适用于离子束抛光的工件定位误差标定及补偿方法与流程

本发明属于精密光学制造领域，涉及离子束抛光过程中被加工光学元件与离子源加工坐标系中位置误差精确标定及补偿方法。

背景技术：

离子束抛光技术的原理是利用离子源产生的高能离子对光学元件(工件)表面轰击，基于原子物理溅射效应实现工件表面材料去除。该方法具有许多传统加工方法所不具有的优点。它的去除函数是回转对称的高斯型，并且非常稳定，因此离子束抛光确定性高，面形误差收敛快；离子束抛光是非接触式抛光方法，不存在接触应力和应变，在工件边缘时去除函数不发生变化，不产生边缘效应等负面影响。离子束抛光技术由于加工精度高、确定性好,应用越来越广泛,成为了高精度光学元件制造过程中首选的抛光方法之一。

定位误差是影响离子束抛光精度的主要因素之一。定位误差是工件在机床坐标系中的实际位置与理论位置之间的偏差，具体描述为工件坐标系相对离子源加工坐标系的位置差。传统处理方式为，对工件进行精密装夹，保证工件与离子源加工坐标系的精密映射与设计值相符，尽量使定位误差为零，从而减小定位误差对离子束加工精度的影响。但是这种方式要求对工件的夹具进行特殊的设计并精密制造，且在装夹各个步骤都有精度要求，提高了离子束抛光的设备成本及时间成本。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种简单易行、易于操作的离子束抛光过程中工件在离子束加工坐标系中定位误差精确标定方法，并在加工过程中通过软件将定位误差进行补偿。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：提供1、一种适用于离子束抛光的工件定位误差标定及补偿方法，提供：工件安装板、离子源、激光跟踪仪、靶标球、工业测量相机，靶球基座，法拉第杯，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将工件固定在工件安装板上；

步骤2：架设激光跟踪仪，其中激光跟踪仪的测量范围覆盖整个工件及靶球基座；

步骤3：激光跟踪仪结合靶标球测量工件中心的空间位置信息，设为(xw,yw,zw)；

步骤4：将靶球放置在靶球基座上，获得靶球基座中心的在激光跟踪仪测量坐标系中的空间位置，设为(xb,yb,zb)；

步骤5：采用激光跟踪仪计算步骤3及步骤4获得的空间位置数据，两者相减得到工件中心相对靶球基座中心的空间坐标变换(δx1,δy1,δz1)，其变换矩阵如式(0.1)所示；

步骤6：通过工业测量相机精密标定靶球基座与法拉第杯中心孔(xf,yf,zf)的相对位置(δx2,δy2,δz2)；代入步骤5数据，计算得到工件中心相对法拉第杯中心孔的空间坐标变换关系，其变换矩阵如式所示：

步骤7：关闭离子束加工设备的真空仓门，抽取真空，到达预定真空度后开启离子源；

步骤8：进行法拉第杯扫描，获得离子束束流分布，通过高斯曲线拟合得到离子束中心相对法拉第杯中心孔的偏置关系，设为(δx3,δy3)；

步骤9：结合步骤6及步骤8的结果，通过坐标变换得到工件1中心相对离子束10中心的空间位置关系，即为工件在离子束加工坐标系中定位误差，即工件定位中心相对于离子束流中心的实际位置为：

步骤10：加工设备基于工件坐标系生成cnc代码；将其中cnc驻留时间坐标(xc0，yc0，zc0，tc0)减去工件中心相对离子束中心的空间位置关系(xwa，ywa，zwa)，通过软件将定位误差进行偏置补偿，生成最终执行的cnc代码(xc，yc，zc，tc)：

步骤3中，靶标球接触工件基准面通过激光跟踪仪测量靶球中心空间位置，用激光跟踪仪附带的软件计算获得工件基准面位置。

步骤3中，激光跟踪仪测量获得工件上基准面ytop、下基准面ybottom、左基准面xleft、右基准面xright的空间位置，计算获得工件中心在测量坐标系中的空间位置：

步骤5中，靶球基座和法拉第杯依次精密地固定在机械连接件上，并通过机械连接件与工件安装板连接，放置在机床行程范围内且不影响工件安装的工件安装板边角位置。

还包括底座，所述工件安装板呈竖直或水平方向放置，且所述机械连接件固定在所述底座上，机械连接件安装面与工件安装板平行。

步骤3中，可以采用测量臂、光笔测量仪、坐标测量机、触发式测头系统获得工件中心的空间位置信息。

本发明的有益效果：提供一种简单易行、通用性好的离子束抛光过程中工件中心在离子束加工坐标系中位置精确标定，并在加工过程中通过软件将定位误差进行偏置补偿的方法。方法操作简便、数据处理简明、通用性好，不需要对工件进行特殊的精密装夹，提高了离子束抛光的效率和精度。

附图说明

如图1为离子抛光束抛光装置的示意图。

如图2所示为适用于离子束抛光的工件定位误差标定及补偿方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明要解决的技术问题是，克服上述现有技术的缺陷，提供一种简单易行、易于操作的离子束抛光过程中工件在离子束加工坐标系中定位误差精确标定方法，并在加工过程中通过软件将定位误差进行补偿。从而减小或消除工件定位误差对离子束加工结果的影响。区别于常规的对工件精密装夹以减小定位误差的方式，本发明通过获得工件在离子束抛光坐标系中位置，实现离子束抛光过程中工件位置精确标定，并在加工过程中通过软件将定位误差进行补偿。

如图1所示的实施例中，本发明采用的技术方案需使用工件1、工件安装板2、离子源3、激光跟踪仪4、靶标球5、工业测量相机6，此外，还包括以下装置：靶球基座7，法拉第杯8，机械连接件9。

靶球基座7和法拉第杯8依次精密的固定在机械连接件9上，并通过机械连接件9与工件安装板2连接，放置在机床行程范围内且不影响工件1安装的工件安装板2边角位置。其中，靶球基座7与法拉第杯8精密安装在临近位置。

本发明适用于离子束抛光的工件定位误差标定及补偿方法，采用的技术方案，实现离子束抛光过程时，工件位置精确标定并软件进行补偿的步骤如下：

步骤1：将工件1固定在工件安装板2上；

步骤2：架设激光跟踪仪4，其位置保证测量范围覆盖整个工件1及靶球基座7；

步骤3：激光跟踪仪4结合靶标球5测量工件1中心的空间位置信息，靶标球5接触工件1基准面通过激光跟踪仪4测量靶球5中心空间位置获得工件1基准面位置。激光跟踪仪4测量获得工件1上基准面、下基准面、左基准面、右基准面的空间位置，计算获得工件1中心在测量坐标系中的空间位置，设为(xw,yw,zw)，具体是：

步骤3中，激光跟踪仪测量获得工件上基准面ytop、下基准面ybottom、左基准面xleft、右基准面xright的空间位置，计算获得工件中心在测量坐标系中的空间位置：

步骤4：将靶球5放置在靶球基座7上，获得靶球基座7中心的在激光跟踪仪4测量坐标系中的空间位置，设为(xb,yb,zb)；

步骤5：采用激光跟踪仪4计算步骤3及步骤4获得的空间位置数据，两者相减得到工件1中心相对靶球基座7中心的空间坐标变换(δx1,δy1,δz1)，其变换矩阵如式(0.1)所示：

步骤5中，靶球基座和法拉第杯依次精密地固定在机械连接件上，并通过机械连接件与工件安装板连接，放置在机床行程范围内且不影响工件安装的工件安装板边角位置；

步骤6：通过工业测量相机6精密标定靶球基座7与法拉第杯8中心孔(xf,yf,zf)的相对位置(δx2,δy2,δz2)关系；代入步骤5数据，计算得到工件1中心相对法拉第杯8中心孔的空间坐标变换关系，其变换矩阵如式所示：

步骤7：关闭离子束加工设备的真空仓门，抽取真空，到达预定真空度后开启离子源3；

步骤8：进行法拉第杯扫描，获得离子束10束流分布，通过高斯曲线拟合得到离子束10中心相对法拉第杯8中心孔的偏置关系，设为(δx3,δy3)；

步骤9：结合步骤6及步骤8的结果，通过坐标变换得到工件1中心相对离子束10中心的空间位置关系，即为工件1在离子束加工坐标系中定位误差即工件定位中心相对于离子束流中心的实际位置为：

步骤10：加工设备基于工件1坐标系生成cnc代码；将其中cnc驻留时间坐标(xc0，yc0，zc0，tc0)减去工件1中心相对离子束10中心的空间位置关系(xwa，ywa，zwa)，通过软件将定位误差进行偏置补偿，生成最终执行的cnc代码(xc，yc，zc，tc)：

一个实施例中，还包括底座，所述工件安装板2呈竖直或水平方向放置，且所述机械连接件9固定在所述底座上，机械连接件9的安装面与工件安装板2平行。

步骤3中，可以采用测量臂、光笔测量仪、坐标测量机、触发式测头系统获得工件中心的空间位置信息。

本发明的工作原理：本发明通过获得工件1中心相对离子源束流10中心的空间位置关系，实现离子束抛光过程中工件位置精确标定。激光跟踪仪4通过接触式测量工件1上的线、面等基准信息，再进行立体几何计算得到工件中心空间位置信息。离子源3开启后进行法拉第杯扫描，获得离子束流10分布及其中心位置，得到离子束10中心相对法拉第杯8中心坐标系位置。在本发明中，工件中心空间位置经过以下传递：工件1→靶球基座7→法拉第杯8→离子束流10，获得工件1中心相对离子束流10中心的空间位置，从而实现离子束抛光过程中工件位置精确标定。然后cnc代码中驻留时间坐标减去工件中心相对离子束中心的空间位置关系，通过软件将定位误差进行偏置补偿。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。