石英半球谐振子原位形性检测离子束抛光原子制造装备及方法
阅读说明：本技术 石英半球谐振子原位形性检测离子束抛光原子制造装备及方法 (Manufacturing equipment and method for ion beam polishing atoms for in-situ shape detection of quartz hemispherical harmonic oscillator ) 是由 张振宇 张富旭 孟凡宁 万省作 吴斌 顾秦铭 刘冬冬 于 2021-08-06 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种石英半球谐振子原位形性检测离子束抛光原子制造装备及方法,装备包括数控系统、安装在机床上的微尺度移动平台装置以及安装在机床底座上的原位形性检测装置、频差检测装置、离子束加工装置、传送装置和工作台,数控系统接收由原位形性检测装置测得的石英半球谐振子形位精度和轮廓及由频差检测装置测得的石英半球谐振子频差,进行精确计算,生成指令传送回微尺度移动平台装置,带动夹具进行移动,同时控制离子束加工装置,对石英半球谐振子进行精密加工。本发明可显著降低废品率,对石英半球谐振子高质高效地进行精密加工。(The invention provides a manufacturing device and a manufacturing method for ion beam polishing atoms for in-situ shape detection of a quartz hemispherical resonator, wherein the manufacturing device comprises a numerical control system, a micro-scale mobile platform device arranged on a machine tool, an in-situ shape detection device, a frequency difference detection device, an ion beam processing device, a transmission device and a workbench, wherein the in-situ shape detection device, the frequency difference detection device, the ion beam processing device, the transmission device and the workbench are arranged on a base of the machine tool, the numerical control system receives the shape and position precision and the outline of the quartz hemispherical resonator measured by the in-situ shape detection device and the frequency difference of the quartz hemispherical resonator measured by the frequency difference detection device, carries out accurate calculation, generates a command and transmits the command back to the micro-scale mobile platform device, drives a clamp to move, and controls the ion beam processing device to carry out accurate processing on the quartz hemispherical resonator. The invention can obviously reduce the rejection rate and precisely process the quartz hemispherical harmonic oscillator with high quality and high efficiency.)
技术领域
本发明涉及超精密加工技术领域，具体而言，尤其涉及一种石英半球谐振子原位形性检测离子束抛光原子制造装备及方法。
背景技术
半球谐振陀螺是一种高精度、高可靠性、长寿命的新型固体振动陀螺，为非GPS导航，不受天气和电磁干扰的影响，是一种性能非常优异的惯导器件，在各种航空航天等战略性武器当中具有广阔的应用前景。谐振子是半球谐振陀螺的核心敏感部件，其加工精度和振动特性直接影响着半球谐振陀螺的性能。石英谐振子具有高精度、高可靠性和高稳定性的特点，在目前的陀螺仪中，综合性能最佳，广泛应用于航空、航天、航海、武器、运输、导航等领域，半球谐振陀螺上最复杂、最重要的部件就是半球谐振子，它决定着陀螺的精度和性能，其精密成型技术是当前的研究重点。
石英半球谐振子原材料为高纯熔融石英，近年来，我国熔融石英行业不断发展，石英玻璃的高纯度、熔制设备技术已经基本达到了国外先进技术水平。石英是我国一种丰富的工业原料，高纯熔融石英技术的突破为石英谐振子提供了原材料支撑。但是石英半球谐振子的制造属于硬脆薄壁球壳状异形三维结构的微应力精密超精密制造，难度较大。作为半球谐振陀螺的核心零件，石英半球谐振子壁薄、形状复杂、对加工精度要求高、制造难度大，而这些因素是制约半球谐振陀螺研制的主要瓶颈。
目前谐振子球面加工涉及到手工磨抛、球面展成、磨料流抛光、磁流变抛光等工艺方法及技术。石英半球谐振子零件薄壁、材料硬脆，传统的研磨抛光工艺方法难以满足半球谐振子的加工精度要求；球面展成法需要一个工件对应一种成型砂轮，并且加工质量不好，表面粗糙度较大；磨料流抛光过程中，去除应力相对较大，且谐振子本身壁厚较小，在抛光过程中极易造成破损，从而降低加工表面精度、表面完整性及其一致性；磁流变抛光时，磁场不均匀，成形过程难以精确控制。离子束抛光是非接触式抛光，无亚表面损伤，无边缘效应，无中高频误差，可控性好。现提出一种石英半球谐振子原位形性检测离子束抛光原子制造装备，对石英半球谐振子毛坯进行精密加工，对于打破国外技术垄断，提升我国半球谐振陀螺制造技术，促进我国国防安全，具有重要意义。
发明内容
根据上述提出的石英半球谐振子零件薄壁、材料硬脆，传统研磨抛光工艺方法难以满足半球谐振子的加工精度要求；球面展成法需要一个工件对应一种成型砂轮，并且加工质量不好，表面粗糙度较大；磨料流抛光过程中，去除应力相对较大，且谐振子本身壁厚较小，在抛光过程中极易造成破损，从而降低加工表面精度、表面完整性及其一致性；磁流变抛光时，磁场不均匀，成形过程难以精确控制的技术问题，而提供一种石英半球谐振子原位形性检测离子束抛光原子制造装备及方法。本发明主要利用原位激光成像、原位多普勒效应测试性能、原位形位精度测量，实现原位形性检测和原位离子束抛光的石英半球谐振子原子制造新方法，大大提高形位精度，降低废品率。石英半球谐振子的导航精度和形位精度正相关，本发明研发的新装备必将大大提高石英半球谐振子的加工精度和性能。
本发明采用的技术手段如下：
一种石英半球谐振子原位形性检测离子束抛光原子制造装备，包括：数控系统、安装在机床上的微尺度移动平台装置以及安装在机床底座上的原位形性检测装置、频差检测装置、离子束加工装置、传送装置和工作台，所述数控系统用于控制各装置运行，所述传送装置用于输送待精加工和精加工完毕的石英半球谐振子进出机床，所述微尺度移动平台装置上安装有用于夹持石英半球谐振子的夹具，通过微尺度移动平台装置实现夹具携带石英半球谐振子进行移动和转动，检测和加工时，夹具夹持石英半球谐振子位于工作台上方区域；所述原位形性检测装置用于实现石英半球谐振子的形位精度和轮廓的检测，所述频差检测装置用于实现石英半球谐振子频差的检测，所述数控系统接收原位形性检测装置和频差检测装置实时传输的检测数据并进行数据处理，反馈于离子束加工装置和微尺度移动平台装置，对石英半球谐振子进行精密加工。
进一步地，所述原位形性检测装置包括可旋转的底座、与底座铰接的机械臂和激光干涉仪，底座置于机床底座上，机械臂由转动连接的第一杆件和第二杆件组成，第一杆件与底座铰接，激光干涉仪安装在第二杆件上；激光干涉仪自身在±60°之间进行小范围摆动，通过底座和机械臂的复合运动实现激光干涉仪进行XY平面360°的旋转运动、XZ平面360°的旋转运动、YZ平面360°的旋转运动以及100cm范围内的升降运动，从而利用激光干涉原位成像技术实现全角度覆盖式精确检测，并将检测数据实时输送到数控系统。
进一步地，所述频差检测装置包括固定在机床底座上的水平导轨Ⅰ、与水平导轨Ⅰ滑动连接的支座Ⅰ、与支座Ⅰ相连的升降架Ⅰ以及安装在升降架Ⅰ上的激光发射器，支座Ⅰ在水平导轨Ⅰ上进行X轴方向平移运动，升降架Ⅰ在支座Ⅰ上进行Z轴方向的移动，激光发射器在升降架Ⅰ上进行Z轴方向的移动，两级升降扩大Z方向的工作范围，激光发射器发射激光，通过多普勒效应测量石英半球谐振子频差，并将数据实时输送到数控系统。
进一步地，所述离子束加工装置包括固定在机床底座上的水平导轨Ⅱ、与水平导轨Ⅱ滑动连接的支座Ⅱ、与支座Ⅱ相连的升降架Ⅱ以及与升降架Ⅱ相连的离子束发射器，支座Ⅱ在水平导轨Ⅱ上进行Y轴方向平移运动，升降架Ⅱ在支座Ⅱ上进行Z轴方向的移动，离子束发射器与升降架Ⅱ铰接，实现±60°之间的小幅度转动，离子束加工装置接收数控系统指令，对石英半球谐振子不满足要求的部位进行原子级别加工去除；
所述离子束发射器的离子束流电压为800-1100V，加速极电压为250-400V，工作距离为10-40mm，射频功率为60-80W；氩气流量为3-6sccm。
进一步地，还包括真空仓，安装在机床底座上，由用于检测空气含量的气压表和真空泵组成，关闭前后活动门，真空泵以10-50m3/h的吸气量工作，在气压表示数为零时，机床内部达到真空环境，为离子束加工装置的加工作业创造真空环境。
进一步地，所述微尺度移动平台装置由X轴平移台、Y轴平移台和Z轴平移台构成，X轴平移台、Y轴平移台、Z轴平移台分别在X、Y、Z三个坐标轴方向做直线运动，移动精度小于5nm；Z轴平移台内部设有主轴，主轴底部连接有旋转盘，夹具螺纹连接在旋转盘上，通过主轴实现旋转盘带着夹具绕Z轴进行360°的转动，转动精度小于0.01°。
进一步地，所述夹具由三个液压控制的机械爪构成，机械爪的夹持部位表面附着有特制胶体，避免石英半球谐振子受到损伤。
进一步地，所述传送装置由数控系统控制匀速运动，即停即走，采用传送带，其上设有分别用于放置待精加工和精加工后石英半球谐振子的多个固定部。
进一步地，所述激光干涉仪的激光稳频精度为≤±0.01ppm，测量精度为±0.5ppm，角度测量分辨率为0.01μm/m，线形测量分辨率为1nm，数据采集率为50KHz。
本发明还提供了一种使用石英半球谐振子原位形性检测离子束抛光原子制造装备加工石英半球谐振子的方法，包括如下步骤：
步骤一、传送装置将待精加工的石英半球谐振子输送到机床内部后，微尺度移动平台装置移动至传送装置处的夹取工位，通过夹具夹持石英半球谐振子；
步骤二、夹具夹持石英半球谐振子移动至原位形性检测装置检测范围内的工作台上方，原位形性检测装置开始工作，检测石英半球谐振子的轮廓尺寸和形位精度，检测数据实时传送回数控系统；原位形性检测装置中激光干涉仪的激光稳频精度为≤±0.01ppm，测量精度为±0.5ppm，角度测量分辨率为0.01μm/m，线形测量分辨率为1nm，数据采集率为50KHz；
步骤三、由数控系统内部的逻辑分析系统判断石英半球谐振子是否可以通过离子束加工装置精加工以满足性能指标，若不能通过精加工来达到要求，则报废该件；若能通过精加工来达到要求，则数控系统操纵离子束加工装置对石英半球谐振子进行精修，原位去除，离子束加工装置加工时要求真空环境，即在工作前由真空泵抽出空气；前后活动门关闭，整个装备封闭，真空泵开始以10-50m3/h的吸气量工作，在气压表示数为零，机床内部达到真空环境时，离子束加工装置开始工作，离子束发射器参数为：离子束流电压为800-1100V，加速极电压为250-400V，工作距离为10-40mm，射频功率为60-80W，氩气流量为3-6sccm；
步骤四、在离子束加工装置对石英半球谐振子进行精加工的过程中，频差检测装置实时监测石英半球谐振子频差，将数据传送到数控系统，数控系统经过分析计算确定石英半球谐振子成品的性能好坏；将废品以及频差不达标的残次品放置到机床底座上的工作台中，等待回收，尺寸和频差均达标的石英半球谐振子成品由微尺度移动平台装置控制夹具，放置到传送装置，由传送装置运出机床，进行后续工艺。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的石英半球谐振子原位形性检测离子束抛光原子制造装备及方法，在一次装夹的条件下，通过原位形性检测装置实时确定半球谐振子的形状轮廓、尺寸大小以及位置误差同轴度、形状误差圆度等参数；通过频差检测装置原位检测石英半球谐振子频差，不用在精加工之后再去专门检测频差，节省了一道工序。
2、本发明提供的石英半球谐振子原位形性检测离子束抛光原子制造装备及方法，离子束加工装置在计算机和原位形性检测装置的精密控制下进行加工，对石英半球谐振子进行精修，加工精度可以达到原子量级以上，加工环境稳定，离子源产生的离子束波动小，工件表面不会出现磨损。
3、本发明提供的石英半球谐振子原位形性检测离子束抛光原子制造装备及方法，数控系统可以接收原位形性检测装置、频差检测装置实时传输的数据并且进行数据处理，再反馈到离子束加工装置、微尺度移动平台装置，精度高；整个新装备可以显著降低废品率，对石英半球谐振子高质高效地进行精密加工。
综上，应用本发明的技术方案能够解决现有技术中的石英半球谐振子零件薄壁、材料硬脆，传统研磨抛光工艺方法难以满足半球谐振子的加工精度要求；球面展成法需要一个工件对应一种成型砂轮，并且加工质量不好，表面粗糙度较大；磨料流抛光过程中，去除应力相对较大，且谐振子本身壁厚较小，在抛光过程中极易造成破损，从而降低加工表面精度、表面完整性及其一致性；磁流变抛光时，磁场不均匀，成形过程难以精确控制的问题。
基于上述理由本发明可在原位成像、精密检测、超精密加工等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明石英半球谐振子原位形性检测离子束抛光原子制造装备结构示意图。
图2为本发明装备外观图。
图中：1、数控系统；2-1、底座；2-2、机械臂；2-3、激光干涉仪；3-1、水平导轨Ⅰ；3-2、支座Ⅰ；3-3、升降架Ⅰ；3-4、激光发射器；4-1、水平导轨Ⅱ；4-2、支座Ⅱ；4-3、升降架Ⅱ；4-4、离子束发射器；5、夹具；6、工作台；7-1、X轴平移台；7-2、Y轴平移台；7-3、Z轴平移台；7-4、旋转盘；8、机床底座；9、传送装置；10、真空仓；11、活动门；12、主轴。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
传统的石英半球谐振子磨抛后，直接检测形位精度和性能，不合格的就直接报废，废品率高。目前的石英半球谐振子超精密磨抛很难将同轴度降低到300nm，一般的同轴度>1.5μm。为解决现有技术存在的问题，如图1-2所示，本发明提供了一种石英半球谐振子原位形性检测离子束抛光原子制造装备，包括：数控系统1、安装在机床上的微尺度移动平台装置以及安装在机床底座8上的原位形性检测装置、频差检测装置、离子束加工装置、传送装置9、夹具5、工作台6和真空仓10。夹具5用于夹持石英半球谐振子。数控系统1接收由原位形性检测装置测得的石英半球谐振子形位精度和轮廓以及由频差检测装置测得的石英半球谐振子频差，进行精确计算，再生成指令传送回微尺度移动平台装置，带动夹具5进行移动，同时控制离子束加工装置，选择合适的位置进行加工。加工过程中数控系统1控制各装置实时调整位置，以实现最终的精密加工。数控系统1可以接收原位形性检测装置、频差检测装置实时传输的数据并且进行数据处理，反馈到离子束加工装置、微尺度移动平台装置，对石英半球谐振子进行精密加工。
微尺度移动平台装置由X轴平移台7-1、Y轴平移台7-2、Z轴平移台7-3构成，Z轴平移台7-3内部包含主轴12，主轴12底部连接一个旋转盘，夹具安装在该旋转盘7-4上，夹具5与旋转盘7-4通过螺纹连接，可拆卸。主轴12可以带动Z轴平移台7-3底部的旋转盘7-4实现绕Z轴进行360°的转动，从而带动夹具绕Z轴360°的转动，转动精度小于0.01°。X轴平移台7-1、Y轴平移台7-2、Z轴平移台7-3分别在X、Y、Z三个坐标轴方向做直线运动，从而能够使夹具携带石英半球谐振子在X、Y、Z三个坐标轴方向做直线运动，移动精度小于5nm。
夹具5由三个液压控制的机械爪构成，夹持部位表面附着特制胶体，经过改造，可以最大程度上的实现夹持石英半球谐振子无伤无损。
原位形性检测装置包括可旋转底座2-1、机械臂2-2及激光干涉仪2-3，底座2-1与机械臂2-2铰接，机械臂2-2由两个可自由转动的杆件组成，增大了激光干涉仪2-3工作范围。多束激光干涉仪2-3可以通过旋转底座和机械臂复合运动实现XY平面360°的旋转运动、XZ平面360°的旋转运动、YZ平面360°的旋转运动以及100cm范围内的升降运动，能够实现全角度覆盖，精确测量石英半球谐振子的形位精度，并且可以实时输送到数控系统。具体地，激光干涉仪2-3可以随着底座2-1实现XY平面360°旋转，随着机械臂2-2实现XZ平面180°旋转，以及激光干涉仪2-3自身±60°之间小范围摆动。原位形性检测装置全覆盖式检测夹具5所夹持的石英半球谐振子，通过激光干涉原位成像技术，把石英半球谐振子的形位精度、轮廓、球凸面中心杆与球凹面中心杆的同轴度等检测出来，实时传送到数控系统1。激光干涉仪是利用光的干涉实现测量，具有非接触、无损检测的特点，可精确测量工件线形、角度、垂直度、直线度、平面度等几何误差。激光干涉仪2-3的激光稳频精度(开机一小时开始拍摄)为：≤±0.01ppm，测量精度为±0.5ppm，角度测量分辨率为：0.01μm/m，线形测量分辨率为1nm，数据采集率为50KHz。
频差检测装置包括水平导轨Ⅰ3-1、支座Ⅰ3-2、升降架Ⅰ3-3和激光发射器3-4。频差检测装置整体通过支座Ⅰ3-2可以在水平导轨Ⅰ3-1上进行X轴方向平移运动，升降架Ⅰ3-3可以在支座Ⅰ3-2上进行Z轴方向的移动，激光发射器3-4可以在升降架Ⅰ3-3上进行Z轴方向的移动，两级升降扩大Z方向的工作范围。激光发射器3-4发射激光，频差检测装置通过多普勒效应测量石英半球谐振子频差，将数据实时输送到数控系统1。
离子束加工装置包括水平导轨Ⅱ4-1、支座Ⅱ4-2、升降架Ⅱ4-3和离子束发射器4-4，水平导轨Ⅱ4-1固定在机床底座8上。离子束加工装置通过支座Ⅱ4-2可以整体沿着水平导轨Ⅱ4-1进行Y轴方向平移运动，升降架Ⅱ4-3带动离子束发射器4-4在支座Ⅱ4-2上进行Z轴方向的移动，离子束发射器4-4与升降架Ⅱ4-3铰接，可以实现-60°-+60°之间的小幅度转动。离子束加工装置接收数控系统1指令，对石英半球谐振子不满足要求的部位进行原子级别加工去除。离子束发射器4-4的离子束流电压为800-1100V，加速极电压为250-400V，工作距离为10-40mm，射频功率为60-80W；氩气流量为3-6sccm。
传送装置9用于输送完成粗加工、等待精加工的石英半球谐振子毛坯进入机床，以及输送精加工完毕且满足质量要求的石英半球谐振子成品离开机床，进行后续工艺。传送装置9安装在机床底座8上，进行匀速运动，可以控制即停即走。传送装置9采用传送带，其上设有分别用于放置待精加工和精加工后石英半球谐振子的多个固定部。
真空仓10包括气压表与真空泵，气压表检测空气含量，真空泵以10-50m3/h的吸气量工作，为离子束加工装置创造真空环境。真空仓10在传送装置9将石英半球谐振子输送进入机床之后，关闭前后活动门11，真空仓10的真空泵开始以10-50m3/h的吸气量工作，在气压表示数为零，机床内部达到真空环境时，离子束加工装置开始工作。
实施例2
在实施例1的基础上，本发明还提供了一种使用石英半球谐振子原位形性检测离子束抛光原子制造装备加工石英半球谐振子的方法，包括如下步骤：
步骤一、传送装置9将待精加工的石英半球谐振子输送到机床内部后，微尺度移动平台装置移动至传送装置9处的夹取工位，通过夹具5夹持石英半球谐振子；
步骤二、夹具5夹持石英半球谐振子移动至原位形性检测装置检测范围内的工作台6上方，原位形性检测装置开始工作，检测石英半球谐振子的轮廓尺寸，以及圆度、球凸面中心杆与球凹面中心杆的同轴度等形位精度，实时传送回数控系统1；原位形性检测装置中激光干涉仪2-3的激光稳频精度为(开机一小时开始拍摄)：≤±0.01ppm，测量精度±0.5ppm，角度测量分辨率：0.01μm/m，线形测量分辨率1nm，数据采集率50KHz；
步骤三、由数控系统1内部的逻辑分析系统判断石英半球谐振子是否可以通过离子束加工装置精加工以满足性能指标，如果不能通过精加工来达到要求，则报废该件；如果能通过精加工来达到要求，则数控系统1操纵离子束加工装置对石英半球谐振子进行精修，原位去除，离子束加工装置加工时要求真空环境，需要在工作前由真空泵抽出空气；前后活动门11关闭，整个装备封闭，真空泵开始以10-50m3/h的吸气量工作，在气压表示数为零，机床内部达到真空环境时，离子束加工装置开始工作，离子束发射器参数为：离子束流电压为800-1100V，加速极电压为250-400V，工作距离为10-40mm，射频功率为60-80W，氩气流量为3-6sccm；
步骤四、在离子束加工装置对石英半球谐振子进行精加工的过程中，频差检测装置实时监测石英半球谐振子频差，将数据传送到数控系统1，数控系统1经过分析计算确定成品石英半球谐振子的性能好坏；将废品以及频差不达标的残次品放置到机床底座8上的工作台6中，等待回收，尺寸和频差均达标的石英半球谐振子成品由微尺度移动平台装置控制夹具5，放置到传送装置9，由传送装置9运出机床，进行后续工艺。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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