本發(fā)明屬于復(fù)雜曲面加工的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于離子束技術(shù)的復(fù)雜曲面去除函數(shù)計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前大口徑復(fù)雜曲面的加工策略主要有兩種，一是利用接觸式的材料去除手段，包括基于CCOS原理的小磨頭技術(shù)、應(yīng)力盤(pán)技術(shù)等；二是非接觸式的光學(xué)加工手段，包括離子體反應(yīng)法、離子束拋光法。接觸式加工方法的材料去除原理為在鏡面一定深度內(nèi)形成微觀材料破壞(壓力、剪切力)并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)材料去除，此類(lèi)方法材料去除效率較高、材料去除穩(wěn)定性較好。但是加工過(guò)程中影響因素較多，溫度、磨料濃度、壓力和磨頭相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度等均可能造成材料去除效率的變化，降低光學(xué)加工確定性。尤其是在大口徑復(fù)雜曲面的光學(xué)加工過(guò)程中，磨頭與鏡面間難以緊密貼合，導(dǎo)致去除函數(shù)變化明顯，在光學(xué)加工的同時(shí)會(huì)引入其他面形誤差，降低加工效率且限制最終加工精度。離子束拋光法利用離子源發(fā)射出具有一定能量與束流空間分布的離子束轟擊材料表面實(shí)現(xiàn)材料去除。高能離子入射到鏡面后，在一定深度內(nèi)發(fā)生濺射效應(yīng)，即入射離子通過(guò)級(jí)聯(lián)碰撞將能量傳遞給鏡面原子，當(dāng)原子獲得的動(dòng)能沿鏡面法線方向的分量大于材料束縛能時(shí)將飛離鏡面，形成原子量級(jí)的材料去除。與接觸式加工法相比，離子束拋光法材料去除精度更高、穩(wěn)定性更好、可控性更佳。且不存在接觸式加工中的復(fù)印效應(yīng)、邊緣效應(yīng)和加工刀痕。在大口徑復(fù)雜曲面的光學(xué)加工過(guò)程中離子束流能夠與曲面緊密貼合，不會(huì)在加工過(guò)程中引入新的面形誤差，該方法更適合于大口徑復(fù)雜曲面的高精度加工。但是在離子束拋光復(fù)雜曲面的過(guò)程中，其去除函數(shù)將發(fā)生明顯變化，需要對(duì)其進(jìn)行計(jì)算補(bǔ)償方能保證離子束拋光的準(zhǔn)確性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于離子束技術(shù)的復(fù)雜曲面去除函數(shù)計(jì)算方法，能夠?qū)﹄x子束拋光復(fù)雜曲面過(guò)程中去除函數(shù)的變化進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)離子束拋光系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜曲面的高精度拋光。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
一種基于離子束技術(shù)的復(fù)雜曲面去除函數(shù)計(jì)算方法，包括以下步驟：
步驟一、選定一組離子源工作參數(shù)，測(cè)量離子束流在距離離子源L處的離子濃度分布d0；
步驟二、通過(guò)去除函數(shù)實(shí)驗(yàn)獲得所選定的離子源工作參數(shù)在距離L處的平面基準(zhǔn)去除函數(shù)；并對(duì)所述離子濃度分布d0與平面基準(zhǔn)去除函數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，獲得離子濃度與材料去除率的對(duì)應(yīng)系數(shù)矩陣C；
步驟三、根據(jù)加工需要設(shè)定離子源工作參數(shù)，測(cè)量離子束流在距離離子源L處離子濃度分布da，利用系數(shù)矩陣C，計(jì)算得到與距離離子源L處離子束流濃度分布所對(duì)應(yīng)的平面去除函數(shù)F；
步驟四、選用步驟三中所述的離子源工作參數(shù)，測(cè)量離子束流濃度空間分布并進(jìn)行歸一化處理，得到離子束流空間分布矩陣Id；
步驟五、計(jì)算復(fù)雜曲面表面曲率半徑變化對(duì)去除函數(shù)的影響獲得矩陣ω；
步驟六、根據(jù)平面去除函數(shù)F、離子束流空間分布矩陣Id和矩陣ω，得到每個(gè)駐留點(diǎn)處的曲面去除函數(shù)R，完成復(fù)雜曲面去除函數(shù)的計(jì)算。
進(jìn)一步地，
其中，Imax為距離離子源z處的電流峰值，exp為以e為底的指數(shù)函數(shù)，ηx、ηy為掃描結(jié)果分別在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系內(nèi)x，y方向上的高斯分布系數(shù)。
進(jìn)一步地，
其中，a為離子能量平均入射深度，σ、μ分別為入射能量在材料內(nèi)部子午方向和弧矢方向上的分布系數(shù)，aσ＝a/σ，aμ＝a/μ，h(x,y)為復(fù)雜曲面在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系內(nèi)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。
進(jìn)一步地，R＝ωIdF
有益效果：
本發(fā)明無(wú)需通過(guò)進(jìn)行單點(diǎn)駐留材料去除與測(cè)量實(shí)驗(yàn)便可對(duì)去除函數(shù)進(jìn)行在線準(zhǔn)確測(cè)量計(jì)算；將影響曲面去除函數(shù)變化的全部因素引入計(jì)算模型，獲得準(zhǔn)確性更高的去除函數(shù)信息。該方法物理概念明確，數(shù)據(jù)處理和數(shù)學(xué)運(yùn)算簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單易行，去除函數(shù)檢測(cè)成本很低，測(cè)試時(shí)間短，進(jìn)一步提升了大口徑復(fù)雜曲面的加工收斂效率。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)利用三軸離子束拋光系統(tǒng)對(duì)大口徑復(fù)雜曲面的高精度拋光，且加工收斂率高、準(zhǔn)確性好，降低了復(fù)雜曲面光學(xué)加工的時(shí)間成本與經(jīng)濟(jì)成本。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明方法流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
如圖1所示，本發(fā)明提供了一種基于離子束技術(shù)的復(fù)雜曲面去除函數(shù)計(jì)算方法，本發(fā)明方法所用的設(shè)備包括三軸離子束拋光機(jī)、法拉第杯、待加工鏡面和計(jì)算機(jī)，其中計(jì)算機(jī)與法拉第杯進(jìn)行數(shù)據(jù)連接。法拉第杯是一種真空下的絕對(duì)測(cè)量裝置，能夠測(cè)量帶電粒子流的電流強(qiáng)度，并且可以通過(guò)法拉第杯測(cè)量得到的電流計(jì)算出入射粒子的數(shù)量。對(duì)于能量相同的粒子，法拉第杯測(cè)量電流值與入射離子電荷數(shù)呈線性關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系中，根據(jù)法拉第杯掃描結(jié)果，入射的離子束流的濃度分布可以由其電流值分布描述。法拉第杯只能獲得離子束流的空間分布，不能直接測(cè)量基準(zhǔn)去除函數(shù)信息。通過(guò)法拉第杯掃描得到離子源工作空間中離子束流的三維分布情況，以相應(yīng)工作距離處的離子濃度為基礎(chǔ)，計(jì)算得到離子束拋光過(guò)程中的基準(zhǔn)去除函數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)去除函數(shù)的在線測(cè)量。
離子束流作用于復(fù)雜曲面的過(guò)程中，曲面去除函數(shù)與平面上獲得的基準(zhǔn)去除函數(shù)區(qū)別較大，造成這種變化的主要因素包括：曲面幾何特征對(duì)離子能量沉積的影響、曲面表面離子濃度變化和離子入射參數(shù)變化。結(jié)合待加工曲面的面形特征計(jì)算得到，作用于曲面不同駐留點(diǎn)處的離子濃度分布。綜合考慮上述三種原因，能夠計(jì)算得到離子束在復(fù)雜曲面上每個(gè)駐留點(diǎn)處的去除函數(shù)變化矩陣。利用此矩陣對(duì)平面基準(zhǔn)去除函數(shù)進(jìn)行修正，便能得到復(fù)雜曲面拋光過(guò)程中準(zhǔn)確的去除函數(shù)信息。以此為基礎(chǔ)計(jì)算加工駐留時(shí)間，材料去除準(zhǔn)確性高，保證了加工過(guò)程具有更好的收斂性。本發(fā)明包括以下步驟：
步驟一、選定一組離子源工作參數(shù)，測(cè)量離子束流在距離離子源L處的離子濃度分布d0；
步驟二、通過(guò)去除函數(shù)實(shí)驗(yàn)獲得所選定的離子源工作參數(shù)在距離L處的平面基準(zhǔn)去除函數(shù)；并對(duì)所述離子濃度分布d0與平面基準(zhǔn)去除函數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，獲得離子濃度與材料去除率的對(duì)應(yīng)系數(shù)矩陣C；
步驟三、根據(jù)加工需要設(shè)定離子源工作參數(shù)，測(cè)量離子束流在距離離子源L處離子濃度分布da，利用系數(shù)矩陣C，計(jì)算得到與距離離子源L處離子束流濃度分布所對(duì)應(yīng)的平面去除函數(shù)F；
步驟四、選用步驟三中所述的離子源工作參數(shù)，測(cè)量離子束流濃度空間分布并進(jìn)行歸一化處理，得到離子束流空間分布矩陣Id；
其中，Imax為距離離子源z處的電流峰值，exp為以e為底的指數(shù)函數(shù)，ηx、ηy為掃描結(jié)果分別在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系內(nèi)x，y方向上的高斯分布系數(shù)。
步驟五、計(jì)算復(fù)雜曲面表面曲率半徑變化對(duì)去除函數(shù)的影響獲得矩陣ω；
其中，a為離子能量平均入射深度，σ、μ分別為入射能量在材料內(nèi)部子午方向和弧矢方向上的分布系數(shù)，aσ＝a/σ，aμ＝a/μ，h(x,y)為復(fù)雜曲面在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系內(nèi)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。
步驟六、根據(jù)平面去除函數(shù)F、離子束流空間分布矩陣Id和矩陣ω，得到每個(gè)駐留點(diǎn)處的曲面去除函數(shù)R。R＝ωIdF。
綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。