一种基于低能离子束溅射的半球谐振子修形方法

1.本发明涉及振动陀螺技术领域，尤其涉及一种基于低能离子束溅射的半球谐振子修形方法。


背景技术：

2.半球谐振陀螺(hemispherical resonator gyroscope,hrg)是一种新型哥氏振动陀螺仪(coriolis vibratory gyroscopes)，具有抗冲击、重量轻、工作可靠性高等特点。其利用哥氏振动效应(coriolis effect)可以对转动角度和角速度实现测量。半球谐振陀螺的结构包括激励电极、半球谐振子、敏感读出电极，其中半球谐振子的是半球谐振陀螺的核心敏感元件，其加工精度决定了半球谐振陀螺的导航精度等关键性能指标。
3.理想情况下，半球谐振子激励模态和敏感模态频率相同。但是由于加工条件和材料特性的限制，实际的谐振子并不完美，会出现壁厚不均匀、弹性模量分布差异等情况，谐振子在振动时将产生两个互成45
°
的固有轴系，又称振动主轴(principle axis)。谐振子沿两个固有轴振动时谐振频率分别为ω1和ω2，二者之差的绝对值被称为频率裂解。频率裂解的出现将引起谐振陀螺零偏漂移，降低陀螺仪工作效能。降低频率裂解，是半球谐振子制造过程中的一项重要任务。
4.半球谐振子加工工艺复杂，可以大致分为前道成形工艺与后续的调平工艺。调平工艺目的就是去除不平衡的质量，是解决频率裂解的一项重要手段，主要包括单点质量去除和材料表面处理法两个方法。对于单点质量去除而言，消除任何谐波的不平衡质量，需要在几个点的位置上严格去除一定量的材料。材料表面处理法是对谐振子薄壁结构进行形状修复，实现半球壳上不平衡质量的去除。目前的调平方法可以有效的实现频率裂解的降低，但是，调平的难度将会随着成形工艺制造结果的不同而产生严重的区别。
5.谐振子成形工艺种类较多，常用的有磨削、磁流变抛光等等。磨削具有加工效率高等特点，常被用来作为熔石英半球谐振子的第一道成形制造工艺，但是其加工面形精度受机床精度的限制，仅在亚微米量级，难以满足性能需求。因此需要进一步的修形抛光工艺提高面形精度，常见的抛光方法有磁流变抛光，目前而言，其加工面形精度约在pv 0.3μm左右，虽然满足了部分加工需求，但是为了实现谐振子性能的进一步提高，减小调平难度，提高入口面形精度，需要寻求精度更高的抛光方法。
6.离子束抛光被公认为加工精度最高的修形手段，属于非接触式加工，不会带来加工应力且对表面损伤较小，相较于常见的修调手段，离子束工艺对谐振子品质特性的影响相对较小。同时离子束溅射是常见的谐振子调平手段，在经过高精度修形后，可以进一步对半球谐振子实现原位调平工作，有望解决目前谐振子加工精度亟待提高，性能亟待提升的等难题。
7.半球谐振陀螺工作时，半球谐振子元件受激产生四波幅振动，当基座旋转时，驻波发生进动，根据进动角度或角速度的检测值，即可以得到基座的旋转角或角速度。而检测的位置主要在半球谐振子赤道区域，所以对于加工而言，半球赤道部分的加工精度要求较高。
常见的离子束修形方法为三轴加工，当采取如图1所示的沿轴向的加工方式时(图1中r是谐振子赤道区域圆弧的半径，l是需要加工区域的宽度，o是圆心，谐振子轴向方向为y方向，弧长方向为x方向)，在半球谐振子赤道部分约为90
°
角入射，去除效率变化较大，对定位误差更为敏感，加工精度可控性差。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种加工可控性高的基于低能离子束溅射的半球谐振子修形方法。
9.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
10.一种基于低能离子束溅射的半球谐振子修形方法，包括以下步骤：
11.1)、检测待加工半球谐振子的面形精度，判断面形精度pv值是否大于0.3μm，若是，则修正半球谐振子的面形精度pv值至小于0.3μm，否则执行步骤2)；
12.2)、将待加工半球谐振子的面形沿球面母线展开后得到的面形分布矩阵r；
13.3)、确定离子束抛光工艺参数，根据工艺参数获取去除函数矩阵r和去除函数直径d；
14.4)、根据去除函数直径d对面形分布矩阵r进行边缘拓扑获得边缘延拓面形矩阵r
real
，根据面形分布矩阵r
real
和去除函数矩阵r，计算得到离子束加工的驻留时间分布矩阵m；
15.5)、根据离子束加工驻留时间分布矩阵m，对加工过程中半球谐振子的加工温度场和热膨胀进行计算，判断热变形参数u值是否小于100μm，若是，按照步骤4)的驻留时间分布矩阵m执行步骤7)，否则，调整加工温度调整因子n值使n
×
u《100μm，将步骤4)的驻留时间矩阵m与n相乘，获得新的驻留时间矩阵mn，执行步骤7)；
16.6)、根据离散数据间隔d与待加工半球谐振子面形每一个数据点(xi,yi)所在的径向半径ri，计算出对应的角度间隔di；
17.7)、根据步骤5)得到的驻留时间矩阵m或mn与步骤6)得到角度间隔di计算获得c轴旋转角速度值，得到速度矩阵v；
18.8)、将速度矩阵v编制至离子束加工数控代码，将离子源沿半球谐振子的径向方向入射进行离子束迭代加工[1/n]，对半球谐振子进行面形精度修形，[]为向下取整函数；
[0019]
9)、检测待加工半球谐振子的面形精度，判断面形精度pv值是否大于0.1μm，若是则修形完成进行后续调平步骤，否则跳转执行步骤3)。
[0020]
作为对上述技术方案的进一步改进：
[0021]
所述步骤4)中，所述边缘延拓具体包括以下步骤：将面形分布矩阵r左边缘宽度为d/2的面形数据追加至面形分布矩阵r右边缘，将面形分布矩阵r右边缘宽度为d/2的面形数据追加至面形分布矩阵r左边缘，得到边缘延拓面形矩阵r
real
。
[0022]
所述步骤2)中，展开面形时的采样间隔和检测面形精度时的采样间隔相同。
[0023]
所述步骤3)抛光工艺参数中，离子源的离子能量为600～900ev，加工距离为30～50mm，工作气体为氩气，离子源光斑束径为2～4mm。
[0024]
所述步骤5)中采用热量沉积模型计算加工过程中半球谐振子的加工温度场和热膨胀。
[0025]
所述步骤1)和步骤9)中，采用干涉仪检测待加工半球谐振子的面形精度。
[0026]
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种基于低能离子束溅射的半球谐振子修形系统，包括以下模块：
[0027]
第一检测模块，用于检测待加工半球谐振子的面形精度，判断面形精度pv值是否大于0.3μm，若是，则修正半球谐振子的面形精度pv值至小于0.3μm，否则输入至第二展开模块；
[0028]
第二展开模块，用于将待加工半球谐振子的面形沿球面母线展开后得到的面形分布矩阵r；
[0029]
第三调整模块，用于确定离子束抛光工艺参数，根据工艺参数获取去除函数矩阵r和去除函数直径d；
[0030]
第四计算模块，用于根据去除函数直径d对面形分布矩阵r进行边缘拓扑获得边缘延拓面形矩阵r
real
，根据面形分布矩阵r
real
和去除函数矩阵r，计算得到离子束加工的驻留时间分布矩阵m；
[0031]
第五判断模块，用于根据离子束加工驻留时间分布矩阵m，对加工过程中半球谐振子的加工温度场和热膨胀进行计算，判断热变形参数u值是否小于100μm，若是，按照第四模块计算得到的驻留时间分布矩阵m输入至第六计算模块，否则，调整加工温度调整因子n值使n
×
u《100μm，将第四计算模块的驻留时间矩阵m与n相乘，获得新的驻留时间矩阵mn，输入至第六计算模块；
[0032]
第六计算模块，用于根据离散数据间隔d与待加工半球谐振子面形每一个数据点(xi,yi)所在的径向半径ri，计算出对应的角度间隔di；
[0033]
第七计算模块，用于根据第五判断模块输出驻留时间矩阵m或mn与第六计算模块得到角度间隔di计算获得c轴旋转角速度值，得到速度矩阵v；
[0034]
第八加工模块，用于将速度矩阵v编制至离子束加工数控代码，将离子源沿半球谐振子的径向方向入射进行离子束迭代加工[1/n]，对半球谐振子进行面形精度修形，[]为向下取整函数；
[0035]
第九检测模块，用于检测待加工半球谐振子的面形精度，判断面形精度pv值是否大于0.1μm，若是则修形完成进行后续调平步骤，否则输入至第三调整模块。
[0036]
一种计算机可读储存介质，其上储存有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述基于低能离子束溅射的半球谐振子修形方法的步骤。
[0037]
一种计算机设备，包括处理器和存储器，存储器上存储有计算机程序，计算机程序在被处理器运行时执行如上所述基于低能离子束溅射的半球谐振子修形方法的步骤。
[0038]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0039]
本发明的一种基于低能离子束溅射的半球谐振子修形方法，为保证半球谐振子加工精度，在半球谐振子赤道区域加工时，将离子源沿半球谐振子的径向方向入射进行离子束迭代加工(即径向入射加工方式，如图2所示)，可控性更强，同时在加工过程中调控参数以减少热变形对修形精度的影响以实现高精度谐振子的加工。本发明加工对象为薄壁的球壳样件(半球谐振子)，厚度在毫米量级，因此在离子束加工过程中，温度变化会致使样件出现变形，影响加工条件，降低加工精度。本发明的修形方法考虑了加工过程中的热场分布，控制了加工热变形，使样件在加工过程中保持原有形状，稳定加工条件，提高加工确定性与
精度。
[0040]
本发明的一种基于低能离子束溅射的半球谐振子修形方法，驻留时间计算时，首先对展开后面形进行面形延拓，具体为将面形沿母线展开时，将左侧距离为束径(去除函数直径d)宽度一半的面形延拓补偿至右侧展开面形，将右侧距离为束径宽度一半的面形延拓补偿至左侧展开面形，采用线性方程组法对驻留时间进行求解，如此可以显著减小加工过程中由边缘效应造成的面形精度收敛比不高的问题，提高加工效率与加工精度。
[0041]
本发明一种基于低能离子束溅射的半球谐振子修形方法，面形展开时，沿球面母线展开，展开面形采用与检测面形时同样的采样间隔，展开面形将不存在处理畸变，最大程度的降低了处理过程中的数据丢失，提高了加工的准确性。
附图说明
[0042]
图1为现有常规半球谐振子离子束轴向加工图解。
[0043]
图2为本发明的半球谐振子离子束径向加工图解。
[0044]
图3为本发明的基于低能离子束溅射的半球谐振子修形方法的流程图。
具体实施方式
[0045]
以下将对本发明做进一步详细说明。除非特殊说明，本发明采用的仪器或材料为市售。
[0046]
实施例1：
[0047]
如图2和图3所示，本发明的一种基于低能离子束溅射的半球谐振子修形方法，包括以下步骤：
[0048]
1)首先检测待加工的半球谐振子面形误差。利用超精密磨削工艺将面形误差修正优于pv 0.3μm。
[0049]
2)将面形误差沿球面母线展开，展开面形与测量面形采用同样的数据离散间隔，圆周方向弧长保持不变，面形向弧长方向进行投影，获得待加工谐振子面形分布矩阵r，谐振子轴向方向为y方向，弧长方向为x方向。
[0050]
3)调整离子束抛光工艺参数，结合面形精度和面形误差分布形式，计算待去除面形误差的截止频率，进而选择光斑束径，根据选择参数，通过去除函数试验获取相应的去除函数矩阵r，确定去除函数直径d。本实施例中，设定离子束能量为600～900ev、离子源工作距离为30～50mm，工作气体为氩气，光斑束径为2～4mm。
[0051]
4)预处理面形矩阵，获得边缘延拓的面形矩阵r
real
。根据面形矩阵r
real
和去除函数矩阵r，利用线性方程组法计算获得离子束加工驻留时间分布矩阵m。本实施例中，边缘延拓方法采用将面形矩阵r左边缘宽度为d/2的面形数据追加至面形矩阵r右边缘，将面形矩阵r右边缘宽度为d/2的面形数据追加至面形矩阵r左边缘，生成最终的边缘延拓面形矩阵r
real
。
[0052]
5)根据计算的时间矩阵m，基于离子束热量沉积模型，利用有限元方法对加工过程中谐振子的加工温度场进行计算。进一步，结合谐振子的模型，利用有限元方法计算加工过程中的热变形。引入加工温度调整因子n(n《1)，定义热变形参数为u，当u《100μm时，按照驻留分布矩阵m进行加工，当u》100μm，调整n大小，使得nu《100μm，将4)获得的驻留时间矩阵m
与n相乘，获得新的驻留时间矩阵mn。
[0053]
6)根据1)的检测离散数据间隔d与谐振子面形每一个数据点(xi,yi)所在的径向的半径ri，将数据点之间的离散数据间隔d换算为角度间隔di，根据5)所获得的驻留时间矩阵m或mn与角度间隔di计算获得相应的c轴旋转角速度值，进而实现速度矩阵v的计算。
[0054]
利用速度矩阵v实现数控代码编制，进行离子束迭代加工[1/n]，其中[]为向下取整函数，对谐振子实现面形误差的修正。
[0055]
7)利用干涉仪检测加工后的面形误差，若pv值小于0.1μm，则进行下一步调平工序，若高于0.1μm，则从步骤2)重复，直到满足pv值小于0.1μm，完成半球谐振子修形。
[0056]
本发明公开了一种基于低能离子束溅射的半球谐振子修形系统，包括以下模块：
[0057]
第一检测模块，用于检测待加工半球谐振子的面形精度，判断面形精度pv值是否大于0.3μm，若是，则修正半球谐振子的面形精度pv值至小于0.3μm，否则输入至第二展开模块；
[0058]
第二展开模块，用于将待加工半球谐振子的面形沿球面母线展开后得到的面形分布矩阵r；
[0059]
第三调整模块，用于确定离子束抛光工艺参数，根据工艺参数获取去除函数矩阵r和去除函数直径d；
[0060]
第四计算模块，用于根据去除函数直径d对面形分布矩阵r进行边缘拓扑获得边缘延拓面形矩阵r
real
，根据面形分布矩阵r
real
和去除函数矩阵r，计算得到离子束加工的驻留时间分布矩阵m；
[0061]
第五判断模块，用于根据离子束加工驻留时间分布矩阵m，对加工过程中半球谐振子的加工温度场和热膨胀进行计算，判断热变形参数u值是否小于100μm，若是，按照第四模块计算得到的驻留时间分布矩阵m输入至第七计算模块，否则，调整加工温度调整因子n值使n
×
u《100μm，将第四计算模块的驻留时间矩阵m与n相乘，获得新的驻留时间矩阵mn，输入至第七计算模块；
[0062]
第六计算模块，用于根据离散数据间隔d与待加工半球谐振子面形每一个数据点(xi,yi)所在的径向半径ri，计算出对应的角度间隔di；
[0063]
第七计算模块，用于根据第五判断模块输出驻留时间矩阵m或mn与第六计算模块得到角度间隔di计算获得c轴旋转角速度值，得到速度矩阵v；
[0064]
第八加工模块，用于将速度矩阵v编制至离子束加工数控代码，将离子源沿半球谐振子的径向方向入射进行离子束迭代加工[1/n]，对半球谐振子进行面形精度修形，[]为向下取整函数；
[0065]
第九检测模块，用于检测待加工半球谐振子的面形精度，判断面形精度pv值是否大于0.1μm，若是则修形完成进行后续调平步骤，否则输入至第三调整模块。
[0066]
本发明公开了一种计算机可读储存介质，其上储存有计算机程序，计算机程序在被处理器运行时执行如上所述方法的步骤。
[0067]
同时，本发明还公开了一种计算机设备，包括处理器和存储器，存储器上存储有计算机程序，计算机程序在被处理器运行时执行如上所述方法的步骤。
[0068]
本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被
处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现各种功能。存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(smart media card,smc)，安全数字(secure digital,sd)卡，闪存卡(flash card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其它易失性固态存储器件等。
[0069]
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。