一種磁流變高精度定位裝置及磁流變去除函數轉換方法
2023-05-16 21:59:36 1
一種磁流變高精度定位裝置及磁流變去除函數轉換方法
【專利摘要】本發明公開了一種磁流變高精度定位裝置及磁流變去除函數轉換方法，包括：固定支撐機構、外圓定位機構、端面定位機構；方法步驟：選取常規加工的光學元件基片進行單點去除效率測量並建立去除效率對比係數庫，採用微晶材料進行四點去除效率測量並轉換為待加工元件的去除效率，通過手輪、螺杆調節外圓定位架、端面定位架及滑塊的位置，放置工件，將轉換後的待加工工件去除效率對工件表面誤差進行仿真計算，擬合生產工具機代碼進行數控加工。本發明集成度高、定位精度準等優勢；同時具有提高去除函數準確度、縮短測量時間、提高加工效率、降低加工耗材成本等優勢。本發明可應用於平面及高陡度球面、非球面以及自由曲面光學元件的快速加工。
【專利說明】一種磁流變高精度定位裝置及磁流變去除函數轉換方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及磁流變技術高精度加工的【技術領域】，特別涉及一種磁流變高精度定位裝置及磁流變去除函數轉換方法，該支撐裝置及方法可應用於平面、球面、非球面以及自由曲面等光學元件加工。
【背景技術】
[0002]隨著現代光學系統性能的不斷發展，光學零件的質量要求也在不斷提升。為提高光學系統的成像質量並降低成本，現代光學零件正朝著非球面、大相對口徑、納米精度的趨勢發展。如193nm深紫外光刻系統對高陡度球面、高次非球面的面形精度要求為RMS2nm以下，粗糙度Rq要求為0.2nm以下；極紫外光刻系統(EUV)對離軸非球面光學元件的面形精度要求為RMSlOnm以下，粗糙度Rq要求為0.1nm以下。傳統手修技術方法已不能該面形誤差精度、粗糙度的光學元件加工。納米精度光學零件的製造方法已經逐步採取柔性、穩定的磁流變、離子束等高精度設備進行修形。
[0003]磁流變拋光技術是將電磁學、流體動力學、分析化學、計算機控制等多門學科相結合併應用於光學加工的一種新技術。磁流變液在梯度磁場中發生磁流變效應而形成的具有粘塑性的柔性拋光模，在電機的驅動下，拋光模與工件表面接觸區域產生很大的剪切力，從而使工件表面材料被去除。磁流變拋光技術具有拋光效率高，去除函數穩定，邊緣效應小，不會造成工件亞表面破壞等優點。
[0004]193nm光刻系統對成像系統及曝光系統光學兀件的偏心、表面疵病、面形精度、中高頻誤差、粗糙度等指標具有嚴格的要求。真空吸附的裝卡方式只適合於小口徑、低陡度光學元件的磁流變技術加工，然而，對於大口徑及裝卡面為球面或非球面時，工件端面及外圓精度無法調節，裝卡過程重複性差，而且，真空吸附壓力太大而容易造成工件的裝卡區域損傷。工具夾持方式是採用機械的裝卡定位來保證工件的工作姿態，夾持過程需考慮光學元件應力變形、工具機運動軌跡幹涉，該結構設計複雜，裝卡過程繁瑣。
[0005]磁流變拋光工藝參數主要包括拋光液磨料、拋光液粘度、流量、拋光間隔、切入深度以及加工材料性能等。納米精度光學元件加工過程是通過建立高效、穩定的去除函數，對光學元件的面形檢測誤差進行卷積運算，獲取光學元件各個點的駐留時間。高精度數控加工過程一般需要選用與正式件加工的同樣材料進行去除函數提取，提高加工過程收斂的穩定性與高效性。然而，高精度光學系統選用的進口光學材料較為昂貴，去除函數件採用同等材料成本大，同時，生產過程中，硒化鋅、Si等材料較軟，光潔度控制困難，採用該材料獲取去除函數，該穩定性通常要小於70%，這直接影響到磁流變生產的加工成本與效率。微晶玻璃材料熱膨脹係數0.05X10_6k，為零膨脹光學材料，穩定性能好，比剛度為3.7X106m，材料去除效率為SiC材料的50倍，採用該材料提取去除函數，穩定性能達到97%以上，去除函數提取過程較石英材料相比，檢測過程鏡子穩定時間可降低一倍以上。因此，研究磁流變去除函數轉換方法對磁流變拋光技術的工程化應用具有重要意義。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是為設計一種可應用於平面、球面、非球面以及自由曲面光學元件加工的磁流變高精度定位裝置以及磁流變去除函數轉換方法，從而提供了一種結構簡單緊湊、控制簡單、集成度高、操作方便、成本低廉，能夠實現光學元件的磁流變高精度拋光的定位。
[0007]本發明的目的是由下述技術方案實現的:
[0008]一種磁流變高精度定位裝置，其特徵在於包括:固定支撐機構、外圓定位機構和端面定位機構，外圓定位機構通過導軌、第一絲杆定位架、第二絲杆定位架連接到固定支撐機構上，端面定位機構通過端面定位架固定於外圓定位機構的定位底座上，其中:
[0009]所述固定支撐機構，該模型主要包括圓錐盤、底盤。圓錐盤和底盤通過螺栓固定為一體。其中，圓錐盤下端面凸出兩個輪轂，其目的是通過圓錐盤將整個磁流變高精度定位裝置固定於磁流變拋光工具機旋轉軸上。同時，夕卜圓定位機構的導軌、第一絲杆定位架、第二絲杆定位架通過螺栓與底盤固定為一體；
[0010]所述外圓定位機構,包括導軌、絲杆、絲杆螺母、定位底座、第一絲杆定位架、第二絲杆定位架、軸承、軸承擋蓋、手輪、外圓定位架和墊片；其中，導軌、第一絲杆定位架、第二絲杆定位架通過螺栓與底盤固定為一體，絲杆兩段分別固定於第一絲杆定位架、第二絲杆定位架上，絲杆螺母套於絲杆上，定位底座固定於絲杆螺母上，同時定位底座兩側分別與絲杆兩側的導軌上端面相切，防止絲杆滑動過程，定位底座晃動。
[0011]所述端面定位機構，包括端面定位架、滑塊、螺杆擋蓋、螺杆；其中，端面定位架固定於外圓定位機構的定位底座上，滑塊套於端面定位架的凹槽上，螺杆擋蓋固定於端面定位架上，螺杆穿過滑塊孔固定於螺杆擋蓋與端面定位架之間。
[0012]所述外圓定位機構及端面定位機構所選的絲杆為T型絲杆，定位重複精度好，具備自鎖功能，螺距為0.5mm,調節精度高；
[0013]所述導軌端面具有Imm間隔的刻度，其目的是可根據工件的口徑尺寸快速對外圓定位架及端面定位架的位置進行粗調；
[0014]所述端面定位機構的滑塊為「工」形，與端面定位架高精度配合，通過調節螺杆實現滑塊的升降；
[0015]所述定位底座具有螺孔、螺杆末端為圓柱形，兩者能精密配合，配合公差小於
0.03mm ；
[0016]所述螺杆擋蓋具備臺階孔，螺杆擋蓋通過螺孔固定與端面定位架上，臺階孔與螺杆頂端配合，通過臺階孔可實現螺杆的調節；
[0017]所述定位底座螺孔、螺杆及螺杆擋蓋臺階孔同軸，通過定位底座、螺杆擋蓋固定螺杆，防止滑塊升降過程螺杆竄動，以此提高滑塊的重複性精度；
[0018]進一步地，去除函數轉換方法是指通過對廉價、穩定、軟性光學元件(如微晶)獲取去除函數，通過係數轉換為待加工的昂貴、硬性、穩定性差的光學材料(如石英、矽、硒化鋅)，縮短去除函數的提取時間，降低光學元件加工的成本。
[0019]進一步地、去除函數轉換前提是通過採用同樣拋光工藝對常規加工的光學元件進行單點獲取去除效率，分析建立K9、石英、硒化鋅、YGa、S1、SiC材料與微晶材料去除效率的對比係數庫；[0020]進一步地、採用微晶材料進行四點獲取去除效率，四點去除函數去除率的穩定性需達95%以上，將微晶材料去除效率轉換為待加工的光學元件去除效率，同時根據四個去除效率的特徵點位置計算工具機磨頭定位誤差。
[0021]進一步地、採用磁流變高精度定位裝置進行磁流變去除函數轉換方法主要包括不同材料去除效率係數庫建立過程與正式件加工過程。不同材料去除效率係數庫建立過程主要是指將不同材料工件(微晶、K9、石英、S1、硒化鋅、SiC等)分別快速定位於高精度定位裝置上，其端面誤差、外圓誤差小於0.01mm，工件的裝卡狀態保持一致，採用磁流變拋光磨頭對該材料工件進行去除函數獲取並獲取不同材料間的去除效率對比係數；正式件加工過程是指將待正式加工件快速定位於高精度定位裝置上，其端面誤差、外圓誤差小於0.01mm，通過穩定、軟性材料(如微晶)獲取去除函數並轉換為正式件材料的去除函數，生成拋光數控代碼進行高精度拋光。具體操作如下:
[0022]不同材料去除效率係數庫建立過程:
[0023]第一步:根據不同材料(微晶、K9、石英、S1、硒化鋅、SiC等)去除函數光學元件的加工外形尺寸確定工件的口徑、端面矢高參數；
[0024]第二步:採用高精度定位裝置分別對去除函數工件快速裝卡。根據工件的口徑通過手輪粗調節端面定位架的位置，由導軌上的刻度進行判斷；通過螺杆調節滑塊高度，放置工件；
[0025]第三步:旋轉工具機工作軸，採用千分表對三個外圓定位架側支撐的工件外圓進行測量並計算平均值，調節手輪，細調節外圓定位架，至工件外圓的測量誤差小於0.0lmm ;
[0026]第四步:旋轉工具機工作軸，採用千分表對3個滑塊支撐的工件端面進行測量並計算平均值，調節螺杆，提升工件端面較低兩處的滑塊，至工件端面的測量誤差小於0.0lmm ；
[0027]第五步:重複第三步、第四步，至工件外圓、端面定位精度小於0.0lmm;
[0028]第六步:採用同樣磁流變工藝參數對常規加工的光學元件，去除效率獲取分析，分別建立微晶、K9、石英、S1、硒化鋅及SiC等材料去除效率的對比係數庫；
[0029]正式件加工過程:
[0030]第一步:與去除效率係數庫建立過程的第二、三、四、五步同理，將微晶材料工件快速轉卡，採用磁流變拋光磨頭進行四點去除效率獲取，通過第一步的對比係數轉換為待加工的正式件去除效率，同時對四個去除效率的特徵點位置計算工具機磨頭的定位誤差；
[0031]第三步:根據光學元件的加工外形尺寸確定工件的口徑、端面矢高參數；
[0032]第四步:與去除效率係數庫建立過程的第二、三、四、五步同理，將正式加工件快速轉卡，根據第三步轉換後的去除效率對工件表面誤差進行仿真計算，擬合生產工具機代碼進行數控加工。
[0033]與現有技術相比，本發明的優點為:
[0034]1、本發明對光學系統元件的加工主要應用於面形精度的快速提升及亞表面破壞層修復，裝卡過程定位精度好，無殘餘應力。
[0035]2、本發明通過相同工藝參數對不同材料進行單點去除量分析，建立材料係數分析庫，分析結果準確，對不同材料的加工較為方便。加工過程中，去除函數是通過微晶材料獲取，微晶材料膨脹係數低，穩定性好，硬度適中，去除函數提取效率能提高一倍以上。【專利附圖】
【附圖說明】
[0036]圖1為本發明的磁流變高精度定位裝置結構圖；
[0037]圖2為本發明的磁流變高精度定位裝置結構圖；
[0038]圖3為本發明的平移滑動機構示意圖；
[0039]圖4為本發明的絲杆定位結構示意圖；
[0040]圖5為本發明的端面定位機構示意圖；
[0041]圖6為本發明的滑塊示意圖；
[0042]圖7為本發明的螺杆擋片示意圖；
[0043]圖8為本發明的微晶材料磁流變去除函數(PV53.7nm/s,體積去除率1.84*lCT3mm3/s)；
[0044]圖9為本發明的石英材料磁流變去除函數(PV38.7nm/s,體積去除率
1.61*lCT3mm3/s)；
[0045]圖10為本發明的石英材料與微晶材料去除函數轉換係數；
[0046]圖11為微晶材料獲取的4點去除函數；
[0047]圖12 為 Φ200mm R-211.3mm 石英球面鏡初始面形(pvlO0.3nm, rmsl7.9nm)；
[0048]圖13為Φ 200mm R-211.3mm石英球面鏡磁流變加工後面形(pv60.2nm, rms2.74nm)。
[0049]圖中:圓錐盤1、底盤2、導軌3、絲杆4、絲杆螺母5、定位底座6、絲杆定位架7、8,軸承9、軸承擋蓋10、手輪11、外圓定位架12，墊片13、端面定位架14，滑塊15、螺杆擋蓋16、螺杆17。
【具體實施方式】
[0050]以下結合附圖以及【具體實施方式】對本發明做進一步的解釋:
[0051]如圖1、2所示，本發明的磁流變高精度定位裝置包括固定支撐機構、外圓定位機構、端面定位機構，外圓定位機構通過導軌3、第一絲杆定位架7、第二絲杆定位架8連接到固定支撐機構上，端面定位機構通過端面定位架14固定於外圓定位機構的定位底座6上。
[0052]其中:所述固定支撐機構，該模型主要包括圓錐盤1、底盤2。圓錐盤I和底盤2通過螺栓連接為一體，圓錐盤I下端面凸出兩個輪轂，通過兩個輪轂將整個磁流變高精度定位裝置固定於磁流變拋光工具機旋轉軸上；
[0053]所述外圓定位機構,包括導軌3、絲杆4、絲杆螺母5、定位底座6、第一絲杆定位架
7、第二絲杆定位架8、軸承9、軸承擋蓋10、手輪11、外圓定位架12,墊片13 ;導軌3、第一絲杆定位架7、第二絲杆定位架8通過螺栓與底盤2固定為一體，絲杆4兩段分別固定於第一絲杆定位架7、第二絲杆定位架8上，絲杆螺母5套於絲杆4上，定位底座6固定於絲杆螺母5上，同時定位底座6兩側分別與絲杆兩側的導軌3上端面相切，防止絲杆4滑動過程，定位底座6晃動；
[0054]所述端面定位機構，端面定位架14、滑塊15、螺杆擋蓋16、螺杆17 ;端面定位架14固定於外圓定位機構的定位底座6上,滑塊15套於端面定位架14的凹槽上,與端面定位架14精密配合，螺杆擋蓋16固定於端面定位架14上，螺杆17穿過滑塊15孔固定於螺杆擋蓋16與端面定位架14之間，與定位底座6螺孔配合，通過調節螺杆17實現滑塊15的升降；[0055]如圖1、3、4所示，外圓定位機構及端面定位機構所選的絲杆為T型絲杆，定位重複精度好，具備自鎖功能，螺距為0.5mm,調節精度高；
[0056]如圖1、2、3所示，所述導軌3端面具有Imm間隔的刻度，其目的是可根據工件的口徑尺寸快速對外圓定位架12及端面定位架14的位置進行粗調；
[0057]如圖1、5、6所示，所述端面定位機構的滑塊15為「工」形，與端面定位架14高精度配合，通過調節螺杆17實現滑塊15的升降；
[0058]如圖1、3、5、6所示，所述定位底座6具有螺孔、螺杆17末端為圓柱形，兩者能精密配合，配合公差小於0.03mm ；
[0059]如圖1、5、6所示，所述螺杆擋蓋16具備臺階孔，螺杆擋蓋16通過螺孔固定於端面定位架14上，臺階孔與螺杆17頂端配合，通過臺階孔可實現螺杆17的調節；
[0060]如圖1、5、7所示，所述定位底座6螺孔、螺杆17、螺杆擋蓋16臺階孔同軸，通過固定底座6、螺杆擋蓋16固定螺杆17，防止滑塊15升降過程螺杆17竄動，提高端面定位機構的重複性精度。
[0061]如圖8、9、10所示，磁流變去除函數轉換前提是通過採用同樣拋光工藝對常規加工的光學元件進行單點獲取去除效率，本實施發明中選用石英與微晶材料的去除效率進行對比分析，可獲得去除率對比係數為Kf/Z，即:
[0062]Kf/z (Xi, Yi) = Rf (Xi, Yi) /Rz (Xi, Yi) (I);
[0063]式中,Rf (Xi, Yi)為石英材料去除函數位置在(Xi, Yi)點的特徵表達式；Rz(Xi, Yi)為微晶材料去除函數位置在(Xi，yi)點的特徵表達式；Kf/z(Xi，yi)石英材料與微晶材料去除效率在(Xi)點的對比係數；
[0064]如圖11所示，本實施發明中選用微晶材料進行四點去除函數分析，去除函數穩定性達98.3%，同時根據四個去除效率的特徵點位置計算工具機磨頭定位誤差
AU/)，δ (Xi, Yi)為第i個除函數最深點所在的坐標位置；δ (x0, y0)為根
據四個去除函數特徵值計算所得的磨頭定位誤差；
[0065]如圖12、13所示，本實施發明中通過對微晶材料進行去除函數轉換為石英材料，選用本發明的定位工裝對Φ200_ R-211.3mm石英球面進行加工。通過面形檢測，將獲得的工件面形誤差表達為:E(x，y);根據面形誤差的計算的仿真，面形加工後的參數為:
[0066]e(x,.V) = Ε(λν) - R ? T(x,.!.)(2)；
[0067]式中，R(x, y)為(X，y)點的材料去除效率，T (x，y)為(x，y)位置面形誤差的停留時間；e(x，y)為加工後(x，y)點的殘餘誤差；
[0068]通過對微晶材料獲取去除函數並根據(I)式的係數轉換，石英材料工件加工後的殘餘誤差可表達為:
[0069]K-'.- ν) = E{y) -K t.R (x, r) ? T (.r, ν)(3)
[0070]根據理論計算，假設面形殘差e(x，y)為0，將面形檢測誤差E(x，y)離散為(El、E2、...En) η個數據，則對(3)式展開矩陣算法擴展，可得表達式(4)，
【權利要求】
1.一種磁流變高精度定位裝置，其特徵在於包括:固定支撐機構、外圓定位機構和端面定位機構，外圓定位機構連接到固定支撐機構上，端面定位機構固定於外圓定位機構的定位底座(6)上，其中: 所述固定支撐機構包括:圓錐盤(I)和底盤(2 );圓錐盤(I)和底盤(2 )通過螺栓連接為一體，圓錐盤(I)下端面凸出兩個輪轂，通過兩個輪轂將整個磁流變高精度定位裝置固定於磁流變拋光工具機旋轉軸上； 所述外圓定位機構包括:導軌(3 )、絲杆(4 )、絲杆螺母(5 )、定位底座(6 )、第一絲杆定位架(7)、第二絲杆定位架(8)、軸承(9)、軸承擋蓋(10)、手輪(11)、外圓定位架(12)和墊片(13);導軌(3)、第一絲杆定位架(7)、第二絲杆定位架(8)通過螺栓與底盤(2)固定為一體，絲杆(4)兩段分別固定於第一絲杆定位架(7)、第二絲杆定位架(8)上，絲杆螺母(5)套於絲杆(4)上，定位底座(6)固定於絲杆螺母(5)上，同時定位底座(6)兩側分別與絲杆兩側的導軌(3)上端面相切，防止絲杆(4)滑動過程，定位底座(6)晃動； 所述端面定位機構包括:端面定位架(14)、滑塊(15)、螺杆擋蓋(16)和螺杆(17);端面定位架(14)固定於外圓定位機構的定位底座(6)上,滑塊(15)套於端面定位架(14)的凹槽上，與端面定位架(14)精密配合，螺杆擋蓋(16)固定於端面定位架(14)上，螺杆(17)穿過滑塊(15)孔固定於螺杆擋蓋(16)與端面定位架(14)之間，與定位底座(6)螺孔配合，通過調節螺杆(17)實現滑塊(15)的升降。
2.根據權利要求1所述的一種磁流變高精度定位裝置，其特徵在於:所述外圓定位機構的絲杆(4)為T型絲杆，定位重複精度好，具備自鎖功能，螺距為0.5mm，調節精度高。
3.根據權利要求1所述的一種磁流變高精度定位裝置，其特徵在於:所述端面定位機構的滑塊(15)為「工」形。
4.根據權利要求1所述的一種磁流變高精度定位裝置，其特徵在於:所述定位底座(6)具有螺孔、螺杆(17)末端為圓柱形，兩者能精密配合，配合公差小於0.03_。
5.根據權利要求1所述的一種磁流變高精度定位裝置，其特徵在於:所述導軌(3)端面具有1_間隔的刻度，其目的是可根據工件的口徑尺寸快速對外圓定位架(12)及端面定位架(14)的位置進行粗調。
6.根據權利要求1所述的一種磁流變高精度定位裝置，其特徵在於:所述螺杆擋蓋(16)具有臺階孔，螺杆擋蓋(16)通過螺孔固定於端面定位架(14)上，螺杆擋蓋(16)臺階孔與螺杆(17)頂端配合，通過臺階孔可實現螺杆的調節。
7.根據權利要求5所述的一種磁流變高精度定位裝置，其特徵在於:所述定位底座(6)螺孔、螺杆(17)及螺杆擋蓋(16)臺階孔同軸，通過定位底座(6)、螺杆擋蓋(16)固定螺杆(17)，防止滑塊(15)升降過程螺杆(17)竄動，以此提高滑塊(15)的重複性精度。
8.採用權利要求1所述的裝置進行磁流變去除函數轉換方法，其特徵在於實現為:包括不同材料去除效率係數庫建立過程與正式件加工過程，其中: 不同材料去除效率係數庫建立過程: (11)根據K9、石英、S1、硒化鋅、SiC不同材料光學元件的加工外形尺寸確定工件的口徑、端面矢高參數； (12)採用高精度定位裝置分別對去除函數工件快速裝卡。根據工件的口徑通過手輪(11)粗調節端面定位架(14)的位置，由導軌(3)上的刻度進行判斷；通過螺杆(17)調節滑塊(15)高度，放置工件； (13)旋轉工具機工作軸，採用千分表對三個外圓定位架側支撐的工件外圓進行測量並計算平均值，調節手輪(11 )，細調節外圓定位架(12)，至工件外圓的測量誤差小於0.0lmm ; (14)旋轉工具機工作軸，採用千分表對3個滑塊(15)支撐的工件端面進行測量並計算平均值，調節螺杆(17)，提升工件端面較低兩處的滑塊，至工件端面的測量誤差小於0.0lmm ； (15)重複步驟(13)、(14)至工件外圓、端面定位精度小於0.0lmm ； (16)採用同樣磁流變工藝參數對常規加工的光學元件，去除效率獲取分析，分別建立不同材料的微晶、K9、石英、S1、硒化鋅及SiC材料去除效率的對比係數庫； 正式件加工過程: (21)與去除效率係數庫建立過程的(12)、( 13 )、( 14 )、( 15 )步相同，將微晶材料工件快速轉卡，採用磁流變拋光磨頭進行四點去除效率獲取，通過步驟(11)的對比係數轉換為待加工的正式件去除效率，同時對四個去除效率的特徵點位置計算工具機磨頭的定位誤差； (22)根據光學元件的加工外形尺寸確定工件的口徑、端面矢高參數； (23)與去除效率係數庫建立過程的(12)、(13)、( 14)、( 15)步，將正式加工件快速轉卡，根據(13)轉換後的去除效率對工件表面誤差進行仿真計算，擬合生產工具機代碼進行數控加工。
【文檔編號】B24B1/00GK103447891SQ201310377414
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月26日 優先權日:2013年8月26日
【發明者】鍾顯雲, 萬勇建, 施春燕, 楊金山, 陳輝 申請人:中國科學院光電技術研究所