CN115480598B - 一种离子束加工过程中光学镜面温度控制方法及测控系统 - Google Patents

Abstract

一种离子束加工过程中光学镜面温度控制方法及测控系统，属于高精度非球面光学制造领域。其中，此控制方法包括基于点热源在物体内的能量沉积理论，建立面热源能量沉积模型；根据面热源能量沉积模型，依次对光学零件镜面能量沉积过程进行静态分析及动态分析，优化离子源工艺参数；通过对光学加工过程的离散化设计或对循环的加工路径稀疏化处理，降低温度累积。通过应用此控制方法，可以实现离子束对温度敏感的高精度光学零件、组件级光学产品的高效、高精度加工。

Description

一种离子束加工过程中光学镜面温度控制方法及测控系统

技术领域

本发明涉及一种离子束加工过程中光学镜面温度控制方法及测控系统，属于高精度非球面光学制造领域。

背景技术

离子束加工技术是高精度光学零件加工中最有优势的方法之一，具有去除确定性高、非接触加工、去除函数稳定、无污染等特点。但离子源产生的离子经过加速并撞击光学零件表面后，发生能量转移，入射离子的大部分能量会沉积在镜体内，使光学零件被加工部位的温度迅速升高。

对于温度敏感的高精度光学零件(K9玻璃、KDP晶体等)，离子束加工产生的热效应不但会使镜面产生无法恢复的形变，导致面形加工与预期值产生误差，降低加工效率，严重时甚至会损坏光学零件；对于组件级光学产品，过高的温度会使粘接胶层发生非线性变化，破坏胶层物理特性，影响产品的性能。

国内外目前采用的降低离子束加工温度的方式主要有两种：

1)通过降低离子源的加工功率，快速减少镜面温度的累积。但随着离子源功率的降低，设备加工效率也受到严重影响。

2)在镜体上增加辅助散热装置，将镜体吸收的能量传输到其他地方，降低镜面温度累积，如使用铜带导热条、水循环冷却装置等。但此种方法结构复杂、操作繁琐、而且容易划伤镜面。

发明内容

本发明解决的问题是：克服现有技术上的不足，提出了一种离子束加工过程中光学零件镜面温度控制方法及测控系统，建立面热源能在光学元件内的能量沉积模型，并基于此模型对加工工艺设计，实现镜面温度的显著降低，实现离子束对温度敏感的高精度光学零件、组件级光学产品的高精度加工。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种离子束加工过程中光学镜面温度控制方法，包括：

基于点热源在物体内的能量沉积理论，建立光学零件镜面的面热源能量沉积模型；

根据面热源能量沉积模型，依次在离子源静止、运动时，分别对光学零件镜面能量沉积过程进行静态分析及动态分析，优化影响热源能量沉积的离子源工艺参数；

通过对光学加工过程的离散化设计或对循环的加工路径稀疏化处理，降低热源能量沉积；

根据得到的离子源工艺参数及光学加工过程设计，控制离子束加工过程。

优选的，面热源能量沉积模型建立包括：

建立光学零件镜面的点源能量沉积模型；

根据离子束加工产生的面热源函数，对光学零件镜面的点源能量沉积模型进行扩展，得到光学零件镜面的面热源能量沉积模型T(x,y,z,t)：

式中，σ为离子源束流分布参数，Q₀为面热源函数中心点能量，离子源发射功率P＝dQ/dt，c为工件材料比热容，ρ为镜面材料密度，σ_t为等效离子源束流分布参数，σ_t ²＝2αt，α为镜面材料热扩散率，t为离子源驻留时间，(x,y,z)为光学零件镜面任意位置的坐标。

优选的，确定影响热源能量沉积的离子源工艺参数，包括离子源功率，离子源束流分布参数，离子源驻留时间、离子源运动速度。

优选的，在离子源静止时，分别分析能量沉积随任一个离子源工艺参数变化情况，得到满足使用需求的离子源工艺参数数值。

优选的，对光学零件镜面能量沉积过程进行动态分析包括：

建立离子源直线运动时的光学零件镜面任意位置的能量沉积分布模型T(x,y,z,t_n)：

式中，σ为离子源束流分布参数，P为离子源发射功率，c为工件材料比热容，ρ为镜面材料密度，为基于离子源运动而修正后的等效离子源束流分布参数，t_n为离子源驻留总时间，(x,y,z)为光学零件镜面任意位置的坐标；

将离子源静止时得到的离子源工艺参数数值带入上述温度场分布模型，获取能量沉积随离子源运动速度的变化曲线，得到满足使用需求的离子源运动速度阈值。

优选的，对光学加工过程进行离散化设计的同时，每一个循环的加工路径进行稀疏化处理。

优选的，对加工过程离散化设计，保持离子源运动的栅线密度不变，将光学零件初始面形误差分成若干个等份，分别逐等份进行加工，缩短每次的加工时间。

优选的，对加工路径稀疏化处理，将离子源一次加工所扫描的稠密路径拆分成多次稀疏的加工路径，即离子源从初始加工位置开始运行第一行后，跨越到第n+1行开始加工，重复此跨行加工，直至最后一行，n为大于1的正整数；再转到第二行进行加工，跨越到第n+2行开始加工，按照此规律加工直到离子源覆盖所有加工路径。

一种离子束加工过程中光学零件镜面温度测控系统，包括铠装K型热电偶、两心热电偶线、穿仓法兰、数据采集器、网线、接口转换器、带有控制器的上位机；

控制器采用权利要求1所述方法对离子束加工过程进行控制，铠装K型热电偶安装在镜面指定位置，两心热电偶线穿过真空仓的穿仓法兰，将真空仓内的铠装K型热电偶与真空仓外部的数据采集器相连，数据采集器控制多个通道的铠装K型热电偶，实现多通道温度测量；通过网线将数据采集器与接口转换器相连，将接口转换器与上位机相连，上位机显示温度数据并将此数据反馈至控制器。

优选的，通过S-NET网络线将数据采集器与接口转换器相连，实现电信号向数字信号的转换。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明建立了面热源能量沉理论模型，通过模型分析可以对离子束加工温度进行定量的预测，指导工艺优化，具有先验性。

2)本发明提出的加工过程离散化设计和加工路径稀疏化处理方法可进一步减少镜面能量的累积，避免镜面温度快速提升。

3)本发明实施过程中通过面热源能量沉理论模型的分析结果控制温度，无需引入辅助导热工装，减少额外的工作量。

4)本发明提出的温度测控系统，与现有的光学镜面温度测控系统相比，可实现真空环境下，对光学零件加工过程中任意位置温度的测试、分析、反馈，保证加工过程中温度的实时监测与控制。

附图说明

图1为本发明离子束加工光学零件过程中镜面温度控制方法流程图；

图2为热源在光学零件任意位置能量传输模型坐标系；

图3为离子源静止时镜面作用点周围的温度分布；

图4为离子源驻留点最高温度与驻留时间的关系；

图5为离子源驻留点最高温度与离子源束流分布参数的关系；

图6为离子源驻留点最高温度与离子源功率的关系；

图7为离子源不同速度时镜面最高温度的大小及位置；

图8为离子源加工路径优化；

图9为离子束加工温度测试装置示意图；

图10为实测加工温度数据图。

具体实施方法

为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且实施例不构成对本发明实施例的限定。

一种光学零件离子束加工过程中镜面温度控制方法的具体步骤如下：

本发明提出一种在离子束加工光学零件过程中控制镜面温度累积的新方法，如图1所示。首先，根据经典的点热源在物体表面的能量沉积理论，推导出高斯形状分布的面热源函数在物体表面的能量沉积模型。其次，基于模型分析驻留时间、束流分布参数、离子源功率产生的热效应，为确定优化的工艺参数提供理论指导。在此基础上，通过对加工过程的离散化设计及加工路径的稀疏化处理，可进一步实现离子束加工过程中镜面温度的控制。最后，通过温度测控系统测试了离子束加工时的镜面温度，验证了本发明的有效性。

步骤一：建立面热源能在物体内的能量沉积模型

为了方便分析计算，建立热源与光学零件间的坐标关系，假设热源的中心点为坐标系原点O，在光学零件镜面建立O-XYZ坐标系，Z指向光学零件内部，X、Y在镜面与Z的关系遵守右手螺旋法则，(x,y,z)为物体上任意点的坐标，如图2所示。

根据热力学经典理论(朗道理论)可知点热源在物体表面任意时间、任意位置的能量值T_o(x,y,z,t)

式中，Q为点热源能量；c为工件材料比热容；ρ为材料密度；α为材料热扩散率；t为点热源作用时间。

离子束加工时，离子源产生的热源不是一个理想的点，而是一个呈高斯形状分布的面热源函数Q(x,y)。此时，z＝0，面热源函数可表示为：

式中，离子源发射功率P＝dQ/dt，σ为离子源束流分布参数，Q₀为面热源函数中心点能量。

因此，高斯形状分布的热源在光学零件上的能量分布可通过将T_o(x,y,z,t)与Q(x,y)做卷积处理获得：

式中，σ_t ²＝2αt，σ_t为等效离子源束流分布参数，与材料热扩散特性及离子源加工时间相关。

步骤二：面热源能在物体表面能量沉积模型的静态分析

以ULE(Ultra Low Expansion)玻璃为例，其材料特性如下(以下分析皆以ULE材料为例)：c＝821J/(kg·K)，ρ＝2.53×103kg/m³，α＝7.90×10-7m²/s；离子源参数初步设定为：σ＝20mm，P＝120W，t＝100s，将其代入T(x,y,z,t)，可计算出离子源静止的作用在光学零件镜面时，以热源的中心点为中心，镜面任意位置的能量沉积，即温度分布，如图3所示：高斯形状分布的热源作用在光学零件镜面，产生的温度分布也呈高斯形状，中心点的温度相对于其他位置呈指数增加。

从T(x,y,z,t)表达式可以看出，离子源静止时，影响镜面温度分布的离子源参数主要有离子源驻留时间t、离子源束流分布参数σ、离子源发射功率P，分别进行分析：

(1)离子源驻留时间t对温度的影响

只保留一个变量t，其他参数取上面描述中设置的数值，代入T(x,y,z,t)进行分析，获得了离子源驻留点最高温度随时间t的变化曲线，如图4所示。可以看出：随着加工时间的增加，驻留点最高温度在开始阶段快速增加，随着时间的增加温度逐步趋向饱和。因此，为降低离子束加工温度，需要控制离子源在同一位置或附近位置的驻留时间。本例中的温度阈值为50℃，则对于σ＝20mm、P＝120W的离子源在同一位置驻留时间不应超过22秒。

(2)离子源束流分布参数σ对温度的影响

只保留一个变量σ，其他参数取上面描述中设置的数值，代入T(x,y,z,t)进行分析，获得了离子源驻留点最高温度随离子源束流分布参数σ的变化曲线，如图5所示。可以看出：在其他参数不变的前提下，随着σ的增大，束流能量越来越分散，导致驻留点最高温度随着离子源束流分布参数σ的增大而快速减小。本例中的温度阈值为50℃，则对于P＝120W、t＝100s的离子源其束流分布参数σ不能小于28mm。

(3)离子源功率P对温度的影响

只保留一个变量P，其他参数取上面描述中设置的数值，代入T(x,y,z,t)进行分析，获得了离子源驻留点最高温度随离子源功率P的变化曲线，如图6所示。可以看出：随着离子源功率P的增大，离子源驻留点最高温度呈线性增长。因此，可通过设置离子源功率的大小，控制加工时的温度。本例中的温度阈值为50℃，则对于σ＝20mm、t＝100s的离子源其功率P不能大于68W。

步骤三：面热源能在物体表面能量沉积模型的动态分析

离子束加工光学零件时，离子源是不断运动的。一般来说，离子源由三轴运动机构控制进行栅线扫描运动。假设离子源以一定速度从加工初始位置x0沿X方向运行，运行时间t后，x＝x0+vt。由于离子源的运动，等效离子源束流分布参数σ_t不但与离子源加工总时间t_n相关，还与离子源从加工初始位置x0运行到当前位置x的时间t相关。因此，需要将σ_t ²＝2αt修正为可通过对T(x,y,z,t)积分，推导出离子源沿某一方向直线运行时，光学零件任意位置的温度场分布，即能量分布T(x,y,z,t_n)为：

式中，P＝dQ/dt，为热源功率；σ_t为修正后的等效离子源束流分布参数。

将步骤二中的离子源工艺参数代入T(x,y,z,t_n)，分析离子源以不同的速度v沿x方向运行0.3m时，镜面最高温度的大小及出现在镜面的位置，如图7所示。可以看出：在离子源运行一定距离后，运行速度越慢，运行路径上的最高温度越高，最高温度点离加工起始点越近；运行速度越快，运行路径上的最高温度相对较低，最高温度点离加工起始点越远。本例中的温度阈值为50℃，对于σ＝20mm、P＝120W的离子源沿某一方向运动，速度不能小于7mm/s。

步骤四：加工过程的离散化设计及加工路径的稀疏化处理

离子源以栅线轨迹运动，覆盖整个镜面，一次完成加工。如果光学零件面形误差较大，则加工时间相对较长，意味着离子束运行速度慢，能量累积多。经过步骤二、步骤三优化的离子源工艺参数，会出现去除效率降低或加工温度超过使用需求的情况，因此需要继续进行工艺优化。

第一种方案：保持栅线密度不变，对加工过程进行离散化设计。将较大的光学零件面形误差分成多个等份，分别逐等份进行加工，使得每次的加工时间缩短，从而降低了加工温度。

第二种方案：对加工路径的稀疏化处理，将离子源一次加工所扫描的稠密路径拆分成多次稀疏的加工路径，即离子源从初始加工位置开始运行第一行后，不直接转入到第二行，而是跨越到第n+1(n>1)行开始加工，重复此跨行加工，直至到最后一行，然后再转到第二行进行加工，直到离子源覆盖所有加工路径，从而降低了加工温度，如图8所示。

第三种方案：将第一种和第二种方案结合起来使用，对光学加工过程进行离散化设计的同时，每一个循环的加工路径进行稀疏化处理。

步骤五：将经过离散化设计及加工路径的稀疏化处理，最终生成的加工文件导入加工设备执行系统，实现离子束的加工。

步骤六：离子束加工温度测控系统的搭建

离子束加工温度测控系统原理如图9所示，包括铠装K型热电偶、两心热电偶线、穿仓法兰、数据采集器、S-NET网络线、普通网线、接口转换器、上位机。控制器采用上述温度控制方法对离子束加工过程进行控制。

铠装K型热电偶安装在镜面或其他需要测量温度的地方，两心热电偶线穿过真空仓的穿仓法兰，将真空仓内的铠装K型热电偶与真空仓外部的数据采集器相连，数据采集器可控制多个通道的铠装K型热电偶，实现多通道温度测量。

数据采集器与接口转换器通过S-NET网络线相连，实现电信号向数字信号的转换。

转换器与上位机通过普通网线连接，上位机包含了控制器、显示器、驱动软件，能够实现测量温度的实时显示、处理与反馈。

由于对加工环境有清洁度要求，所以离子束不能接触易挥发物质，铠装以304不锈钢作为护套。304不锈钢熔点1400℃，在整个升温过程不会有其他物质挥发，对清洁度不会产生影响。

依据K型热电偶的测温范围，与测试温度发生条件比较相近(0℃-700℃)，且在高温段精度较高(温度分辨率1℃)，所以选择K型热电偶作为测试传感器。

完成前六个步骤的前提下，即可对加工中的温度进行测量和控制，验证技术方案的有效性。

试验中采用了保持栅线密度不变，对加工过程进行离散化设计的方案，面形误差分成3等份实现三轮离子束迭代加工，每次加工转换过程离子源暂停900秒，使得光学零件通过热辐射的方式进行散热，加工过程中的温度测试结果如图10所示：光学零件在第一轮加工时，光学零件镜面中心位置温度最高达到43.4℃，此后逐渐降低41℃，第一轮加工完成离子源暂停900秒后的温度慢慢降低到39℃，后面两轮温度曲线也保持与第一轮基本一致，最高温度小于45℃。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种离子束加工过程中光学镜面温度控制方法，其特征在于，包括：

基于点热源在物体内的能量沉积理论，建立光学零件镜面的面热源能量沉积模型；

根据面热源能量沉积模型，依次在离子源静止、运动时，分别对光学零件镜面能量沉积过程进行静态分析及动态分析，优化影响热源能量沉积的离子源工艺参数；

通过对光学加工过程的离散化设计或对循环的加工路径稀疏化处理，降低热源能量沉积；

根据得到的离子源工艺参数及光学加工过程设计，控制离子束加工过程；

面热源能量沉积模型建立包括：

建立光学零件镜面的点源能量沉积模型；

根据离子束加工产生的面热源函数，对光学零件镜面的点源能量沉积模型进行扩展，得到光学零件镜面的面热源能量沉积模型T(x,y,z,t)：

式中，σ为离子源束流分布参数，Q₀为面热源函数中心点能量，离子源发射功率P＝dQ/dt，c为工件材料比热容，ρ为镜面材料密度，σ_t为等效离子源束流分布参数，σ_t ²＝2αt，α为镜面材料热扩散率，t为离子源驻留时间，(x,y,z)为光学零件镜面任意位置的坐标。

2.根据权利要求1所述的一种离子束加工过程中光学镜面温度控制方法，其特征在于，确定影响热源能量沉积的离子源工艺参数，包括离子源功率，离子源束流分布参数，离子源驻留时间、离子源运动速度。

3.根据权利要求2所述的一种离子束加工过程中光学镜面温度控制方法，其特征在于，在离子源静止时，分别分析能量沉积随任一个离子源工艺参数变化情况，得到满足使用需求的离子源工艺参数数值。

4.根据权利要求1所述的一种离子束加工过程中光学镜面温度控制方法，其特征在于，对光学零件镜面能量沉积过程进行动态分析包括：

建立离子源直线运动时的光学零件镜面任意位置的能量沉积分布模型T(x,y,z,t_n)：

式中，σ为离子源束流分布参数，P为离子源发射功率，c为工件材料比热容，ρ为镜面材料密度，为基于离子源运动而修正后的等效离子源束流分布参数，t_n为离子源驻留总时间，(x,y,z)为光学零件镜面任意位置的坐标；

将离子源静止时得到的离子源工艺参数数值带入上述能量沉积分布模型，获取能量沉积随离子源运动速度的变化曲线，得到满足使用需求的离子源运动速度阈值。

5.根据权利要求1所述的一种离子束加工过程中光学镜面温度控制方法，其特征在于，对光学加工过程进行离散化设计的同时，每一个循环的加工路径进行稀疏化处理。

6.根据权利要求1或5所述的一种离子束加工过程中光学镜面温度控制方法，其特征在于，对加工过程离散化设计，保持离子源运动的栅线密度不变，将光学零件初始面形误差分成若干个等份，分别逐等份进行加工，缩短每次的加工时间。

7.根据权利要求1或5所述的一种离子束加工过程中光学镜面温度控制方法，其特征在于，对加工路径稀疏化处理，将离子源一次加工所扫描的稠密路径拆分成多次稀疏的加工路径，即离子源从初始加工位置开始运行第一行后，跨越到第n+1行开始加工，重复此跨行加工，直至最后一行，n为大于1的正整数；再转到第二行进行加工，跨越到第n+2行开始加工，按照此规律加工直到离子源覆盖所有加工路径。

8.一种离子束加工过程中光学零件镜面温度测控系统，其特征在于，包括铠装K型热电偶、两心热电偶线、穿仓法兰、数据采集器、网线、接口转换器、带有控制器的上位机；

控制器采用权利要求1所述方法对离子束加工过程进行控制，铠装K型热电偶安装在镜面指定位置，两心热电偶线穿过真空仓的穿仓法兰，将真空仓内的铠装K型热电偶与真空仓外部的数据采集器相连，数据采集器控制多个通道的铠装K型热电偶，实现多通道温度测量；通过网线将数据采集器与接口转换器相连，将接口转换器与上位机相连，上位机显示温度数据并将此数据反馈至控制器。

9.根据权利要求8所述的一种离子束加工过程中光学零件镜面温度测控系统，通过S-NET网络线将数据采集器与接口转换器相连，实现电信号向数字信号的转换。