CN103786074A - 一种可降低转角的离子束加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可降低转角的离子束加工方法，基于五轴联动加工方法，当加工所需的运动角度太大以至超过机床的极限角度时，利用极限角度进行加工，并对线性位移和驻留时间进行修正。本发明具有原理简单、易实现、适用范围广、尤其是适用于高陡度光学光学零件等优点。

Description

一种可降低转角的离子束加工方法

技术领域

本发明主要涉及到光学加工领域，特指一种适用于高陡度光学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。

两种加工方式各有优缺点。五轴加工方式由于入射角保持不变（始终是0°），加工中的去除函数也不变，因此，加工确定性好，并且加工后表面粗糙度一致。但是该加工方式要求运动机构复杂，设备成本高。该加工方式离子源3除了要做三轴直线运动之外，还需要做两轴的旋转运动。特别是在加工高陡度光学零件时，由于所需的旋转角度大，运动机构设计难度增加，体积增大，成本上升。因此，为了保持合理体积和成本，目前离子束抛光机的旋转角度一般都设计在30°～40°以内，导致目前加工要求超过该角度的高陡度光学零件不能使用五轴方式加工。

三轴加工方式运动机构简单，设备成本低，但是加工中的加工角度是变化的，对于高陡度光学零件，入射角需从0°变化到40°～50°，导致加工中的去除函数也是变化的。特别是在大角度入射（入射角超过30°）时，去除函数的变化更激烈，加工确定性下降。要实现确定性加工，就必须考虑这种变化因素，对误差面形进行补偿（参考专利ZL201010239124.7，高陡度镜面的离子束抛光方法）或对驻留时间进行补偿（参考专利ZL201010578602.7，用于非球面加工的离子束修形加工方法）。但是，补偿往往很难非常精准，导致加工确定性下降，面形收敛变慢；而且即使进行了精确补偿，通过实验发现，由于表面粗糙度受加工角度的影响，这种加工方式下，由于加工角度的变化范围很大，导致被加工面的表面粗糙度不一致，从而影响光学零件的性能。

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、尤其是适用于高陡度光学光学零件的可降低转角的离子束加工方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种可降低转角的离子束加工方法，基于五轴联动加工方法，当加工所需的运动角度太大以至超过机床的极限角度时，利用极限角度进行加工，并对线性位移和驻留时间进行修正。

作为本发明的进一步改进：本发明的具体步骤为：

（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；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。

作为本发明的进一步改进：所述步骤（3）的具体步骤为：

（3.1）设置转动轴的运动范围：设置转动轴A的运动范围为A₁≤α≤A₂，α为转动轴A的实际转动位置；设置转动轴B的运动范围为B₁≤β≤B₂，β为转动轴B的实际转动位置；

（3.2）限制转动范围；

当计算所得的运动角度

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：

${\mathrm{\&alpha;}}_i=\left\{\begin{array}{cc}{A}_1,& {\mathrm{\&alpha;}}_0^i<A_1\\ {\mathrm{\&alpha;}}_0^i,& A_1\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_0^i\&le;A_2\\ A_2,& {\mathrm{\&alpha;}}_0^i>A_2\end{array}\right.---\left(3\right)$

${\mathrm{\&beta;}}_i=\left\{\begin{array}{cc}{B}_1,& {\mathrm{\&beta;}}_0^i<B_1\\ {\mathrm{\&beta;}}_0^i,& B_1\&le;{\mathrm{\&beta;}}_0^i\&le;B_2\\ B_2,& {\mathrm{\&beta;}}_0^i>B_2\end{array}\right.---\left(4\right)$

（3.3）修正线性运动坐标；

当运动角度

或

超过设置的运动范围而被限制时，线性运动坐标(x y z)由以下式计算：

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；

当转动角度或

超过设置的转动范围时，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：

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

（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：

1、本发明实现了对高陡度光学零件的更好、更快加工。利用该方法加工，可以把加工中的转动角度降低并限制在一定范围内。该方法既避免了三轴加工方式中的所需大角度入射，又克服了五轴加工方式中设备转角能力的限制，可实现小入射角度加工高陡度光学零件，从而避免大角度入射加工中的不利因素。

2.本发明扩大了五轴加工方式的加工能力。当计算的运动角度超过机床极限运动角度时，原有的五轴加工方式将无法进行加工，本发明通过对线性位移和驻留时间的修正，仍然可以加工。

3.本发明避免了三轴加工方式加工高陡度光学零件时的大角度入射问题。对于高陡度光学零件，利用三轴加工方式进行加工，不可避免地要进行大角度入射和驻留时间补偿。而在在大角度入射时，加工不确定性增大，补偿难于精准，导致面形收敛变慢。本发明方法克服了这一不足。

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。

本发明的可降低转角的离子束加工方法，基于五轴联动加工方法，在较小的加工转动角度时，与五轴加工方法相同；当转动角度需求大于一定角度（比如30°）时，那么转动角度还是保持30°不变，而对线性位移和驻留时间进行修正补偿，从而保证加工位置和加工量与计算一致。即：当加工所需的运动角度太大，以至超过机床的极限角度时，利用极限角度进行加工。此时，需要对线性位移和驻留时间进行修正。通过本发明的加工方法，解决了当加工转角需求超过设备能力时，五轴加工方法不能加工的不足，同时也避免了传统线性三轴联动加工方法中，大角度入射加工带来的不利影响，例如当采用该方法加工最大转动角度需求为45°的光学零件时，最大入射角只有15°（=45°～30°）。

如图3所示，本发明的具体步骤为：

（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。记抛光路径上第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（五轴加工方式），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（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。

（3）修正机床运动坐标；

（3.1）设置转动轴A的运动范围为A₁≤α≤A₂，α为转动轴A的实际转动位置；设置转动轴B的运动范围为B₁≤β≤B₂，β为转动轴B的实际转动位置。

（3.2）限制转动范围；

当计算所得的运动角度

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：

${\mathrm{\&alpha;}}_i=\left\{\begin{array}{cc}{A}_1,& {\mathrm{\&alpha;}}_0^i<A_1\\ {\mathrm{\&alpha;}}_0^i,& A_1\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_0^i\&le;A_2\\ A_2,& {\mathrm{\&alpha;}}_0^i>A_2\end{array}\right.---\left(3\right)$

${\mathrm{\&beta;}}_i=\left\{\begin{array}{cc}{B}_1,& {\mathrm{\&beta;}}_0^i<B_1\\ {\mathrm{\&beta;}}_0^i,& B_1\&le;{\mathrm{\&beta;}}_0^i\&le;B_2\\ B_2,& {\mathrm{\&beta;}}_0^i>B_2\end{array}\right.---\left(4\right)$

（3.3）修正线性运动坐标；

当运动角度

或

超过设置的运动范围而被限制时，线性运动坐标(x y z)将不再由式（2）计算，而应由以下式计算：

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；

当转动角度或

超过设置的转动范围时，由式（3）或式（4）确定的

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，为本发明在具体应用时的原理示意图，图中，离子源3的位置a为传统五轴加工方式的位置，此时离子束2垂直于工件1（即被加工的光学镜面）；位置b是传统三轴加工方式的位置，此时离子束2垂直向上；位置c是本发明方案的加工位置。可以看出，利用本发明方案，入射角φ远小于三轴加工方式的入射角φ₀。从图中也可看出，采用传统五轴加工方式，离子源3需要转动的角度为φ₀，超过机床的转角极限A，而使用本发明方案加工，离子源3只需转动角度A即可，在机床的转动范围内。

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)

1.一种可降低转角的离子束加工方法，其特征在于，基于五轴联动加工方法，当加工所需的运动角度太大以至超过机床的极限角度时，利用极限角度进行加工，并对线性位移和驻留时间进行修正。

2.根据权利要求1所述的可降低转角的离子束加工方法，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；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所述的可降低转角的离子束加工方法，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。

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

（3.1）设置转动轴的运动范围：设置转动轴A的运动范围为A₁≤α≤A₂，α为转动轴A的实际转动位置；设置转动轴B的运动范围为B₁≤β≤B₂，β为转动轴B的实际转动位置；

（3.2）限制转动范围；

当计算所得的运动角度或

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：

${\mathrm{\&alpha;}}_i=\left\{\begin{array}{cc}{A}_1,& {\mathrm{\&alpha;}}_0^i<A_1\\ {\mathrm{\&alpha;}}_0^i,& A_1\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_0^i\&le;A_2\\ A_2,& {\mathrm{\&alpha;}}_0^i>A_2\end{array}\right.---\left(3\right)$

${\mathrm{\&beta;}}_i=\left\{\begin{array}{cc}{B}_1,& {\mathrm{\&beta;}}_0^i<B_1\\ {\mathrm{\&beta;}}_0^i,& B_1\&le;{\mathrm{\&beta;}}_0^i\&le;B_2\\ B_2,& {\mathrm{\&beta;}}_0^i>B_2\end{array}\right.---\left(4\right)$

（3.3）修正线性运动坐标；

当运动角度

或

超过设置的运动范围而被限制时，线性运动坐标(x y z)由以下式计算：

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所述的可降低转角的离子束加工方法，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；

当转动角度

或

超过设置的转动范围时，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：

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

（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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