一种摇篮式五轴加工离子束抛光设备及其工作方法与流程

本发明属于光学元件精密加工，具体涉及一种摇篮式五轴加工离子束抛光设备及其工作方法。

背景技术：

1、离子束抛光（ionbeamfiguring，ibf）利用高能离子束的物理溅射效应对光学元件表面进行确定性去除修形，具有无接触应力、材料去除稳定、可达亚纳米级面形精度等突出优点，是高精度光学系统的核心加工手段之一。

2、目前主流离子束加工设备多采用三轴联动结构，普遍存在以下技术局限：

3、（1）加工适应性不足：三轴结构仅能实现工件或离子源在三维空间中的直线平移，无法主动调整离子束相对工件表面的入射角度，对大曲率凹凸面镜及复杂异形光学元件的加工能力受限，存在明显加工盲区；

4、（2）工件姿态调整能力弱：传统三轴设备工件台仅支持平动，无法实现工件的多角度姿态调整，对于需要从多角度加工的工件，需频繁重新装夹，引入装夹误差；

5、（3）小尺寸工件加工精度难以保证：常规离子束设备束斑尺寸较大（通常数毫米至数十毫米），无法满足微小光学元件（如小口径透镜、光学微结构等）的精密加工需求。

6、因此，亟需一种将工件多轴运动与离子源运动分离的离子束抛光设备。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种摇篮式五轴加工离子束抛光设备及其工作方法，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：

3、一种摇篮式五轴加工离子束抛光设备，包括：

4、设备腔体；

5、真空系统，与设备腔体连接，用于对设备腔体抽真空以提供加工所需的真空环境；

6、工件运动系统，其包括x轴直线运动模组、b轴旋转模组和c轴旋转模组，所述c轴旋转模组的输出端设有沿x轴方向延伸的c轴，所述c轴用于连接工件，c轴旋转模组用于驱动工件绕c轴轴线旋转；所述b轴旋转模组的输出端设有沿y轴方向延伸的b轴，所述b轴与所述c轴旋转模组相连，b轴旋转模组用于驱动c轴旋转模组和工件一起绕b轴轴线旋转；所述x轴直线运动模组的输出端与所述b轴旋转模组相连，x轴直线运动模组用于驱动b轴旋转模组、c轴旋转模组和工件一起沿x轴方向直线位移；

7、离子源，设置于设备腔体内，用于发射离子束对工件进行抛光处理；

8、离子源运动系统，其包括y轴直线运动模组和z轴直线运动模组，所述z轴直线运动模组的输出端与离子源相连，z轴直线运动模组用于驱动离子源沿z轴方向直线位移；所述y轴直线运动模组的输出端与z轴直线运动模组相连，所述y轴直线运动模组用于驱动z轴直线运动模组和离子源一起沿y轴方向直线位移；

9、控制系统，用于协调控制x轴直线运动模组、b轴旋转模组、c轴旋转模组、y轴直线运动模组及z轴直线运动模组联动，通过调节工件姿态以及离子源的位置，以实现工件的抛光加工。

10、作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述b轴旋转模组驱使工件绕b轴轴线旋转的角度范围为±90°，以实现工件的俯仰角调整；所述c轴旋转模组驱使工件绕c轴轴线旋转的角度范围为0-360°，以实现工件的方位角连续定向及回转加工。

11、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，所述束流检测装置设置于离子源附近，用于采集离子束的束流参数并传输至控制系统。

12、作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述束流检测装置为法拉第杯。

13、作为上述技术方案的一种可选实施方式，还包括测头，所述测头用于获取工件的位置及形貌信息，并将工件的位置及形貌信息实时反馈至所述控制系统；所述控制系统根据测头的探测数据，计算工件各加工点处的法向矢量，生成工件的x轴、b轴和c轴运动轨迹及离子源的y轴和z轴位置序列，并协调控制x轴直线运动模组、b轴旋转模组、c轴旋转模组、y轴直线运动模组及z轴直线运动模组联动，以使离子束沿工件表面的法线方向入射并维持加工距离恒定对工件进行扫描抛光处理。

14、作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述离子源的束斑直径小于0.5mm。

15、作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述x轴直线运动模组、y轴直线运动模组及z轴直线运动模组均采用直线导轨、丝杠传动机构配合伺服电机或者直线电机实现直线运动；所述b轴旋转模组与c轴旋转模组均采用直驱电机实现旋转运动。

16、作为上述技术方案的一种可选实施方式，还包括工件夹具，所述工件夹具安装于c轴上，工件夹具用于可拆卸地固定工件，所述工件夹具设有快换结构。

17、另一方面，本发明采用以下技术方案：一种摇篮式五轴加工离子束抛光设备的工作方法，包括以下步骤：

18、将工件固定于c轴旋转模组上，启动真空系统使设备腔体达到预设真空度；

19、对工件进行原位扫描，建立工件坐标系并获取工件的位置及形貌信息；

20、根据工件的位置及形貌信息，计算工件各加工点处的轴运动量，生成工件的x轴、b轴和c轴运动轨迹及离子源的y轴和z轴位置序列，以使离子束沿工件表面的法向入射且维持加工距离恒定；

21、启动离子源，基于工件的x轴、b轴和c轴运动轨迹及离子源的y轴和z轴位置序列，协调控制x轴直线运动模组、b轴旋转模组、c轴旋转模组、y轴直线运动模组及z轴直线运动模组联动，对工件进行扫描抛光；

22、抛光完成后，取出工件进行面形检测，根据检测结果评估是否进行下一轮迭代加工。

23、作为上述技术方案的一种可选实施方式，在扫描抛光处理过程中，实时采集离子束的束流参数，当束流参数偏离预设范围时，调整离子源的工作参数或发出报警信号；周期性地探测工件的位置及形貌信息，根据探测结果实时修正工件坐标系，补偿由热变形或振动引起的位置漂移。

24、本发明的有益效果为：

25、1.通过设置包括x轴直线运动模组、b轴旋转模组和c轴旋转模组的工件运动系统，以及包括y轴直线运动模组和z轴直线运动模组的离子源运动系统，并将x轴直线运动模组、b轴旋转模组与c轴旋转模组按照摇篮式结构布置于工件侧，将y轴和z轴直线运动模组布置于离子源侧，通过五轴联动，实现了工件姿态的灵活调整与离子源位置的独立运动控制，有效消除了传统三轴设备中存在的加工盲区，尤其适用于各种平面、球面、非球面、凹凸曲面及微小尺寸光学元件的高精度抛光加工。

26、2.b轴旋转模组驱动工件绕b轴轴线旋转的角度范围为±90°，c轴旋转模组驱动工件绕c轴轴线旋转的角度范围为0-360°，两个旋转轴的大角度范围配合使得工件能够以任意姿态朝向离子源，实现了从多角度对工件的连续加工。对于需要从不同方向加工的复杂曲面工件，一次装夹即可完成全部加工区域的处理，无需频繁重新装夹，避免了因多次装夹引入的定位误差，提高了加工精度和效率。

27、3.离子源的束斑直径小于0.5mm，小尺寸的束斑使得设备能够对微小光学元件进行高分辨率的局部修形与抛光，拓展了离子束抛光技术在微小光学元件加工领域的应用能力。同时，小束斑配合五轴联动的大角度姿态调整，使得设备既适用于大口径光学元件的面形修正，也适用于小口径、复杂形状元件的精密加工，具有良好的加工适应性。

28、4.束流检测装置设置于离子源附近，实现了对束流参数的实时采集和监测，控制系统能够根据束流参数的实时反馈及时调整离子源工作参数或发出报警，保证了抛光过程中离子束状态的稳定性和加工结果的可重复性，避免了因束流波动导致的去除率变化和面形误差。

29、5.测头能够对工件进行原位扫描探测，获取工件的位置及形貌信息并实时反馈至控制系统。在加工前，测头用于建立工件坐标系和生成加工轨迹；在加工过程中，测头周期性地探测工件位置，控制系统据此实时修正工件坐标系，补偿了因热漂移、机械变形等因素导致的定位偏差，提高了长期加工过程中的位置精度和加工稳定性，减少了离线检测的频率和额外误差。