本发明属于复杂曲面加工的技术领域，具体涉及一种基于离子束技术的复杂曲面去除函数计算方法。
背景技术：
当前大口径复杂曲面的加工策略主要有两种，一是利用接触式的材料去除手段，包括基于CCOS原理的小磨头技术、应力盘技术等；二是非接触式的光学加工手段，包括离子体反应法、离子束抛光法。接触式加工方法的材料去除原理为在镜面一定深度内形成微观材料破坏(压力、剪切力)并以此为基础实现材料去除，此类方法材料去除效率较高、材料去除稳定性较好。但是加工过程中影响因素较多，温度、磨料浓度、压力和磨头相对运动速度等均可能造成材料去除效率的变化，降低光学加工确定性。尤其是在大口径复杂曲面的光学加工过程中，磨头与镜面间难以紧密贴合，导致去除函数变化明显，在光学加工的同时会引入其他面形误差，降低加工效率且限制最终加工精度。离子束抛光法利用离子源发射出具有一定能量与束流空间分布的离子束轰击材料表面实现材料去除。高能离子入射到镜面后，在一定深度内发生溅射效应，即入射离子通过级联碰撞将能量传递给镜面原子，当原子获得的动能沿镜面法线方向的分量大于材料束缚能时将飞离镜面，形成原子量级的材料去除。与接触式加工法相比，离子束抛光法材料去除精度更高、稳定性更好、可控性更佳。且不存在接触式加工中的复印效应、边缘效应和加工刀痕。在大口径复杂曲面的光学加工过程中离子束流能够与曲面紧密贴合，不会在加工过程中引入新的面形误差，该方法更适合于大口径复杂曲面的高精度加工。但是在离子束抛光复杂曲面的过程中，其去除函数将发生明显变化，需要对其进行计算补偿方能保证离子束抛光的准确性。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种基于离子束技术的复杂曲面去除函数计算方法，能够对离子束抛光复杂曲面过程中去除函数的变化进行准确计算，从而实现离子束抛光系统对复杂曲面的高精度抛光。
实现本发明的技术方案如下：
一种基于离子束技术的复杂曲面去除函数计算方法，包括以下步骤：
步骤一、选定一组离子源工作参数，测量离子束流在距离离子源L处的离子浓度分布d0；
步骤二、通过去除函数实验获得所选定的离子源工作参数在距离L处的平面基准去除函数；并对所述离子浓度分布d0与平面基准去除函数进行标定，获得离子浓度与材料去除率的对应系数矩阵C；
步骤三、根据加工需要设定离子源工作参数，测量离子束流在距离离子源L处离子浓度分布da，利用系数矩阵C，计算得到与距离离子源L处离子束流浓度分布所对应的平面去除函数F；
步骤四、选用步骤三中所述的离子源工作参数，测量离子束流浓度空间分布并进行归一化处理，得到离子束流空间分布矩阵Id；
步骤五、计算复杂曲面表面曲率半径变化对去除函数的影响获得矩阵ω；
步骤六、根据平面去除函数F、离子束流空间分布矩阵Id和矩阵ω，得到每个驻留点处的曲面去除函数R，完成复杂曲面去除函数的计算。
进一步地，
其中，Imax为距离离子源z处的电流峰值，exp为以e为底的指数函数，ηx、ηy为扫描结果分别在实验室坐标系内x，y方向上的高斯分布系数。
进一步地，
其中，a为离子能量平均入射深度，σ、μ分别为入射能量在材料内部子午方向和弧矢方向上的分布系数，aσ＝a/σ，aμ＝a/μ，h(x,y)为复杂曲面在实验室坐标系内的数学表达式。
进一步地，R＝ωIdF
有益效果：
本发明无需通过进行单点驻留材料去除与测量实验便可对去除函数进行在线准确测量计算；将影响曲面去除函数变化的全部因素引入计算模型，获得准确性更高的去除函数信息。该方法物理概念明确，数据处理和数学运算简单，实验操作简单易行，去除函数检测成本很低，测试时间短，进一步提升了大口径复杂曲面的加工收敛效率。本发明能够实现利用三轴离子束抛光系统对大口径复杂曲面的高精度抛光，且加工收敛率高、准确性好，降低了复杂曲面光学加工的时间成本与经济成本。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种基于离子束技术的复杂曲面去除函数计算方法，本发明方法所用的设备包括三轴离子束抛光机、法拉第杯、待加工镜面和计算机，其中计算机与法拉第杯进行数据连接。法拉第杯是一种真空下的绝对测量装置，能够测量带电粒子流的电流强度，并且可以通过法拉第杯测量得到的电流计算出入射粒子的数量。对于能量相同的粒子，法拉第杯测量电流值与入射离子电荷数呈线性关系。在实验室坐标系中，根据法拉第杯扫描结果，入射的离子束流的浓度分布可以由其电流值分布描述。法拉第杯只能获得离子束流的空间分布，不能直接测量基准去除函数信息。通过法拉第杯扫描得到离子源工作空间中离子束流的三维分布情况，以相应工作距离处的离子浓度为基础，计算得到离子束抛光过程中的基准去除函数信息，实现去除函数的在线测量。
离子束流作用于复杂曲面的过程中，曲面去除函数与平面上获得的基准去除函数区别较大，造成这种变化的主要因素包括：曲面几何特征对离子能量沉积的影响、曲面表面离子浓度变化和离子入射参数变化。结合待加工曲面的面形特征计算得到，作用于曲面不同驻留点处的离子浓度分布。综合考虑上述三种原因，能够计算得到离子束在复杂曲面上每个驻留点处的去除函数变化矩阵。利用此矩阵对平面基准去除函数进行修正，便能得到复杂曲面抛光过程中准确的去除函数信息。以此为基础计算加工驻留时间，材料去除准确性高，保证了加工过程具有更好的收敛性。本发明包括以下步骤：
步骤一、选定一组离子源工作参数，测量离子束流在距离离子源L处的离子浓度分布d0；
步骤二、通过去除函数实验获得所选定的离子源工作参数在距离L处的平面基准去除函数；并对所述离子浓度分布d0与平面基准去除函数进行标定，获得离子浓度与材料去除率的对应系数矩阵C；
步骤三、根据加工需要设定离子源工作参数，测量离子束流在距离离子源L处离子浓度分布da，利用系数矩阵C，计算得到与距离离子源L处离子束流浓度分布所对应的平面去除函数F；
步骤四、选用步骤三中所述的离子源工作参数，测量离子束流浓度空间分布并进行归一化处理，得到离子束流空间分布矩阵Id；
其中，Imax为距离离子源z处的电流峰值，exp为以e为底的指数函数，ηx、ηy为扫描结果分别在实验室坐标系内x，y方向上的高斯分布系数。
步骤五、计算复杂曲面表面曲率半径变化对去除函数的影响获得矩阵ω；
其中，a为离子能量平均入射深度，σ、μ分别为入射能量在材料内部子午方向和弧矢方向上的分布系数，aσ＝a/σ，aμ＝a/μ，h(x,y)为复杂曲面在实验室坐标系内的数学表达式。
步骤六、根据平面去除函数F、离子束流空间分布矩阵Id和矩阵ω，得到每个驻留点处的曲面去除函数R。R＝ωIdF。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。