CN106112703B - 一种离子束加工工件的误差补偿方法 - Google Patents

一种离子束加工工件的误差补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种离子束加工工件的误差补偿方法。误差补偿方法包括以下步骤；1）测量获取加工工件样本的第一面形数据；2）将加工工件样本进行离子束加工；3）对加工后的加工工件样本进行测量，获取第二面形数据；4）计算获得面形去除数据，将面形去除数据与离子束的扫描时间进行数学关系拟合获得去除误差关系函数；5）对加工工件测量获取加工面形数据；6）规划离子束在扫描轨迹中的驻留时间数据；7）利用去除误差关系函数对加工工件的驻留时间补偿修正。本发明有效提高了离子束加工的精度；同时无需在实际加工过程中对加工工件中的扫描轨迹点的温度进行检测，方法更加简单、经济和有效。

Description

一种离子束加工工件的误差补偿方法
技术领域
本发明属于离子束加工领域，具体涉及一种离子束加工工件的误差补偿方法。
背景技术
目前，离子束加工技术的基本原理是利用离子溅射原理，将宽束低能离子源发出的具有高斯形状的离子束轰击被加工零件表面，轰击过程中，当工件表面原子获得足够的能量可以摆脱表面束缚能时，就会脱离工件表面。
在离子束抛光或离子束刻蚀过程中，离子源中气体通过电离产生等离子体，离子源和离子束温度都很高，在离子束不断轰击工件表面时，工件材料受离子束的热冲击作用，温度不断升高。根据材料力学和材料强度学可知，材料温度的升高，材料本身的强度特性和晶格间位错能发生改变，从而材料的破坏去除能量发生变化，从而引起材料去除率的变化，这种由温度变化造成的去除率变化会带来加工误差，从而影响加工精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够去除离子束加工过程中温度变化对加工工件加工精度的影响的离子束加工工件的误差补偿方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案是：一种离子束加工工件的误差补偿方法，包括以下步骤；
1）选取加工工件样本，测量加工工件样本的面形图，获取加工工件样本的第一面形数据；
2）将加工工件样本在离子束加工设备中加工；
3）对加工后的加工工件样本进行测量，获取加工后的加工工件样本的第二面形数据；
4）将第二面形数据与第一面形数据相减获得面形去除数据，将面形去除数据与离子束的扫描时间进行数学关系拟合获得加工工件样本材料去除误差与扫描时间的去除误差关系函数；
5）对加工工件进行测量获取加工工件的加工面形数据；
6）根据加工面形数据计算规划离子束在扫描轨迹中的驻留时间数据；
7）通过去除误差关系函数对加工工件的驻留时间补偿修正获得补偿后的加工驻留时间修正数据；
8）将加工驻留时间修正数据导入离子束加工设备中进行加工工件的加工处理。
具体的，所述加工工件样本与加工工件的材质相同。
具体的，步骤1）、3）和5）中是采用激光干涉仪进行面形图的测量并获得第一面形数据、第二面形数据和加工面形数据。
进一步的，步骤2）中包括以下过程：
2.1）对加工工件样本规划离子束扫描轨迹和扫描时间，在离子束加工设备中生成扫描代码；
2.2）对加工工件样本进行离子束扫描；
2.3）离子束扫描完成后，从离子束加工设备中取出，恒温、冷却。
具体的，步骤2.1）中按光栅轨迹扫描方式在加工工件样本上规划形成扫描轨迹。扫描轨迹包括多个扫描轨迹点，所述扫描代码中包括扫描轨迹点的二维坐标；
步骤2.2）中离子束扫描是按扫描轨迹S对加工工件样本进行匀速遍历扫描，离子束从扫描轨迹的首端的扫描轨迹点开始直至末端的扫描轨迹点结束。
具体的，步骤4）中，面形去除数据包含扫描轨迹点的二维坐标和扫描轨迹点的去除量误差，扫描轨迹点的去除量误差按扫描轨迹的顺序形成去除量误差的一维矩阵R，
R=[r1,r2,…,rm]，
离子束的扫描时间按扫描轨迹的顺序形成扫描时间一维矩阵T，
T=[t1,t2,…,tm]，
其中，t1=0，tm为扫描路径的线性长度除以扫描速度，
对去除量误差的一维矩阵R和描时间一维矩阵T 采用数学关系拟合的方式，获得加工工件样本材料去除误差与扫描时间的去除误差关系函数。
具体的，步骤6）中按照离子束的扫描轨迹点的二维坐标形成驻留时间函数关系式为：
，
其中，（x,y）为扫描轨迹点的二维坐标，D为驻留时间，Z为加工面形数据，Rel为去除函数矩阵。
进一步的，步骤7）中，根据离子束扫描轨迹点与驻留时间形成驻留时间的一维矩阵D，D=[1,2,…,i，…]，其中i为扫描轨迹中的第i点；
通过去除误差关系函数形成的补偿修正后的驻留时间的函数关系式为：
其中Doffset（i）为补偿修正后的驻留时间，D（i）为规划的驻留时间，为去除误差关系函数。
本发明的范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的（但不限于）具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案等。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明通过提取离子束加工时间对材料去除率的影响关系，形成去除误差关系函数，通过去除误差关系函数修正补偿离子束扫描轨迹中各扫描轨迹点的驻留时间，进而间接实现工件温度变化造成的误差补偿，有效提高了离子束加工的精度；同时无需在实际加工过程中对加工工件中的扫描轨迹点的温度进行检测，方法更加简单、经济和有效。
附图说明
图1为离子束扫描加工工件样本的扫描轨迹示意图。
具体实施方式
本发明所述的一种离子束加工工件的误差补偿方法，包括以下步骤；
1）选取与加工工件材质相同的加工工件样本，采用激光干涉仪进行测量加工工件样本的面形图，获取加工工件样本的第一面形数据M1。本实施例中，采用Φ100mm口径的石英元件作为加工工件样本。
2）将加工工件样本在离子束加工设备中加工，具体包括：
2.1）把加工工件样本装入离子束加工设备中，对离子束加工设备进行调试操作直至处于可加工状态；
2.2）对加工工件样本规划离子束扫描轨迹和扫描时间，在离子束加工设备中生成扫描代码。本实施例中，按光栅轨迹扫描方式在加工工件样本上规划形成扫描轨迹S，扫描轨迹S如图1所示。扫描轨迹S包括多个扫描轨迹点A，所述扫描代码中包括扫描轨迹点A的二维坐标；
2.3）对加工工件样本进行离子束扫描，本实施例中，离子束扫描是按扫描轨迹对加工工件样本进行匀速遍历扫描，离子束从扫描轨迹的首端的扫描轨迹点开始直至末端的扫描轨迹点结束，扫描轨迹点的二维坐标为（xi，yi）。
2.4）离子束扫描完成后，从离子束加工设备中取出，恒温、冷却。
3）对加工后的加工工件样本采用激光干涉仪进行进行测量，获取加工后的加工工件样本的第二面形数据M2；
4）将第二面形数据M2与第一面形数据M1相减获得面形去除误差数据，将面形去除误差数据与离子束的扫描时间进行数学关系拟合获得加工工件样本材料去除误差与扫描时间的去除误差关系函数。面形去除误差数据包含扫描轨迹点的二维坐标（xi，yi）和扫描轨迹点的去除量误差，扫描轨迹点的去除量误差按扫描轨迹的顺序形成去除量误差的一维矩阵R，
R=[r1,r2,…,rm]，
离子束的扫描时间按扫描轨迹的顺序形成扫描时间一维矩阵T，T=[t1,t2,…,tm]，其中，t1=0，tm为扫描路径的线性长度除以扫描速度，
对去除量误差的一维矩阵R和描时间一维矩阵T 采用数学关系拟合的方式，获得加工工件样本材料去除与扫描时间的去除误差关系函数：
。
5）对加工工件采用激光干涉仪进行进行测量获取加工工件的加工面形数据Z；
6）根据加工面形数据计算规划离子束在扫描轨迹中的驻留时间数据。具体的，按照离子束的扫描轨迹点的二维坐标形成驻留时间函数关系式为：
，
其中，（x,y）扫描轨迹点的二维坐标，D为驻留时间，Z为加工面形数据，Rel为去除函数矩阵。
7）通过去除误差关系函数对加工工件的驻留时间补偿修正获得补偿后的加工驻留时间修正数据。具体的，根据离子束扫描轨迹点与驻留时间形成驻留时间的一维矩阵D，D=[1,2,…,i，…]，其中i为扫描轨迹中的第i点；
通过去除误差关系函数形成的补偿修正后的驻留时间的函数关系式为：
其中Doffset（i）为补偿修正后的驻留时间，D（i）为规划的驻留时间，为去除误差关系函数。
8）将加工驻留时间修正数据导入离子束加工设备中进行加工工件的加工处理。
本发明通过提取离子束加工时间对材料去除率的影响关系，形成去除误差关系函数，通过去除误差关系函数修正补偿离子束扫描轨迹中各扫描轨迹点的驻留时间，进而间接实现工件温度变化造成的误差补偿，有效提高了离子束加工的精度；同时无需在实际加工过程中对加工工件中的扫描轨迹点的温度进行检测，方法更加简单、经济和有效。
如上所述，我们完全按照本发明的宗旨进行了说明，但本发明并非局限于上述实施例和实施方法。相关技术领域的从业者可在本发明的技术思想许可的范围内进行不同的变化及实施。

Claims (8)

1.一种离子束加工工件的误差补偿方法，其特征在于：
包括以下步骤；
1)选取加工工件样本，测量加工工件样本的面形图，获取加工工件样本的第一面形数据；
2)将加工工件样本在离子束加工设备中加工；
3)对加工后的加工工件样本进行测量，获取加工后的加工工件样本的第二面形数据；
4)将第二面形数据与第一面形数据相减获得面形去除数据，将面形去除数据与离子束的扫描时间进行数学关系拟合获得加工工件样本材料去除量误差与扫描时间的去除误差关系函数；
5)对加工工件进行测量获取加工工件的加工面形数据；
6)根据加工面形数据计算规划离子束在扫描轨迹中的驻留时间数据；
7)通过去除量误差关系函数对加工工件的驻留时间补偿修正获得补偿后的加工驻留时间修正数据；
8)将加工驻留时间修正数据导入离子束加工设备中进行加工工件的加工处理。
2.根据权利要求1所述的一种离子束加工工件的误差补偿方法，其特征在于：所述加工工件样本与加工工件的材质相同。
3.根据权利要求1所述的一种离子束加工工件的误差补偿方法，其特征在于：步骤1)、3)和5)中是采用激光干涉仪进行面形图的测量并获得第一面形数据、第二面形数据和加工面形数据。
4.根据权利要求1所述的一种离子束加工工件的误差补偿方法，其特征在于：步骤2)中包括以下过程：
2.1)对加工工件样本规划离子束扫描轨迹和扫描时间，在离子束加工设备中生成扫描代码；
2.2)对加工工件样本进行离子束扫描；
2.3)离子束扫描完成后，从离子束加工设备中取出，恒温冷却。
5.根据权利要求4所述的一种离子束加工工件的误差补偿方法，其特征在于：步骤2.1)中按光栅轨迹扫描方式在加工工件样本上规划形成扫描轨迹，扫描轨迹包括多个扫描轨迹点，所述扫描代码中包括扫描轨迹点的二维坐标；
步骤2.2)中离子束扫描是按扫描轨迹对加工工件样本进行匀速遍历扫描，离子束从扫描轨迹的首端的扫描轨迹点开始直至末端的扫描轨迹点结束。
6.根据权利要求5所述的一种离子束加工工件的误差补偿方法，其特征在于：步骤4)中，面形去除数据包含扫描轨迹点的二维坐标和扫描轨迹点的去除量误差，扫描轨迹点的去除量误差按扫描轨迹的顺序形成去除量的一维矩阵R，
R＝[r1,r2,…,rm]，
离子束的扫描时间按扫描轨迹的顺序形成扫描时间一维矩阵T,
T＝[t1,t2,…,tm]，
其中，t1＝0，tm为扫描路径的线性长度除以扫描速度，
对去除量误差的一维矩阵R和扫 描时间一维矩阵T采用数学关系拟合的方式，获得加工工件样本材料去除误差与扫描时间的去除误差关系函数。
7.根据权利要求6所述的一种离子束加工工件的误差补偿方法，其特征在于：步骤6)中按照离子束的扫描轨迹点的二维坐标形成驻留时间函数关系式为：
其中，(x,y)为扫描轨迹点的二维坐标，D为驻留时间，Z为加工面形数据，Rel为去除函数矩阵。
8.根据权利要求7所述的一种离子束加工工件的误差补偿方法，其特征在于：步骤7)中，根据离子束扫描轨迹点与驻留时间形成驻留时间的一维矩阵D，D＝[1,2,…,i，…]，其中i为扫描轨迹中的第i点；
通过去除误差关系函数形成的补偿修正后的驻留时间的函数关系式为：
其中Doffset(i)为补偿修正后的驻留时间，D(i)为规划的驻留时间，为去除误差关系函数。
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