摘（zhāi） 要 光學玻璃被（bèi）廣泛（fàn）應用於激光技術、光電通訊、航空航天以及國防工業（yè）等領域。H402-AZ 數控專用平麵磨床是專門（mén）針對大尺寸平（píng）麵光（guāng）學玻璃零件，如激光（釹）玻璃、熔石英等加（jiā）工的需要而研製開發（fā）的（de）機床。該機床可大大縮短光學玻璃的後續研磨拋光時間，滿足超精磨平麵玻璃的批量生產。

       1 、機床用途

     光學玻璃是用於（yú）製造光學儀器或機械係統中光學元件（透鏡、棱鏡和反射鏡等（děng））的（de）玻璃材料的統稱。由於光學玻璃具有穩定的物理化學性能和高度的光（guāng）學均勻性，且耐磨性好、抗蝕性強，因此（cǐ）被廣泛應用於激光技術、光電通訊、航空航天以及國防工業等領（lǐng）域，已成為當前尖端科學技術中應用最（zuì）活躍的材料之一。隨（suí）著科學技術的不斷發展，現代光學工業對光學玻璃提出了精（jīng）度高、需（xū）求量大（dà）等苛刻要求。從精度方麵，要求光學玻璃具有麵形精（jīng）度高（Ra≤0.1 μm）、表麵粗糙度低（Ra≤12 nm）以及亞（yà）表（biǎo）麵裂紋少（shǎo）等；從需求（qiú）量方麵，以激（jī）光核聚變裝置所需的光（guāng）學玻（bō）璃為例， 美國國家點火裝置（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（yú）400 mm×400 mm）。

      當時美國光學（xué）製造業每年能提供大約200～300 個納米級的光（guāng）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（qí）生產能（néng）力提高10 倍。而（ér）我國現有的（de）光學元（yuán）件加工能力同樣無（wú）法滿足要求。

      由於光學玻璃具有硬度高、脆（cuì）性大的特點，在加工過程中極易產生表麵疵（cī）病與亞表麵損傷，屬於典型的難加工材料。其超光滑表麵成形技術及（jí）高效低成本加工工藝技術（shù）已經成為（wéi）國防科技、航空航（háng）天、電子信息等領域急需研究的重要課題（tí）。對於光學玻（bō）璃等硬脆材料，超精密磨削技術是實現（xiàn）超光（guāng）滑表麵的最（zuì）佳手段。因此，美國、德國、日本、英國等工
*國家科技重大專項項目編（biān）號：2011ZX04004-051業發達國家，對光學（xué）玻（bō）璃等硬脆材料的（de）超精密磨削加（jiā）工技術的（de）研究十分活躍，已開發出先進的高精度高剛度（dù）磨床，用（yòng）於硬脆材料的超精（jīng）密加工技術的研究，並且相關科研成（chéng）果被應用於國防及民用工業領域。近年（nián）來，光學玻璃等（děng）硬脆材料超精密磨削裝備及工藝技術研究已被列為重點資助（zhù）的科研內容。

     H402-AZ 數控專用平麵磨（mó）床就是“高檔數控機床與基礎（chǔ）製造裝備”科技重（chóng）大專項課題“超精密大尺（chǐ）寸光學玻璃平（píng）麵磨床”的產品，專門針對大尺寸平麵光（guāng）學玻璃零件，如激光（guāng）（釹）玻璃、熔石英等加工的需要而研（yán）製開發的超精密大尺寸平麵磨削加工機床，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（zhōng）實現應用提供依據。
 
 
      2 、機床主要參數

      H402-AZ 數控專用平（píng）麵（miàn）磨床采用龍門式臥軸矩台的結（jié）構布局方式（shì），配備高精度運動（dòng）功能（néng）部件（jiàn）、高分辨率測量與反饋係（xì）統以及高性能數控係統與伺服驅動係統，具有結構剛度高（gāo）、力熱穩定性好（hǎo）和加工精度高（gāo）的特點。另外，機床配備了在位測量係統，可完成大尺寸光學玻璃平麵度快速、精密、可（kě）靠檢測。超精密大尺寸光學玻璃平麵磨床結構，如圖1所示。
 

      2.1 機（jī）床主要（yào）技術（shù）規格參數

      工作台麵尺寸 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（lún）寬（kuān）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（zhì）量（liàng）（含夾具（jù）） 300 kg
      機床加工零件規格 450 mm×1 200 mm
      加工工件表麵粗糙度 Ra≤10 nm
      加（jiā）工工件的麵形精度（表麵平度）PV 3 μm

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

      2.2 機床控（kòng）製（zhì）係統及（jí）專用軟件開發
 
 
     基於西（xī）門子840D 數控係統，自主開發了超精（jīng）密大尺寸光學玻璃平麵磨削專用軟件。針對大尺寸光學玻璃磨削加工工藝特征，該磨削專（zhuān）用軟件能夠實現多個數控軸的可靠便捷控製。磨床主要數控軸（zhóu）包（bāo）括：磨頭（tóu） S 軸工作台（tái）水平運動 X 軸（zhóu）砂輪（lún）垂直進給（gěi） Y 軸砂輪垂直微進給 Y1 軸（zhóu）砂輪水（shuǐ）平進給 Z 軸砂輪水平進給（卸荷） Z1 軸測量架（jià）水平移（yí）動 X2 軸
測量儀（yí）垂直移（yí）動 Y2 軸測量儀水平移動 Z2 軸其中X、Y、Z、Z1 采用高精度閉環控（kòng）製，可以實現對砂輪架豎直切（qiē）入運動和橫向進給運動的控製、卸荷（hé）裝置同（tóng）步移動的控製等。數控係統可實現自動進給、自動（dòng）補償、自動（dòng）修整砂（shā）輪等自動循環。同時，機床（chuáng）還配有砂輪自動平衡係統，帶自動溫度（dù）控（kòng）製的砂輪主軸潤滑係統及帶（dài）磁性分離器和紙質過濾器的冷卻（què）液箱。
 

      3 、機床主要結構特點
 
 
     3.1 高剛度高穩定性床身
 
 
     床身采用整體花崗岩結構，由於花崗岩具有高阻尼、小振（zhèn）動、熱穩定（dìng）性佳等特性，可以保證（zhèng）磨床高剛度和高穩定性。如圖2 所示。

     
  
     圖2 床身結構

     3.2 工作台
 
 
     工作台麵采用整體花崗岩（yán）結構，在傳統閉式靜壓導軌（guǐ）的基礎上開發了高剛性、高精度的大平麵閉式靜壓（yā）導軌，以實現（xiàn）工作台的大行程、平（píng）穩、可靠的往複運動（dòng）。工作台采用SIEMENS 直線電機進行（háng）驅動，同時為了防（fáng）止直線電機的運動影響台麵，專門為直線電機設計了獨立的靜壓導（dǎo）軌。台麵的運動狀態由HEIDENHAIN 光柵係統進行（háng）閉環（huán）控製，從而保證了（le）工作台具有高精度、快速響（xiǎng）應的運動特性，如圖3 所示（shì）。

                          圖3 工作台（tái）結構
 

      3.3 立柱、滑座與橫梁
 

      雙立柱龍（lóng）門式布局如圖4 所示，可控製由於（yú）熱引（yǐn）起的機床變（biàn）形，立柱和橫梁采用花崗岩製成。砂輪橫向位移滑座置於固（gù）定（dìng）的橫梁上、安裝砂輪架的垂（chuí）直運動拖（tuō）板置於橫向位移滑座上。橫向位移和垂（chuí）直運動均采用SIEMENS 伺服電機直（zhí）接驅動高精度滾珠絲杠來完成（chéng），HEIDENHAIN 光柵位置反饋（kuì）。橫向位移滑座以及垂直（zhí）運動拖板的導軌同樣采用的是液體靜壓導軌。另外（wài）在垂直運動拖板上配（pèi）備了微量進給機構，可以實現砂輪架0.1 μm的微進給。

                 圖4 立柱（zhù）、滑座與橫梁（liáng）結構

     為了減少砂（shā）輪架滑（huá）座自重及其橫向位移引起的橫梁變形，在橫梁的正上方設置（zhì）了（le）卸荷裝置（卸荷橫梁（liáng）），如圖5 所示。用以承（chéng）擔砂輪架滑座的大部分（fèn）自重（chóng），並且通過HEIDENHAIN 光柵位置反饋實現卸荷裝置與砂輪橫向位移滑座的運動（dòng）同步，從而最大限度（dù）的（de）減少橫梁變形對磨削加（jiā）工的影響。

      
   
                       圖5 卸荷裝置結構

     3.4 砂輪架

     開（kāi）發了轉速範圍廣（guǎng）、高剛（gāng）性、高（gāo）精度砂輪靜壓（yā）主軸係統，如圖6 所（suǒ）示，以實現砂輪的高剛性（xìng）、高精度回轉運動（dòng）。砂輪軸采用（yòng）液體靜壓軸（zhóu）承（chéng）支（zhī）承，SIEMENS 內置式主軸電（diàn）機，采用冷卻液強製冷（lěng）卻主軸電機，砂輪主軸配備了（le）砂輪平衡裝置，配套的管理控製程（chéng）序能在循環中連續監測砂輪的情（qíng）況並立即對可能出現的不平衡量（liàng）進行（háng）補償。

                        圖（tú）6 砂輪（lún）架結構

     3.5 測量係（xì）統

     機床配備了激光幹（gàn）涉儀（yí）作為加工精度（dù）的在位測量係統，通過機床台麵（miàn）運動和測量拖板橫（héng）向運動（dòng），使激光幹涉儀（yí）的鏡頭可以掃描所有加工麵積（jī）。當機床進行磨削加工時，測量橫梁可以運動（dòng）到加工範（fàn）圍以外，如圖7 所示。

                         圖（tú）7 測量係統結構

      4 、結語（yǔ）
 
 
     超精密大尺（chǐ）寸光學玻璃平（píng）麵磨床是針對（duì）國家重要光學工程行業麵臨重大需求而（ér）研究開發的，是具有國際先進水平的超精（jīng）密加（jiā）工關鍵裝備。該項目的開發成功，能夠實現450×1 200 mm 光學玻璃的（de）高精度、高效率（lǜ）磨削，工件平麵度可達3 μm，大大縮（suō）短了後續研磨拋光的時間（jiān），可滿足激光武器、航空（kōng）航（háng）天等領域對超精密大尺寸（cùn）平麵玻璃的大（dà）批量需求，對我國天文（wén）科學、國家（jiā）重點工程和軍事裝備的發展具有重要意義，並將進（jìn）一步推動我（wǒ）國光學和激光領域製造裝備的技術突破，提升我國（guó）相關領域的核心競爭力和創新能力。