摘 要 光學玻璃被廣泛應用於激光技（jì）術、光電通訊（xùn）、航空航天以及國防工業等領域（yù）。H402-AZ 數控專用（yòng）平（píng）麵磨床是（shì）專門針對大尺寸平（píng）麵光學玻璃零件，如激（jī）光（釹（nǚ））玻璃、熔石英等（děng）加工（gōng）的需要而研製（zhì）開發的機床。該機床可大大縮短光學玻璃的後續研磨拋光（guāng）時間，滿足超（chāo）精磨平麵玻璃的批量生產（chǎn）。

       1 、機床用途

     光學玻璃是用（yòng）於製造光學儀器或機械係統中光（guāng）學元件（透鏡、棱鏡和反射（shè）鏡（jìng）等）的玻（bō）璃材料的（de）統稱。由於光（guāng）學玻璃具有穩定的物理化學性能和（hé）高度的光學均勻性，且耐磨性好、抗（kàng）蝕性強（qiáng），因此被廣泛應（yīng）用於激光技術、光電通訊、航空航天以（yǐ）及國防工業等領域，已成為當前尖端科學技術中應用最活躍的材料之一。隨著（zhe）科學技術的不（bú）斷發展，現代光學工業對光學玻璃提出了精（jīng）度高、需求量大等苛刻要（yào）求。從精（jīng）度方麵（miàn），要求光學玻璃具有麵形（xíng）精度高（Ra≤0.1 μm）、表麵粗糙度低（Ra≤12 nm）以及亞表麵裂紋少等；從需求量方麵，以激（jī）光核聚變裝置所（suǒ）需的（de）光學（xué）玻璃為例， 美國國家點火裝（zhuāng）置（National Ignition Facility, NIF）的光（guāng）學係統使用7000 多件大（dà）口徑光學元件（口徑（jìng）大於400 mm×400 mm）。

      當時美國（guó）光學製造業（yè）每年能提供大約200～300 個納（nà）米級的光學元件，為了在（zài）五年時間內完成7 000餘件大口徑光學元件和20 000 餘件小口徑光學元件的製造，美國光學工業相關部門必須將其生產（chǎn）能力提高10 倍。而（ér）我國現有的光學（xué）元件加工能力同樣無法滿足要求。

      由於光學玻璃（lí）具有硬度高、脆性（xìng）大的特點，在加工過程中極易產生表麵疵病與亞表麵損傷，屬於典型的難加工材料。其（qí）超光滑表麵成形技（jì）術及高效低成（chéng）本加工工藝技術已經成為國防科技（jì）、航空航天、電子信息等領域急需研究的重要課題。對於光學玻璃等硬脆材料，超精密磨削技術是實現超光滑表麵的最佳手段。因此，美國、德國、日本、英國等工
*國家科技（jì）重大（dà）專項項目編號：2011ZX04004-051業發達國家，對光學玻（bō）璃等（děng）硬脆材料（liào）的超精密磨削加工技術的研究十（shí）分活躍，已開發（fā）出先進的高精度高剛度磨床，用於硬脆材（cái）料的超精密加工技術（shù）的（de）研究，並且（qiě）相關科（kē）研成果被應用於國防及民用工業領域。近年來，光學玻璃等硬脆材（cái）料（liào）超精密磨削裝備及工藝技術（shù）研究已被列為（wéi）重點資助（zhù）的科研內容。

     H402-AZ 數控專用平麵磨床就是“高檔數控機床與基礎製造裝備”科技重大專項課題“超精密大尺寸光學玻璃平麵磨床”的產品，專門針對大（dà）尺寸平麵光學玻璃零件，如激光（釹）玻璃、熔石英等加工的需要而研（yán）製開發的（de）超精密大尺寸平（píng）麵磨削加工機床，是此類（lèi）機床設計製造的關鍵技術，為光學玻璃材料的超精密磨（mó）削加工工藝、並在生產中實現應用提供依據。
 
 
      2 、機（jī）床主要參數

      H402-AZ 數控專（zhuān）用平麵磨床采用龍門式臥（wò）軸矩（jǔ）台的結（jié）構布（bù）局方（fāng）式，配備高精度運動功（gōng）能部件、高分辨率測量與反饋（kuì）係統以及（jí）高性能數控係統（tǒng）與伺服驅動係統，具有結構剛度高、力熱穩定性好和加工（gōng）精度高的特點。另外，機床配備了在（zài）位測量係統，可完成大尺寸光（guāng）學玻璃平麵度快速、精密、可靠檢（jiǎn）測。超精密大（dà）尺寸光學玻璃平麵磨床結構，如圖1所示。
 

      2.1 機床主要技術規格參（cān）數

      工（gōng）作台麵尺寸 1300×500 mm
      工作台縱向行程 0~1700 mm
      砂輪垂直行程 0~240 mm
      滑座橫向行程 0~960 mm
      砂輪直徑 270~350 mm
      砂輪寬度 40 mm
      砂輪轉速 8 000 rpm
      砂輪切削速度 20～120 m/s
      工件最大質量（含夾具） 300 kg
      機床加（jiā）工（gōng）零件規格 450 mm×1 200 mm
      加工工件表麵粗糙度（dù） Ra≤10 nm
      加工工件的（de）麵形精度（表麵平度）PV 3 μm

       
  
                    圖1 超精密大尺（chǐ）寸光學玻璃平麵磨床結構

      2.2 機床控製係統（tǒng）及專用（yòng）軟件開發
 
 
     基於西（xī）門子840D 數控係統，自主（zhǔ）開發了超精（jīng）密大尺寸光學玻璃平麵磨削專用軟件（jiàn）。針（zhēn）對大尺寸光學玻璃（lí）磨削加工工藝特征，該磨削專用軟件能夠實現多個數控軸的（de）可靠（kào）便捷控製。磨床主要數控軸包括：磨頭（tóu） S 軸工作台水平運動 X 軸砂輪垂直進給 Y 軸砂輪垂直微進給 Y1 軸砂輪水平進給 Z 軸砂輪水平進給（卸荷） Z1 軸（zhóu）測量架水平移動 X2 軸
測量儀垂直移動 Y2 軸測量儀水平移動 Z2 軸其（qí）中（zhōng）X、Y、Z、Z1 采用高精度閉環控製，可以實現對砂輪架豎直切（qiē）入運動和橫向進（jìn）給運動的（de）控（kòng）製、卸荷裝置同步（bù）移（yí）動的控製等。數控係統可實現自動進（jìn）給、自動補償、自動修整砂輪等自動循環。同時，機床還配有（yǒu）砂輪自動（dòng）平衡（héng）係統，帶自（zì）動溫度控製的砂輪主軸潤（rùn）滑係統（tǒng）及帶磁性分離器（qì）和紙質過濾器的冷卻液箱。
 

      3 、機床主要結（jié）構特點（diǎn）
 
 
     3.1 高剛度高穩定性床身
 
 
     床（chuáng）身采用整體花崗岩結（jié）構，由於花崗岩具有高（gāo）阻尼、小振動、熱穩定性佳等特（tè）性，可以保證磨床高剛度和高穩定性（xìng）。如圖2 所示。

     
  
     圖2 床身結（jié）構

     3.2 工作台
 
 
     工作台麵（miàn）采用整體花崗岩結構，在傳統閉式靜壓導軌的基礎上開發了高剛性、高精度的大平麵閉式靜壓導軌（guǐ），以實現工作（zuò）台的大行程、平穩、可靠的往複運動。工作台采用SIEMENS 直線電機進（jìn）行驅動，同時為了防止直（zhí）線電機的運動（dòng）影響台麵，專門為直（zhí）線電機設計了（le）獨立的靜壓導軌。台麵的運動狀態由HEIDENHAIN 光柵係統進行（háng）閉環控製，從而保（bǎo）證了工作台（tái）具有高精度、快（kuài）速（sù）響應的運動（dòng）特性，如圖3 所示。

                          圖3 工作台結構（gòu）
 

      3.3 立柱（zhù）、滑（huá）座與橫梁
 

      雙立柱龍門式布局如圖4 所示，可控製由於熱引起（qǐ）的機床變形，立柱和橫梁采用花崗岩製成（chéng）。砂輪（lún）橫向位移滑座置於（yú）固定（dìng）的橫梁上、安裝砂輪架（jià）的垂直運動拖板置於（yú）橫（héng）向位移滑（huá）座（zuò）上。橫向位移和垂直運動均采用SIEMENS 伺服電（diàn）機直接驅動高精度（dù）滾珠絲杠來完成，HEIDENHAIN 光柵位置反饋。橫（héng）向（xiàng）位移滑座以（yǐ）及垂直運動拖板的導軌同樣采用的是液體靜壓導軌。另（lìng）外在垂直運動拖板上配備了微量（liàng）進給機（jī）構，可以實現砂輪架0.1 μm的微進給。

                 圖4 立柱、滑座與橫（héng）梁結構

     為了減少砂輪架（jià）滑座自（zì）重及其（qí）橫向位移引起的橫梁變形，在橫梁（liáng）的（de）正上方設置了卸荷裝置（zhì）（卸荷橫梁），如（rú）圖（tú）5 所（suǒ）示。用以承擔砂輪架（jià）滑（huá）座的大部分自重，並且通過HEIDENHAIN 光柵位（wèi）置反饋實（shí）現卸荷裝置（zhì）與砂輪橫向（xiàng）位（wèi）移滑座的運動同步，從而最大限度的減少橫梁變形對磨（mó）削加工的影響。

      
   
                       圖5 卸荷裝置（zhì）結構

     3.4 砂輪架

     開發了轉速範圍廣、高剛性、高精度砂輪靜壓主軸係統，如圖6 所示，以實現砂輪的高剛性、高精（jīng）度回轉運動。砂輪軸采用液體靜壓軸承（chéng）支承，SIEMENS 內置式（shì）主軸電機，采用冷卻液強製冷卻主（zhǔ）軸（zhóu）電機，砂輪主軸配備了砂輪平衡裝置，配套（tào）的管理控製程序能在循環中連續監測砂輪的情況並立即對可能（néng）出現（xiàn）的不平衡量進行補償。

                        圖6 砂輪架結構

     3.5 測量係統

     機床（chuáng）配備了（le）激光幹涉儀作為（wéi）加工精度的在位測量係統，通過（guò）機床台麵運動和測量拖（tuō）板橫向運動，使激光幹涉儀的鏡頭（tóu）可以掃描所有加工麵積。當機床進行磨削加工（gōng）時，測量橫（héng）梁可以（yǐ）運動到加工範圍以外，如圖7 所（suǒ）示。

                         圖7 測量係統（tǒng）結構

      4 、結語
 
 
     超精密（mì）大（dà）尺寸光學（xué）玻璃（lí）平麵磨床（chuáng）是針對國家重要光學工程行業麵（miàn）臨重（chóng）大需求而研究開發（fā）的，是具有國際先進水平的超精（jīng）密加工關鍵裝備。該項目（mù）的開發成功，能夠實現450×1 200 mm 光學玻璃的高精度、高效率磨削，工件平麵度（dù）可達3 μm，大大縮短了後續研磨拋光的時間，可（kě）滿足激光武器、航空航天等領域對超精密大尺（chǐ）寸（cùn）平麵玻璃的大批量需求，對我國天文科學、國家（jiā）重點工程和軍事裝備的發展具有重（chóng）要意義，並將進一步推動我國光學和（hé）激光領域製造（zào）裝備的技術突破，提（tí）升我國相（xiàng）關領域的核（hé）心競爭力（lì）和（hé）創新能力。