大口徑光學元件的（de）精密磨拋與（yǔ）檢測裝備開發及應用-數控機床（chuáng）市場網

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大口徑光學元件的精密磨拋與檢測裝備開（kāi）發及應用

2020-3-4 來源（yuán）：廈門大（dà）學微納米加工與檢測聯合實驗室（shì）作者：郭隱彪，彭（péng）雲峰，王振忠，畢果等

摘要：大口徑光學元件超精密加工是一個複（fù）雜的係統性（xìng）工程，涉及（jí）精（jīng）密機床、數控（kòng）、加工技術與工藝、精密檢（jiǎn）測和補（bǔ）償控製等機電控各（gè）領域的專業（yè）知識，其發展與一個國家（jiā）的高端（duān）製造技術及裝備發展能力（lì）息息相關，也是一個國家綜合國力的集中體現。主要介紹了廈門大學微納米加工與檢測聯合實（shí）驗室在（zài）大口（kǒu）徑光學元件超精密加工技術及裝備方麵取得的研究進展，針對大（dà）口徑光學元（yuán）件（jiàn）磨削和拋（pāo）光兩個加工流程及其（qí）配套的精密（mì）檢測技術，詳細闡述了磨削裝備及單元技術、可（kě）控氣囊拋光機床及相（xiàng）關單元技術、精密檢（jiǎn）測裝備及（jí）相關單元技術（shù）等的研究應用情況。這些技術研究從超精密加工的需求出發，借鑒（jiàn）國內外（wài）的研究經驗和成果，通過對裝備（bèi）、工藝、檢測等各方麵整合，形成了具有自主知識產權的集磨削、拋光和檢測裝備及工藝技術的大口徑光學元件超精密加工體係，這些技術與裝備（bèi）確（què）保了大口徑光學元件的高質量超精密加工。

關鍵詞：大口徑光學元件；超精密加工；磨削加工裝備；氣囊拋光；精密檢測；磨床（chuáng）

郭（guō）隱彪博士、教授、閩江學者特聘教授

主要研究方向為光學超精密加工、先進裝備開發與（yǔ）研製。

光（guāng）學自由曲麵如非球麵等具備優越的光學性能，在同等功能要求條件下，可（kě）獲得成像質量更優、結構（gòu）更簡單、成本更低和重量更輕的儀器，是航空（kōng）航天和軍事國防（fáng）領域不可或缺的關鍵基礎元器件，廣泛應用於大型天文望遠鏡、激光核聚變裝置、紅外熱成像、醫療影像設備等民用（yòng）和國防尖端技術領域。在國家大光學工程任務以及光（guāng）電子（zǐ）消費（fèi）產（chǎn）品需求日益增長的牽引和推動下，其加工技術日益（yì）要（yào）求向高效、高精度、高質量方向發展（zhǎn）。大口徑光學元件超精密加工技術不僅（jǐn）取決於機（jī）床、刀具和工藝方法，還（hái）取決於測量和控製技術，即含機、光、電、傳（chuán）感技術和計算機技術等（děng），它是（shì）多種學科新技術成果的綜合應用，但也對許多高（gāo）新科技的發展與（yǔ）進步起著推動的（de）作用。大口徑光學元件的加工是衡量一個國家（jiā）先進製造（zào）技術水平和綜合國力的重要標誌，西（xī）方國家在該領域一直對（duì）我國實行技術禁運。因此，開展光（guāng）學元件超（chāo）精密加工技術的研究有助於確（què）保我國重要（yào）技術安全，我國“十二五”發展規劃中尤其做出了相關的指示，即《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》中關於“關鍵基礎件製造和批量生產的關鍵技術為製（zhì）造業的第一優先主題（tí）”的精神。

大口徑光學元件超精密加工，一般需（xū）要經過粗（cū）磨、精（jīng）磨、拋光和（hé）鍍膜等工序，以提高工件麵形精度，降（jiàng）低粗糙度和亞表麵（miàn）缺陷。這些工序中，大口徑光學元件的精磨與拋光（guāng）加工尤其重要，在很大程度上決定了（le）大（dà）口徑（jìng）光學元件（jiàn）的加工質量水平，其中，精密磨削基本確定了大口徑光學元件的麵形精度，同時為降低後續的拋光工作量，精密磨削過程中需（xū）盡量減（jiǎn）少在光學元件表麵形成過多的缺陷與破（pò）壞，而拋光加工是獲取超（chāo）光滑低缺陷損傷（shāng）光學表麵的必要（yào）保證，因（yīn）此，從保證大口徑光學元件加工質量的角度，精密磨削與高（gāo）精度拋光手段是相輔相成，必不可少的（de），而高（gāo）精度的機床裝備則是實現精密磨削與拋光（guāng）的前提保證。受技術瓶（píng）頸（jǐng）限製，當前的硬件設計和開發（fā）很難開發出絕對高精度的機床裝備，且代價太高，導致精密磨削與拋光加工大（dà）口徑（jìng）光學（xué）元件的同時不可（kě）避免地形成較大的加工誤差。

為獲得更高精（jīng）度和質量的光學元件，必須進一步補償加工以提高光學元（yuán）件的加工質量。而目前國內的光學測量與檢測（cè）裝備適應（yīng）範圍有限，一（yī）般口徑較小且成本高昂。同（tóng）時，作為獲（huò）取光（guāng）學元（yuán）件的加工尺寸與質（zhì）量信息（xī）的必要手段，大口徑光學元件測量裝備與評價技術的開發也同樣重要。可以說，精密磨削與拋光裝（zhuāng）備是獲得高精度大口徑光學元件的製造手段，而其精密檢測裝備與評價技術則是整個加工過程順（shùn）利進行的保障（zhàng），三者缺一不（bú）可（kě），都構成了大口徑光學元件精密製造的必然環節。因此，加強大口徑光學原件精密製造的研（yán）究，必須三管齊下，唯有攻克（kè）並掌握三者的技術瓶頸，才可真正實現並確保大口徑（jìng）光學元件的精密製造加工。

在激光核聚變和（hé）空天望遠鏡等大型光學工程（chéng）項目的驅動（dòng）下，西方發達國家，如（rú）美、日（rì）等國在大口（kǒu）徑光學元件的超精密製造技術已取得了重大進展。裝備方麵，美國 Livermore 國家實（shí）驗室開發了 LODTM 單點金剛石切削機床，可加工 Φ1400mm 的光學元件，麵形精度可達 PV ≤ 0.025μm，表麵粗糙度 Ra≤ 5nm。英（yīng）國 Cranfield精密工程研究所研製的 OAGM2500超精密磨（mó）床（chuáng），可加工 Φ2000mm 的（de）非（fēi）球麵光學元件（jiàn），麵形精（jīng）度 PV ≤ 1μm。日本豐田（tián）工機研製的 AHN60-3D 複合機床（chuáng），磨削加工的（de）非軸對（duì）稱光學元件 PV 為 0.35μm，表麵粗糙度 Ra為0.016μm。加（jiā）工方法與工藝技術方（fāng）麵，為獲（huò）得高質量的（de）光學（xué）元件（jiàn）表麵形貌，日本理化所的 Ohmori 等提出了 ELID在線電解磨削方法，可實現光學（xué）元件的鏡麵加工。

在光學表麵完整性控製方（fāng）麵，基於小（xiǎo）工具加工的數控拋光技術（CCOS）、應力盤拋光技（jì）術（shù）、氣囊拋光技術、磁流變（biàn）拋（pāo）光技（jì）術（shù）和等離子體法等技術均可有效去除亞表麵（miàn）損傷層，並能有針對性地改善工件表麵質量和麵形精度。這（zhè）些先進的超精密加工技術，基本（běn）上解（jiě）決了大口徑光學元件加工問題，但是國外發達國家對我國（guó）進行嚴格技術和設備禁運，造成我（wǒ）國大口徑光學元件超（chāo）精密加工技術發展落後。

同時，國內（nèi）也充分意識到了大口徑光學元件在民用和國防軍事等（děng）領（lǐng）域應（yīng）用的重（chóng）要性，明確了加強大口徑光（guāng）學元件精密製造研究（jiū）的必要性，並（bìng）在相關項目的驅動下加緊了相關加工技術及裝備開發等（děng）各方麵研究。裝備方麵，中（zhōng）航精密（mì）機械研（yán）究所研製了 Nanosys-300 超精密複（fù）合加工機（jī）床，哈（hā）爾濱工業大學（xué）研製了大型曲麵超精密複合加工機床，均可實現光學非球（qiú）麵的加工。國防科技大學（xué）研製的光（guāng）學數控加工機床（AOCMT），最大加工能力為 650mm，對直徑 116mm 的碳化矽零（líng）件，銑磨（mó）成型的精度為 8.9μm，研拋後工件麵形（xíng）精（jīng）度 PV 為（wéi）（1/20~1/30）λ，表麵粗糙度 2~5nm。廈門大學研製了大尺（chǐ）寸矩形光學平麵精（jīng）密（mì）磨床。加工（gōng）工（gōng）藝方麵，廈門大學開發了光（guāng）學非球麵的計算（suàn）機輔（fǔ）助製造工藝軟件。

光學完整性控（kòng）製方麵，國防科技大學開展了計算機（jī）數（shù）控拋光技術（CCOS）的研究，哈（hā）爾濱工業大學、國防科技（jì）大學和（hé）中物院（yuàn）等（děng）單位均開發了磁流變拋（pāo）光機床，哈爾濱工業大學、浙江工業大學（xué）和廈門大學等研究了氣囊拋光技術並試製樣機。此外，廈門大學還開展了光學（xué）精密加工環境控製方麵的研究，擬通過非硬件途徑彌補硬件缺陷以提高光學元件的加工精度。

目（mù）前，在（zài）先進（jìn）軍事及空（kōng）間（jiān）光學係統、激光核聚（jù）變、大型天文望遠鏡工程等（děng）國家重大（dà）光學工程任務的需求牽（qiān）引下，我國大口徑光學元件製造和檢測技術得到了快速發（fā）展。就其關鍵工藝（yì）路線的裝備保證方（fāng）麵而言，實現大（dà）口徑光學元件超精密加工的前提基礎是要具備高精度磨削與拋光（guāng）加工設備，而（ér）大尺寸的高精度磨床與拋光裝備開發技（jì）術一直被公認為是要持續發展的技術、不可公開的技術和不可複（fù）製的技術，因此，高精度的（de）磨削與拋光及其配套的（de）檢測設備仍是製約我國超精密加（jiā）工技術發展的瓶頸。而且，實現大口徑光學元件的超精密加工，除了高精度磨拋裝備之外，還需（xū）要一係（xì）列關鍵的配套單元技術，這些配（pèi）套技術包括：超（chāo）精密（mì）磨拋加工工藝與技術、機床精度（dù）整合技術、超精密環境監控技術、工具修整（zhěng）和動靜平衡技術、計（jì）算機（jī）輔助製造和檢測軟件 , 以及檢測路徑規劃和對應的（de）補償加（jiā）工策略。

基於大口徑光學元件的發展（zhǎn）需求，廈門大（dà）學微納加工與檢測聯合實驗室課題組長時間以來深入地開展了大口徑光（guāng）學元件的精密磨拋裝備、加工工藝技術及計算（suàn）機（jī）輔助製造軟（ruǎn）件、配套的精密檢測裝備（bèi）與工藝等方麵的研究（jiū），並取得了較突出的科研成（chéng）果。本文以（yǐ）大口徑光學元件加工的關鍵磨拋工序為（wéi）主要論述對象，介紹（shào）了廈門大學課題組在實現大口徑光學元件高精度、高效率（lǜ）與高度自動化精（jīng）密加工的裝備開發及相關單元技術方麵的研（yán）究（jiū）情（qíng）況。大口徑光學元件（jiàn）精密磨削機床及單元技術（shù）大（dà）口徑光學元件一般采用脆性材料，且具備較大口徑和複雜麵形等特點，這（zhè）為其精密加工帶來了較大的困難（nán）和挑（tiāo）戰。

目前，硬脆性材料大（dà）口徑光學元件的精密（mì）加工步（bù）驟和程序一般為先毛坯銑磨加工去除多餘的（de）材料，然後粗磨到（dào）一定麵型精度，再（zài）通過精磨加工得到滿足其設計麵型精度的半成（chéng）品，最後再拋光去除表麵 / 亞表麵損（sǔn）傷層獲得超光滑的光學表麵，整個加（jiā）工過程較為複雜，需通過精密的工藝控製和檢測及補（bǔ）償加工實現。因此，為滿足大口徑光學元（yuán）件的精密加工（gōng），具備高剛度和高精度及穩定性等性能特點的機床不可或缺，其中大口徑精密磨床則首當其衝。目前，在精密磨床製造方麵，美（měi）國、日本、英國和德國等工業發達國家在國際上享有極高聲譽，代表產品如：英國 Granfield 大學精密（mì）工程研究（jiū）所（suǒ）研製的（de） OAGM2500 六軸數控超精密磨床，可（kě）用於超精密車削、磨削和坐標（biāo）測（cè）量；日本 Nagasei 公司擁有 SGC/SGE/N2C/NIC/RG 等係列的超精密磨（mó）床，可用於各種尺（chǐ）寸的非球麵（自由曲麵）、平麵超精密（mì）鏡麵加工；除此之外，Moore 公司的 Nanotech、Precitech 公司的 Freeform 係列、德國 Satisloh公司開發的 GII 係列、保寧機床公司的 ProfimatMT 係列和瑞士美蓋勒機床公司的 MFP 係列也達到了很高的加工精度。國內方（fāng）麵則稍顯落後，廈門大（dà）學微納（nà）米加工與檢測（cè）聯合實驗（yàn）室以（yǐ）國外先進的製造技術為借鑒，從我國大口徑光學元件超精密加工（gōng）需求出發，研（yán）製了多台大口徑高精（jīng）度臥軸矩台平麵磨床，本文將以（yǐ）開發的一台 2MK7160 平麵磨床及其單元技術為例進行說明。

1 、大口徑精密磨床的方案設計與樣機研製

為確保開發的大（dà）口徑平麵（miàn）磨（mó）床具備結構簡單、總體剛性好、磨削效率高等性能特點，研發首先通（tōng）過綜合分析，將機床的整個（gè）開發（fā）工作分解為關鍵部件、關鍵技術、輔助配套（tào）與電氣及數控係統（tǒng）等部位進行模塊化（huà）研究。機床整機確（què）定為立柱移動（dòng）式數控臥軸矩台平麵磨床結構，外圍加鈑金全防護罩防（fáng）護（hù）。改（gǎi）變傳統平麵磨床導軌結構形式，床身底座采用 T 形布（bù）局和分體鑄件形（xíng）式，提（tí）高工藝合（hé）理性。采用人工時效與自然時效相結合的辦法來保證基礎大（dà）件（jiàn）的長期（qī）穩定性。采用數字（zì）化設計和工程分析對設計方案進行充分論證，進行整機方案的（de）結構靜力學和動力學設計和分析，保證樣機整（zhěng）機性能。為提高工藝係統剛性，采用液體動靜壓軸承支（zhī）撐的砂輪主軸，實現（xiàn）高回轉精度和運動平穩性，各軸（zhóu）傳動係（xì）統由伺服電機帶動高精度滾珠絲杠，XY 方向采用液體靜壓導軌，並通過納米級分辨率的（de）線性光柵構成全閉環控製回路，導軌采用拚（pīn）塊結（jié）構，工藝性更加合理、剛性足，能實現高加工精度，從而保持高直線運動（dòng）精（jīng）度和高剛性。數控係統（tǒng）選用PANUC 31i 高端係統，基於 windows操作平台，操作簡單、靈活，易掌握。

磨床的輔助係統包括冷（lěng）卻係統、過濾裝置、潤滑係統，油水霧淨化裝置（zhì）等（děng）。其中關（guān）鍵配套技術均為自主開發，砂輪修整采用綠（lǜ）碳杯形砂輪修整方法並開發專用修整（zhěng）器，工件檢測以機床運動帶動高精度接觸式 /非接觸（chù）式傳感器實現，加工控製與工藝技術融合進計算機輔助製造（zào）軟件開發中，采（cǎi）用工作流設計方法，實（shí）現人與機床活動的自動化處理，采用視圖 / 文檔的設計（jì）模式，實現數據處理和用戶界（jiè）麵的分離。基於工控機的軟件開發模塊包括工件檢測、砂輪修整、加工監控，動平衡（héng）等係統。砂輪修整采用兩（liǎng）軸精密杯形（xíng）修整技術可保證金剛石砂輪形（xíng）狀精度和（hé）平麵、圓弧砂輪修整，實時現場（chǎng）動平衡檢測，減少（shǎo）主軸係統引（yǐn）入誤差，從而提高工件加工精度。加工監控消（xiāo）除機床振動影響，最大限度地消除加工表（biǎo）麵 / 亞表麵損傷。采用高壓冷卻水帶走磨削過程中的磨削（xuē）熱量（liàng）和切屑，提高加工表麵性能，並采用油霧淨化器消除霧化的磨削液以淨化機床加工空間（jiān）。同（tóng）時獨立於高精度設備、技術人員及技術水平之外的外部環境的加工（gōng）環境控製技術，保證高精度加工不受環境限製，最終實現了精密溫控係統、多層次（cì）消振技術、超精密淨化相關技術。設計後的（de）磨（mó）床參數為：工作台加工範圍 800mm×600mm，各軸分辨率0.1μm，主軸采用（yòng）動靜壓支承技術，最高轉速 3000r/min，X 軸移動速度最大 20m/min，Y、Z 兩軸移動速度最大 5m/min，數控係統采用 FANUC 31i 係列，砂輪修整器采用 GC 杯形砂（shā）輪修整器。圖 1 為設計開發的2MK7160 大口徑臥軸矩台平麵磨床。

圖1 大口（kǒu）徑臥軸矩台精（jīng）密磨床2MK7160及其（qí）輔（fǔ）助配套係統

2 、液體靜壓支承技術（shù）

液（yè）體靜壓具（jù）備動靜摩擦係數相差級小、運動平滑、高剛度、可吸（xī）收振（zhèn）動（dòng）、承受大負載和動態響應快等特點，為保證工藝係（xì）統（tǒng）的剛（gāng）度和運動（dòng）精度，磨床采用了閉式的液體靜壓支承技術，並開發（fā）了拚塊（kuài）式靜壓導軌結（jié）構，該結構簡單且剛性好，極大地降低了常用閉式靜壓導軌的（de）加工和（hé）裝配調試難度，且拆裝更為方便。開發的拚塊式（shì）導軌技（jì）術首（shǒu）先應用於第一台開發的 MK7160 大口徑平麵磨床（chuáng）的水平 X 軸上，並在成功後將其首次應用於 2MK7160 大口徑磨床的垂直Z 軸上，研究（jiū）發現應用於（yú）垂直 Z 軸上的拚塊式導軌支承性能良好，優於傳統的接（jiē）觸式導軌結構。圖 2 是開發的拚塊式液體靜壓（yā）導軌結構及應用實例。

圖2 拚塊式液體靜（jìng）壓導軌

3 、砂輪（lún）修整技（jì）術及裝（zhuāng）置

光學元件一般為硬脆性材料，加（jiā）工難度大，砂輪極易磨損而喪（sàng）失加工能力。為保證金（jīn）剛石砂輪磨粒尖銳性和麵型精度，必須開發適應用於圓弧金剛石砂輪的修整技術，從而實現圓弧金剛石砂輪的修形和修銳以保證其加工能力。課題（tí）組提出了如圖 3 所示的（de）圓弧金剛（gāng）石砂輪的杯形圓弧包（bāo）絡修整方法，通過（guò）杯形砂輪的包（bāo）絡運動實（shí）現圓弧金剛石砂輪的（de）修形和修銳。技術的實施上，機床提供修整運動所需的橫向往複運動和金剛石砂輪主軸的回轉運動，修整裝置提供（gòng）杯形砂輪的擺動、修整進給和杯形砂輪回轉運動。修整（zhěng）過程（chéng）中，杯（bēi）形砂輪上脫落的磨粒（lì）將對金剛石砂輪磨粒與結合（hé）劑產生衝擊和研（yán）磨作用，從而完成（chéng）對圓弧金剛石砂輪的修整。輔助工（gōng）藝與係（xì）統方麵，開發集砂（shā）輪（lún）麵（miàn）形精度測量、誤差建模、半徑補償、修整工藝等關鍵單元技術在內的杯形（xíng）砂輪包（bāo）絡修整計算機輔助（zhù）加工軟件，並可實現圓弧金剛石砂輪修整裝置與機床的（de）多軸聯動控製。圓弧金剛石砂輪的杯形（xíng）砂輪包絡修正方法及裝置的開（kāi）發，極大地保證了圓弧砂輪的加工性能（néng）並提高了其加工效率。該修整技術的最大特點是其修整的對象不局限於金屬結合劑圓弧金剛石砂輪，也適合（hé）於樹脂結合劑砂輪（lún）和陶瓷（cí）結合劑砂（shā）輪的修整。

圖3 2軸（zhóu）杯形砂輪修整裝置

4 、計算機輔助製造(CAM)軟件

大口徑非球麵屬於典型（xíng）的麵型複雜工件（jiàn），加工難（nán）度較大，磨床各運動軸需協同控製運動才可（kě）完成。此外，機床機械係統特性（xìng）均（jun1）存在一定極限，在其性能不能進一步改善時，則需通過（guò）工藝的優化。為保證磨削的加工精度同時（shí）保證充分發揮數控磨床精度特性，需根據不（bú）同類型工件和具體磨床結構方式，選擇合理有效的加工工藝和加工規劃，優化磨削加（jiā）工參數（shù）以提高麵形精度和減小（xiǎo）磨削亞表（biǎo）麵損傷。其中加工補償控製方法（fǎ）是關鍵。為此，課題組提出了一係列的非（fēi）球麵麵型插補方案和（hé）控製策略，並對其進行優化，建立了基於誤差檢測評價數據的建模補償技術；同時為延緩砂輪磨損，保證（zhèng）砂輪的加工能力，深入分析（xī）了圓弧砂輪的磨損機製，針對性地（dì）提出了砂（shā）輪均勻磨（mó）損與速度控製技術，有效提高砂輪壽命；針對非球麵加工中的圓弧半徑誤差，提出分離檢測誤差成分（fèn）並進行補償加工以提（tí）高（gāo）加工精度；為提高砂（shā）輪修整效率，提出砂輪修整參數優化技術。基於上述的工藝優化方案，合理製定了（le）加工工藝，配合計算機（jī）技術，特（tè）別是利用計算機輔助製造和測（cè）量，實現對（duì）加工過程信息自動處理及控製，提高加工過程自動化和（hé）加工效率；並研究數控伺服係統及微（wēi）位移控製，進行不（bú）同工（gōng）件加工方法分析、軌（guǐ）跡規劃（huá）及編程優化，確保（bǎo）加（jiā）工中對機床的正（zhèng）確使用、數控加工特點（diǎn）的發揮和工件的加工精度（dù）。

圖4 大口徑非球麵精密磨削加（jiā）工計算機（jī）輔助製造軟件

如圖 4 所示是課題組開發的用於實（shí）現超（chāo）精密磨削（xuē）的計算機輔助製造（CAM）係統（tǒng）軟件，其功能模塊包括（kuò）磨（mó）削加工、麵形（xíng）測量、磨削補償、麵形擬合和環境監控等，輔助製造係統軟件的應用可使整個磨削過程更加高效、便捷（jié）。CAM 軟件的開發可使大口徑光學非球麵的精密（mì）磨（mó）削加工數控編程自動化，同時（shí）集成了磨削加工（gōng）過程關鍵技術，包括工藝分析設計、參（cān）數輸入、加工軌跡（jì）數（shù）學處理、程序編製、工件測量、砂輪修整（zhěng）、加工監控、機床通信等功能模塊，各功能模塊的聯係和功能如圖5 所示。

圖5 計算機輔助製造軟件功能模塊關係圖

光學元件可控氣囊拋光機床及單元技術

硬脆性材（cái）料在去除過程中，極易發生脆性（xìng）斷裂破壞從而使加工表麵較為粗糙（cāo）。常規而言，大口徑光學元件在精密、超精密磨削成形加工後常需進行拋光等（děng）光整加工，目的是去除前道工序形成的表麵變質層和損傷，並使工件表麵超光滑（huá）化。但拋光加工易破壞工件的麵型精度，因（yīn）此常需采（cǎi）用後續的修正拋光加工以獲得高麵型精度的大口徑光學元（yuán）件。傳統的光學元件麵形（xíng）修（xiū）正方（fāng）法（fǎ）由於加工（gōng）周期長、麵形收斂慢等（děng）缺點很難適應現代光（guāng）學係統的發展需求，故出現不少先進的現代拋光方法（fǎ），例如（rú）小（xiǎo）磨頭數控研（yán）拋、應力盤（pán）拋光、離子束拋光（guāng）、磁流變拋光和（hé）可控氣囊拋光等確定性拋光技術。

在新出現的幾（jǐ）種（zhǒng）確定性拋光技術中，小磨頭數控（kòng）拋光是采用最廣泛的一種。該技術具（jù）備可拋光修正複雜自由曲麵工件麵型的優（yōu）點。為降低拋光盤與工件表麵間幹涉對（duì）工件精度的影響，小磨頭數控拋光的工（gōng）具尺寸一般較小，導致其在采用規律性的加工路徑時易在元件表麵形成中高頻誤差（chà）。美國亞力桑那大學提出的應（yīng）力盤拋光技術能克服這個（gè）問題，但（dàn）其修形能力較弱，控（kòng）製複雜（zá），且小磨頭和應力盤均屬於接觸式加工方法（fǎ），加工中盤麵和元件的接觸易（yì）導致元件發生彈性形（xíng）變使元件麵形難（nán）以加工到較高精度。離子束拋光技術雖可實現局部修正拋光加工，但是其拋光效（xiào）率極低，且對加工環境要求極（jí）高，成（chéng）本高昂。相比之下，磁流變拋光和可控氣囊拋光技術屬於柔性拋光（guāng）技術（shù），能夠實現很高的加工精度，但磁流變拋光成本（běn）很（hěn）高，導致其很難應用於（yú）凹曲麵以及大口徑高陡度工件的加工。基於上述分析，課題組有（yǒu）針對（duì）性地開發了可控氣（qì）囊拋（pāo）光技術及其機床。

1 、可控柔（róu）性氣（qì）囊拋光機床的開發

柔性氣囊拋光技術首先由英國倫敦光學實（shí）驗室的 Walker 教授提出，後由英國 ZEEKO 公司開發成係列的產品。課題組在消化（huà）吸收其產（chǎn）品的基礎上，開發了國內首台可控柔性（xìng）氣囊拋光機床及單元技術（shù）。如圖 6 所示，氣囊拋光機床整體采用龍門結（jié）構，分別由工作（zuò）台底座、立柱（zhù）橫（héng）梁、中溜板（bǎn）與主軸箱結構組成。兩氣囊（náng）拋光（guāng）機床（chuáng）的核（hé）心部件，在結構設計中不僅要保證整個（gè）機構的運動精度還要為滿足附加功能而預留足夠（gòu）的位置空間。氣囊拋光采用進動（dòng）式的加工方式，即拋光（guāng）加工過程中氣（qì）囊主軸始（shǐ）終與工件局部法線成固定的進（jìn）動角。為了方便控製氣（qì）囊自轉軸的空間位姿，兩軸（zhóu）氣囊拋光工具由兩個旋轉軸 Z1和Z3來控製氣（qì）囊主軸 Z2在空間位姿的變化，同時（shí）兩軸氣囊拋光工具的 Z1、Z3和 Z2軸相交（jiāo）於氣（qì）囊頭（tóu）的球心。通過對運動空間的理論分析計算當 Z1軸和 Z3軸在空間成 45°時，即整個機構的空（kōng）間角度為 45°，整個（gè）氣囊拋光（guāng）工具的空間運動範圍與剛度最合適。

圖6 可控氣囊拋光樣機模型和實物圖

2 、柔（róu）性可控氣囊（náng）設計及其修整技術

為避免剛性拋光頭損傷自由曲麵麵型，氣囊拋光機床（chuáng）采用具有一定充氣（qì）壓力的球冠形（xíng）氣囊作為拋光工具，這樣不僅（jǐn）可以保證拋光頭與被拋光（guāng）工件表麵吻合性（xìng）好，而且可以通過調（diào）節氣囊內部壓力（lì）控製拋光效率和被拋光工件的表麵（miàn）質量。為此，柔性氣囊拋光方法是一（yī）種極具發展潛力（lì）的拋（pāo）光方法，尤其適用於非球（qiú）麵和自由曲麵的拋光（guāng）。柔性氣囊拋光加工采用一種獨特的進動運動方式，即拋光過程中，氣囊自轉（zhuǎn）軸始終（zhōng）與工件局部法線呈固定角度 ( 稱進動角 ) 進行拋光，通過特定的加工（gōng）軌跡與路徑控製，可以在接觸區形成雜亂的加工痕跡，生成接近高斯分布的去除函數，這種加工方式有助於（yú）降低拋（pāo）光表（biǎo）麵中頻誤差的形成，正是基於這個（gè）特點，氣（qì）囊拋光加工技（jì）術具備廣泛應用（yòng）於大口徑自由曲麵元件的去中頻（pín）誤差修正加工。

為（wéi）確保氣囊加工可適用於不同的加工對象，課題組（zǔ）研究了不同結構（gòu）形式的氣囊拋光頭，以（yǐ）獲得不同（tóng）變形（xíng）模式和剛度的拋光頭，包括純橡膠氣囊頭、內置鋼網橡膠氣囊頭和內置（zhì）薄鋼板氣囊頭等多種形式，並有針（zhēn）對性地研究了各種氣（qì）囊頭的變形特性（xìng）和去（qù）除函數。圖（tú） 7 所示是其中開發的內置鋼網的柔性氣囊拋光頭。

圖7 設計的柔性氣囊及其結構（gòu）

圖8 離線氣囊修整裝置

為了進一步提（tí）高加（jiā）工效率，減少氣囊拋光頭修整耗（hào）時，課題（tí）組將氣囊頭修整工序分離，設（shè）計並增加了離線氣囊修整（zhěng）裝置，開發了（le）如圖（tú） 8 所示的離線氣囊修整裝置，該裝置由底座、擺動電機、擺動底座、擺動導（dǎo）軌、進給電機、導軌、砂輪底座、砂（shā）輪（lún）主軸電機、修整砂輪、拋光頭電機、防護裝置等部分組成。擺動電機固定在底座的底部，通過（guò）減速機與擺動（dòng）底座相連，導軌固定在（zài）擺動底座上，進給電機與進給主軸通過導軌帶動（dòng）砂輪底座完成進給運動，砂（shā）輪主軸電機通過聯軸器帶動修整砂輪旋轉，完成修整砂輪的運動。拋光（guāng）頭部分底座通過螺釘固定在底座的一端，氣囊拋光頭由皮帶（dài）輪與拋光頭電機帶動旋轉。

在氣囊（náng）頭（tóu）離線修整加工中，氣囊頭（tóu）的修整由（yóu）橡膠氣囊頭的旋轉、砂輪主軸的（de）旋轉、進給軸進給（gěi）運動和擺（bǎi）動軸的擺動運動共同（tóng）完（wán）成（chéng）。同時，在防護（hù）罩的頂部安裝有氣囊頭動（dòng）平衡裝置，檢測（cè）氣囊頭在旋轉過程中的振動與轉速，方便對氣囊頭的平衡調（diào）整，提高修整精度。

3 、氣囊拋光仿（fǎng）真與運動控（kòng）製軟件

為確保氣（qì）囊（náng）拋光加工可實現預期（qī）功能，課題組充分研究了可控氣囊拋光的加工機理，將試驗與仿真相結合，確定不（bú）同工藝條件對拋光接觸區的影響，以及不同條（tiáo）件下氣囊拋光的靜態和動態去（qù）除函數，並研究了基於去除函數的拋光駐留（liú）時間算法。在研（yán）究基於運動（dòng）學理論（lùn）的氣囊（náng）拋光過（guò）程中進動控製（zhì）方法的基礎上（shàng），得出最高效的（de）進動控製算法。研（yán）究特別對連續進動拋光模式下（xià）的氣囊加工進行了深入的研究，尤其在壓力控製和（hé）位姿（zī）控製的基礎上分（fèn）別研究了如圖9 所示最優效率（lǜ）算法、剛度可控算法和四軸聯動控製算法等，並在此基礎（chǔ）上編製了柔性氣囊可控拋（pāo）光的仿真與運動控製軟件，該軟件具備手動和自動控製兩種模式，如圖 10 所（suǒ）示為開發的軟件界麵。該仿真與運動控製軟件極大地方便了氣（qì）囊拋光的運動規劃（huá）和運動控製，有效地促進（jìn）了氣囊拋（pāo）光加工的高度自動化。

圖9 開發的幾種氣囊拋光控製算法

圖（tú）10 氣囊拋光的仿真與運動控製軟件界麵（miàn）

大口徑光學元件精密檢測裝備及單元技術

大口徑光學元件的加工（gōng）一般經曆銑磨、磨削、拋光 3 個階段（duàn），為保證每道工序的加工餘量和精度，每個加工階段（duàn）都需要匹配（pèi）對應（yīng）的精度測量檢測技術。大口徑光學元件的加工過程中，磨削加工階段（duàn）主要是（shì）為了獲得較為接近設計要求的形狀精度，該階（jiē）段（duàn）獲得的麵型精度（dù）將在很大程度上決定後續麵型收（shōu）斂加工（gōng）的工作量，因（yīn）此其（qí）麵型精度的檢（jiǎn）測至關重要。一般而言，大口（kǒu）徑光學非球麵磨削加工階段麵型誤差檢測裝置的精度要求介於數十微米（mǐ）到亞微（wēi）米之間。基於（yú）此，課題組有針（zhēn）對性（xìng）地開發了大口徑光學元件麵型誤差的檢測技術。圖 11 所示（shì）是課題組開發的在位檢測（cè）係統，該檢（jiǎn）測係統將（jiāng）激光位移（yí）傳感（gǎn）器放（fàng）置於磨（mó）削主軸上，利用（yòng）磨床各軸的運動完成大口徑（jìng）非球麵元件的麵型檢測，可實現大口徑（jìng）光學元件的全口徑測量。該種檢測方式屬於在位式的，其特點是可以避免工件離線測量引入裝夾（jiá）、定位等誤差，實現對（duì）工件加工表麵精度（dù）進行測量，並可為補償加工提供加工誤（wù）差數據。圖 12 所示為利用在位（wèi）檢測係統檢測大口徑非球麵（miàn）光學元件（jiàn）初始加工和補償加工後的麵（miàn）形（xíng）精（jīng）度圖，經過 3 次補償加工後麵形精度（dù） PV 值由 7.77μm 下降到4.67μm。

圖11 在位檢測係統

圖12 初始加（jiā）工的補償（cháng）加工麵形精度

圖13 大口徑光學元件檢測裝置（zhì）

此外（wài），課題（tí）組還分別開發了中大口徑（200mm×200mm）和大（dà）口（400mm×400mm）光學元件的三維輪廓測量離線精密檢測平台。圖 13為其中的大口徑離線精密檢（jiǎn）測平台，該平台采（cǎi）用固定橋式結構，XYZ 軸行程分別為（wéi） 400mm×400mm×150mm，各軸定位精度為 ±1μm，整體設計測量精（jīng）度（dù）目標為 ±3μm。檢測平台采用一種上（shàng）下位機的多 CPU 結構，上位機實現（xiàn）係統管理、數據處理及人機界麵等功能。下位機由運動控製和數據采集兩個模塊組成（chéng），實現實時的運動控製和數據采樣（yàng）、分析及處理功能。平台（tái）采用接觸式和非（fēi）接觸式雙探測係統，可針對不同工件需求實現工件麵形數據的實時采集，采集後的麵形（xíng）原始數據通過相（xiàng）關數據擬合（hé）算法和誤差分析（xī），可擬合出實際加（jiā）工後的工件（jiàn）麵（miàn）形，將擬合後的工件麵形與理想的非球麵（miàn）麵形比較，從而求出非（fēi）球麵麵形誤差和各種（zhǒng）像差等參數，為後續加工提供加工補償數據。

圖14 非球麵檢測軟件及功（gōng）能模塊

圖15 非（fēi）球麵光學（xué）元件的檢（jiǎn）測結果

為使檢測平台在大口徑非球麵元件檢測中（zhōng）更為便利，課題組還開發了（le）適應於（yú）大口徑（jìng）非球麵（miàn）元件檢測的非球麵測量係統軟（ruǎn）件，該軟件包（bāo）含如圖 14 所示的參數設定模塊、測量模（mó）塊（kuài）、數據分析模（mó）塊和評價模塊，具備非球麵頂點查找（zhǎo）、定位誤差補償、直線度與垂直度和平麵度誤差補償、測杆變形誤差補償等功能，該（gāi）軟件設有手動和自動兩種工作模式。圖 15 是利用（yòng）開發的大口徑（jìng）光學檢測平台和軟件測量得到的非球麵光學元件麵型及擬合偏差。該（gāi）檢測裝置和配套軟件（jiàn）的開發成功地為（wéi）大口徑光學（xué）元件的精密加工提供了強有力（lì）的精（jīng）度測量和補償加工保證。

結論

大口徑光學元件的精密製造加工屬於一個複（fù）雜的綜合性係統工程，其（qí）精密加工涉及難加工材料的去除機（jī）理與控製、精（jīng）密超精密機床開發、數控技術、精密檢測、加工（gōng）工具及修整、材料（liào）、加工狀態及環境（jìng）控（kòng）製、誤差評價（jià）及補償和加工技術與工藝等（děng）方麵，其（qí）中的每一項（xiàng）均是一個重要的研究方（fāng）向，對（duì）其深入係統的研究任重而道遠（yuǎn）。在相關大光學工程項目的資助下，廈門大學（xué）微納米加工與檢測（cè）聯合實（shí）驗室在大口徑光學原件的精密製造與（yǔ）檢測裝備方麵進行了較多的探索（suǒ），取（qǔ）得了一些實用的科研成果，主要體現在：

（1）開發了“T 型”布局的大口徑四軸精密磨床（chuáng），該機床采用液（yè）體靜壓支承（chéng）導軌、動（dòng）靜壓主軸及動平衡技術，配置（zhì）針對圓弧金剛石砂（shā）輪修整的杯形砂輪修整（zhěng）器，針對大口徑非球麵光學元（yuán）件（jiàn）的精密（mì）加工需（xū）求，開發了與該（gāi）磨床配合使用並包含多個關鍵單元功能模塊的計（jì）算（suàn）機輔助製造（CAM）係統。

（2）開發了大口徑柔性氣囊拋光機床（chuáng），拋（pāo）光機床（chuáng）采用（yòng） AB 擺五軸構，“T”型龍門布局，拋光頭采用柔性氣囊結構，具備壓力和姿態控製兩種加（jiā）工模式。研究設計了多種拋光加工（gōng）路徑（jìng）與駐留時間算法，並開發了精密拋光機床的（de）計算機輔助（zhù）拋光（CAM）係統。

（3）研製了中大口徑光學非球麵檢（jiǎn）測平（píng）台，測量平台具備接觸式與非接觸式兩種測量工（gōng）具與手段，並開發了（le）大口徑非球麵的測量與評價軟件，該軟件具備自動測量、數據分析、評價和補償等功能，可實現較高精度大口（kǒu）徑非（fēi）球麵的精密測量與評價。綜合分析當前的技術發（fā）展現狀可見（jiàn），雖然我國已經能加工出較高精度的大口徑光學元件，但相比國（guó）外先進（jìn）水平（píng）仍（réng）然存在較（jiào）大的提升空間，未來（lái）需要相關部門與研究機（jī）構及高校創新性的探索研究（jiū）相（xiàng）關新加工技術（shù）與方法、新的工藝、新的檢測技術，以期在此基礎上實現大口徑光學（xué）元件的高精度與高質量加（jiā）工，確保我國相關（guān）大工程項目和國防軍事等領域的建設與實施。在相關高端裝備及數控（kòng）領（lǐng）域方麵的攻關工作，也將幫助我國最終突破國外技術（shù）封鎖，全麵提升我國的精密製造技術及其裝備水平，確保我國的技術（shù）安全。

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