本发明属于离子束超精密加工，具体涉及一种离子束在线变束径加工装置及其变束径方法。
背景技术：
1、离子束加工的原理是在真空环境中利用离子源发射的离子束轰击光学元件表面时发生的物理溅射效应，从而去除表面材料，具有去除函数稳定性、无边缘效应和非接触式加工等特点。大束径离子束去除函数效率越高同时加工精度差，小束径离子束去除函数加工精度高同时效率低。在传统的离子束加工中，通过离子光阑截取束径，单次只使用一种束径较大的离子束去除函数去修形光学元件面形，当面形提高到一定的精度后，该束径无法收敛，则换用孔径更小的离子光阑获得更小的束径，从而提高加工精度。在这过程中，需要关闭离子源，打开真空腔然后更换光阑，又重新抽真空，这大大降低了加工效率，甚至多次开关离子源会导致去除函数参数与原本测量的发生变化。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种离子束在线变束径加工装置及其变束径方法，本发明旨在克服现有离子束加工时反复开关真空腔、离子源降低加工效率的问题，实现对变束径过程的精确稳定控制，提高加工精度和效率。
2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
3、一种离子束在线变束径加工装置，包括基座和顶盖，所述基座和顶盖上均设有用于供离子束穿过的中心通孔，所述顶盖通过一电机驱动并可转动地布置于基座的中心通孔一侧，所述基座上靠近顶盖的一侧设有沿着中心通孔的边缘均匀布置的多个圆孔，所述顶盖上靠基座的一侧设有多个导槽，所述基座和顶盖之间设有围绕中心通孔部分重叠布置且围合形成可供离子束穿过的光阑孔的多个光阑片，所述光阑片两端的不同侧面各设有一个导柱，且一个导柱插设布置在圆孔中、另一个导柱滑动布置在导槽中，所述光阑片为弧形条状且两端为圆弧状，所述光阑片的数量为：
4、，
5、上式中，为光阑片的数量，为光阑孔的最大半径，为光阑孔的最小半径，为弧形条状的外圆弧半径。
6、可选地，所述基座上连接有第一轴承，所述第一轴承的内圈与基座连接固定，所述第一轴承的外圈上固定有受电机驱动的传动轮，所述顶盖与传动轮固定连接。
7、可选地，所述传动轮为蜗轮，所述基座还连接有一底壳，所述底壳上设有电机，所述电机的输出轴连接有一蜗杆，所述蜗杆与蜗轮啮合形成蜗轮蜗杆组件。
8、可选地，所述底壳上设有支架，所述蜗杆一端通过第二轴承安装在支架上，另一端通过一联轴器与电机的输出轴相连。
9、可选地，所述支架上还设有用于通过蜗杆检测电机的实际转动角度的编码器。
10、可选地，所述基座上多个圆孔的圆心位于与光阑孔的圆心同心布置的圆周上，且该圆周的半径的大小为：
11、，
12、上式中，为光阑孔的最大半径，为光阑孔的最小半径；所述弧形条状的内圆弧半径和外圆弧半径为：
13、，
14、，
15、上式中，为弧形条状的内圆弧半径，为光阑孔的最大半径，为弧形条状的外圆弧半径，为多个圆孔的圆心所在圆周的半径，且光阑片上两个导柱之间的中心张角为：
16、，
17、上式中，为光阑片上两个导柱之间的中心张角。
18、可选地，所述光阑片采用钼或者钼合金制成。
19、此外，本发明还提供一种前述离子束在线变束径加工装置的变束径方法，包括基于外环和内环的两个pid控制器来进行变束径控制：将光阑孔的目标光阑孔径根据光阑孔径-束流的映射关系确定对应的参考束流大小，所述光阑孔径-束流的映射关系中光阑孔径和束流大小成正相关的关系，获取通过光阑孔的实际束流大小，计算实际束流大小和参考束流大小之间的束流偏差 e；将束流误差 e利用外环的pid控制器得到参考转动角度；采集用于驱动顶盖转动的电机的实际转动角度，计算实际转动角度和参考转动角度之间的角度偏差；将角度偏差利用内环的pid控制器得到电机控制信号，并控制电机驱动顶盖转动以驱动光阑片的导柱在导槽中滑动来调节多个光阑片将光阑孔的大小调节至目标光阑孔径。
20、可选地，所述将束流误差 e利用外环的pid控制器得到参考转动角度时，包括采用模糊算法更新pid控制器的控制参数：根据束流误差 e计算束流误差变化率 ec；将束流误差 e、束流误差变化率 ec作为模糊算法的输入、比例增益变化量δ kp、积分增益变化量δ ki、微分增益变化量δ kd作为模糊算法的输出，采用模糊子集为{nb，nm，ns，ze，ps，pm，pb}，论域为[-6，6]，其中nb、nm、ns、ze、ps、pm和pb分别为模糊子集中的元素，分别表示大负值、中负值、小负值、零值、小正值、中正值和大正值，通过模糊算法采用模糊规则表将束流误差 e、束流误差变化率 ec映射得到比例增益变化量δ kp、积分增益变化量δ ki、微分增益变化量δ kd的值；根据下式更新外环的pid控制器的控制参数：
21、，
22、上式中， kp、 ki、 kd分别为外环的pid控制器的比例增益、积分增益和微分增益三种控制参数， kp0、 ki0、 kd0分别为外环的pid控制器的比例增益、积分增益和微分增益的标准值，δ kp、δ ki和δ kd分别为比例增益变化量、积分增益变化量、微分增益变化量的值。
23、和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：
24、1、本发明装置包括基座和顶盖，顶盖通过一电机驱动并可转动地布置于基座的中心通孔一侧，基座上靠近顶盖的一侧设有沿着中心通孔的边缘均匀布置的多个圆孔，顶盖上靠基座的一侧设有多个导槽，基座和顶盖之间设有围绕中心通孔部分重叠且围合形成光阑孔的多个光阑片，光阑片两端各设有一个导柱，且一个导柱插设布置在圆孔中、另一个导柱滑动布置在导槽中，因此通过电机驱动顶盖转动，即可使得光阑片一端在导槽中滑动从而改变多个光阑片的重叠程度，进而改变围合形成光阑孔的大小以调节离子束去除函数束径大小，不需要关闭离子源再打开真空腔手动更换离子光阑，从而节约了时间，能够克服现有离子束加工时反复开关真空腔、离子源降低加工效率的问题，并且调节离子束去除函数束径大小时工件中心与刀具中心的相对位置未发生改变不用再次确定两个中心的相对位置，提高了加工效率，实现对变束径过程的精确稳定控制，能提高加工精度和效率。
25、2、本发明通过光阑片的数量计算公式来确定光阑片的数量，能够正常驱动旋转的同时保证了离子束去除函数呈较为良好的回转对称高斯分布，兼顾安装配合与光阑孔的形状，减少光阑孔的形状对去除函数造成的影响，从而提高确定性加工的精度。
1.一种离子束在线变束径加工装置，其特征在于，包括基座（1）和顶盖（2），所述基座（1）和顶盖（2）上均设有用于供离子束穿过的中心通孔（10），所述顶盖（2）通过一电机（61）驱动并可转动地布置于基座（1）的中心通孔（10）一侧，所述基座（1）上设有靠近顶盖（2）的一侧设有沿着中心通孔（10）的边缘均匀布置的多个圆孔（11），所述顶盖（2）上靠基座（1）的一侧设有多个导槽（21），所述基座（1）和顶盖（2）之间设有围绕中心通孔（10）部分重叠布置且围合形成可供离子束穿过的光阑孔（30）的多个光阑片（3），所述光阑片（3）两端的不同侧面各设有一个导柱（31），且一个导柱（31）插设布置在圆孔（11）中、另一个导柱（31）滑动布置在导槽（21）中，所述光阑片（3）为弧形条状且两端为圆弧状，所述光阑片（3）的数量为：
2.根据权利要求1所述的离子束在线变束径加工装置，其特征在于，所述基座（1）上连接有第一轴承（4），所述第一轴承（4）的内圈与基座（1）连接固定，所述第一轴承（4）的外圈上固定有受电机（61）驱动的传动轮（5），所述顶盖（2）与传动轮（5）固定连接。
3.根据权利要求2所述的离子束在线变束径加工装置，其特征在于，所述传动轮（5）为蜗轮，所述基座（1）还连接有一底壳（6），所述底壳（6）上设有电机（61），所述电机（61）的输出轴连接有一蜗杆（62），所述蜗杆（62）与蜗轮啮合形成蜗轮蜗杆组件。
4.根据权利要求3所述的离子束在线变束径加工装置，其特征在于，所述底壳（6）上设有支架（63），所述蜗杆（62）一端通过第二轴承（621）安装在支架（63）上，另一端通过一联轴器（622）与电机（61）的输出轴相连。
5.根据权利要求4所述的离子束在线变束径加工装置，其特征在于，所述支架（63）上还设有用于通过蜗杆（62）检测电机（61）的实际转动角度的编码器（64）。
6.根据权利要求1所述的离子束在线变束径加工装置，其特征在于，所述基座（1）上多个圆孔（11）的圆心位于与光阑孔（30）的圆心同心布置的圆周上，且该圆周的半径的大小为：
7.根据权利要求1所述的离子束在线变束径加工装置，其特征在于，所述光阑片（3）采用钼制成。
8.根据权利要求1所述的离子束在线变束径加工装置，其特征在于，所述光阑片（3）采用钼合金制成。
9.一种权利要求1～8中任意一项所述离子束在线变束径加工装置的变束径方法，其特征在于，包括基于外环和内环的两个pid控制器来进行变束径控制：将光阑孔（30）的目标光阑孔径根据光阑孔径-束流的映射关系确定对应的参考束流大小，所述光阑孔径-束流的映射关系中光阑孔径和束流大小成正相关的关系，获取通过光阑孔（30）的实际束流大小，计算实际束流大小和参考束流大小之间的束流偏差e；将束流误差e利用外环的pid控制器得到参考转动角度；采集用于驱动顶盖（2）转动的电机（61）的实际转动角度，计算实际转动角度和参考转动角度之间的角度偏差；将角度偏差利用内环的pid控制器得到电机控制信号，并控制电机（61）驱动顶盖（2）转动以驱动光阑片（3）的导柱（31）在导槽（21）中滑动来调节多个光阑片（3）将光阑孔（30）的大小调节至目标光阑孔径。
10.根据权利要求9所述的变束径方法，其特征在于，所述将束流误差e利用外环的pid控制器得到参考转动角度时，包括采用模糊算法更新pid控制器的控制参数：根据束流误差e计算束流误差变化率ec；将束流误差e、束流误差变化率ec作为模糊算法的输入、比例增益变化量δkp、积分增益变化量δki、微分增益变化量δkd作为模糊算法的输出，采用模糊子集为{nb，nm，ns，ze，ps，pm，pb}，论域为[-6，6]，其中nb、nm、ns、ze、ps、pm和pb分别为模糊子集中的元素，分别表示大负值、中负值、小负值、零值、小正值、中正值和大正值，通过模糊算法采用模糊规则表将束流误差e、束流误差变化率ec映射得到比例增益变化量δkp、积分增益变化量δki、微分增益变化量δkd的值；根据下式更新外环的pid控制器的控制参数：
