一种基于白光干涉仪和机床测头的半球谐振子离子束修调对刀装置与方法

本发明涉及超精密修调加工，具体而言，涉及一种基于白光干涉仪和机床测头的半球谐振子离子束修调对刀装置与方法。

背景技术：

1、半球谐振陀螺(hemispherical resonator gyroscope，简称hrg)具有精度高、体积小、质量低，结构简单、工作稳定，可靠性高等特点，是一种极具潜力的哥氏振动陀螺。hrg主要由激励罩、半球谐振子和读出基座构成。其中的半球谐振子是一种半球形薄壳零件、硬度高、脆性大，在加工过程中难以保证良好的质量均匀性，造成频率裂解，其品质因数也受到各种因素制约，因此可对超精密抛光后的半球谐振子采用离子束修调技术对不平衡质量进行修调。离子束修调技术具有很高的体积去除精度，加工精度可达亚纳米级别，相比于其他修调技术，离子束加工无污染，非接触，因此加工过程不会带来机械损伤和环境污染。因为半球谐振子为半球形薄壳零件，故无法通过传统的离子束定位方法进行定位，这是因为传统的离子束定位方法仅可进行平面的对刀，对于半球形谐振子这种半球形结构还没有对刀结构和方法，半球谐振子亚毫赫兹级别频率裂解的修调量需保证离子束能够精确去除半球谐振子既定位置处纳克级别的质量，对离子束相对与半球谐振子的定位精度具有较高要求，因此亟需提出一种能够量化离子束和半球谐振子相对位置精度的对刀方式。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：

2、为了解决传统的离子束定位方法无法实现离子束精确去除半球谐振子既定位置处纳克级别的质量，对离子束相对于半球谐振子的定位精度较低的问题。

3、本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案：

4、本发明提供了一种基于白光干涉仪和机床测头的半球谐振子离子束修调对刀装置，包括x轴直线运动平台、y轴直线运动平台、z轴直线运动平台、离子源、精密转台、俯仰台和三维调整台，

5、所述离子源通过安装臂安装在z轴直线运动平台上，所述离子源的离子束射出方向与z轴垂直且可沿z轴方向移动，所述离子源上可用于安装光阑片、白光干涉仪和机床测头，所述离子源的离子束中心分别与光阑片、白光干涉仪和机床测头重合，所述z轴直线运动平台用于粗调半球谐振子z轴方向的位置；

6、所述x轴直线运动平台设置在y轴直线运动平台上且呈十字堆叠安装，所述x轴直线运动平台上设有精密转台，所述精密转台上设有俯仰台，所述俯仰台上设有三维调整台，所述三维调整台上用于安装半球谐振子，所述三维调整台包括圆弧状滑轨，所述半球谐振子可通过三维调整台精调半球谐振子沿x轴、y轴和z轴方向位置，所述精密转台用于调整半球谐振子的旋转角度，用于配合白光干涉仪使半球谐振子的支撑杆轴线与精密转台的回转轴线重合；所述俯仰台用于调整半球谐振子的俯仰角度，配合白光干涉仪使半球谐振子的球心与俯仰台的俯仰轴线重合；所述x轴直线运动平台和y轴直线运动平台分别用于粗调半球谐振子沿x轴和y轴方向的位置。

7、进一步地，所述光阑片为同心圆环状薄片结构，所述离子源通过安装头与光阑片连接，光阑片的中心孔与离子源的离子束中心重合。

8、进一步地，所述光阑片可为石墨光阑片或钼光阑片。

9、进一步地，所述离子源的安装头与白光干涉仪对心片连接，所述白光干涉仪对心片的中心孔位置通过孔轴精密夹紧与白光干涉仪连接，所述白光干涉仪的测头的测量光线与离子源的离子束中心重合。

10、进一步地，所述白光干涉仪的分辨率＜30pm，线性度<±10nm，最大倾斜角度±2°。

11、进一步地，所述离子源的安装头与机床测头对心片连接，所述机床测头对心片的中心孔位置通过孔轴精密夹紧与机床测头连接，所述机床测头的测头轴线与离子源的离子束中心重合。

12、进一步地，所述机床测头的重复精度为2σ＜0.5μm，五向探测方向为±x轴、±y轴和+z轴方向。

13、进一步地，所述俯仰台的工作面处于水平位置时为0°位置，俯仰台的工作面俯仰时使外支撑杆顶端靠近白光干涉仪方向为正方向。

14、一种基于白光干涉仪和机床测头的半球谐振子离子束修调对刀装置的对刀方法，包括以下步骤：

15、s1、半球谐振子支撑杆轴线的调整，将半球谐振子安装在三维调整台上，将白光干涉仪通过白光干涉仪对心片安装在离子源上，白光干涉仪的测头测量光线需照射在半球谐振子的外支撑杆上并处于合适的测量距离，通过调整精密转台的回转角度和三维调整台的x/y轴方向位移，使得白光干涉仪在半球谐振子外支撑杆上的四个测量点位测量数值相等，用于保证半球谐振子的支撑杆轴线与精密转台的回转轴线重合；

16、s2、半球谐振子球心的调整，通过调整x轴直线运动平台、y轴直线运动平台和z轴直线运动平台，使白光干涉仪的测头测量光线照射在半球谐振子外球面的唇口并处于合适的测量距离，通过调整俯仰台的俯仰角度和三维调整台的z轴方向位移，使白光干涉仪在半球谐振子外球面上的三个测量点位测量数值相等，用于保证半球谐振子的球心与俯仰台的俯仰轴线重合；

17、s3、对刀过程中获取y轴坐标，将白光干涉仪对心片从离子源上取下，将机床测头通过机床测头对心片安装在离子源上，通过调整x轴直线运动平台、y轴直线运动平台和z轴直线运动平台，保持x轴直线运动平台固定不动，使机床测头在同一z轴高度上分别从y轴的正向和负向靠近半球谐振子，通过机床测头上的红宝石测头接触半球谐振子外球面的两端，当红宝石测头触碰到半球谐振子受外力作用产生轴向移动时，触发机构产生触发信号，接收器将信号传送给计算机，记录此时两个接触位置的y轴坐标，将两个y轴坐标相加取平均值，此时的y轴坐标y0即为离子源中心与半球谐振子支撑杆垂直相交的位置；

18、s4、对刀过程中获取z轴坐标，在步骤s3确定的y轴位置处后，使机床测头的红宝石测头在半球谐振子端面下方从z轴负向向正向移动并受外力作用产生轴向移动，此时红宝石测头与半球谐振子端面接触，触发机构产生触发信号，接收器将信号传送给计算机，记录此时接触位置的z轴坐标，将此时接触位置的z轴坐标加上红宝石测头的半径后得到的z轴坐标z0即为离子源中心交于半球谐振子端面位置；

19、s5、对刀后进行修调前对光阑片位置的调整，将机床测头对心片从离子源上取下，安装上光阑片，已经证明离子束材料去除函数对靶距不敏感，调整x轴直线运动平台，通过10mm量块确定光阑片与半球谐振子端面的相对位置，此时的x轴坐标x0即为加工状态时离子源光阑片与半球谐振子的相对位置；

20、s6、对刀后进行修调，调整x轴直线运动平台、y轴直线运动平台和z轴直线运动平台处于,通过激光测振仪的测量数据辨识出质量不均匀点的位置，调整精密转台的回转角度和转速即可实现半球谐振子质量不均匀的周向修调，调整俯仰台的俯仰角度即可实现半球谐振子质量不均匀的轴向修调。

21、进一步地，在步骤s1中，所述精密转台回转角度分别为0°、90°、180°和270°；在步骤s2中，所述俯仰台的工作面的俯仰角度分别为0°、30°和60°。

22、相较于现有技术，本发明的有益效果是：

23、本发明一种基于白光干涉仪和机床测头的半球谐振子离子束修调对刀装置与方法，将无法准确定位的离子束转换为使用白光干涉仪和机床测头定位，白光干涉仪用于距离测量，控制器中的sled产生白光，通过光纤传输到分束器分为参考光和测量光，参考光照射到参考面后反射，测量光照射到半球谐振子表面后反射，由参考面和半球谐振子反射的光由传感器接收并传导到控制器中，由干涉测量原理计算出半球谐振子表面到测量原点之间的距离；机床测头的内部有一个触发机构，当测针触碰到半球谐振子受外力作用产生径向或轴向移动时，触发机构产生触发信号，接收器将信号传送给计算机，获得各轴位置坐标，再根据不同测量点的数据，计算出离子束源与半球谐振子的相对位置，从而完成半球谐振子离子束修调的对刀操作；

24、本发明一种基于白光干涉仪和机床测头的半球谐振子离子束修调对刀装置与方法，在半球谐振子超精密修调过程中，利用白光干涉仪和机床测头可以实现离子束修调位置与理论计算质量不平衡位置精确对应；在一定程度上避免了人为主观因素对于超精密修调半球谐振子的影响，同时可以降低人力成本，实现半球谐振子质量一致性；可实现传统离子束无法实现的半球形结构的对刀过程。