杭機股份（fèn）：大口徑光學元件（jiàn）超聲銑磨拋成套裝備
2023-5-29 來源（yuán）：機床協會 作者：-
一、產品亮點
浙江杭機股份有限公司（簡稱“杭機股份”）研發的（de）大口（kǒu）徑光（guāng）學元件（jiàn）超聲銑磨（mó）拋成套裝備，采用橋式框架移動式（shì）結（jié）構（gòu）布局，具有高剛性、高精度及強大的多手段揉合功能，配置超精密閉（bì）式靜壓回轉（zhuǎn）工作台，可自由統配超精密靜壓主軸、超聲刀柄、磨拋頭、應（yīng）力盤、磁流變組合及搖臂式輪廓度儀等關（guān）鍵部件，設（shè）備配置（zhì）有尋邊定位係統，可快速定位光學元件坐標，提高工作效率。設備可對3米（mǐ）級光學元件進（jìn）行超（chāo）精（jīng）密銑磨加工、多自由度快速研拋及高精（jīng）度（dù）測量，完成光學元件磨削、研拋、精拋、檢（jiǎn）測、確定性修形的全（quán）部加工工藝。
設備（bèi）配置（zhì）高精度絕對式光柵，保證機床軸係高精度；配置國產五軸（zhóu）聯動（dòng）數控係統，實現機床多手段、多（duō）組合的磨拋加工技術。最大限度（dù）地降低光學元件在超精（jīng）密磨削過程中（zhōng）的亞表麵損傷層深（shēn）度，提高加工精度和效率。加工精度為（wéi）拋（pāo）光階段麵形≤10nm，表麵粗糙度≤1nm RMS；機床（chuáng）精度（dù）為直（zhí）線軸重（chóng）複定位精（jīng）度≤1µm，靜壓主軸回轉精度≤0.2µm，靜壓轉（zhuǎn）台回轉精度≤0.5µm。
設備主要用於大口徑非（fēi）球麵反射鏡以及SiC/Si、光學玻璃高效光學元件的磨削、磨拋精密加工及在線輪廓測量，可完成光學（xué）元件磨削、研拋、粗拋、檢測、確定性修形的（de）全部加工工藝。
設備的研製成功，打破國內超大口徑空間光學（xué）反射鏡製造能（néng）力瓶頸，為我國航天等重點領域的大型（xíng）光學（xué）元件加工提供關鍵設備保障，對提高我國超大口（kǒu）徑光學元（yuán）件加工技術起到重要促進作用。
二（èr）、產品特點及技術（shù）水平
1. 產品結構特點
本機床采（cǎi）用龍門框架移動式結構布局（jú），由雙（shuāng）床身架、橫梁及橫梁支（zhī）座組成一個剛性框架結構，中間（jiān）是直徑3m的靜壓回轉工作台（C軸）。機床（chuáng）具有X、Y、Z三個（gè）平動軸，橫梁沿雙（shuāng）床身架上的導軌（guǐ）做縱向運動，橫梁沿左側床身架（jià）的縱向運（yùn）動為Y1軸，橫（héng）梁沿右側（cè）床（chuáng）身（shēn）架的縱向運動為Y2軸，橫梁通過Y1與Y2同步（bù）驅動實現縱向移動。
在橫梁上有兩套橫向拖板，橫向拖板沿橫梁導軌做橫向（xiàng）運動，橫向拖板的橫向運動為X1、X2軸。橫向拖板前部有垂直拖板，垂直拖板沿橫向拖板上（shàng）作垂直（zhí）升降運動，即Z1、Z2軸。
超精密非（fēi）球麵磨削主機垂直拖板下方可安裝超精密磨削主軸和搖（yáo）臂式輪（lún）廓儀測量（liàng）係統，主軸與垂直拖板之間安裝有一擺動分度軸——B1、B2軸，實現各磨頭和（hé）繞Y軸方向±100°擺（bǎi）動。非球（qiú）麵超精密銑磨設備B1、B2軸可安裝超精密磨削主軸（zhóu）和搖臂式輪廓測量裝置等；多（duō）自由度快速研拋設備B1、B2軸可自由選裝（zhuāng）小磨頭數控研拋裝置、應力盤研（yán）拋裝（zhuāng）置、磁流體（tǐ）拋光裝置和搖臂式輪廓測量裝（zhuāng）置等（děng）。
該（gāi）設備共有9個數（shù）控軸（6個直線軸、3個回轉軸），工作時需要進行5軸聯動控製。
2 .技術難點與（yǔ）創新點研究
（1）技術難點
①掌握2000mm直（zhí）徑超精密閉式靜壓工作台設計與製造（zào）技術；掌握大直徑閉式靜壓工作台的超高精度（轉台回轉精度≤0.5μm）的設（shè）計（jì）、製造、裝配方法，解決了（le）大直徑轉台回轉精度及穩定性問（wèn）題，形成關鍵零件加（jiā）工（gōng）和部件裝（zhuāng）配規範（fàn）。
②掌握高精度靜壓回轉工作台的全（quán）性（xìng）能測試（shì）方法，解決高精度功能部件製造裝配難、檢測難的問題。
③掌握長絲杠垂度誤（wù）差控製技術。由於設備X軸（橫向拖板左右運行）進給機構采用的是（shì）絲杠副傳動，絲杠跨度大於6m，為避免絲杠垂度的影響，需要更改或優化傳動機構。采用（yòng）螺母旋轉絲杠副（fù）傳動，並根據橫梁運行曲線適當調整確定絲杠（gàng）副的支（zhī）撐拉力（lì）。
④設備采用1µm級重複定位精度直線軸（zhóu）進給（gěi）機（jī）構設計、裝配（pèi）工藝方法、規範檢測（cè）方法，提高機床精度。
⑤優化龍門框架式移動結構設計與製造工藝，有效提高非球麵超精密銑磨設備的機（jī）床精度（dù），有效提升多自由度快速研拋設備的各（gè）軸加速度和移動（dòng）速度，提高設備加工效率。
（2）技術創（chuàng）新點（diǎn）
①高精（jīng）密靜壓工作台的設計製造裝配調試檢測技術；
②單機床複合多手（shǒu）段、多工位銑磨/研拋功能技術，拓（tuò）展功能化、模塊化、標準化設計設計方法，提（tí）高設備集成化，滿足光學元件對（duì）主機設備的多功能要求；
③大型機床（chuáng）動態和熱態特（tè）性分析及優化，掌握大型機床模態變化規律及優化方法。
（3）國內外研製情況
隨著光學製造（zào）技術（shù）的發展，針對地基（jī）、機載大口徑望遠鏡的研究已在全球掀起熱潮，而大（dà）口徑望遠鏡的需求對光學製造能力的牽引，掀起了全球光學製造行（háng）業的技術創（chuàng）新熱潮。美國Arizona大學、QED公司，德國CARL ZIESS、NTG，日本CANON，英國CRANFIELD等多家公司和研究機構均（jun1）推出了獨具特色的製造裝備和工藝，大口徑光學製造技術的研究和發展已經國際化。
針對RB‐SiC等硬脆材料加工中存在的問題，從20世（shì）紀 90年代開始，國外一些（xiē）公司開始研究（jiū）硬脆材料的超聲加工技（jì）術，開展超聲加工裝備研製。如（rú）DMG公（gōng）司（sī）開發了可用於加工陶瓷、RB‐SiC、C/C複合材料等難加工材料的超聲銑磨設備（bèi）。此外，奧（ào）地利 GFM公（gōng）司、德國（guó）GEISS公（gōng）司、法國CRENO公司都已研發出（chū）超聲加工專用機床，並成功（gōng）應用於（yú）航空航（háng）天製造等（děng）領（lǐng）域。
DMG公司開發的五軸超聲磨削加工中（zhōng）心
與國外先（xiān）進水平相比（bǐ），目前我國航空航天製造企業大都采用傳統的磨削方法加工光學材料構件，在加工質量、成品率、加工效率、工具磨損等（děng）方麵存在或多或少的（de）問題，顯示（shì）出自（zì）主研發（fā）的重（chóng）要性（xìng）。
近年來，我國經濟技術發展（zhǎn）迅猛，國力日漸強盛，未來（lái）也將需要建（jiàn）造（zào）自己的巨型天文望遠（yuǎn）鏡。在地基望（wàng）遠鏡（jìng）中，近期關於我國12m天文望遠鏡技術方案的爭論正在公開（kāi）進行，中（zhōng）外（wài）學者（zhě）們（men）紛紛公開發表自己的觀點，問題焦點集中於望遠鏡光學係統方案的選定和國際化（huà）問題，但本（běn）質上是方案的技術實現可行性問題。
研究直接麵向（xiàng）超大口徑反射鏡（jìng）的高效率、高精度（dù）製造問題，通過（guò）高效率（lǜ）製造裝（zhuāng）備的產業化和大口徑（jìng）製造工藝規範（fàn）化，實現大口徑光學元件的批量化（huà）生產，將為未（wèi）來製造巨型拚接主鏡提供強有力的（de）技術保障。
（4）技術水平
本設備（bèi）是公司第三代產（chǎn）品。第一代產品已經成功生產出4.13m大口徑反（fǎn）射鏡，經一代、二代技術累積（jī），在機床性能、精度、多手段（duàn）揉合技術（shù）方麵有進一步創新及應用。
綜合相關技術及（jí）產品應用要求，杭機研發的非球麵超（chāo）精密銑磨設備（bèi）/多自（zì）由（yóu）度快（kuài）速（sù）研拋設備，為我（wǒ）國光學產（chǎn）業升級、研發（fā）高性能光電產品（pǐn）提供可靠的技術保障（zhàng），補實了國內自主研製大型（xíng）光學元件的高精高效生產製造體係的重要一環，滿足國民經濟和國防安全領域需求，具有良好的經濟和社會效益。
三、圍繞該產品所開展的技術（shù）創新工（gōng）作（zuò）
1．采取項目負責製。由公司技術副總負責項目的實（shí）施和推進，公司負責人參與協調項目進展，同時督促公司（sī）配套資金（jīn）及相應的人力（lì）、物力全部落實到位，以（yǐ）保障課題順（shùn）利實施。
2．製訂項目管理（lǐ）辦法。確定技術資料、財務、生產流程文檔等（děng）的管理要求；定期組織階段考評會，檢查（chá）計劃進展，協調存在的問題，保障課題實施的時效性；製訂項（xiàng）目開發時間表，確定項目裏程碑計劃。
3．項目任務分工明確。對項目研發（fā）內容的關鍵技術及技術創新點進行羅（luó）列分解（jiě），確定項目（mù）技術方案和（hé）技術路線，由此組織相關人員進（jìn）行攻關。定期對項目組成員進行考核，並（bìng）以（yǐ）此作為項目獎勵依據。項目獎勵注重工（gōng）作成果、工作實效，有效促進了科技人員的研發積極性。
4．人員培（péi）養工作（zuò）。在組織精兵強（qiáng）將的同時（shí），帶動青年員工（gōng）參與到項（xiàng）目中來，從實際操作（zuò）中學習。加強與高等院校和用（yòng）戶形成長期緊密型產、學、研、用合作模式，逐（zhú）步形成大口徑光學（xué）元件精密加工製造示範基地。並依托高等院校科研優勢，建（jiàn）成一支以中青（qīng）年為主的精密加（jiā）工技術及裝備研究團隊（duì），以及掌握高效高精銑磨工藝、高精輪廓檢測工藝、高品質研拋工藝的高（gāo）級技術人才隊伍，推動中（zhōng）國高（gāo）端機床裝備的持續發展。
四、產品應用效（xiào）果及產業化前景
大口徑非球麵產品應用市場規模大，相關加工（gōng）、檢測等（děng）製造設備也具有（yǒu）廣（guǎng）闊的市場空間。該設備可完成（chéng）2000mm口徑以內反射鏡元件的高效製造，實現1500-2000mm量級光學元件的（de）快（kuài）速（sù）、高效生產，加工（gōng）效率顯著提升，滿足國防、天（tiān）文等領域不斷增長的市場需求。
該設備的研製將打破國外技術（shù）壟斷，實現2000mm大口徑非球麵（miàn）反射鏡製造高端數控機床國產化，在行業和專業領域發揮示範作（zuò）用，為我國光學產業升級提供可靠的技術保（bǎo）障，推動光學（xué）製造業（yè）向高檔次、高（gāo）質量方向發展。
該（gāi）設備的大口徑非球麵加工工藝及技術成果可應用於民用天（tiān）文觀測、減災、氣象、國土資源管控、環保等方麵，將產生顯著的社會效益（yì）；相關技術成果可應用於測繪等方麵，將在國防安全方麵發揮顯著作用。針對該產品研發功能部件和加工工藝的研究成果，有望在（zài）航（háng）空工（gōng）業超硬複合材料加工（gōng）產（chǎn）業得到應用，從而推動周邊產業技術進步。
（素材來源：協會行業發展（zhǎn）部及相關企（qǐ）業 摘編整理：梅峰 ）
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