X轴和Y轴行程大于机床行程时，摆动A和B两个旋转轴来移动离子束加工点，利用极限行程进行加工，同时对旋转轴和Z轴运动坐标进行修正，并对驻留时间进行修正。

作为本发明的进一步改进：本发明具体步骤为：

（1）建立加工路径；根据待加工光学元件的形状和尺寸建立离子束修形加工路径；其中，设抛光路径上第i点P_i在工件坐标系的坐标为 $\left(\begin{array}{cc}{x}_w^i& y_w^i\end{array}\right);$

（2）计算加工路径上各点的驻留时间和机床运动坐标；

（3）修正机床运动坐标；

（4）数控修形加工：根据步骤（3）计算得到的加工点机床运动坐标，对待加工光学元件的光学表面进行数控修形加工。

作为本发明的进一步改进：所述步骤（2）的具体步骤为：

（2.1）计算加工路径上各点P_i处的加工驻留时间

（2.2）计算加工路径上各点P_i处的机床运动坐标：

$\left(\begin{array}{ccccc}{x}_0^i& y_0^i& z_0^i& {\mathrm{\α}}_0^i& {\mathrm{\β}}_0^i\end{array}\right);$

计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_0^i=-{\tan }^{-1}\left(\frac{n_y^i}{n_z^i}\right)\\ {\mathrm{\β}}_0^i={\sin }^{-1}{n}_x^i\end{array}\right.---\left(1\right)$

和

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0^i=x_w^i-l\·n_x^i\\ y_0^i=y_w^i-l\·n_y^i\\ z_0^i=z_w^i+l-l\·n_z^i\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中， $\left(\begin{array}{ccc}{n}_x^i& n_y^i& n_z^i\end{array}\right)$ 为加工点P_i处的法向量，l为加工靶距，

为加工点P_i在工件坐标系的z坐标值；当被加工光学零件为平面时， $\left(\begin{array}{ccc}{n}_x^i& n_y^i& n_z^i\end{array}\right)\≡\left(\begin{array}{ccc}0& 0& 1\end{array}\right),$ 此时， ${\mathrm{\α}}_0^i\≡0,{\mathrm{\β}}_0^i\≡0.$

作为本发明的进一步改进：所述步骤（3）的具体步骤为：

（3.1）设置X轴和Y轴的运动范围：x为X轴的实际运动位置；设置Y轴的运动范围为Y₁≤y≤Y₂，y为Y轴的实际运动位置；

（3.2）限制X轴和Y轴的运动范围；

当计算所得的X轴和Y轴的运动位移或

超过设置的运动范围时，加工中取设置的最大值或最小值；具体为：

$x_i=\left\{\begin{array}{cc}{X}_1,& x_0^i<X_1\\ x_0^i,& X_1\&le;x_0^i\&le;X_2\\ X_2,& x_0^i>X_2\end{array}\right.---\left(3\right)$

$y_i=\left\{\begin{array}{cc}{Y}_1,& y_0^i<Y_1\\ y_0^i,& Y_1\&le;y_0^i\&le;Y_2\\ Y_2,& y_0^i>Y_2\end{array}\right.---\left(4\right)$

（3.3）修正旋转轴的运动坐标；

当计算所得的X轴和Y轴的运动位移

或超过设置的运动范围时，旋转轴的坐标(α β)将由以下式（5）和（6）计算：

（3.4）修正Z轴的运动坐标，修正公式为：

综上，计算所得的(x_i y_i z_i α_i β_i)即为加工点P_i的机床运动控制坐标。

作为本发明的进一步改进：在步骤（3）与步骤（4）之间还进行修正驻留时间，具体步骤为：

（4.1）计算加工入射角；

当计算所得的X轴和Y轴的运动位移

或超过设置的运动范围时，入射方向与法线存在一个夹角，即入射角φ_i；根据几何关系，入射角φ_i由下式计算：

${\mathrm{\&phi;}}_i={\cos }^{-1}\left[\cos ({\mathrm{\&alpha;}}_i-{\mathrm{\&alpha;}}_0^i)\cos ({\mathrm{\&beta;}}_i-{\mathrm{\&beta;}}_0^i)\right]---\left(8\right)$

（4.2）对驻留时间

进行修正；

根据入射角φ_i，确定材料去除率系数或溅射产额η_i，η_i=Y(φ_i)；

利用系数η_i对驻留时间

进行修正，修正公式如下

${\mathrm{\&tau;}}_i={\mathrm{\&tau;}}_0^i/{\mathrm{\&eta;}}_i---\left(9\right)$

τ_i即为加工点P_i的加工驻留时间；

在步骤（4）中是根据计算得到的加工点机床运动坐标(x_i y_i z_i α_i β_i)和计算所得的驻留时间τ_i，对待加工光学元件的光学表面进行数控修形加工。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的可降低行程的离子束加工方法，原理简单、易实现、适用范围广，当加工中需要的X轴或Y轴的行程略大于机床的运动行程时，首先将离子源运动到最大行程处，并通过A轴或B轴的摆动来补足X轴或Y轴的运动不足，以保证离子束加工点位置准确，同时对驻留时间进行必要的修正。

附图说明

图1是现有技术中五轴联动加工方式的加工原理示意图。

图2是现有技术中三轴联动加工方式的加工原理示意图。

图3是本发明的流程示意图。

图4是本发明在具体应用时的原理示意图。

图例说明：

1、工件；2、离子束；3、离子源。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明基于五轴加工设备，由于其具有A和B两个旋转轴，当所需的X轴和Y轴行程略大于机床行程时，可以摆动A和B两个旋转轴来移动离子束加工点，弥补X轴和Y轴行程不足，从而实现对较大零件的加工。基于上述思路，本发明的一种可降低行程的离子束加工方法为：当加工所需的X轴或Y轴运动行程太大，以至超过机床的极限运动行程时，利用极限行程进行加工。此时，需要对旋转轴和Z轴运动坐标进行修正，并对驻留时间进行修正。换言之，本发明正是根据这一思路，利用五轴加工机床的优势，可实现对较大尺寸光学零件的加工。

如图3所示，本发明的详细步骤为：

（1）建立加工路径；

采用现有路径规划方法，根据待加工光学元件的形状和尺寸建立离子束修形加工路径。其中，设抛光路径上第i点P_i在工件坐标系的坐标为 $\left(\begin{array}{cc}{x}_w^i& y_w^i\end{array}\right).$

（2）计算加工路径上各点的驻留时间和机床运动坐标；

（2.1）利用现有方法计算加工路径上各点P_i处的加工驻留时间

（2.2）利用现有的方法，计算加工路径上各点P_i处的机床运动坐标：

$\left(\begin{array}{ccccc}{x}_0^i& y_0^i& z_0^i& {\mathrm{\&alpha;}}_0^i& {\mathrm{\&beta;}}_0^i\end{array}\right).$

计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_0^i=-{\tan }^{-1}\left(\frac{n_y^i}{n_z^i}\right)\\ {\mathrm{\&beta;}}_0^i={\sin }^{-1}{n}_x^i\end{array}\right.---\left(1\right)$

和

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0^i=x_w^i-l\&CenterDot;n_x^i\\ y_0^i=y_w^i-l\&CenterDot;n_y^i\\ z_0^i=z_w^i+l-l\&CenterDot;n_z^i\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中， $\left(\begin{array}{ccc}{n}_x^i& n_y^i& n_z^i\end{array}\right)$ 为加工点P_i处的法向量，l为加工靶距（即离子源回转中心到离子束加工点的距离），

为加工点P_i在工件坐标系的z坐标值。当被加工光学零件为平面时， $\left(\begin{array}{ccc}{n}_x^i& n_y^i& n_z^i\end{array}\right)\&equiv;\left(\begin{array}{ccc}0& 0& 1\end{array}\right),$ 此时， ${\mathrm{\&alpha;}}_0^i\&equiv;0,{\mathrm{\&beta;}}_0^i\&equiv;0.$

（3）修正机床运动坐标；

（3.1）设置X轴和Y轴的运动范围：x为X轴的实际运动位置；设置Y轴的运动范围为Y₁≤y≤Y₂，y为Y轴的实际运动位置；

（3.2）限制X轴和Y轴的运动范围；

当计算所得的X轴和Y轴的运动位移

或

超过设置的运动范围时，加工中取设置的最大值或最小值。具体为：

$x_i=\left\{\begin{array}{cc}{X}_1,& x_0^i<X_1\\ x_0^i,& X_1\&le;x_0^i\&le;X_2\\ X_2,& x_0^i>X_2\end{array}\right.---\left(3\right)$

$y_i=\left\{\begin{array}{cc}{Y}_1,& y_0^i<Y_1\\ y_0^i,& Y_1\&le;y_0^i\&le;Y_2\\ Y_2,& y_0^i>Y_2\end{array}\right.---\left(4\right)$

（3.3）修正旋转轴的运动坐标；

当计算所得的X轴和Y轴的运动位移

或超过设置的运动范围时，旋转轴的坐标(α β)将不再由式（1）计算，而应由以下式（5）和（6）计算：

（3.4）修正Z轴的运动坐标，同时，还要对Z坐标进行修正。修正公式为：

综上，计算所得的(x_i y_i z_i α_i β_i)即为加工点P_i的机床运动控制坐标。

（4）修正驻留时间；

（4.1）计算加工入射角；

当计算所得的X轴和Y轴的运动位移

或

超过设置的运动范围时，由式（5）或式（6）计算的

或

导致加工时离子束不能沿法线入射，入射方向与法线存在一个夹角，即入射角φ_i。根据几何关系，入射角φ_i可由下式计算：

${\mathrm{\&phi;}}_i={\cos }^{-1}\left[\cos ({\mathrm{\&alpha;}}_i-{\mathrm{\&alpha;}}_0^i)\cos ({\mathrm{\&beta;}}_i-{\mathrm{\&beta;}}_0^i)\right]---\left(8\right)$

上式对于所有加工点成立。可以验算，当

或

时，入射角φ_i等于0，此时离子束沿加工点法线入射。

（4.2）对驻留时间

进行修正；

根据入射角φ_i，利用现有技术中用于非球面加工的离子束修形加工方法可确定材料去除率系数或溅射产额η_i，η_i=Y(φ_i)。

利用系数η_i对驻留时间进行修正，修正公式如下

${\mathrm{\&tau;}}_i={\mathrm{\&tau;}}_0^i/{\mathrm{\&eta;}}_i---\left(9\right)$

τ_i即为加工点P_i的加工驻留时间。

（5）数控修形加工：根据步骤（3）计算得到的加工点机床运动坐标(x_i y_i z_i α_i β_i)和步骤（4）计算所得的驻留时间τ_i，对待加工光学元件的光学表面进行数控修形加工。

应用本发明方案时，由于驻留时间修正系数η_i接近1，因此亦可省略步骤（4）不对驻留时间进行修正，或者采用其它驻留时间修正计算方法。

如图4所示，离子源3的位置a为传统加工方式的位置，此时离子束2垂直于被加工的工件1（如光学镜面）；位置b是本发明方案的加工位置。可以看出，利用本发明方案，可以外移离子束2的加工点，扩大了机床的加工能力。根据几何关系，外移的距离d等于lsinφ。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种可降低行程的离子束加工方法，其特征在于，基于五轴加工设备，当加工所需的X轴和Y轴行程大于机床行程时，摆动A和B两个旋转轴来移动离子束加工点，利用极限行程进行加工，同时对旋转轴和Z轴运动坐标进行修正，并对驻留时间进行修正。

2.根据权利要求1所述的可降低行程的离子束加工方法，其特征在于，具体步骤为：

（1）建立加工路径；根据待加工光学元件的形状和尺寸建立离子束修形加工路径；其中，设抛光路径上第i点P_i在工件坐标系的坐标为 $\left(\begin{array}{cc}{x}_w^i& y_w^i\end{array}\right);$

（2）计算加工路径上各点的驻留时间和机床运动坐标；

（3）修正机床运动坐标；

（4）数控修形加工：根据步骤（3）计算得到的加工点机床运动坐标，对待加工光学元件的光学表面进行数控修形加工。

3.根据权利要求2所述的可降低行程的离子束加工方法，其特征在于，所述步骤（2）的具体步骤为：

（2.1）计算加工路径上各点P_i处的加工驻留时间

（2.2）计算加工路径上各点P_i处的机床运动坐标：

$\left(\begin{array}{ccccc}{x}_0^i& y_0^i& z_0^i& {\mathrm{\&alpha;}}_0^i& {\mathrm{\&beta;}}_0^i\end{array}\right);$

计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_0^i=-{\tan }^{-1}\left(\frac{n_y^i}{n_z^i}\right)\\ {\mathrm{\&beta;}}_0^i={\sin }^{-1}{n}_x^i\end{array}\right.---\left(1\right)$

和

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0^i=x_w^i-l\&CenterDot;n_x^i\\ y_0^i=y_w^i-l\&CenterDot;n_y^i\\ z_0^i=z_w^i+l-l\&CenterDot;n_z^i\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中， $\left(\begin{array}{ccc}{n}_x^i& n_y^i& n_z^i\end{array}\right)$ 为加工点P_i处的法向量，l为加工靶距，

为加工点P_i在工件坐标系的z坐标值；当被加工光学零件为平面时， $\left(\begin{array}{ccc}{n}_x^i& n_y^i& n_z^i\end{array}\right)\&equiv;\left(\begin{array}{ccc}0& 0& 1\end{array}\right),$ 此时， ${\mathrm{\&alpha;}}_0^i\&equiv;0,{\mathrm{\&beta;}}_0^i\&equiv;0.$

4.根据权利要求3所述的可降低行程的离子束加工方法，其特征在于，所述步骤（3）的具体步骤为：

（3.1）设置X轴和Y轴的运动范围：设置X轴的运动范围为X₁≤x≤X₂，x为X轴的实际运动位置；设置Y轴的运动范围为Y₁≤y≤Y₂，y为Y轴的实际运动位置；

（3.2）限制X轴和Y轴的运动范围；

当计算所得的X轴和Y轴的运动位移

或

超过设置的运动范围时，加工中取设置的最大值或最小值；具体为：

$x_i=\left\{\begin{array}{cc}{X}_1,& x_0^i<X_1\\ x_0^i,& X_1\&le;x_0^i\&le;X_2\\ X_2,& x_0^i>X_2\end{array}\right.---\left(3\right)$

$y_i=\left\{\begin{array}{cc}{Y}_1,& y_0^i<Y_1\\ y_0^i,& Y_1\&le;y_0^i\&le;Y_2\\ Y_2,& y_0^i>Y_2\end{array}\right.---\left(4\right)$

（3.3）修正旋转轴的运动坐标；

当计算所得的X轴和Y轴的运动位移

或

超过设置的运动范围时，旋转轴的坐标(α β)将由以下式（5）和（6）计算：

（3.4）修正Z轴的运动坐标，修正公式为：

综上，计算所得的(x_i y_i z_i α_i β_i)即为加工点P_i的机床运动控制坐标。

5.根据权利要求4所述的可降低行程的离子束加工方法，其特征在于，在步骤（3）与步骤（4）之间还进行修正驻留时间，具体步骤为：

（4.1）计算加工入射角；

当计算所得的X轴和Y轴的运动位移

或

超过设置的运动范围时，入射方向与法线存在一个夹角，即入射角φ_i；根据几何关系，入射角φ_i由下式计算：

${\mathrm{\&phi;}}_i={\cos }^{-1}\left[\cos ({\mathrm{\&alpha;}}_i-{\mathrm{\&alpha;}}_0^i)\cos ({\mathrm{\&beta;}}_i-{\mathrm{\&beta;}}_0^i)\right]---\left(8\right)$

（4.2）对驻留时间

进行修正；

根据入射角φ_i，确定材料去除率系数或溅射产额η_i，η_i=Y(φ_i)；

利用系数η_i对驻留时间

进行修正，修正公式如下

${\mathrm{\&tau;}}_i={\mathrm{\&tau;}}_0^i/{\mathrm{\&eta;}}_i---\left(9\right)$

τ_i即为加工点P_i的加工驻留时间；

在步骤（4）中是根据计算得到的加工点机床运动坐标(x_i y_i z_i α_i β_i)和计算所得的驻留时间τ_i，对待加工光学元件的光学表面进行数控修形加工。

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