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杭機股份：大口徑光學元件超聲銑磨拋成套裝備

2023-5-29 來源：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（jī）股（gǔ）份”）研發的大口徑光（guāng）學元（yuán）件超聲銑磨拋成套裝備，采用橋式框架移動式結構布局，具有高剛（gāng）性、高（gāo）精度及強大的多手段揉合功能，配置超精密閉式靜壓回轉工作台，可（kě）自由統配超（chāo）精密靜壓主軸、超聲刀柄、磨拋頭、應力盤、磁流變組合（hé）及搖臂式輪廓度儀等關鍵部件，設備（bèi）配置有尋邊定位係統，可快速定位光（guāng）學元件坐標，提高工作效率。設備可對3米級光學元件進行超精密銑磨加工、多自由度快（kuài）速研（yán）拋及高精度測量，完成光學元（yuán）件磨削、研拋、精拋、檢測、確定性修形的全部加工工（gōng）藝。

設（shè）備配置（zhì）高精度絕對式光柵，保證（zhèng）機床（chuáng）軸係高精（jīng）度；配置國產五軸聯動數控係統，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（guāng）學元件在（zài）超精密磨削過程中的亞（yà）表麵損傷層深度，提高加工（gōng）精度和效率。加工精度為拋光階段麵形≤10nm，表麵粗糙（cāo）度≤1nm RMS；機床精度為直線軸重複定位精度（dù）≤1µm，靜壓主軸回（huí）轉精度（dù）≤0.2µm，靜壓轉（zhuǎn）台回（huí）轉精度≤0.5µm。

設備主要用於大口徑非球麵反射鏡（jìng）以及SiC/Si、光學（xué）玻璃高效（xiào）光學元件的磨削、磨拋（pāo）精密加工及在線輪廓測量，可完成光學元（yuán）件磨削、研拋、粗拋、檢測、確定性修形的全部加工（gōng）工藝。

設備的研製成功，打破國內超大口徑空間光學反射鏡製造能力瓶頸，為我國航天（tiān）等重點領域的大型光學元件（jiàn）加工提供（gòng）關鍵設備保障，對提高我國（guó）超大（dà）口徑光學元件加工（gōng）技術起到重要促進作用。

二、產品特點及技術水（shuǐ）平

1. 產品結構特點（diǎn）

本機床采用龍（lóng）門框架移動式結構布局，由雙床身架、橫（héng）梁及橫梁支座組成一（yī）個剛性框架結（jié）構，中間是（shì）直徑3m的靜壓回轉工作台（C軸）。機床具有（yǒu）X、Y、Z三（sān）個平動軸，橫梁沿雙床身架上的導軌做縱向運動，橫梁沿左側床（chuáng）身架的縱向運動為Y1軸，橫梁沿（yán）右側床身架的縱（zòng）向運動為（wéi）Y2軸，橫梁通過Y1與Y2同步驅動實現縱向移動。

在橫梁上有兩套橫向拖板，橫向拖（tuō）板沿（yán）橫梁導（dǎo）軌做橫向運（yùn）動，橫向拖板的（de）橫向運（yùn）動為X1、X2軸（zhóu）。橫向拖板前部有垂直拖板，垂直拖板（bǎn）沿橫向拖板上作（zuò）垂直升降運動，即Z1、Z2軸。

超（chāo）精密非球麵（miàn）磨削主機垂直拖板下方可安裝超精（jīng）密磨削主軸和搖臂式輪（lún）廓儀測（cè）量係統，主軸與垂直拖板之間安裝有（yǒu）一擺動分度軸——B1、B2軸，實現各（gè）磨頭和繞Y軸方向±100°擺動。非球麵超精密銑磨設備B1、B2軸可安裝超精密磨削主（zhǔ）軸和搖臂式輪廓測量裝置等；多自由度快速研拋設備B1、B2軸可自由選裝小磨頭數控研拋裝置、應力盤研拋裝置、磁流體（tǐ）拋光裝置和搖臂（bì）式輪廓（kuò）測量裝置等（děng）。

該設備共有9個（gè）數控軸（zhóu）（6個直線軸、3個回轉軸），工作（zuò）時需要進行（háng）5軸聯動控製。

2 .技術難點與創新點研究

（1）技術難點

①掌握2000mm直徑超精密閉式（shì）靜壓工作台設計與製造技術；掌握大（dà）直徑閉式靜壓（yā）工作台的超高精度（轉台回轉精度≤0.5μm）的（de）設計、製造、裝配方法（fǎ），解決了大直徑轉台回（huí）轉精度及穩定性問題，形成關鍵零件加（jiā）工和部件（jiàn）裝（zhuāng）配規（guī）範。

②掌握高精度靜壓回轉工作台的全性能測試方（fāng）法，解決高精度功能部件製造裝配難、檢測難的問題。

③掌握長絲杠垂度誤差（chà）控製技術。由於設備X軸（zhóu）（橫向（xiàng）拖板（bǎn）左右運行）進給機構采用的是絲杠副傳動，絲杠跨度大於6m，為避免絲杠垂度的影響，需要更改（gǎi）或優化傳動機構。采用螺母旋轉絲杠副傳動，並根據橫梁運行曲線適當調整確定絲杠（gàng）副的支撐拉力（lì）。

④設備采用1µm級重複定位精度直線軸進給機構設計、裝（zhuāng）配工藝方法、規範檢測方（fāng）法，提高機床精度。

⑤優化龍（lóng）門框架式移（yí）動結構設計與製造工藝，有效提（tí）高非球麵超精密銑磨（mó）設備的機床精（jīng）度，有效提升多自由度快速研拋（pāo）設備的各軸加速度（dù）和移動速度，提高設備加工效（xiào）率。

（2）技術創（chuàng）新點

①高精密靜（jìng）壓工作台的設計製造裝配（pèi）調試檢測技術；

②單機床複合（hé）多手段、多工位銑磨/研拋功能技術，拓展功能化、模塊（kuài）化、標準化（huà）設（shè）計設計方法，提高設備集成化（huà），滿足（zú）光學元件對主機設備的多功（gōng）能要求；

③大型機床（chuáng）動態和熱態特性分析及優化，掌握大型機床模態變化規律及優（yōu）化（huà）方法。

（3）國內外（wài）研製情況

隨著光學製造技術的發展，針（zhēn）對地基、機載大口徑（jìng）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）業的技術創新（xīn）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（hé）研究機構均推出了獨具特色的製造（zào）裝（zhuāng）備和工藝，大口徑光學（xué）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（zài）的問題，從20世紀 90年代開始，國外一些公司開始（shǐ）研究硬脆材料的超聲加工技術，開展超聲加工裝備研製。如DMG公司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（xǐ）磨設備。此外（wài），奧地利 GFM公司、德國GEISS公司、法國CRENO公司都（dōu）已研發出（chū）超聲加工專用機床，並成（chéng）功應用於航空航天製造等領（lǐng）域（yù）。

DMG公司開發的五軸超聲（shēng）磨削加工中（zhōng）心

與國外先進水平相比，目前我（wǒ）國航空航天製造企（qǐ）業大都（dōu）采用傳統的磨削方法加工（gōng）光學材料構件，在加工質量（liàng）、成品率、加工效率、工具磨損等方麵存在或多或少的問題，顯示出（chū）自主研發的重要性。

近（jìn）年來，我國經濟技術發展迅猛，國力日漸強盛，未來也將需要建造自己的巨型（xíng）天文望遠鏡。在地基望遠鏡中（zhōng），近期關於我國12m天文望遠鏡技（jì）術（shù）方案的爭論正在公開進行，中外學者們紛紛公開發表自己的觀點，問題焦點集中於望遠鏡（jìng）光學係統方案的選定和國際（jì）化問（wèn）題，但本質上是方案的技術（shù）實現可行（háng）性問題。

研究直接麵向超大口（kǒu）徑反射鏡的高效率、高精度製造問題，通（tōng）過高效率製造裝備的產業化和大口徑製造工藝規範化，實現大口徑光學元件的批量化生產，將為未來製造巨型（xíng）拚接（jiē）主鏡（jìng）提供強有力（lì）的技（jì）術保障。

（4）技術水平

本設備是公司第三代產（chǎn）品。第一代產品已經成功生產出4.13m大口（kǒu）徑反射鏡，經一代、二代技術累積，在機床性能、精（jīng）度（dù）、多手段揉合技術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精密銑磨設備/多自由度（dù）快速研拋設備，為我國光學產業升級、研發高性（xìng）能光電產品提供可靠的技術保障，補實了國（guó）內自主研製大型光學元件的高精高效生產製造體係的（de）重要一環，滿足國民經濟和（hé）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（pǐn）所開展的技（jì）術（shù）創新工作

1．采取項目負責製。由公司技術副總負責項目的實施和推進，公（gōng）司負責人參與協調項目（mù）進（jìn）展，同時督促公司配套資金及相應（yīng）的人力、物力全部落實到位，以保（bǎo）障課題順利實（shí）施。

2．製訂項目管理辦（bàn）法。確定技（jì）術資料、財務、生產流程文檔等的管理要求；定期組織階段（duàn）考評會，檢查計劃進展，協調存在的問題（tí），保障課題實施的時效性；製訂項目開發時間表，確定項目裏程碑計劃。

3．項目任務分工明確。對（duì）項目研發（fā）內容的關鍵技術及技術創新點進行羅列分解，確定項目技術方（fāng）案和技術（shù）路線，由（yóu）此組（zǔ）織相關人員（yuán）進行攻（gōng）關（guān）。定期對項目（mù）組成（chéng）員進（jìn）行考核，並以此作為項目（mù）獎（jiǎng）勵依據。項目獎勵注重工作成果、工作實效，有效促進（jìn）了科技人員的研發積極性（xìng）。

4．人員培養工作。在組織精兵強將的同時，帶（dài）動青年（nián）員工參與到項目中來，從實際操作中（zhōng）學習。加強與高等院（yuàn）校和用戶形成長期緊密型產、學、研、用合作模式，逐步形成大口徑光學元件精密加工製造示範基地。並依托高等（děng）院校科研優勢，建成一支以中青年為主的精密（mì）加工技術及裝（zhuāng）備研究團隊，以及（jí）掌握高（gāo）效高精銑磨工藝、高精（jīng）輪廓檢測工藝、高品質研拋工藝的高級技術人才隊伍，推（tuī）動中國高端機床（chuáng）裝備的持續發展。

四、產（chǎn）品（pǐn）應用效果及產業化前景

大口徑非球麵產品應（yīng）用（yòng）市場規模大，相關（guān）加工、檢測等製造設備也具有廣闊的市場空間（jiān）。該設備可完成2000mm口徑以內（nèi）反射鏡元件的高效製造，實現1500-2000mm量級光（guāng）學（xué）元件的快（kuài）速、高效生（shēng）產，加工效率顯著提升，滿足國防、天文等（děng）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大口徑非球麵反射鏡製造高端數控機床國產化，在行業和專業領域發揮（huī）示（shì）範作用，為我國光學產業升級提供可靠的技術保障，推動光學製（zhì）造業向（xiàng）高檔次、高質量方向發展。

該設備的（de）大口徑非球麵加工工藝及技術成（chéng）果可應用於（yú）民用天文觀測、減災、氣象、國土資源管（guǎn）控、環保等方麵，將產生顯（xiǎn）著的（de）社會效益；相關（guān）技術成果可應用於測（cè）繪等（děng）方麵（miàn），將在（zài）國防安全方麵發揮顯著作用。針（zhēn）對該產品研發功能部件和加工工藝的研究成果，有望在航（háng）空工業超硬複（fù）合材料加工產業得到應用，從而推動周邊（biān）產業技術（shù）進步（bù）。

（素材來源：協（xié）會行業發展部（bù）及相（xiàng）關企業摘（zhāi）編整理（lǐ）：梅峰）

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