CN109243952A - 双真空室离子束修形加工系统及修形加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双真空室离子束修形加工系统和修形加工方法，该加工系统包括可相互连通的主真空室和副真空室，主真空室中设有离子源以及用于带动离子源运动的离子源运动机构，副真空室中设置有工件的加工工位，加工工位上设置有在加工时用于固定工件的夹具；副真空室沿离子源的离子束照射方向布置且加工工位在离子源照射范围内。本发明不必配置专用的真空传送装置将工件传送到主真空室的加工工位上，节约了成本，提高了稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及真空环境离子束修形加工技术领域，尤其涉及一种双真空室离子束修形加工系统及修形加工方法。
背景技术
离子束修形工艺是在真空中对工件进行修形加工。
目前，离子束修形加工设备常采用单真空室设计或双真空室设计。对于单真空室离子束加工设备，每次装夹工件都需要使加工真空室破真空，然后再重新抽真空，这大大增长了加工时间，降低了加工效率。对于常见双真空室离子束加工设备，例如专利号为201210265722.0，名称为“双真空离子束抛光系统及抛光方法”的发明专利。加工工件时，通过离子源的多自由度运动来对固定不动的工件进行加工，加工运动均在主真空室进行。因此需要配合工件输送装置使用，需先采用专用的真空传送机构传送到位于主真空室中的工位处，将工件夹到工位上再进行加工，传动过程中传送机构需要跨越插板阀通道(导轨或其它传动支撑在阀门处是断开的)，传送机构复杂，传送成本高；并且传送装置容易产生故障，降低了加工的可靠性。同时，这种加工运动机构都位于主真空室中，副真空室的作用仅是快速更换工件，在加工过程中，副真空室没有起作用。且运动机构叠加在离子源运动机构上，一般至少是XYZ(如：三轴坐标系)叠加在一起，有的XYZ+AB(两个角度调整)都叠加在了一起，运动机构复杂，容易产生故障。
此外，常见的离子束修形设备常采用立式布局，即离子源位于下方，向上正对的待加工工件，这无疑增加了工件装夹的难度，而且加工中的溅射产物容易沉积到离子源及其运动系统上，会引起离子源故障。因此，立式加工布局为避免离子源故障，需要缩短离子源清洗维护周期。
发明内容
本发明提供了一种双真空室离子束修形加工系统及修形加工方法，用以解决现有双真空室离子束修形加工设备需要专用的工件真空传送机构传送工件到主真空室的工位上，以及离子源运动系统结构复杂，故障率高的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种双真空室离子束修形加工系统，包括通过插板阀可相互连通的主真空室和副真空室，主真空室中设有离子源以及用于带动离子源运动的离子源运动机构，副真空室中设置有工件的加工工位，加工工位上设置有在加工时用于固定工件的夹具；副真空室沿离子源的离子束照射方向布置且加工工位在离子源照射范围内。
作为本发明的进一步改进：
优选地，还包括工件运动机构，工件运动机构连接于加工工位与副真空室的室壁之间，工件运动机构与离子源运动机构配合组成加工运动系统。
优选地，加工运动系统包括由X向运动单元、Y向运动单元和Z向运动单元组成的直线运动系统，直线运动系统的布置包括以下情况之一：
工件运动机构包括X向运动单元、Y向运动单元和Z向运动单元中的任意一种，离子源运动机构包括其他两种运动单元中的任意一种或两种的组合；
工件运动机构包括X向运动单元、Y向运动单元和Z向运动单元中的任意两种的组合，离子源运动机构包括其余一种运动单元；
离子源运动机构包括X向运动单元、Y向运动单元和Z向运动单元中的任意一种或几种的组合；或者，
工件运动机构包括X向运动单元、Y向运动单元和Z向运动单元中的任意一种或几种的组合。
优选地，当工件运动机构包括Z向运动单元时，Z向运动单元与夹具相连接，Z向运动单元包括Z向驱动装置以及Z向滑道，Z向滑道沿靠近或远离离子源的方向布置，Z向驱动装置与夹具连接并带动夹具沿Z向滑道做靠近或远离离子源的方向运动；
离子源运动机构包括设置在垂直于Z向滑道的平面上X向运动单元和Y向运动单元，X向运动单元包括可沿X向滑道做往返运动的X向驱动装置，Y向运动单元包括可沿Y向滑道做往返运动的Y向驱动装置，X向滑道和Y向滑道相互垂直布置，X向运动单元或Y向运动单元相互连接且离子源固定于X向运动单元或Y向运动单元上。
优选地，主真空室中也设有Z向滑道，主真空室中的Z向滑道布置于副真空室中的Z向滑道的延伸方向上使得Z向驱动装置带动夹具沿Z向滑道进入或离开主真空室。
优选地，加工运动系统包括转动系统，转动系统包括可绕X向转动的A向转动单元、可绕Y向转动的B向转动单元和\或可绕Z向转动的C向转动单元；转动系统的布置包括以下情况之一：
工件运动机构还包括A向转动单元、B向转动单元和C向转动单元中的任意一种或几种的组合；
离子源运动机构还包括A向转动单元和B向转动单元中的任意一种或两种的组合。
优选地，主真空室与副真空室为圆柱体或长方体；插板阀的通孔为圆形、正方形或长方形，插板阀位于主真空室的任一侧面、顶面或底面上；操作门开设于副真空室的除固定工件运动机构的一面之外的任意一面上。
优选地，工件运动机构和离子源运动机构中的运动单元均包括传动组件和驱动电机，且其中与真空室的壁连接的运动单元的传动组件与驱动电机在真空室的内外通过密封传动组件进行传动连接。
本发明还提供了一种采用上述的双真空室离子束修形加工系统的修形加工方法，包括以下步骤：
关闭插板阀，将主真空室抽真空，打开副真空室的操作门，将工件放置于加工工位的夹具上；关闭操作门，将副真空室抽真空，保持主真空室与副真空室之间的真空度匹配，打开插板阀使主真空室与副真空室连通；通过加工运动系统的运动对工件进行修形加工；加工完成后，关闭插板阀；向副真空室充气至环境大气压，打开操作门，取出工件。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的双真空室离子束修形加工系统，在加工时，直接在副真空室设置加工工位，不必配置专用的真空传送装置将工件传送到主真空室的加工工位上，大大节约了成本。并且，本发明中，直接将工件送到副真空室的加工工位上，还可以省去真空传送装置传递工件以及返回的时间，提高了加工效率。
2、在优选方案中，本发明双真空室离子束修形加工系统，通过工件运动机构与离子源运动机构配合进行运动，本发明在同等加工要求的基础上，减少了离子源运动单元的运动装置层级，使得其稳定性提高，累积误差减小，使得本发明的装置能完成更高精度要求的工件加工。其次，将运动系统分散设置，配合运动，这在可以使得本发明的系统能够小型化，轻量化，进一步提高了效率，更便于销售、推广和广泛应用。可以采用多种组成形式，形成多种工件运动机构与离子源运动机构配合的情况，可适用于多种工件的加工，同时考虑成本和精度要求，以及形状要求，配置合适成本和体积的加工系统，做到因地制宜，节约成本。
3、本发明的加工方法，采用本发明的双真空室离子束修形加工系统，不必通过真空传送机构将工件从副真空室传送到主真空室，再进行工件的取放，因此，对于形状特殊的工件，可以设置更复杂的夹具，更有针对性的夹持角度和位置，使得配备更简单的系统能完成更复杂的工件加工，节约时间和设备投入成本，工序更简单，加工的效率更高，更易于检验工件以及返工。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例1的双真空室离子束修形加工系统的结构示意图；
图2是本发明优选实施例1的双真空室离子束修形加工系统的剖视示意图；
图3是本发明优选实施例1的双真空室离子束修形加工方法的流程示意图；
图4是本发明优选实施例2的双真空室离子束修形加工系统的结构示意图；
图5是本发明优选实施例3的双真空室离子束修形加工系统的副真空室结构示意图；
图6是本发明优选实施例4的双真空室离子束修形加工系统的内部结构示意图；
图7是本发明优选实施例5的双真空室离子束修形加工系统的结构示意图；
图8是本发明优选实施例6的双真空室离子束修形加工系统的结构示意图；
图9是本发明优选实施例7的双真空室离子束修形加工系统的副真空室结构示意图。
图中各标号表示：
1、主真空室；2、副真空室；3、插板阀；4、工件；5、操作门；6、工件运动机构；7、夹具；8、X向运动单元；81、X向滑道；9、Y向运动单元；91、Y向滑道；10、Z向运动单元；101、Z向滑道；11、A向转动单元；12、B向转动单元；13、离子源运动机构；14、离子源；15、视窗。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
以下实施例仅为了示例说明，不是对技术特征的组合方式进行限制，任何技术特征均可以跨实施例进行合理的组合。
实施例1：
参见图1、图2，本实施例的双真空室离子束修形加工系统，包括通过插板阀3可相互连通或关闭的主真空室1与副真空室2。主真空室1中设有离子源14以及用于带动离子源14运动的离子源运动机构13，副真空室2中设置有工件4的加工工位，加工工位上设置有在加工时用于固定工件4的夹具7；副真空室2沿离子源14的离子束照射方向布置且加工工位在离子源14照射范围内。本实施例中，副真空室2中还设置有工件运动机构6，工件运动机构6连接于加工工位与副真空室2的室壁之间，并且，副真空室2开设有操作门以装卸工件。工件运动机构6与离子源运动机构13组成加工运动系统。在加工时，通过工件运动机构6与离子源运动机构13配合进行运动，不必配置专用的真空传送装置将工件4传送到主真空室1的加工工位上，大大节约了成本。
本实施例的加工运动系统包括由X向运动单元8、Y向运动单元9和Z向运动单元10组成的直线运动系统。工件运动机构6包括相连接的夹具7和Z向运动单元10，Z向运动单元10包括Z向驱动装置以及Z向滑道101，Z向滑道101沿靠近或远离离子源14的方向布置，Z向驱动装置与夹具7连接并带动夹具7沿Z向滑道101做靠近或远离离子源14的方向运动。离子源运动机构包括设置在垂直于Z向滑道101的平面上X向运动单元8和Y向运动单元9，X向运动单元8包括可沿X向滑道81做往返运动的X向驱动装置，Y向运动单元9包括可沿Y向滑道91做往返运动的Y向驱动装置，X向滑道81和Y向滑道91相互垂直布置，X向运动单元8或Y向运动单元9相互连接且离子源14固定于X向运动单元8或Y向运动单元9上。在同等加工要求的基础上，减少了离子源运动单元的运动装置层级，使得其稳定性提高，累积误差减小，使得加工系统能完成更高精度要求的工件4加工。其次，将运动系统分散设置，配合运动，这在可以使得加工系统能够小型化，轻量化，进一步提高了效率，更便于销售、推广和广泛应用。实际实施时，直线运动系统的驱动是旋转电机驱动通过传动机构将转动变换为直线运动，或者直线电机驱动。
本实施例中，主真空室1与副真空室2为长方体，插板阀3上连接主真空室1与副真空室2的通道为圆形或者方形。副真空室2可以通过合页安装在插板阀3通道上，打开合页可以转动副真空室2使得设置于副真空室2内的工件4加工的工位露出，打开合页以后，Z向滑道101的一端设置在开合面附近，便于夹持工件4。直接将工件4送到加工工位的夹具7上，可以省去真空传送装置传递工件4以及返回的时间，提高了加工效率。
本实施例工作时，参见图3，采用如下的加工方法对工件4进行加工：
关闭插板阀3，将主真空室1抽真空，打开副真空室2的操作门5，将工件4放置于夹具7上；关闭操作门5，将副真空室2抽真空，保持主真空室1与副真空室2之间的真空度匹配(真空度基本一致)，打开插板阀3；通过加工运动系统的运动加工工件4；加工完成后，关闭插板阀3；向副真空室2充气至环境大气压，打开操作门5，取出工件4。
采用上述步骤，只用将工件4夹置到副真空室2的工位上即可控制加工运动系统完成加工，而不必通过专用的真空传送机构将副真空室2的工件4再传递到主真空室1的工位上才可以加工。因此，对于形状特殊的工件4，可以设置更复杂的夹具7，更有针对性的夹持角度和位置，使得配备更简单的系统能完成更复杂的工件4加工，节约时间和设备投入成本，工序更简单，加工的效率更高，更易于检验工件4或返工。
实施例2：
本实施例的双真空室离子束修形加工系统与实施例1结构基本相同，在此不再赘述。二者的不同之处仅在于：本实施例中，副真空室2对外开设有操作门5，操作门5开设于副真空室2的除固定工件运动机构6的一面之外的任意一面上。参见图4，本实施例为操作门5设在靠插板阀的面上，插板阀3的通道为圆形。在主真空室1、副真空室2的侧壁上或者操作门5上还可以设置视窗15。工件运动机构6的至少有一部分靠近操作门5，通常是导轨的一端或者中段设置在操作门5处，便于操作夹持工件4。
实际实施时，插板阀3与主副真空室2的连接关系可以是法兰面螺栓连接、卡钳连接、焊接连接或其它连接方式。
实施例3：
本实施例的双真空室离子束修形加工系统与实施例2结构基本相同，在此不再赘述。二者的不同之处仅在于：参见图5，本实施例中，操作门5开设在副真空室2侧壁。
实施例4：
本实施例的双真空室离子束修形加工系统与实施例1结构基本相同，在此不再赘述。二者的不同之处仅在于：参见图6，本实施例中，操作门5开设在副真空室2侧壁。
实施例5：
本实施例的双真空室离子束加工系统与实施例1结构基本相同，在此不再赘述。二者的不同之处仅在于：参见图7，Z向运动单元10包括传动组件和驱动电机；Z向运动单元10的传动组件与驱动电机在副真空室2的内外通过密封传动组件进行传动连接。离子源运动机构13的X向运动单元8和Y向运动单元9中，与主真空室1的壁连接的运动单元的传动组件与驱动电机在主真空室1的内外通过密封传动组件进行传动连接。本实施例中，密封传动组件采用磁流体密封传动组件。
实施例6：
本实施例的双真空室离子束修形加工系统与实施例4结构基本相同，在此不再赘述。二者的不同之处仅在于：本实施例中，加工运动系统还包括转动系统，转动系统包括可绕X向转动的A向转动单元11、可绕Y向转动的B向转动单元12和\或可绕Z向转动的C向转动单元；转动系统的布置如下：
工件Z+离子源XYA模式：如图8所示，离子源运动机构13设置A向转动单元11以及X向运动单元8和Y向运动单元9，A向转动单元11连接于离子源14X向运动单元8或Y向运动单元9之间。
实施例7：
本实施例的双真空室离子束修形加工系统与实施例5结构基本相同，在此不再赘述。二者的不同之处仅在于，本实施例的转动系统的布置如下：
工件ZB+离子源XYA模式：如图9所示，工件运动机构6设置Z向运动单元10和B向转动单元12，B向转动单元12连接于夹具7与Z向运动单元10之间；离子源运动机构13设置A向转动单元11以及X向运动单元8和Y向运动单元9，A向转动单元11连接于离子源14和X向运动单元8或Y向运动单元9之间。
除实施例6和7的转动系统的布置情况之外，本发明的转动系统还可是如下任一设置方式：
(1)工件ZBC+离子源XYA模式：工件运动机构6设置Z向运动单元10、B向转动单元12和C向转动单元，B向转动单元12和C向转动单元相互连接后装设于夹具7与Z向运动单元10之间；离子源运动机构13设置A向转动单元11以及X向运动单元8和Y向运动单元9，A向转动单元11连接于离子源14和X向运动单元8或Y向运动单元9之间。
(2)工件ZA+离子源XYB模式：工件运动机构6设置Z向运动单元10和A向转动单元11，A向转动单元11连接于夹具7与Z向运动单元10之间；离子源运动机构13设置B向转动单元12以及X向运动单元8和Y向运动单元9，B向转动单元12连接于离子源14和X向运动单元8或Y向运动单元9之间。
(3)工件ZC+离子源XYAB模式：工件运动机构6设置Z向运动单元10和C向转动单元，C向转动单元连接于夹具7与Z向运动单元10之间；离子源运动机构13设置A向转动单元11和B向转动单元12以及X向运动单元8和Y向运动单元9，A向转动单元11和B向转动单元12相互连接后装设于离子源14和X向运动单元8或Y向运动单元9之间。
(4)工件Z+离子源XYABC模式：离子源运动机构13设置A向转动单元11、B向转动单元12和C向转动单元以及X向运动单元8和Y向运动单元9，A向转动单元11和B向转动单元12和C向转动单元相互连接后装设于X向运动单元8或Y向运动单元9之间。
以上举出的是几种常见的组合方式，除以上示例之外，是由工件运动机构6和离子源运动机构13配合进行加工前的位置调整以及加工中的工件4转动、移动等动作，以及离子源14的转动、移动等动作的配合均是属于本发明的思想，在加工时，先按照所需工件4的加工要求计算各角度或者位置的移动路径，再将相应的转动或者移动动作由相应的XYZABC等运动单元执行。
实施时，Z向滑道101、X向滑道81和Y向滑道91为滑轨、导轨、导槽或者导轴。还可在主真空室1中也设置Z向滑道101，主真空室1中的Z向滑道101布置于副真空室2中的Z向滑道101的延升方向上使得Z向驱动装置带动夹具7沿Z向滑道101进入或离开主真空室1，主真空室1的Z向滑道101为滑轨、导轨或导槽。
实施时，主真空室1与副真空室2的形状可以根据场地或者工件4的要求变化，只要能达到本发明的要求即可。例如：主真空室1与副真空室2还可以设置为同轴的圆柱型，插板阀3为圆形，操作门5开设于副真空室2的圆柱的一端。
根据实际需要，采用多种组成形式，形成多种工件运动机构6与离子源运动机构13配合的情况，可适用于多种工件4的加工，同时考虑成本和精度要求，以及形状要求，配置合适成本和体积的加工系统，做到因地制宜，节约成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种双真空室离子束修形加工系统，包括通过插板阀(3)可相互连通的主真空室(1)和副真空室(2)，所述主真空室(1)中设有离子源(14)以及用于带动离子源(14)运动的离子源运动机构(13)，其特征在于，所述副真空室(2)中设置有工件(4)的加工工位，所述加工工位上设置有在加工时用于固定所述工件(4)的夹具(7)；所述副真空室(2)沿所述离子源(14)的离子束照射方向布置且所述加工工位在所述离子源(14)照射范围内。
2.根据权利要求1所述的双真空室离子束修形加工系统，其特征在于，还包括工件运动机构(6)，所述工件运动机构(6)连接于加工工位与副真空室(2)的室壁之间，所述工件运动机构(6)与所述离子源运动机构(13)配合组成加工运动系统。
3.根据权利要求2所述的双真空室离子束修形加工系统，其特征在于，所述加工运动系统包括由X向运动单元(8)、Y向运动单元(9)和Z向运动单元(10)组成的直线运动系统，所述直线运动系统的布置包括以下情况之一：
所述工件运动机构(6)包括X向运动单元(8)、Y向运动单元(9)和Z向运动单元(10)中的任意一种，所述离子源运动机构(13)包括其他两种运动单元中的任意一种或两种的组合；
所述工件运动机构(6)包括X向运动单元(8)、Y向运动单元(9)和Z向运动单元(10)中的任意两种的组合，所述离子源运动机构(13)包括其余一种运动单元；
所述离子源运动机构(13)包括X向运动单元(8)、Y向运动单元(9)和Z向运动单元(10)中的任意一种或几种的组合；或者，
所述工件运动机构(6)包括X向运动单元(8)、Y向运动单元(9)和Z向运动单元(10)中的任意一种或几种的组合。
4.根据权利要求3所述的双真空室离子束修形加工系统，其特征在于，当所述工件运动机构(6)包括Z向运动单元(10)时，所述Z向运动单元(10)与所述夹具(7)相连接，Z向运动单元(10)包括Z向驱动装置以及Z向滑道(101)，所述Z向滑道(101)沿靠近或远离所述离子源(14)的方向布置，所述Z向驱动装置与所述夹具(7)连接并带动所述夹具(7)沿所述Z向滑道(101)做靠近或远离所述离子源(14)的方向运动；
所述离子源运动机构(13)包括设置在垂直于所述Z向滑道(101)的平面上X向运动单元(8)和Y向运动单元(9)，所述X向运动单元(8)包括可沿X向滑道(81)做往返运动的X向驱动装置，所述Y向运动单元(9)包括可沿Y向滑道(91)做往返运动的Y向驱动装置，所述X向滑道(81)和Y向滑道(91)相互垂直布置，所述X向运动单元(8)或Y向运动单元(9)相互连接且所述离子源(14)固定于所述X向运动单元(8)或Y向运动单元(9)上。
5.根据权利要求4所述的双真空室离子束修形加工系统，其特征在于，所述主真空室(1)中也设有Z向滑道(101)，所述主真空室(1)中的Z向滑道(101)布置于所述副真空室(2)中的Z向滑道(101)的延伸方向上使得所述Z向驱动装置带动所述夹具(7)沿所述Z向滑道(101)进入或离开所述主真空室(1)。
6.根据权利要求3所述的双真空室离子束修形加工系统，其特征在于，所述加工运动系统包括转动系统，所述转动系统包括可绕X向转动的A向转动单元(11)、可绕Y向转动的B向转动单元(12)和\或可绕Z向转动的C向转动单元；所述转动系统的布置包括以下情况之一：
所述工件运动机构(6)还包括A向转动单元(11)、B向转动单元(12)和C向转动单元中的任意一种或几种的组合；
所述离子源运动机构(13)还包括A向转动单元(11)和B向转动单元(12)中的任意一种或两种的组合。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的双真空室离子束修形加工系统，其特征在于，所述主真空室(1)与所述副真空室(2)为圆柱体或长方体；所述插板阀(3)的通孔为圆形、正方形或长方形，所述插板阀(3)位于所述主真空室(1)的任一侧面、顶面或底面上；所述操作门(5)开设于所述副真空室(2)的除固定所述工件运动机构(6)的一面之外的任意一面上。
8.根据权利要求7所述的双真空室离子束修形加工系统，其特征在于，所述工件运动机构(6)和所述离子源运动机构(13)中的运动单元均包括传动组件和驱动电机，且其中与真空室的壁连接的运动单元的传动组件与驱动电机在真空室的内外通过密封传动组件进行传动连接。
9.一种采用权利要求1至8中任一项所述的双真空室离子束修形加工系统的修形加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
关闭插板阀(3)，将主真空室(1)抽真空，打开副真空室(2)的操作门(5)，将工件(4)放置于加工工位的夹具(7)上；关闭操作门(5)，将副真空室(2)抽真空，保持所述主真空室(1)与所述副真空室(2)之间的真空度匹配，打开插板阀(3)使主真空室(1)与副真空室(2)连通；通过加工运动系统的运动对工件(4)进行修形加工；加工完成后，关闭插板阀(3)；向副真空室(2)充气至环境大气压，打开操作门(5)，取出工件(4)。
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