CN104875080B - 一种倾斜入射的离子束抛光修形加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倾斜入射的离子束抛光修形加工方法，步骤包括：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；设定倾斜加工入射角获取倾斜入射去除函数并计算出离子束修形加工路径上各点P_i处的加工驻留时间τ_i；计算出各点P_i处的常规机床运动控制坐标，并修正为倾斜入射加工所需的机床运动控制坐标；根据离子束修形加工路径上各点P_i处的倾斜入射加工所需的机床运动控制坐标、加工驻留时间τ_i对待加工光学元件的表面进行数控修行加工。本发明具有加工效率高、加工时间短的优点，而且由于倾斜入射的方式修形加工，能够减小某些材料的表面粗糙度、提高表面质量。

Description

一种倾斜入射的离子束抛光修形加工方法

技术领域

本发明涉及光学加工领域，具体涉及一种倾斜入射的离子束抛光修形加工方法。

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，原理是在真空环境中，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误差材料。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)。如图1所示，采用五轴加工方式时，在加工过程中需要使离子源3发出的离子束2垂直入射待加工光学元件1(如光学曲面)，入射角(离子束与工件表面加工点法线的夹角)始终是0°。如图2所示，采用三轴加工方式时，在加工过程中离子源3发出的离子束2的姿态保持不变，离子束2始终平行于待加工光学元件1的轴线，但是入射角是变化的。根据溅射理论，材料的溅射去除速率随着入射角的增大而增大。这表明入射角始终为零度的五轴加工方式材料去除速率最低，三轴加工方式虽然入射角不再始终是零度，材料去除速率有了一定的提高，但是多数入射角是在零度附近，因此加工效率与五轴加工相比，虽有提高，但提高得不多。此外，有些实验表明，离子束倾斜入射比垂直入射能获得更小的表面粗糙度。因此，对于更加关注粗糙度的应用中，应用倾斜入射离子束修形加工不但能缩短加工时间，提高加工效率，还能获得更好的表面质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的上述问题，提供一种加工效率高、加工时间短，表面粗糙度小、加工表面质量好的倾斜入射的离子束抛光修形加工方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种倾斜入射的离子束抛光修形加工方法，步骤包括：

1)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；

2)设定向量形式的倾斜加工入射角根据倾斜加工入射角获取倾斜入射去除函数并计算出离子束修形加工路径上各点P_i处的加工驻留时间τ_i；

3)计算出离子束修形加工路径上各点P_i处的常规机床运动控制坐标，并将常规机床运动控制坐标根据倾斜加工入射角修正为倾斜入射加工所需的机床运动控制坐标；

4)根据离子束修形加工路径上各点P_i处的倾斜入射加工所需的机床运动控制坐标、加工驻留时间τ_i对待加工光学元件的表面进行数控修行加工。

优选地，所述步骤2)的详细步骤包括：

2.1)设定向量形式的倾斜加工入射角其中φ表示离子束抛光机床用于离子束姿态运动控制的A轴倾斜角度，表示离子束抛光机床用于离子束姿态运动控制的B轴倾斜角度；

2.2)在常规去除函数实验中使离子束抛光机床的A轴倾斜角度为φ、离子束抛光机床的B轴倾斜角度进行去除函数实验得到设定入射角下的倾斜入射去除函数

2.3)使用倾斜入射去除函数替代常规去除函数p(x,y)计算加工路径上各点P_i处的加工驻留时间τ_i。

优选地，所述步骤3)的详细步骤包括：

3.1)根据式(1)和式(2)计算出离子束修形加工路径上各个第i点P_i处基于常规加工方法的机床运动控制坐标

式(1)和式(2)中，为第i点P_i处的法向量，为加工点P_i在工件坐标系的坐标值，l为加工靶距；

3.2)将所述离子束修形加工路径上各个第i点P_i处基于常规加工方法的机床运动控制坐标采用式(3)和式(4)修正为倾斜入射加工所需的机床运动控制坐标(x_i y_i z_i α_i β_i)；

式(3)和式(4)中，表示离子束修形加工路径上各个第i点P_i处基于常规加工方法的机床运动控制坐标，(x_i y_i z_i α_i β_i)表示离子束修形加工路径上各个第i点P_i处倾斜入射加工所需的机床运动控制坐标，φ表示离子束抛光机床的A轴倾斜角度，表示离子束抛光机床的B轴倾斜角度，l为加工靶距。

本发明倾斜入射的离子束抛光修形加工方法具有下述优点：

1、本发明通过计算出离子束修形加工路径上各点P_i处的常规机床运动控制坐标，并将常规机床运动控制坐标根据倾斜加工入射角修正为倾斜入射加工所需的机床运动控制坐标，因此在加工中保持一定入射角度不变，始终倾斜加工。这样可以在加工过程中始终保持较高的材料去除速率，较大程度地提高加工效率，相对于五轴加工大大提高了加工率，相对于三轴加工，也在一定程度上提高了加工效率，具有加工效率高、加工时间短的优点。

2、本发明通过计算出离子束修形加工路径上各点P_i处的常规机床运动控制坐标，并将常规机床运动控制坐标根据倾斜加工入射角修正为倾斜入射加工所需的机床运动控制坐标，由于倾斜入射，可减小某些材料的表面粗糙度、提高表面质量，具有表面粗糙度小、加工表面质量好的优点。

附图说明

图1为现有技术五轴加工方式的离子束抛光修形加工方法示意图。

图2为现有技术三轴加工方式的离子束抛光修形加工方法示意图。

图3为本发明实施例中待加工光学元件离子束抛光修形加工前的误差面形图。

图4为本发明实施例离子束抛光修形加工方法的基本流程示意图。

图5为本发明实施例离子束抛光修形加工方法的基本原理示意图。

图6为本发明实施例中去除函数的分布图。

图7为作为参考的现有技术去除函数的分布图。

图8为本发明实施例中待加工光学元件离子束抛光修形加工后的误差面形图。

图例说明：1、待加工光学元件；2、离子束；3、离子源。

具体实施方式

本实施例中的待加工光学元件为一块100mm口径的微晶玻璃平面反射镜，该镜面上90mm有效口径内的初始面形误差利用Zygo波面干涉仪的检测结果如图3所示，该面形误差的均方根(rms)值是27.02nm。

如图4所示，本实施例倾斜入射的离子束抛光修形加工方法的步骤包括：

1)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。

离子束修形加工路径上第i点P_i在工件坐标系的坐标为由于本实施例的待加工光学元件为平面镜，因此有因此坐标可表示为且在镜面上以间隔1mm网格取离子束修形加工路径上的点，镜面中心为原点。毫无疑问地，本实施例的方法并不局限于加工平面的待加工光学元件，只要待加工光学元件能够满足离子束修形加工路径上第i点P_i在工件坐标系的坐标为均可采用本实施例的方法实现，在此不再赘述。

2)设定向量形式的倾斜加工入射角根据倾斜加工入射角获取倾斜入射去除函数并计算出离子束修形加工路径上各点P_i处的加工驻留时间τ_i。

本实施例具体设置向量形式的倾斜加工入射角为(0,30°)，即A轴不倾斜，B轴倾斜角度为30°。因此后续则根据倾斜加工入射角(0,30°)获取倾斜入射去除函数即在常规去除函数实验中使离子束抛光机床用于离子束姿态运动控制的A轴不倾斜、离子束抛光机床用于离子束姿态运动控制的B轴倾斜30°，然后按现有技术进行去除函数实验获取倾斜入射去除函数需要说明的是，去除函数实验具体是通过离子束抛光机床在设定条件下对被加工光学元件进行指定时间(一分钟)的定点打斑，然后根据被加工光学元件定点打斑前后的去除量获得去除函数，去除函数实验获取去除函数为目前离子束抛光修形加工方法的现有技术，因此本实施例中不再展开说明。

3)计算出离子束修形加工路径上各点P_i处的常规机床运动控制坐标，并将常规机床运动控制坐标根据倾斜加工入射角修正为倾斜入射加工所需的机床运动控制坐标。

4)根据离子束修形加工路径上各点P_i处的倾斜入射加工所需的机床运动控制坐标、加工驻留时间τ_i对待加工光学元件的表面进行数控修行加工。

需要说明的是，上述步骤2)和步骤3)得到的结果分别为步骤4)对待加工光学元件的表面进行数控修行加工的两个基础条件，但是步骤2)和步骤3)之间的执行顺序并没有前后的关系要求，因此也可以将步骤3)和步骤2)的执行顺序进行更换。

本实施例中，步骤2)的详细步骤包括：

2.1)设定向量形式的倾斜加工入射角其中φ表示离子束抛光机床用于离子束姿态运动控制的A轴倾斜角度，表示离子束抛光机床用于离子束姿态运动控制的B轴倾斜角度；

基于向量形式的倾斜加工入射角可根据确定总倾斜角度θ。其中，θ表示总倾斜角度，φ表示离子束抛光机床的A轴直驱组件的A轴倾斜角度，表示离子束抛光机床的B轴直驱组件的B轴倾斜角度；本实施例中倾斜加工入射角为(0,30°)，因此总倾斜角度θ为30°。参见图5，不论是左、中、右三个位置中的哪一个位置，离子源3的总倾斜角度θ总是保持为30°，和传统的总倾斜角度θ为0的离子源3’(质心为P′)相比，图5中间位置的离子源3(质心为P〞)的y轴方向的偏移量为δy，z轴的偏移量为δz，正由于上述倾斜入射离子束的方式，能够缩短加工时间，提高加工效率，还能获得更好的表面质量。

2.2)在常规去除函数实验中使离子束抛光机床的A轴倾斜角度为φ、离子束抛光机床的B轴倾斜角度进行去除函数实验得到设定入射角下的倾斜入射去除函数

本实施例具体是在国防科大研制型号为KDIBF650的离子束抛光机床上进行，离子束抛光机床的机架组件上包括X轴直线运动组件、Y轴直线运动组件、Z轴直线运动组件、A轴直驱组件、B轴直驱组件工件输送组件以及离子源，通过X、Y、Z、A、B五个方向上的驱动实现了对离子源的精确运动，试验中的束电压设为800eV，束电流设为25mA，光阑使用5mm。在倾斜加工入射角为(0,30°)的条件下，实验获得的去除函数p_(0,30°)(x,y)如图6所示，该去除函数的峰值去除率是156nm/min，体积去除率是3.61×10^-3mm³/min。为了便于对比，本实施例还实验获取了常规去除函数p(x,y)如图7所示，由图可知，常规去除函数p(x,y)的峰值去除率是102nm/min，体积去除率是2.05×10^-3mm³/min。对比可知，本实施例去除函数p_(0,30°)(x,y)的体积去除率是常规去除函数的1.76倍。这意味着加工效率将提高为原来的176％，相应的加工时间将缩短为原来的56.8％。

2.3)使用倾斜入射去除函数替代常规去除函数p(x,y)计算加工路径上各点P_i处的加工驻留时间τ_i。根据去除函数p(x,y)计算加工路径上各点P_i处的加工驻留时间τ_i为现有技术，本实施例中具体是采用软件著作权登记号2009SR09638的计算软件IBFCAM进行计算，得到的加工驻留时间总和为125.1分钟，此外也可以根据需要采用其他的计算方法。作为对比，当采用常规去除函数p(x,y)时，可计算得到的加工驻留时间总和为219.8分钟；而采用本发明方案后，加工时间缩短为现有技术的56.9％。

本实施例中，步骤3)的详细步骤包括：

3.1)根据式(1)和式(2)计算出离子束修形加工路径上各个第i点P_i处基于常规加工方法的机床运动控制坐标

式(1)和式(2)中，为第i点P_i处的法向量，为加工点P_i在工件坐标系的坐标值，l为加工靶距；

3.2)将离子束修形加工路径上各个第i点P_i处基于常规加工方法的机床运动控制坐标采用式(3)和式(4)修正为倾斜入射加工所需的机床运动控制坐标(x_i y_i z_i α_i β_i)；

式(3)和式(4)中，表示离子束修形加工路径上各个第i点P_i处基于常规加工方法的机床运动控制坐标，(x_i y_i z_i α_i β_i)表示离子束修形加工路径上各个第i点P_i处倾斜入射加工所需的机床运动控制坐标，φ表示离子束抛光机床的A轴倾斜角度，表示离子束抛光机床的B轴倾斜角度，l为加工靶距。

如图8所示，根据本实施例实际加工后光学零件面形误差的检测结果可知，加工后面形误差的均方根(rms)值减小到了1.03nm，比原来27.02nm大大减小，可见本实施例倾斜入射的离子束抛光修形加工方法方案加工非常有效，可减小加工光学元件的表面粗糙度、提高表面质量，具有表面粗糙度小、加工表面质量好的优点。

以上所述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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种倾斜入射的离子束抛光修形加工方法，其特征在于步骤包括：

1)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；

2)设定向量形式的倾斜加工入射角根据倾斜加工入射角获取倾斜入射去除函数并计算出离子束修形加工路径上各点P_i处的加工驻留时间τ_i；

3)计算出离子束修形加工路径上各点P_i处的常规机床运动控制坐标，并将常规机床运动控制坐标根据倾斜加工入射角修正为倾斜入射加工所需的机床运动控制坐标；

4)根据离子束修形加工路径上各点P_i处的倾斜入射加工所需的机床运动控制坐标、加工驻留时间τ_i对待加工光学元件的表面进行数控修行加工；

所述步骤3)的详细步骤包括：

3.1)根据式(1)和式(2)计算出离子束修形加工路径上各个第i点P_i处基于常规加工方法的机床运动控制坐标

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

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

式(1)和式(2)中，为第i点P_i处的法向量，为加工点P_i在工件坐标系的坐标值，l为加工靶距；

3.2)将所述离子束修形加工路径上各个第i点P_i处基于常规加工方法的机床运动控制坐标采用式(3)和式(4)修正为倾斜入射加工所需的机床运动控制坐标(x_i y_i z_i α_i β_i)；

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=x_0^i-l\left({\mathrm{sin\β}}_i-{\mathrm{sin\β}}_0^i\right)\\ y_i=y_0^i+l\left({\mathrm{sin\α}}_i{\mathrm{cos\β}}_i-{\mathrm{sin\α}}_0^i{\mathrm{cos\β}}_0^i\right)\\ z_i=z_0^i-l\left({\mathrm{cos\α}}_i{\mathrm{cos\β}}_i-{\mathrm{cos\α}}_0^i{\mathrm{cos\β}}_0^i\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

式(3)和式(4)中，表示离子束修形加工路径上各个第i点P_i处基于常规加工方法的机床运动控制坐标，(x_i y_i z_i α_i β_i)表示离子束修形加工路径上各个第i点P_i处倾斜入射加工所需的机床运动控制坐标，φ表示离子束抛光机床的A轴倾斜角度，表示离子束抛光机床的B轴倾斜角度，l为加工靶距。

2.根据权利要求1所述的倾斜入射的离子束抛光修形加工方法，其特征在于，所述步骤2)的详细步骤包括：

2.1)设定向量形式的倾斜加工入射角其中φ表示离子束抛光机床用于离子束姿态运动控制的A轴倾斜角度，表示离子束抛光机床用于离子束姿态运动控制的B轴倾斜角度；

2.2)在常规去除函数实验中使离子束抛光机床的A轴倾斜角度为φ、离子束抛光机床的B轴倾斜角度进行去除函数实验得到设定入射角下的倾斜入射去除函数

2.3)使用倾斜入射去除函数替代常规去除函数p(x,y)计算加工路径上各点P_i处的加工驻留时间τ_i。