大口（kǒu）徑（jìng）光學元件的精密（mì）磨拋與檢測裝備開發及應用-數（shù）控機床市場網

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大口徑光學元件的精密磨拋與檢測（cè）裝備開（kāi）發及應用

2019-4-30 來（lái）源：廈門大（dà）學（xué）微納米加工與檢測聯合實驗室作者：郭（guō）隱彪彭雲峰王振忠畢果楊平

摘要（yào）：大口徑（jìng）光學元件超精密加工是一個複雜的係統性工程，涉及精密機床、數（shù）控、加工技術與工藝、精密檢測和（hé）補償控製等機電控各領域的專業知（zhī）識，其發展與一個國家的高端製造技術及裝（zhuāng）備發展能力（lì）息息相關，也是（shì）一個國家綜合國力的集中體現（xiàn）。主要介紹了廈（xià）門大學微納米加工與檢測聯合實驗室在大口徑光學元件超精密加（jiā）工技術及裝備方麵取（qǔ）得的研究進展，針對大口徑光學元件磨削和拋光兩個加工流程及其配套的精（jīng）密檢測技術，詳細闡（chǎn）述了磨削裝備及單元技術、可控（kòng）氣囊拋光機床及相（xiàng）關單元技術、精密檢測裝備及相（xiàng）關單元技術等的研究應用情（qíng）況。這些技術研究從（cóng）超精密加工的需求出發，借鑒國內外的研究經驗和成果，通過對裝備、工藝、檢測等各（gè）方麵整合（hé），形成了具有自主知識產權的集磨削、拋光和檢測（cè）裝備及工藝技術的大口徑光學（xué）元件超精密加工體係，這些技術與裝備確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（yuán）件；超精密加工；磨削加工裝備；氣囊拋光；精密檢（jiǎn）測；磨床

郭（guō）隱彪博士、教授、閩江學（xué）者（zhě）特聘教授，主要研究（jiū）方向（xiàng）為光學超精密加工、先（xiān）進裝備開發與研製

光學自由曲麵如非（fēi）球麵（miàn）等（děng）具備優越的光學性能，在（zài）同等功（gōng）能要求條件下，可獲得成像質量更優、結構更簡單、成本更低和重量（liàng）更輕的（de）儀器，是航空航天和軍事國防領域不（bú）可或缺的關鍵基礎元器件（jiàn），廣泛應用於大型天文望遠鏡、激光核聚變裝（zhuāng）置、紅外（wài）熱成像、醫療（liáo）影像設備（bèi）等民用和國防尖端技術領域。在國家大光學工程任務以及光電子消費產品需（xū）求日益增長的牽引和推動下，其加工技術日益要求向高效、高（gāo）精度、高質量方向發展。大口徑光（guāng）學元件超精密加工技術不僅取決於機床、刀具和工藝方法（fǎ），還取（qǔ）決於（yú）測量和控製技術，即含機（jī）、光、電（diàn）、傳感技術和計算機技術等，它是多種學科新技術成果的綜合應用，但也對許多（duō）高新（xīn）科技的發展與進步（bù）起著推（tuī）動的作用。大口徑光學元件的加工是衡量一個國家先進製造技術水平和綜合國力的重要標誌（zhì），西方（fāng）國家在該領域一直對我國實行技術禁運。因（yīn）此，開展光學（xué）元件（jiàn）超精密加工技術的（de）研究有助於確保我國重要技術安全，我國“十（shí）二五”發展規劃中尤其做出了相關的指示（shì），即《國家中長期科學和技（jì）術（shù）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（jì）術為製造業的第一優先主題”的精神。

大口徑光（guāng）學元（yuán）件超精（jīng）密加工，一般需要經過粗磨、精磨、拋光和鍍膜等工序（xù），以提（tí）高工件麵形精度，降低粗糙度和亞表麵缺陷。這些工序中，大口徑光學元件的精磨與（yǔ）拋光加工（gōng）尤其重要（yào），在很大程度上決定了大口（kǒu）徑光學元件的加工質量水平，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（shí）為降低（dī）後續的拋光工作量，精密磨削過程中需（xū）盡量減少（shǎo）在光學元（yuán）件表麵形成（chéng）過多的缺陷與破壞（huài），而拋光加工是（shì）獲取超（chāo）光滑低缺陷損（sǔn）傷光（guāng）學表麵的必要保證，因此，從保證大（dà）口徑光學元件加工質量的角度，精密磨削與高精度拋光手段是相輔相成，必不可少的，而高精度的機床裝備則是實現精密磨削與拋（pāo）光的前提（tí）保證。受技術瓶頸限製，當前的（de）硬件設計和開發很難開發出絕對高精（jīng）度的機床裝備，且代價太高，導致（zhì）精密（mì）磨削與拋光加工大口徑光學元件的同（tóng）時不可避免地形成較大的加工誤差。為獲得更高精度和質量的光學元件，必須進一步補償加工以提高光學元件的加工質量。而目前國內（nèi）的光學（xué）測量與（yǔ）檢測裝備適（shì）應範圍（wéi）有（yǒu）限，一般口（kǒu）徑較小且成本高昂。同時，作為獲取光學元件的加工尺寸與質量（liàng）信息的必要手段，大口徑光學元件測量裝備與評價技術的開發也（yě）同樣重要。可以說（shuō），精密磨削與拋光裝備是獲（huò）得（dé）高精（jīng）度大口徑光學元件的（de）製造手段，而其精（jīng）密檢測裝備與評價技術則是整（zhěng）個加工過（guò）程順利進行的保障，三者缺一不可（kě），都構成了大口徑光學元件（jiàn）精密製造的必然環節。因此，加強（qiáng）大口徑光學原件精密製造的（de）研究，必須三管（guǎn）齊下，唯有攻克並掌（zhǎng）握三者的技術瓶頸，才可真正實現並確保大（dà）口徑光（guāng）學（xué）元件的精密製造加工。

在激光核聚變和空天望遠鏡等大型光學工（gōng）程項目的驅動下（xià），西方發達國家，如美、日（rì）等國在（zài）大口徑（jìng）光學元件的超精密製（zhì）造技術已取得了（le）重大進（jìn）展。裝備方麵，美國Livermore國家實驗室開發了（le）LODTM單點金（jīn）剛石切削機床，可加工Φ1400mm的光學（xué）元件，麵形精度可達（dá）PV≤0.025μm，表麵粗糙度Ra≤5nm。英國Cranfield精密工程研究所研製的（de）OAGM2500超精密磨床，可（kě）加工Φ2000mm的非球麵光學（xué）元（yuán）件，麵形（xíng）精度PV≤1μm。日本豐田工機研製的AHN60-3D複（fù）合機床，磨削加（jiā）工的非軸對稱光學（xué）元件PV為0.35μm，表麵粗糙度Ra為0.016μm。加工方法與工藝技術方麵，為獲得高質量的光學元件表麵形貌，日本（běn）理化所的Ohmori等提出了ELID在線電解磨削（xuē）方法，可實現光學元件的鏡麵加工。在（zài）光學表麵完整性控製方麵，基於小工具加工的數控拋光（guāng）技術（CCOS）、應力盤拋光技術、氣囊拋光技術、磁（cí）流變拋光技術和等（děng）離子體法等技（jì）術（shù）均可（kě）有效去除亞表麵損傷層，並能有針（zhēn）對性地改善工件表麵（miàn）質量和（hé）麵形精度。這些先進的超精（jīng）密加工技術，基本上解決了大口徑光學元件加工問題，但（dàn）是國外發達國家對我國進行嚴格技術和設備禁運，造成我國大口徑光學（xué）元件超精密加工技術發展落後。

同（tóng）時，國內（nèi）也充分意（yì）識到了大（dà）口徑光學元件（jiàn）在民用和國防軍事等領域（yù）應用的重要性，明確了加強大口徑光（guāng）學元件精密製造研究的必要性（xìng），並（bìng）在相關項（xiàng）目（mù）的（de）驅動下加緊了相關（guān）加工技術（shù）及裝備（bèi）開發等各（gè）方麵研究。裝備方麵，中航精密機械研（yán）究所研製了Nanosys-300超精（jīng）密複合（hé）加工機床，哈爾濱工業大學（xué）研製了大型曲麵超精密複合加（jiā）工機（jī）床，均可（kě）實現光學非球麵的加工。國防科技大（dà）學研製的光學數控加工機床（AOCMT），最大加工能力為650mm，對直徑116mm的碳化矽零件，銑磨成型的精度為8.9μm，研拋後工件麵形精（jīng）度PV為（1/20~1/30）λ，表麵粗糙度2~5nm。廈門大學研製了大尺寸矩形光學平麵精密磨（mó）床。加工工藝方麵，廈門大學開發了光學非球麵的計算機輔助製造工藝軟件（jiàn）。光學（xué）完（wán）整性控（kòng）製方麵，國防科技大學開展了計算機數控拋（pāo）光技術（CCOS）的研究，哈爾濱工業大學、國防科技大學和中物院等單位均開發了磁流變拋光機床，哈爾濱工業大學、浙江工（gōng）業大學和廈門大學等研究（jiū）了氣囊拋光技術並試製樣機（jī）。此外，廈門大學還開（kāi）展了光學精密加工環（huán）境控製方麵的研究（jiū），擬（nǐ）通過非硬件途徑彌補硬件（jiàn）缺陷以提（tí）高光學元件的加工精度。目前，在（zài）先進軍事及空間光學係統、激光核聚（jù）變、大（dà）型天文望遠鏡工程（chéng）等國家重大（dà）光學工程任務的需求牽引下（xià），我國大口徑光學元件製造和檢測技術得到了（le）快速發展。就其關鍵工藝路線的裝備保證方麵而言，實現大口徑光學（xué）元件超（chāo）精密加工（gōng）的前提基礎是要具備高精度磨削與拋光加工設備，而大尺寸的高精度磨床與拋光（guāng）裝備開發技術一直被公認為是要持續發展的技術（shù）、不可公開（kāi）的技術和不可複製的技（jì）術，因此，高精度的磨削與拋光及其配套的檢測設備仍是製約我國超精（jīng）密加工技術發展的瓶頸。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，還需要一係列關鍵的配套單元技術，這些配套技術包括：超（chāo）精密磨拋加（jiā）工工藝與技術、機床精度整合技術、超精密環境監控技術、工具修整和動靜平（píng）衡技術、計算機輔助製造和檢測軟（ruǎn）件,以及檢測路徑規劃和對應的補償加工策略。

基於大口徑光學（xué）元件的發展（zhǎn）需求，廈門大學微納加工與（yǔ）檢測（cè）聯合實（shí）驗室課題（tí）組長時間以來深入地開展了大口徑光學元件（jiàn）的精密磨拋裝備、加工工藝技術及計算機輔助製造軟件、配套的精密（mì）檢測裝備與（yǔ）工藝等方麵的研究，並取（qǔ）得（dé）了較突出的科研（yán）成果。本文以大口徑光學元件加工的關鍵磨（mó）拋工序為主要論述對象，介紹了廈門大（dà）學課題（tí）組在實現大口徑光學元件高精度、高效率與高度（dù）自動化精密加工的裝備開發及相關單（dān）元技（jì）術（shù）方麵的研（yán）究情況。

大口徑光學元件精密磨削機床及單元技術

大口徑光學元件一般采用脆性（xìng）材料，且具備較大口徑和複雜麵形等特點（diǎn），這為（wéi）其精密加工帶來了較大的（de）困（kùn）難和挑戰。目前，硬脆性材料大口徑光學元件的精密（mì）加工（gōng）步驟和程序一般為先毛坯銑磨加工去除多餘（yú）的材料（liào），然後粗磨到一定麵型精度，再通過精磨加工得到滿足其設計麵型精度的半成品，最後再拋光去除表（biǎo）麵/亞表麵損傷層獲得（dé）超光滑的光學表麵（miàn），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償加工實現。因（yīn）此，為滿足大口徑光學（xué）元件的精密加工，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（zé）首當其衝。目前，在精密磨床製造方麵，美國、日本、英國和德國等工業（yè）發達國家在國際上享（xiǎng）有極高聲譽，代表產品如：英國Granfield大學精密工程研究所研製的OAGM2500六軸數控超（chāo）精密磨床（chuáng），可用於超精密車削、磨削和坐標測量；日本Nagasei公司擁有（yǒu）SGC/SGE/N2C/NIC/RG等係列的超精密磨床，可用於各種尺寸的非球麵（自由曲麵）、平麵超精密鏡麵加工；除此之外，Moore公司的Nanotech、Precitech公司的Freeform係列、德國Satisloh公司開發的（de）GII係列、保寧機床公司的Profimat MT係列和瑞士美蓋勒機床公司（sī）的MFP係列也達到（dào）了很高的加工精度。國內方麵則（zé）稍顯落（luò）後，廈門大學微納米加工（gōng）與檢測聯合實驗室以國外先進的製造技術為借鑒，從（cóng）我國大口徑（jìng）光學（xué）元件超精密加工需求出發，研製了多台大口徑高精度臥軸矩台平麵磨床，本文（wén）將以開發的一台（tái）2MK7160平麵（miàn）磨（mó）床及其單元技（jì）術為例進行說明（míng）。

1、大口（kǒu）徑精密磨床的方案設計與樣機研製

為確保（bǎo）開發的大口徑平麵磨床具（jù）備結構簡單、總體剛性好、磨削效率高等性能特點，研（yán）發首先通過綜合分析，將機床的（de）整個開發工作分（fèn）解為關（guān）鍵部件、關鍵技術、輔助配套與電氣及（jí）數控係統等部位進行模塊化（huà）研究（jiū）。機床整機確定為立柱移動（dòng）式數控（kòng）臥軸矩台平麵磨床結構，外圍（wéi）加鈑金全防護罩防護。改變傳統平麵磨（mó）床導軌結構形式，床（chuáng）身底座采（cǎi）用T形布（bù）局和分（fèn）體鑄件形式，提高工藝合理性（xìng）。采用人工時效與自然時效相結合的辦法來（lái）保證基（jī）礎大（dà）件的長期穩定性。采用數字（zì）化設計和工程分（fèn）析（xī）對設計方案進行充分論證，進行整機方（fāng）案的結構靜力學和動力學設計和分析，保證樣機（jī）整機性能。為提高工藝係統剛性，采用液體動靜壓軸承支撐的砂輪主軸，實現高回轉精度和運動平穩性，各（gè）軸傳動係統由伺服電機帶動高（gāo）精度滾珠（zhū）絲杠，XY方向采用液體靜壓（yā）導軌，並通過納米級分辨率的（de）線性光柵（shān）構成全閉環控製回路，導軌（guǐ）采用拚塊結構，工（gōng）藝性更加合理、剛性足，能實現高加工精度，從而保（bǎo）持高直線運動精度和高剛性。數（shù）控（kòng）係統選用FANUC 31i高（gāo）端係統，基於windows操作平台，操（cāo）作簡單、靈活，易掌握。磨床的輔助係統包括冷卻係統、過濾裝置、潤滑係統，油水（shuǐ）霧淨（jìng）化裝置等。其中關鍵配套技術均為自主開（kāi）發，砂輪修整（zhěng）采用綠碳杯形砂輪修整方（fāng）法並開發專用修整器，工件（jiàn）檢測以機床（chuáng）運動帶動高精度接觸式/非接觸式傳感器實現，加工控製與工藝技（jì）術融合進（jìn）計算機輔助製造軟件開發中，采用工作流（liú）設計方法，實現人與機床活動的自動化處理，采用視圖/文檔的設計模（mó）式，實現數（shù）據處理和用戶界麵的分離。基於（yú）工控機的軟件開發模塊包括（kuò）工件檢測、砂輪修整、加工監（jiān）控，動平衡等係統（tǒng）。砂輪修（xiū）整采用兩軸精（jīng）密杯形修整技術可保證（zhèng）金剛石砂（shā）輪形狀精度和平麵、圓弧砂輪修整，實時現場動平衡檢測，減少主軸係統引入誤（wù）差，從（cóng）而提高工件加工精度。加工監控消除機床振動影響，最大限度（dù）地消除加工表麵/亞表麵損傷。采用高壓（yā）冷（lěng）卻水帶走磨削過程中的磨削熱量和切屑，提高加工表麵（miàn）性能，並采用油（yóu）霧淨化器消除霧（wù）化的磨削液以淨化（huà）機床加工空間。同時獨（dú）立於高精度設備（bèi）、技術人員及技術水平之（zhī）外的外部環境的加工（gōng）環境控製技術，保證高（gāo）精度加工不（bú）受（shòu）環境（jìng）限製（zhì），最終實現了精密溫控係統、多層次消振技（jì）術、超精（jīng）密淨化（huà）相關技術（shù）。設計後的磨床參數為：工作台加工範（fàn）圍（wéi）800mm×600mm，各軸分辨率0.1μm，主軸采用動靜壓支承（chéng）技術，最高轉速3000r/min，X軸移動速度最（zuì）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（dà）口徑臥軸矩台平麵磨床。

2、液體靜壓支承技術

液體靜壓具（jù）備動靜摩擦係數相差（chà）級（jí）小、運動（dòng）平滑、高剛度（dù）、可吸收振動、承受大（dà）負載和動態響應快等（děng）特點，為（wéi）保證工藝（yì）係統的剛度和運動（dòng）精（jīng）度，磨床采用了（le）閉式的液體靜壓支承技（jì）術（shù），並開發了（le）拚塊式靜壓導軌結構，該結構簡單且剛（gāng）性（xìng）好（hǎo），極大地降低了常用閉（bì）式靜壓導（dǎo）軌（guǐ）的加工和裝配調試難度，且拆（chāi）裝更為方便。開發的拚塊（kuài）式導軌技術首先應用於第一台開發的MK7160大口徑平麵磨床的水平X軸上，並（bìng）在成功後將其首次應用（yòng）於2MK7160大口（kǒu）徑磨床的（de）垂直Z軸上，研究發現應用於垂直Z軸上的拚（pīn）塊式導軌支承性能良好，優於傳統的接觸式導軌結構。圖2是開發的拚塊式液體靜壓導軌結構及應用實例。

圖1 大口徑臥軸矩台精密磨床2MK7160及其輔助配套係統

圖2 拚塊式液（yè）體（tǐ）靜壓導軌

圖3 2軸杯形砂輪修整裝置（zhì）

3、砂輪修整技術及裝置光

學元件一般為硬脆性材料，加工難度大，砂輪極易磨損而喪失加工能力。為保證（zhèng）金剛石砂輪磨粒（lì）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（ér）實現圓弧金剛石砂輪的修形和（hé）修銳（ruì）以保證其加工能力。課題（tí）組提出了如圖3所示的圓弧金剛（gāng）石砂輪的杯形圓弧包絡（luò）修整方法（fǎ），通過杯形砂輪的包絡運動實現（xiàn）圓弧金剛石砂輪的（de）修（xiū）形和修銳。技術的實施上，機床（chuáng）提（tí）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（yùn）動，修整裝置提供杯形（xíng）砂輪的擺動、修整進給和杯形砂輪回轉運動。修整過程中，杯形砂輪上脫落的磨粒將對金（jīn）剛石砂輪磨（mó）粒與（yǔ）結合劑產生衝擊和研磨作用，從而完成對圓弧金剛石砂輪的修（xiū）整。輔助工藝與係統（tǒng）方麵，開發集砂輪麵形精度測量、誤差建模、半（bàn）徑補償、修整工藝（yì）等關鍵（jiàn）單元技術在內的杯形砂輪包絡修整計算機輔助加工軟件，並可實現圓弧金剛石砂（shā）輪修整裝置與機床的多軸聯動控製。圓弧金剛石砂輪的杯形砂輪包絡修正方法及裝（zhuāng）置的開發，極（jí）大地保證了圓弧砂輪的加工性能並提高了其加工效率。該修整技（jì）術的最大特點（diǎn）是（shì）其修整（zhěng）的對（duì）象不局限於金屬結合（hé）劑圓弧金剛石砂輪，也適合於樹脂結合劑砂輪和陶瓷結合劑砂輪的修整。

4、計算機（jī）輔助製造(CAM)軟件

大口徑非球麵屬於典型的麵型複雜工件，加工難度較大（dà），磨床各運動軸需協同控製運動才可完（wán）成。此外，機床機械係統特性均存在一定極限，在其性能（néng）不能進一步改善時，則需通過工藝的優化。為（wéi）保證磨削的加工精（jīng）度同時（shí）保證充分發揮數控磨床精度特（tè）性，需根據不同類型工件和具體磨床結構方式（shì），選擇合理有效的加工工藝和加（jiā）工規劃，優化磨削加（jiā）工參數以（yǐ）提高麵（miàn）形精度和減小磨削亞表麵損傷。其中加工補償控製方法是關鍵。為此，課題組提出了一係列的非球麵麵型（xíng）插補方案和控製策略，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，保證砂輪的加（jiā）工能力，深入分析了圓弧砂輪的（de）磨損機製，針對性地提出了砂輪均勻磨損與速度控製技術，有效提高（gāo）砂輪壽命；針（zhēn）對非球麵加工中的（de）圓弧半徑誤差，提出分離檢測誤差成分並進行補償加（jiā）工以（yǐ）提高加工精度（dù）；為提高砂（shā）輪修整效率，提出砂輪修整參數優化（huà）技術。基（jī）於上述的工藝優化方案，合理製定了加工工藝，配合（hé）計算機技（jì）術，特別是利用計算機輔（fǔ）助製造和（hé）測量，實現對加工過（guò）程信息自動處理及控製（zhì），提高加工過程自動化和加工效率（lǜ）；並研究數控伺服（fú）係統及微位移控製，進行（háng）不同工（gōng）件加工方法分析、軌跡規劃（huá）及（jí）編程優化，確保加工（gōng）中對機床的正確使用、數控（kòng）加（jiā）工特點的發揮和工件的加工精度。如圖4所示是課題組開發的用於實現超精密磨削的計算機（jī）輔（fǔ）助（zhù）製造（CAM）係統軟件，其功能模塊包括磨削加工、麵形測（cè）量、磨削補償、麵形擬合和環境監（jiān）控等，輔助製造（zào）係（xì）統軟件的應（yīng）用可使整個磨削過程更加高（gāo）效、便捷。CAM軟件的開（kāi）發可使大口徑光學非球麵的精（jīng）密（mì）磨削加工數控編程自動化，同（tóng）時集成了磨削加工過程關（guān）鍵技術，包括工（gōng）藝分析設計、參數輸入、加工軌跡數學處理、程序編製、工（gōng）件測（cè）量、砂輪（lún）修整、加工監控、機（jī）床通信等功能模塊，各功能模塊的聯係和功能如（rú）圖5所示。

光學元件可控氣囊拋光機床及（jí）單元技術

硬脆性材料在去（qù）除過程中，極易發生脆性斷裂破壞從而使加工表（biǎo）麵（miàn）較為粗糙。常規而言，大口徑（jìng）光學元件在精密、超精（jīng）密磨削成形（xíng）加工（gōng）後常需進行拋光等光整加工，目的（de）是（shì）去除（chú）前道工序形成的表麵變質層和損傷，並使工件（jiàn）表麵超光滑化。但（dàn）拋光加工（gōng）易破壞工件的麵型精度，因此常需采用後續的修正拋光加工以獲得高麵型精（jīng）度的大口徑光（guāng）學元（yuán）件。傳統的光學元件（jiàn）麵形修正方法由於加工周期長、麵形收斂慢等缺點很難適應現代光學係統的發展需求，故出現（xiàn）不少先進的現代拋光（guāng）方（fāng）法，例如小磨頭（tóu）數控研拋、應力盤拋光、離子束拋光、磁（cí）流變拋光（guāng）和可控氣囊拋光等確定性（xìng）拋光技術。

在新出現的幾種確（què）定性拋光（guāng）技術中，小磨頭數控拋光是（shì）采用最（zuì）廣泛的（de）一種。該技術具備可拋光修正複雜自由曲麵工件麵（miàn）型（xíng）的優點。為降低（dī）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具尺寸一般較小（xiǎo），導致其在采（cǎi）用規律性的加工路徑時（shí）易在元件（jiàn）表麵形（xíng）成（chéng）中高頻誤差。美國亞力桑那大學提出的應力盤拋光技術能克服這個問題，但其修形能力較（jiào）弱，控製複雜，且小磨頭和應力（lì）盤均屬於（yú）接觸式加工方法，加工中盤麵和元件（jiàn）的接觸易導致元件發生彈性形變（biàn）使元件麵形難以加工到較高精度。離子束拋光技術（shù）雖可實現局部修正拋（pāo）光加工，但是其拋光效率極低，且對加工環境要求極高（gāo），成本（běn）高昂。相比之下（xià），磁流變拋光和可控氣（qì）囊拋光技術屬於柔性拋光技術，能夠實現很高的加工精度，但磁流變（biàn）拋光成本很高，導致其很難應用於凹曲麵以及大口徑高（gāo）陡度工件的加工。基於上述分析，課題組有（yǒu）針對性地開發了可控氣囊拋光技術（shù）及其機床。

1、可控柔性（xìng）氣囊拋光機床的開發

柔性（xìng）氣囊拋光技術首（shǒu）先（xiān）由英國倫敦光學實驗室的Walker教授提出，後由英國ZEEKO公司開發成（chéng）係列的產品。課題組（zǔ）在消化吸收其產品的基礎上，開發了國內首台可控柔性氣囊拋光機床及（jí）單元技（jì）術。如圖6所示，氣囊拋光機床整（zhěng）體采用龍門結構，分別由工作台底座、立柱橫梁、中溜（liū）板與主軸箱結構組（zǔ）成。兩

圖4 大口（kǒu）徑非球麵精密磨削加（jiā）工（gōng）計算機輔助製造軟件

圖5 計算機輔（fǔ）助製造軟件功（gōng）能模塊關係圖

圖6 可控氣囊拋光樣機模型和（hé）實物圖

軸（zhóu）氣囊拋光工具是整（zhěng）個氣囊拋光機床的核心部件（jiàn），在結構（gòu）設計中不僅要保證整個機構的運動精度還要為滿足附（fù）加功能而預留足夠的位置空（kōng）間。氣囊拋光采用進動式（shì）的加工方式，即拋光加工過程中氣囊主軸始終與工件局部法線成固定的進動角。為了方便控製氣囊自（zì）轉軸的空間位姿，兩軸氣囊拋光工具由兩個旋轉軸Z1和Z3來控製氣囊主軸Z2在空間位姿的變化，同時兩軸氣囊拋光（guāng）工具的Z1、Z3和Z2軸相交於氣囊頭（tóu）的球心。通過對運動（dòng）空間的理論分析計算當Z1軸（zhóu）和Z3軸在空間成（chéng）45°時，即整個機構的空間角度為45°，整個氣（qì）囊拋光工具的空間運動範圍與（yǔ）剛度最合適。

2、柔性可控氣囊設計及其修整技術

為避免剛性拋光頭損傷自由曲麵麵型，氣囊拋光機床采用具有一定充氣壓力的（de）球冠形氣囊作為（wéi）拋光工具，這樣不僅可（kě）以保證拋光頭與被拋光工件表麵吻合性好，而且可以通（tōng）過調節氣囊內部壓力控製拋（pāo）光效率和被拋光工件的表麵質量。為此，柔性氣（qì）囊拋光（guāng）方（fāng）法是（shì）一種極具發展潛（qián）力（lì）的拋光方法，尤其（qí）適用於非球麵和自由曲麵的拋光。柔性氣囊拋光加工采用（yòng）一種獨特的（de）進動運動（dòng）方式（shì），即（jí）拋光過程中，氣囊自轉軸始（shǐ）終與工件局部法線呈固定角（jiǎo）度(稱進（jìn）動角)進行拋光，通過特定的加工（gōng）軌跡與（yǔ）路（lù）徑（jìng）控製，可以在（zài）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降低拋光表麵中頻誤差（chà）的形成，正是（shì）基於這個特點，氣囊拋光加工技（jì）術具備廣泛應用於大口徑（jìng）自由（yóu）曲麵元件的去中頻誤差修正加工。

為確保氣囊加工可適用（yòng）於不同的加工（gōng）對象，課題（tí）組研究了（le）不同結構形式的氣囊拋光頭，以獲得不同變形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薄鋼板氣囊頭（tóu）等多種形（xíng）式，並（bìng）有針對性地研究了各種氣囊頭的變形特性和去除函數。圖（tú）7所示是其中開發的內置鋼網的柔性氣囊拋光頭。

為了進一步提高加工效率，減少（shǎo）氣（qì）囊拋光頭修整（zhěng）耗時，課題組將氣囊頭修整（zhěng）工序分離，設計並增加了離線氣囊修整裝置，開發了如圖8所示的（de）離線氣囊修整裝置，該裝置由底座、擺動電機、擺動（dòng）底（dǐ）座、擺動導軌、進給電機、導（dǎo）軌（guǐ）、砂輪底（dǐ）座、砂輪主（zhǔ）軸電機、修整砂輪、拋光頭電機、防護裝置等部分組成。擺動電（diàn）機固定在底座的底部，通過（guò）減速機（jī）與擺動底座相連，導（dǎo）軌固定在擺動底座上，進給電機與進給主軸通過導軌帶動砂輪底座完（wán）成進給運動（dòng），砂輪（lún）主軸電機通過（guò）聯軸器帶動（dòng）修整（zhěng）砂輪旋轉，完成修整砂（shā）輪的運動（dòng）。拋光頭部分底座通過螺釘固定在底座的一端，氣囊拋光頭由（yóu）皮（pí）帶輪與拋光頭電機帶動旋轉（zhuǎn）。在氣囊頭離線修（xiū）整加工中，氣囊頭的修整由橡膠氣囊頭的旋轉、砂輪主軸的旋轉、進給軸進給運動和擺動軸的擺（bǎi）動運動（dòng）共同完（wán）成。同（tóng）時，在防護罩的頂（dǐng）部安（ān）裝有氣囊頭動平衡裝置，檢測氣囊頭在旋（xuán）轉過程中的振動（dòng）與轉速，方便對氣囊頭的平衡調（diào）整，提高修整（zhěng）精度。

3、氣囊拋光仿真與運動控製軟（ruǎn）件

為（wéi）確保氣囊拋光加工可（kě）實現預期功能，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（jié）合，確（què）定不同工藝條件對拋光接觸區的影響，以及不同（tóng）條件下氣囊拋（pāo）光的（de）靜態（tài）和動態去（qù）除函數，並研究了（le）基於去除函數的拋光駐（zhù）留時間算法。在（zài）研（yán）究基於（yú）運動學理論的氣囊拋（pāo）光過程中進動（dòng）控製（zhì）方（fāng）法的基礎（chǔ）上（shàng），得出最高效的進動控製算法。研（yán）究特別對連續進動拋光模式下的氣囊加工進行了深（shēn）入的研究，尤其在壓力控製和位姿控製（zhì）的基礎上分別研究了（le）如（rú）圖9所示最（zuì）優效率算法、剛度可控算法（fǎ）和四軸聯動控製算法等，並在此（cǐ）基礎上編製了柔性氣囊可控拋光的仿真與運動（dòng）控製軟件，該軟件具備手動和自動（dòng）控製兩種模（mó）式（shì），如圖10所示為開發的軟件界麵。該仿真與運動控製（zhì）軟件極大地方便了氣囊拋光的運動規劃和（hé）運動控製，有效地促進了氣囊拋光加工的高度自動化。

大口（kǒu）徑光學元件精密檢測裝備及（jí）單元技（jì）術（shù）

大口徑光（guāng）學元件的加工一般經曆銑（xǐ）磨、磨削、拋光3個階段，為保證每（měi）道工序的加工餘量和精度，每個加工階段都需要匹配對應的精度測量（liàng）檢測技術。大口徑光學元件的加工過程中，磨削加工階段主要是為

圖7 設計的柔性（xìng）氣囊及其結構

圖8 離（lí）線氣囊修整裝（zhuāng）置

了獲得較為接近設計要求的形狀精度（dù），該階段（duàn）獲得的（de）麵型精度將在很大程（chéng）度上決定後續麵型收斂加工的工作量，因此其麵型精度的檢（jiǎn）測至關重要（yào）。一般而言，大口徑光學非（fēi）球麵磨削加（jiā）工階段麵型誤差檢測裝置的精度（dù）要求介（jiè）於數十微米到亞微（wēi）米之間。基於此，課題組有針對性地開發（fā）了大口徑光學元件麵型誤差的檢測技術。圖（tú）11所示是課題組開發的在位檢測係統，該檢測係統將激（jī）光位移傳感（gǎn）器放置於磨（mó）削主軸（zhóu）上，利用磨床各軸的運動完成大口徑非球麵元件的（de）麵型檢測，可實現大口徑光（guāng）學元（yuán）件的全口徑測量。該種檢測方式屬於在位式的（de），其特點是可（kě）以避免工件離線（xiàn）測量引入裝夾、定位等誤差，實現對工（gōng）件加工表麵精度進行測量，並可為補償加工提供加工誤差數據。圖12所示為利用在位檢測係統檢（jiǎn）測大口（kǒu）徑非球麵光學（xué）元件初始加工和補償加工後（hòu）的麵形精度圖，經過3次補償（cháng）加工後麵形精度PV值由7.77μm下降到（dào）4.67μm。

此外，課（kè）題組還分（fèn）別開發了中大（dà）口徑（200mm×200mm）和（hé）大口徑（jìng）（400mm×400mm）光學元件的（de）三維輪廓（kuò）測量離線（xiàn）精密檢測平台。圖13為其中的大口徑離線（xiàn）精密檢測平台，該平台采（cǎi）用（yòng）固定橋式結構，XYZ軸（zhóu）行程分別為400mm×400mm×150mm，各軸定位精度為（wéi）±1μm，整（zhěng）體設計測量精度目標為±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（liǎng）個模塊組成，實現實時的運動（dòng）控製和數據采樣、分析及處理功能。平台（tái）采用接觸式和非接觸式雙探測係統，可針對不同工件需求實

圖9 開發的幾種氣囊拋光控製算法

圖10 氣（qì）囊拋光的仿真與運動（dòng）控製軟件界麵

圖（tú）11 在位檢測係統

現工件麵（miàn）形數據的實時采集，采集後的麵形原始數據通過相關數據擬合算法和誤差分析，可擬合出實際加工後的工件（jiàn）麵形，將擬合後的工件麵形（xíng）與理想的非球（qiú）麵麵形比較，從而求出非球麵麵形誤差和各種像差等參數，為後續加工提供加工補償數據。

圖（tú）12 初始加工和補償加工麵形精度

圖13 大口徑（jìng）光學（xué）元件檢測裝置

圖14 非球麵檢測軟件及功能模塊

為使檢測平台在大口徑（jìng）非球麵元件檢測中更（gèng）為便利，課（kè）題組還開發了適應（yīng）於大口徑非球麵元件檢測的非球麵測量係統軟件，該軟件包含如圖14所（suǒ）示的參數設定模塊、測量（liàng）模塊、數據分（fèn）析模塊和評價（jià）模塊，具備非球麵頂點查（chá）找、定位誤（wù）差補償、直線度與垂直度和平麵（miàn）度誤差（chà）補償、測（cè）杆變形誤差補償等功（gōng）能，該軟件設有手動和自動兩種工作模式。圖15是利用開發的大口徑光（guāng）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。該檢測裝（zhuāng）置和配套軟（ruǎn）件的開發成（chéng）功地為（wéi）大口徑光學元件的精密加工提供了強有力的精度測量和補償加工保證。

結論

大口徑光（guāng）學元件的精密製造加工屬於一個複（fù）雜的綜合性係統（tǒng）工程（chéng），其精密加工涉及難（nán）加工材料的去除機理與控製、精密超精密機床開發、數（shù）控技術、精密檢測（cè）、加工工具及修整、材料（liào）、加（jiā）工狀態（tài）及環境控製、誤差評價及補償和加工技術與工藝等方麵，其中的每一項均是一個重要的研究方向，對其深入係統（tǒng）的研究任重而道遠。在相關大光學工程項目的資助下，廈門大學微納米加工（gōng）與檢測聯合實驗室在大口徑光學原件的精密製造與檢測裝備方麵進行了較多（duō）的探索，取得了一些實（shí）用的科研成果，主要體現在：

（1）開發了“T型”布局的大口徑四（sì）軸精密磨床，該（gāi）機（jī）床采用液體靜壓支承（chéng）導軌、動靜壓主軸及動平衡技術，配置針（zhēn）對圓弧金剛石砂輪修（xiū）整的杯形砂輪修整器，針對大口徑非球麵光學元件的精密（mì）加工（gōng）需求，開發了與該磨床配合使用並（bìng）包（bāo）含多個關鍵（jiàn）單元功能模塊的計算機輔助製造（CAM）係統。

（2）開發（fā）了大口徑柔性氣（qì）囊拋光機床，拋光機床采用AB擺五軸結構，“T”型龍門布局，拋光頭采用柔性（xìng）氣囊（náng）結構，具（jù）備壓（yā）力（lì）和姿態控製兩種加工模式。研究設計了多種拋（pāo）光加工路徑與駐（zhù）留時間算（suàn）法，並開發了精密拋光機床的計算機輔助拋光（CAM）係統。

圖15 非球麵光學元件的檢測結（jié）果

（3）研製了中大口徑光學非球麵檢測平台，測量平台具備接觸式與（yǔ）非接觸式（shì）兩種測量工具與手段，並開發了大（dà）口徑非球麵的測量（liàng）與評價（jià）軟件，該軟件具（jù）備自動測（cè）量、數據（jù）分析、評價和補償等功能（néng），可實（shí）現較高精度大口（kǒu）徑非球麵的精密測量與評價。

綜合分析當前的技術發展現狀可（kě）見，雖然我國已經能（néng）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）仍然存在較大的提升空間，未來需要相關部門與研究機構及高校創新性的探索研究相關新加工技術與方法、新的工藝、新的檢測技術，以（yǐ）期在此基（jī）礎上實現（xiàn）大口（kǒu）徑光學元（yuán）件的高精度與高質量加工，確保我國相關大工程項目（mù）和（hé）國（guó）防軍事等領域的建設與實施。在相（xiàng）關高端裝備及數控領域方麵的攻關工作，也將幫助我國最終突破國外技術封鎖，全麵提升我國的精密製造技術及其裝備水平（píng），確保我國（guó）的技術安全。

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