一种多维度离子束加工设备及其工作方法与流程

本发明属于光学元件精密加工，具体涉及一种多维度离子束加工设备及其工作方法。

背景技术：

1、离子束抛光（ionbeamfiguring，ibf）是一种非接触式光学元件精密加工方法，通过将加速的离子束轰击光学元件表面，实现材料的高精度去除，从而达到纳米级面形精度的要求。该技术在大型望远镜反射镜、高功率激光光学元件、半导体光刻透镜等领域具有不可替代的作用。

2、现有技术中，离子束加工设备通常采用以下两种加工方式之一：

3、第一种方式：元件采用倒挂装夹，从副腔室运输至主腔室，离子源位于元件的下方，自下而上对元件进行加工。这种方式需要专用机构实现元件的倒挂装夹，装夹过程复杂，对大尺寸、重型元件的装夹可靠性要求高，且倒挂状态下元件受重力影响容易产生变形，影响加工精度。同时，倒挂装夹仅适合特定类型的元件（如平面镜、曲率较小的凹面镜），对于凸面镜或大曲率元件的加工适应性较差。

4、第二种方式：元件采用直立装夹，利用运输装置将元件水平输送至主腔室，离子源位于元件侧面（如右侧），自侧面（如自右向左）对元件进行加工。这种方式虽然避免了倒挂装夹带来的问题，但加工方向单一，仅能实现一个方向的离子束入射，对于需要多角度加工的元件（如球面镜的不同带区、非球面元件的局部修形等）无法满足需求。

5、上述两种现有技术方案存在以下共同的缺陷：

6、（1）设备通用性差：针对不同规格、不同类型的元件，需要采用不同的装夹方式和不同的设备配置，导致加工设备无法通用，增加了设备投入成本。

7、（2）加工维度受限：传统设备中的离子源安装方式固定，仅能实现单一方向的离子束入射，无法在一个加工工位上实现立式加工、卧式加工以及侧面加工之间的灵活切换，导致部分复杂面形元件的加工需要多台设备协作完成，降低了加工效率。

8、因此，亟需一种能够实现多方向离子束加工的抛光加工设备。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种多维度离子束加工设备及其工作方法，用于解决现有技术中存在的上述问题。

2、为了实现上述目的，一方面，本发明采用以下技术方案：一种多维度离子束加工设备，包括：

3、主腔室；

4、副腔室，其与主腔室相连通，主腔室与副腔室之间设有真空隔离阀；

5、组合运输装置，其包括直立运输组件和倒挂运输组件，所述直立运输组件用于将光学元件以直立姿态固定于主腔室内，所述倒挂运输组件用于将光学元件从副腔室输送至主腔室并使其保持倒挂姿态；

6、离子源系统，其包括离子源、第一旋转装置及第二旋转装置，所述第一旋转装置用于驱使离子源绕第一旋转轴线转动，第二旋转装置用于驱使第一旋转装置和离子源一起绕第二旋转轴线转动，第一旋转轴线沿z轴设置，第二旋转轴线沿x轴设置；

7、运动轴系，其活动端与离子源系统相连，运动轴系用于驱动离子源系统在主腔室内移动，以调节离子源的位置；以及

8、控制系统，其分别与组合运输装置、离子源系统和运动轴系电连接，控制系统用于控制光学元件的运输以及调节离子源的出束方向和位置，以实现多种加工模式的切换。

9、作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述加工模式包括卧式加工模式、立式加工模式和侧面加工模式，在卧式加工模式下，第二旋转装置将离子源的出束方向调整为竖直向上，离子束对光学元件的底面进行加工；在立式加工模式下，第二旋转装置将离子源的出束方向调整为水平方向，离子束对光学元件的正面进行加工；在侧面加工模式下，第一旋转装置和第二旋转装置将离子源的出束方向调整为斜向，离子束对光学元件的侧面进行斜向入射加工。

10、作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述第二旋转装置用于驱动离子源绕旋转轴线在0°至180°范围内旋转，使得离子源能够自下向上对倒挂姿态的光学元件进行卧式加工、自水平方向对直立姿态的光学元件进行正面加工以及通过角度偏转对直立姿态的光学元件侧面进行斜向加工。

11、作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述第一旋转装置和第二旋转装置均设有角度编码器，所述角度编码器用于实时检测离子源的当前旋转角度并反馈至控制系统，以实现离子源角度偏转的闭环控制。

12、作为上述技术方案的一种可选实施方式，还包括测头，所述测头用于获取光学元件的位置及形貌信息，并将光学元件的位置及形貌信息实时反馈至所述控制系统；控制系统基于光学元件的位置及形貌信息，生成加工轨迹，并利用加工轨迹控制离子源运动，从而使离子束沿光学元件表面的法线方向入射并维持加工距离恒定对光学元件进行扫描抛光处理；所述加工轨迹包含各加工点对应的运动轴系的位移量及第一旋转装置和第二旋转装置的旋转角度。

13、作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述运动轴系包括x轴直线模组、y轴直线模组和z轴直线模组，所述x轴直线模组的活动端与y轴直线模组的固定端相连，所述y轴直线模组的活动端与z轴直线模组的固定端相连，所述z轴直线模组的活动端与第二旋转装置的固定端相连。

14、作为上述技术方案的一种可选实施方式，还包括束流检测装置，所述束流检测装置与控制系统电连接，束流检测装置用于采集离子束的束流参数并传输至控制系统。

15、作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述束流检测装置包括第一法拉第杯和第二法拉第杯，第一法拉第杯设置于倒挂运输组件附近，第二法拉第杯设置于直立运输组件附近。

16、作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述直立运输组件包括水平导轨和直立运输座，所述水平导轨设置在主腔室内，所述直立运输座与水平导轨滑动配合，直立运输座将光学元件以直立姿态运输。

17、作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述倒挂运输组件包括倒挂运输车、第一倒挂导轨、第二倒挂导轨和推拉机构，所述倒挂运输车将光学元件以倒挂姿态运输，所述第一倒挂导轨设置在主腔室内，所述第二倒挂导轨设置在副腔室内，第一倒挂导轨与第二倒挂导轨在真空隔离阀打开时对接形成连续的导轨路径，所述推拉机构用于驱使倒挂运输车沿着第一倒挂导轨和第二倒挂导轨移动。

18、作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述副腔室设有翻转门，所述翻转门配设有翻转驱动气缸。

19、另一方面，本发明采用以下技术方案：一种多维度离子束加工设备的工作方法，包括以下步骤：

20、根据待加工光学元件的类型和加工要求，将光学元件装夹固定，并选择加工模式；若选择立式加工模式或侧面加工模式，则将装夹固定的光学元件以直立姿态固定于主腔室内；若选择立式卧式加工模式，则将装夹固定的光学元件以倒挂姿态固定于主腔室内；

21、根据选定的加工模式，通过控制系统控制第一旋转装置和第二旋转装置运动，将离子源调整至对应的旋转角度和加工起始位置；

22、启动离子源，运动轴系驱动离子源按预设路径对光学元件进行扫描抛光；其中，在侧面加工模式加工过程中，角度编码器实时检测离子源的当前旋转角度并反馈至控制系统，控制系统根据光学元件的三维面形模型实时计算各加工点处的表面法线方向，并动态调整第一旋转装置和第二旋转装置的旋转角度以及运动轴系的位置，以使离子束沿光学元件表面的法线方向入射并维持加工距离恒定对光学元件进行扫描抛光；

23、加工完成后，控制系统控制离子源回位，将加工后的光学元件取出。

24、本发明的有益效果为：

25、1.通过在主腔室内设置直立运输组件和倒挂运输组件，并将两种运输组件集成于同一设备中，实现了光学元件直立姿态与倒挂姿态两种装夹方式在同一设备中的兼容。操作人员可根据光学元件的类型和加工要求选择最合适的装夹方式，无需针对不同装夹方式配置不同的加工设备，大幅提高了设备的通用性，降低了设备投入成本。

26、2.离子源系统通过第二旋转装置与离子源安装座的配合，使得离子源能够绕旋转轴线在0°至180°范围内旋转，实现了离子源出束方向从竖直向上到水平方向的连续可调。离子源出束方向的调整配合直立与倒挂两种装夹方式，使设备能够在一个加工工位上实现卧式加工、立式加工和侧面加工等多种加工模式的灵活切换，满足了球面镜不同带区、非球面元件局部修形等多角度加工需求，拓展了设备的加工维度。

27、3.离子源安装座上设置的角度编码器能够实时检测离子源的当前旋转角度并反馈至控制系统，实现了离子源角度偏转的闭环控制。在侧面加工模式中，控制系统根据光学元件的三维面形模型实时计算各加工点处的表面法线方向，并动态调整第一旋转装置和第二旋转装置的角度，使离子束在扫描抛光过程中始终沿光学元件表面的法线方向入射，保证了去除函数的一致性，提高了复杂曲面元件的加工精度。

28、4.主腔室与副腔室之间设置真空隔离阀，使得副腔室在装卸光学元件时可独立破空，而主腔室保持真空状态。这一设计减少了主腔室在每次更换光学元件时反复抽真空的时间，提高了设备的运行效率。

29、5.运动轴系采用x轴直线模组、y轴直线模组和z轴直线模组依次堆叠的结构，为离子源系统提供了三维空间内的精确位移能力，配合第一旋转装置和第二旋转装置的角度调整，实现了离子源位置和出束方向的多维度调节。