摘 要：大口徑光學(xué)元件超精密加工是一個復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，涉及精密機床、數(shù)控、加工技術(shù)與工藝、精密檢測和補償控制等機電控各領(lǐng)域的專業(yè)知識，其發(fā)展與一個國家的高端制造技術(shù)及裝備發(fā)展能力息息相關(guān)，也是一個國家綜合國力的集中體現(xiàn)。主要介紹了廈門大學(xué)微納米加工與檢測聯(lián)合實驗室在大口徑光學(xué)元件超精密加工技術(shù)及裝備方面取得的研究進展，針對大口徑光學(xué)元件磨削和拋光兩個加工流程及其配套的精密檢測技術(shù)，詳細闡述了磨削裝備及單元技術(shù)、可控氣囊拋光機床及相關(guān)單元技術(shù)、精密檢測裝備及相關(guān)單元技術(shù)等的研究應(yīng)用情況。這些技術(shù)研究從超精密加工的需求出發(fā)，借鑒國內(nèi)外的研究經(jīng)驗和成果，通過對裝備、工藝、檢測等各方面整合，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的集磨削、拋光和檢測裝備及工藝技術(shù)的大口徑光學(xué)元件超精密加工體系，這些技術(shù)與裝備確保了大口徑光學(xué)元件的高質(zhì)量超精密加工。
關(guān)鍵詞：大口徑光學(xué)元件；超精密加工；磨削加工裝備；氣囊拋光；精密檢測；磨床
郭隱彪博士、教授、閩江學(xué)者特聘教授，主要研究方向為光學(xué)超精密加工、先進裝備開發(fā)與研制
光學(xué)自由曲面如非球面等具備優(yōu)越的光學(xué)性能，在同等功能要求條件下，可獲得成像質(zhì)量更優(yōu)、結(jié)構(gòu)更簡單、成本更低和重量更輕的儀器，是航空航天和軍事國防領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵基礎(chǔ)元器件，廣泛應(yīng)用于大型天文望遠鏡、激光核聚變裝置、紅外熱成像、醫(yī)療影像設(shè)備等民用和國防尖端技術(shù)領(lǐng)域。在國家大光學(xué)工程任務(wù)以及光電子消費產(chǎn)品需求日益增長的牽引和推動下，其加工技術(shù)日益要求向高效、高精度、高質(zhì)量方向發(fā)展。大口徑光學(xué)元件超精密加工技術(shù)不僅取決于機床、刀具和工藝方法，還取決于測量和控制技術(shù)，即含機、光、電、傳感技術(shù)和計算機技術(shù)等，它是多種學(xué)科新技術(shù)成果的綜合應(yīng)用，但也對許多高新科技的發(fā)展與進步起著推動的作用。大口徑光學(xué)元件的加工是衡量一個國家先進制造技術(shù)水平和綜合國力的重要標志，西方國家在該領(lǐng)域一直對我國實行技術(shù)禁運。因此，開展光學(xué)元件超精密加工技術(shù)的研究有助于確保我國重要技術(shù)安全，我國“十二五”發(fā)展規(guī)劃中尤其做出了相關(guān)的指示，即《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中關(guān)于“關(guān)鍵基礎(chǔ)件制造和批量生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)為制造業(yè)的第一優(yōu)先主題”的精神。
大口徑光學(xué)元件超精密加工，一般需要經(jīng)過粗磨、精磨、拋光和鍍膜等工序，以提高工件面形精度，降低粗糙度和亞表面缺陷。這些工序中，大口徑光學(xué)元件的精磨與拋光加工尤其重要，在很大程度上決定了大口徑光學(xué)元件的加工質(zhì)量水平，其中，精密磨削基本確定了大口徑光學(xué)元件的面形精度，同時為降低后續(xù)的拋光工作量，精密磨削過程中需盡量減少在光學(xué)元件表面形成過多的缺陷與破壞，而拋光加工是獲取超光滑低缺陷損傷光學(xué)表面的必要保證，因此，從保證大口徑光學(xué)元件加工質(zhì)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(xiàn)精密磨削與拋光的前提保證。受技術(shù)瓶頸限制，當(dāng)前的硬件設(shè)計和開發(fā)很難開發(fā)出絕對高精度的機床裝備，且代價太高，導(dǎo)致精密磨削與拋光加工大口徑光學(xué)元件的同時不可避免地形成較大的加工誤差。為獲得更高精度和質(zhì)量的光學(xué)元件，必須進一步補償加工以提高光學(xué)元件的加工質(zhì)量。而目前國內(nèi)的光學(xué)測量與檢測裝備適應(yīng)范圍有限，一般口徑較小且成本高昂。同時，作為獲取光學(xué)元件的加工尺寸與質(zhì)量信息的必要手段，大口徑光學(xué)元件測量裝備與評價技術(shù)的開發(fā)也同樣重要?？梢哉f，精密磨削與拋光裝備是獲得高精度大口徑光學(xué)元件的制造手段，而其精密檢測裝備與評價技術(shù)則是整個加工過程順利進行的保障，三者缺一不可，都構(gòu)成了大口徑光學(xué)元件精密制造的必然環(huán)節(jié)。因此，加強大口徑光學(xué)原件精密制造的研究，必須三管齊下，唯有攻克并掌握三者的技術(shù)瓶頸，才可真正實現(xiàn)并確保大口徑光學(xué)元件的精密制造加工。
在激光核聚變和空天望遠鏡等大型光學(xué)工程項目的驅(qū)動下，西方發(fā)達國家，如美、日等國在大口徑光學(xué)元件的超精密制造技術(shù)已取得了重大進展。裝備方面，美國Livermore國家實驗室開發(fā)了LODTM單點金剛石切削機床（135-2207-9385），可加工Φ1400mm的光學(xué)元件，面形精度可達PV≤0.025μm，表面粗糙度Ra≤5nm。
英國Cranfield精密工程研究所研制的OAGM2500超精密磨床（159-1097-4236），可加工Φ2000mm的非球面光學(xué)元件，面形精度PV≤1μm。
日本豐田工機研制的AHN60-3D復(fù)合機床，磨削加工的非軸對稱光學(xué)元件PV為0.35μm，表面粗糙度Ra為0.016μm。加工方法與工藝技術(shù)方面，為獲得高質(zhì)量的光學(xué)元件表面形貌，日本理化所的Ohmori等提出了ELID在線電解磨削方法（13501282025），可實現(xiàn)光學(xué)元件的鏡面加工。
在光學(xué)表面完整性控制方面，基于小工具加工的數(shù)控拋光技術(shù)（CCOS）、應(yīng)力盤拋光技術(shù)、氣囊拋光技術(shù)、磁流變拋光技術(shù)和等離子體法等技術(shù)均可有效去除亞表面損傷層，并能有針對性地改善工件表面質(zhì)量和面形精度。這些先進的超精密加工技術(shù)，基本上解決了大口徑光學(xué)元件加工問題，但是國外發(fā)達國家對我國進行嚴格技術(shù)和設(shè)備禁運，造成我國大口徑光學(xué)元件超精密加工技術(shù)發(fā)展落后。
同時，國內(nèi)也充分意識到了大口徑光學(xué)元件在民用和國防軍事等領(lǐng)域應(yīng)用的重要性，明確了加強大口徑光學(xué)元件精密制造研究的必要性，并在相關(guān)項目的驅(qū)動下加緊了相關(guān)加工技術(shù)及裝備開發(fā)等各方面研究。裝備方面，中航精密機械研究所研制了Nanosys-300超精密復(fù)合加工機床，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了大型曲面超精密復(fù)合加工機床，均可實現(xiàn)光學(xué)非球面的加工。國防科技大學(xué)研制的光學(xué)數(shù)控加工機床（AOCMT），最大加工能力為650mm，對直徑116mm的碳化硅零件，銑磨成型的精度為8.9μm，研拋后工件面形精度PV為（1/20~1/30）λ，表面粗糙度2~5nm。廈門大學(xué)研制了大尺寸矩形光學(xué)平面精密磨床。
加工工藝方面，廈門大學(xué)開發(fā)了光學(xué)非球面的計算機輔助制造工藝軟件。光學(xué)完整性控制方面，國防科技大學(xué)開展了計算機數(shù)控拋光技術(shù)（CCOS）的研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國防科技大學(xué)和中物院等單位均開發(fā)了磁流變拋光機床，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)和廈門大學(xué)等研究了氣囊拋光技術(shù)并試制樣機。此外，廈門大學(xué)還開展了光學(xué)精密加工環(huán)境控制方面的研究，擬通過非硬件途徑彌補硬件缺陷以提高光學(xué)元件的加工精度。
目前，在先進軍事及空間光學(xué)系統(tǒng)、激光核聚變、大型天文望遠鏡工程等國家重大光學(xué)工程任務(wù)的需求牽引下，我國大口徑光學(xué)元件制造和檢測技術(shù)得到了快速發(fā)展。就其關(guān)鍵工藝路線的裝備保證方面而言，實現(xiàn)大口徑光學(xué)元件超精密加工的前提基礎(chǔ)是要具備高精度磨削與拋光加工設(shè)備，而大尺寸的高精度磨床與拋光裝備開發(fā)技術(shù)一直被公認為是要持續(xù)發(fā)展的技術(shù)、不可公開的技術(shù)和不可復(fù)制的技術(shù)，因此，高精度的磨削與拋光及其配套的檢測設(shè)備仍是制約我國超精密加工技術(shù)發(fā)展的瓶頸。
而且，實現(xiàn)大口徑光學(xué)元件的超精密加工，除了高精度磨拋裝備之外，還需要一系列關(guān)鍵的配套單元技術(shù)，這些配套技術(shù)包括：超精密磨拋加工工藝與技術(shù)、機床精度整合技術(shù)、超精密環(huán)境監(jiān)控技術(shù)、工具修整和動靜平衡技術(shù)、計算機輔助制造和檢測軟件,以及檢測路徑規(guī)劃和對應(yīng)的補償加工策略。
基于大口徑光學(xué)元件的發(fā)展需求，廈門大學(xué)微納加工與檢測聯(lián)合實驗室課題組長時間以來深入地開展了大口徑光學(xué)元件的精密磨拋裝備、加工工藝技術(shù)及計算機輔助制造軟件、配套的精密檢測裝備與工藝等方面的研究，并取得了較突出的科研成果。本文以大口徑光學(xué)元件加工的關(guān)鍵磨拋工序為主要論述對象，介紹了廈門大學(xué)課題組在實現(xiàn)大口徑光學(xué)元件高精度、高效率與高度自動化精密加工的裝備開發(fā)及相關(guān)單元技術(shù)方面的研究情況。
大口徑光學(xué)元件精密磨削機床及單元技術(shù)
大口徑光學(xué)元件一般采用脆性材料，且具備較大口徑和復(fù)雜面形等特點，這為其精密加工帶來了較大的困難和挑戰(zhàn)。目前，硬脆性材料大口徑光學(xué)元件的精密加工步驟和程序一般為先毛坯銑磨加工去除多余的材料，然后粗磨到一定面型精度，再通過精磨加工得到滿足其設(shè)計面型精度的半成品，最后再拋光去除表面/亞表面損傷層獲得超光滑的光學(xué)表面，整個加工過程較為復(fù)雜，需通過精密的工藝控制和檢測及補償加工實現(xiàn)。因此，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(wěn)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(dāng)其沖。
目前，在精密磨床制造方面，美國、日本、英國和德國等工業(yè)發(fā)達國家在國際上享有極高聲譽，代表產(chǎn)品如：英國Granfield大學(xué)精密工程研究所研制的OAGM2500六軸數(shù)控超精密磨床，可用于超精密車削、磨削和坐標測量；日本Nagasei公司擁有SGC/SGE/N2C/NIC/RG等系列的超精密磨床，可用于各種尺寸的非球面（自由曲面）、平面超精密鏡面加工；除此之外，Moore公司的Nanotech、Precitech公司的Freeform系列、德國Satisloh公司開發(fā)的GII系列、保寧機床公司的Profimat MT系列和瑞士美蓋勒機床公司的MFP系列也達到了很高的加工精度。
國內(nèi)方面則稍顯落后，廈門大學(xué)微納米加工與檢測聯(lián)合實驗室以國外先進的制造技術(shù)為借鑒，從我國大口徑光學(xué)元件超精密加工需求出發(fā)，研制了多臺大口徑高精度臥軸矩臺平面磨床，本文將以開發(fā)的一臺2MK7160平面磨床及其單元技術(shù)為例進行說明。
1、大口徑精密磨床的方案設(shè)計與樣機研制
為確保開發(fā)的大口徑平面磨床具備結(jié)構(gòu)簡單、總體剛性好、磨削效率高等性能特點，研發(fā)首先通過綜合分析，將機床的整個開發(fā)工作分解為關(guān)鍵部件、關(guān)鍵技術(shù)、輔助配套與電氣及數(shù)控系統(tǒng)等部位進行模塊化研究。機床整機確定為立柱移動式數(shù)控臥軸矩臺平面磨床結(jié)構(gòu)，外圍加鈑金全防護罩防護。改變傳統(tǒng)平面磨床導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式，床身底座采用T形布局和分體鑄件形式，提高工藝合理性。采用人工時效與自然時效相結(jié)合的辦法來保證基礎(chǔ)大件的長期穩(wěn)定性。采用數(shù)字化設(shè)計和工程分析對設(shè)計方案進行充分論證，進行整機方案的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和動力學(xué)設(shè)計和分析，保證樣機整機性能。
為提高工藝系統(tǒng)剛性，采用液體動靜壓軸承支撐的砂輪主軸，實現(xiàn)高回轉(zhuǎn)精度和運動平穩(wěn)性，各軸傳動系統(tǒng)由伺服電機帶動高精度滾珠絲杠，XY方向采用液體靜壓導(dǎo)軌，并通過納米級分辨率的線性光柵構(gòu)成全閉環(huán)控制回路，導(dǎo)軌采用拼塊結(jié)構(gòu)，工藝性更加合理、剛性足，能實現(xiàn)高加工精度，從而保持高直線運動精度和高剛性。數(shù)控系統(tǒng)選用FANUC 31i高端系統(tǒng)，基于windows操作平臺，操作簡單、靈活，易掌握。磨床的輔助系統(tǒng)包括冷卻系統(tǒng)、過濾裝置、潤滑系統(tǒng)，油水霧凈化裝置等。
其中關(guān)鍵配套技術(shù)均為自主開發(fā)，砂輪修整采用綠碳杯形砂輪修整方法并開發(fā)專用修整器，工件檢測以機床運動帶動高精度接觸式/非接觸式傳感器實現(xiàn)，加工控制與工藝技術(shù)融合進計算機輔助制造軟件開發(fā)中，采用工作流設(shè)計方法，實現(xiàn)人與機床活動的自動化處理，采用視圖/文檔的設(shè)計模式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和用戶界面的分離。基于工控機的軟件開發(fā)模塊包括工件檢測、砂輪修整、加工監(jiān)控，動平衡等系統(tǒng)。砂輪修整采用兩軸精密杯形修整技術(shù)可保證金剛石砂輪形狀精度和平面、圓弧砂輪修整，實時現(xiàn)場動平衡檢測，減少主軸系統(tǒng)引入誤差，從而提高工件加工精度。
加工監(jiān)控消除機床振動影響，最大限度地消除加工表面/亞表面損傷。采用高壓冷卻水帶走磨削過程中的磨削熱量和切屑，提高加工表面性能，并采用油霧凈化器消除霧化的磨削液以凈化機床加工空間。同時獨立于高精度設(shè)備、技術(shù)人員及技術(shù)水平之外的外部環(huán)境的加工環(huán)境控制技術(shù)，保證高精度加工不受環(huán)境限制，最終實現(xiàn)了精密溫控系統(tǒng)、多層次消振技術(shù)、超精密凈化相關(guān)技術(shù)。設(shè)計后的磨床參數(shù)為：工作臺加工范圍800mm×600mm，各軸分辨率0.1μm，主軸采用動靜壓支承技術(shù)，最高轉(zhuǎn)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(shù)控系統(tǒng)采用FANUC 31i系列，砂輪修整器采用GC杯形砂輪修整器。圖1為設(shè)計開發(fā)的2MK7160大口徑臥軸矩臺平面磨床。
2、液體靜壓支承技術(shù)
液體靜壓具備動靜摩擦系數(shù)相差級小、運動平滑、高剛度、可吸收振動、承受大負載和動態(tài)響應(yīng)快等特點，為保證工藝系統(tǒng)的剛度和運動精度，磨床采用了閉式的液體靜壓支承技術(shù)，并開發(fā)了拼塊式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡單且剛性好，極大地降低了常用閉式靜壓導(dǎo)軌的加工和裝配調(diào)試難度，且拆裝更為方便。
開發(fā)的拼塊式導(dǎo)軌技術(shù)首先應(yīng)用于第一臺開發(fā)的MK7160大口徑平面磨床的水平X軸上，并在成功后將其首次應(yīng)用于2MK7160大口徑磨床的垂直Z軸上，研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于垂直Z軸上的拼塊式導(dǎo)軌支承性能良好，優(yōu)于傳統(tǒng)的接觸式導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。圖2是開發(fā)的拼塊式液體靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)及應(yīng)用實例。
3、砂輪修整技術(shù)及裝置光
學(xué)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。為保證金剛石砂輪磨粒尖銳性和面型精度，必須開發(fā)適應(yīng)用于圓弧金剛石砂輪的修整技術(shù)，從而實現(xiàn)圓弧金剛石砂輪的修形和修銳以保證其加工能力。課題組提出了如圖3所示的圓弧金剛石砂輪的杯形圓弧包絡(luò)修整方法，通過杯形砂輪的包絡(luò)運動實現(xiàn)圓弧金剛石砂輪的修形和修銳。技術(shù)的實施上，機床提供修整運動所需的橫向往復(fù)運動和金剛石砂輪主軸的回轉(zhuǎn)運動，修整裝置提供杯形砂輪的擺動、修整進給和杯形砂輪回轉(zhuǎn)運動。
修整過程中，杯形砂輪上脫落的磨粒將對金剛石砂輪磨粒與結(jié)合劑產(chǎn)生沖擊和研磨作用，從而完成對圓弧金剛石砂輪的修整。輔助工藝與系統(tǒng)方面，開發(fā)集砂輪面形精度測量、誤差建模、半徑補償、修整工藝等關(guān)鍵單元技術(shù)在內(nèi)的杯形砂輪包絡(luò)修整計算機輔助加工軟件，并可實現(xiàn)圓弧金剛石砂輪修整裝置與機床的多軸聯(lián)動控制。
圓弧金剛石砂輪的杯形砂輪包絡(luò)修正方法及裝置的開發(fā)，極大地保證了圓弧砂輪的加工性能并提高了其加工效率。該修整技術(shù)的最大特點是其修整的對象不局限于金屬結(jié)合劑圓弧金剛石砂輪，也適合于樹脂結(jié)合劑砂輪和陶瓷結(jié)合劑砂輪的修整。
4、計算機輔助制造(CAM)軟件
大口徑非球面屬于典型的面型復(fù)雜工件，加工難度較大，磨床各運動軸需協(xié)同控制運動才可完成。此外，機床機械系統(tǒng)特性均存在一定極限，在其性能不能進一步改善時，則需通過工藝的優(yōu)化。為保證磨削的加工精度同時保證充分發(fā)揮數(shù)控磨床精度特性，需根據(jù)不同類型工件和具體磨床結(jié)構(gòu)方式，選擇合理有效的加工工藝和加工規(guī)劃，優(yōu)化磨削加工參數(shù)以提高面形精度和減小磨削亞表面損傷。其中加工補償控制方法是關(guān)鍵。
為此，課題組提出了一系列的非球面面型插補方案和控制策略，并對其進行優(yōu)化，建立了基于誤差檢測評價數(shù)據(jù)的建模補償技術(shù)；同時為延緩砂輪磨損，保證砂輪的加工能力，深入分析了圓弧砂輪的磨損機制，針對性地提出了砂輪均勻磨損與速度控制技術(shù)，有效提高砂輪壽命；針對非球面加工中的圓弧半徑誤差，提出分離檢測誤差成分并進行補償加工以提高加工精度；為提高砂輪修整效率，提出砂輪修整參數(shù)優(yōu)化技術(shù)。
基于上述的工藝優(yōu)化方案，合理制定了加工工藝，配合計算機技術(shù)，特別是利用計算機輔助制造和測量，實現(xiàn)對加工過程信息自動處理及控制，提高加工過程自動化和加工效率；并研究數(shù)控伺服系統(tǒng)及微位移控制，進行不同工件加工方法分析、軌跡規(guī)劃及編程優(yōu)化，確保加工中對機床的正確使用、數(shù)控加工特點的發(fā)揮和工件的加工精度。
如圖4所示是課題組開發(fā)的用于實現(xiàn)超精密磨削的計算機輔助制造（CAM）系統(tǒng)軟件，其功能模塊包括磨削加工、面形測量、磨削補償、面形擬合和環(huán)境監(jiān)控等，輔助制造系統(tǒng)軟件的應(yīng)用可使整個磨削過程更加高效、便捷。CAM軟件的開發(fā)可使大口徑光學(xué)非球面的精密磨削加工數(shù)控編程自動化，同時集成了磨削加工過程關(guān)鍵技術(shù)，包括工藝分析設(shè)計、參數(shù)輸入、加工軌跡數(shù)學(xué)處理、程序編制、工件測量、砂輪修整、加工監(jiān)控、機床通信等功能模塊，各功能模塊的聯(lián)系和功能如圖5所示。
光學(xué)元件可控氣囊拋光機床及單元技術(shù)
硬脆性材料在去除過程中，極易發(fā)生脆性斷裂破壞從而使加工表面較為粗糙。常規(guī)而言，大口徑光學(xué)元件在精密、超精密磨削成形加工后常需進行拋光等光整加工，目的是去除前道工序形成的表面變質(zhì)層和損傷，并使工件表面超光滑化。但拋光加工易破壞工件的面型精度，因此常需采用后續(xù)的修正拋光加工以獲得高面型精度的大口徑光學(xué)元件。傳統(tǒng)的光學(xué)元件面形修正方法由于加工周期長、面形收斂慢等缺點很難適應(yīng)現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展需求，故出現(xiàn)不少先進的現(xiàn)代拋光方法，例如小磨頭數(shù)控研拋、應(yīng)力盤拋光、離子束拋光、磁流變拋光和可控氣囊拋光等確定性拋光技術(shù)。
在新出現(xiàn)的幾種確定性拋光技術(shù)中，小磨頭數(shù)控拋光是采用最廣泛的一種。該技術(shù)具備可拋光修正復(fù)雜自由曲面工件面型的優(yōu)點。為降低拋光盤與工件表面間干涉對工件精度的影響，小磨頭數(shù)控拋光的工具尺寸一般較小，導(dǎo)致其在采用規(guī)律性的加工路徑時易在元件表面形成中高頻誤差。
美國亞力桑那大學(xué)提出的應(yīng)力盤拋光技術(shù)能克服這個問題，但其修形能力較弱，控制復(fù)雜，且小磨頭和應(yīng)力盤均屬于接觸式加工方法，加工中盤面和元件的接觸易導(dǎo)致元件發(fā)生彈性形變使元件面形難以加工到較高精度。離子束拋光技術(shù)雖可實現(xiàn)局部修正拋光加工，但是其拋光效率極低，且對加工環(huán)境要求極高，成本高昂。相比之下，磁流變拋光和可控氣囊拋光技術(shù)屬于柔性拋光技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)很高的加工精度，但磁流變拋光成本很高，導(dǎo)致其很難應(yīng)用于凹曲面以及大口徑高陡度工件的加工。基于上述分析，課題組有針對性地開發(fā)了可控氣囊拋光技術(shù)及其機床。
1、可控柔性氣囊拋光機床的開發(fā)
柔性氣囊拋光技術(shù)首先由英國倫敦光學(xué)實驗室的Walker教授提出，后由英國ZEEKO公司（135-0128-2025）開發(fā)成系列的產(chǎn)品。課題組在消化吸收其產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，開發(fā)了國內(nèi)首臺可控柔性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(gòu)，分別由工作臺底座、立柱橫梁、中溜板與主軸箱結(jié)構(gòu)組成。
兩軸氣囊拋光工具是整個氣囊拋光機床的核心部件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中不僅要保證整個機構(gòu)的運動精度還要為滿足附加功能而預(yù)留足夠的位置空間。氣囊拋光采用進動式的加工方式，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。為了方便控制氣囊自轉(zhuǎn)軸的空間位姿，兩軸氣囊拋光工具由兩個旋轉(zhuǎn)軸Z1和Z3來控制氣囊主軸Z2在空間位姿的變化，同時兩軸氣囊拋光工具的Z1、Z3和Z2軸相交于氣囊頭的球心。通過對運動空間的理論分析計算當(dāng)Z1軸和Z3軸在空間成45°時，即整個機構(gòu)的空間角度為45°，整個氣囊拋光工具的空間運動范圍與剛度最合適。
2、柔性可控氣囊設(shè)計及其修整技術(shù)
為避免剛性拋光頭損傷自由曲面面型，氣囊拋光機床采用具有一定充氣壓力的球冠形氣囊作為拋光工具，這樣不僅可以保證拋光頭與被拋光工件表面吻合性好，而且可以通過調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)部壓力控制拋光效率和被拋光工件的表面質(zhì)量。為此，柔性氣囊拋光方法是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ膾伖夥椒?，尤其適用于非球面和自由曲面的拋光。
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，通過特定的加工軌跡與路徑控制，可以在接觸區(qū)形成雜亂的加工痕跡，生成接近高斯分布的去除函數(shù)，這種加工方式有助于降低拋光表面中頻誤差的形成，正是基于這個特點，氣囊拋光加工技術(shù)具備廣泛應(yīng)用于大口徑自由曲面元件的去中頻誤差修正加工。
為確保氣囊加工可適用于不同的加工對象，課題組研究了不同結(jié)構(gòu)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(nèi)置鋼網(wǎng)橡膠氣囊頭和內(nèi)置薄鋼板氣囊頭等多種形式，并有針對性地研究了各種氣囊頭的變形特性和去除函數(shù)。圖7所示是其中開發(fā)的內(nèi)置鋼網(wǎng)的柔性氣囊拋光頭。
為了進一步提高加工效率，減少氣囊拋光頭修整耗時，課題組將氣囊頭修整工序分離，設(shè)計并增加了離線氣囊修整裝置，開發(fā)了如圖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(dǎo)軌、砂輪底座、砂輪主軸電機、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，通過減速機與擺動底座相連，導(dǎo)軌固定在擺動底座上，進給電機與進給主軸通過導(dǎo)軌帶動砂輪底座完成進給運動，砂輪主軸電機通過聯(lián)軸器帶動修整砂輪旋轉(zhuǎn)，完成修整砂輪的運動。
拋光頭部分底座通過螺釘固定在底座的一端，氣囊拋光頭由皮帶輪與拋光頭電機帶動旋轉(zhuǎn)。在氣囊頭離線修整加工中，氣囊頭的修整由橡膠氣囊頭的旋轉(zhuǎn)、砂輪主軸的旋轉(zhuǎn)、進給軸進給運動和擺動軸的擺動運動共同完成。同時，在防護罩的頂部安裝有氣囊頭動平衡裝置，檢測氣囊頭在旋轉(zhuǎn)過程中的振動與轉(zhuǎn)速，方便對氣囊頭的平衡調(diào)整，提高修整精度。
3、氣囊拋光仿真與運動控制軟件
為確保氣囊拋光加工可實現(xiàn)預(yù)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，確定不同工藝條件對拋光接觸區(qū)的影響，以及不同條件下氣囊拋光的靜態(tài)和動態(tài)去除函數(shù)，并研究了基于去除函數(shù)的拋光駐留時間算法。在研究基于運動學(xué)理論的氣囊拋光過程中進動控制方法的基礎(chǔ)上，得出最高效的進動控制算法。
研究特別對連續(xù)進動拋光模式下的氣囊加工進行了深入的研究，尤其在壓力控制和位姿控制的基礎(chǔ)上分別研究了如圖9所示最優(yōu)效率算法、剛度可控算法和四軸聯(lián)動控制算法等，并在此基礎(chǔ)上編制了柔性氣囊可控拋光的仿真與運動控制軟件，該軟件具備手動和自動控制兩種模式，如圖10所示為開發(fā)的軟件界面。該仿真與運動控制軟件極大地方便了氣囊拋光的運動規(guī)劃和運動控制，有效地促進了氣囊拋光加工的高度自動化。
大口徑光學(xué)元件精密檢測裝備及單元技術(shù)
大口徑光學(xué)元件的加工一般經(jīng)歷銑磨、磨削、拋光3個階段，為保證每道工序的加工余量和精度，每個加工階段都需要匹配對應(yīng)的精度測量檢測技術(shù)。大口徑光學(xué)元件的加工過程中，磨削加工階段主要是為了獲得較為接近設(shè)計要求的形狀精度，該階段獲得的面型精度將在很大程度上決定后續(xù)面型收斂加工的工作量，因此其面型精度的檢測至關(guān)重要。
一般而言，大口徑光學(xué)非球面磨削加工階段面型誤差檢測裝置的精度要求介于數(shù)十微米到亞微米之間?；诖?，課題組有針對性地開發(fā)了大口徑光學(xué)元件面型誤差的檢測技術(shù)。
圖11所示是課題組開發(fā)的在位檢測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)將激光位移傳感器放置于磨削主軸上，利用磨床各軸的運動完成大口徑非球面元件的面型檢測，可實現(xiàn)大口徑光學(xué)元件的全口徑測量。該種檢測方式屬于在位式的，其特點是可以避免工件離線測量引入裝夾、定位等誤差，實現(xiàn)對工件加工表面精度進行測量，并可為補償加工提供加工誤差數(shù)據(jù)。圖12所示為利用在位檢測系統(tǒng)檢測大口徑非球面光學(xué)元件初始加工和補償加工后的面形精度圖，經(jīng)過3次補償加工后面形精度PV值由7.77μm下降到4.67μm。
此外，課題組還分別開發(fā)了中大口徑（200mm×200mm）和大口徑（400mm×400mm）光學(xué)元件的三維輪廓測量離線精密檢測平臺。圖13為其中的大口徑離線精密檢測平臺，該平臺采用固定橋式結(jié)構(gòu)，XYZ軸行程分別為400mm×400mm×150mm，各軸定位精度為±1μm，整體設(shè)計測量精度目標為±3μm。檢測平臺采用一種上下位機的多CPU結(jié)構(gòu)，上位機實現(xiàn)系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)處理及人機界面等功能。
下位機由運動控制和數(shù)據(jù)采集兩個模塊組成，實現(xiàn)實時的運動控制和數(shù)據(jù)采樣、分析及處理功能。平臺采用接觸式和非接觸式雙探測系統(tǒng)，可針對不同工件需求實現(xiàn)工件面形數(shù)據(jù)的實時采集，采集后的面形原始數(shù)據(jù)通過相關(guān)數(shù)據(jù)擬合算法和誤差分析，可擬合出實際加工后的工件面形，將擬合后的工件面形與理想的非球面面形比較，從而求出非球面面形誤差和各種像差等參數(shù)，為后續(xù)加工提供加工補償數(shù)據(jù)。
為使檢測平臺在大口徑非球面元件檢測中更為便利，課題組還開發(fā)了適應(yīng)于大口徑非球面元件檢測的非球面測量系統(tǒng)軟件，該軟件包含如圖14所示的參數(shù)設(shè)定模塊、測量模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和評價模塊，具備非球面頂點查找、定位誤差補償、直線度與垂直度和平面度誤差補償、測桿變形誤差補償?shù)裙δ埽撥浖O(shè)有手動和自動兩種工作模式。
圖15是利用開發(fā)的大口徑光學(xué)檢測平臺和軟件測量得到的非球面光學(xué)元件面型及擬合偏差。該檢測裝置和配套軟件的開發(fā)成功地為大口徑光學(xué)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(jié)論
大口徑光學(xué)元件的精密制造加工屬于一個復(fù)雜的綜合性系統(tǒng)工程，其精密加工涉及難加工材料的去除機理與控制、精密超精密機床開發(fā)、數(shù)控技術(shù)、精密檢測、加工工具及修整、材料、加工狀態(tài)及環(huán)境控制、誤差評價及補償和加工技術(shù)與工藝等方面，其中的每一項均是一個重要的研究方向，對其深入系統(tǒng)的研究任重而道遠。在相關(guān)大光學(xué)工程項目的資助下，廈門大學(xué)微納米加工與檢測聯(lián)合實驗室在大口徑光學(xué)原件的精密制造與檢測裝備方面進行了較多的探索，取得了一些實用的科研成果，主要體現(xiàn)在：
（1）開發(fā)了“T型”布局的大口徑四軸精密磨床，該機床采用液體靜壓支承導(dǎo)軌、動靜壓主軸及動平衡技術(shù)，配置針對圓弧金剛石砂輪修整的杯形砂輪修整器，針對大口徑非球面光學(xué)元件的精密加工需求，開發(fā)了與該磨床配合使用并包含多個關(guān)鍵單元功能模塊的計算機輔助制造（CAM）系統(tǒng)。
（2）開發(fā)了大口徑柔性氣囊拋光機床，拋光機床采用AB擺五軸結(jié) 構(gòu)，“T”型龍門布局，拋光頭采用柔性氣囊結(jié)構(gòu)，具備壓力和姿態(tài)控制兩種加工模式。研究設(shè)計了多種拋光加工路徑與駐留時間算法，并開發(fā)了精密拋光機床的計算機輔助拋光（CAM）系統(tǒng)。
（3）研制了中大口徑光學(xué)非球面檢測平臺，測量平臺具備接觸式與非接觸式兩種測量工具與手段，并開發(fā)了大口徑非球面的測量與評價軟件，該軟件具備自動測量、數(shù)據(jù)分析、評價和補償?shù)裙δ埽蓪崿F(xiàn)較高精度大口徑非球面的精密測量與評價。
綜合分析當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀可見，雖然我國已經(jīng)能加工出較高精度的大口徑光學(xué)元件，但相比國外先進水平仍然存在較大的提升空間，未來需要相關(guān)部門與研究機構(gòu)及高校創(chuàng)新性的探索研究相關(guān)新加工技術(shù)與方法、新的工藝、新的檢測技術(shù)，以期在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)大口徑光學(xué)元件的高精度與高質(zhì)量加工，確保我國相關(guān)大工程項目和國防軍事等領(lǐng)域的建設(shè)與實施。在相關(guān)高端裝備及數(shù)控領(lǐng)域方面的攻關(guān)工作，也將幫助我國最終突破國外技術(shù)封鎖，全面提升我國的精密制造技術(shù)及其裝備水平，確保我國的技術(shù)安全。
