大口徑光學(xué)元件高精度平面磨床加工系統(tǒng)研究

王振忠 郭隱彪 李 潔 雷向陽 張東旭

1.廈門大學(xué)，廈門，361005 2.成都精密光學(xué)工程研究中心，成都，610041

0 引言

非球面一般是指軸對稱非球面及非軸對稱非球面，根據(jù)光學(xué)設(shè)計應(yīng)用需求，在基本類型的基礎(chǔ)上又衍生出幾種廣義的非球面，如離軸非球面、楔形非球面等［1－2］。在精密與超精密加工領(lǐng)域，數(shù)控金剛石切削及磨削方法、模壓注塑成形方法、小磨頭拋光方法及磁流變拋光方法等非球面加工方法，基本上解決了各種中小口徑非球面鏡的加工問題，并且相應(yīng)加工設(shè)備的總體成套水平較高［3－5］。自20世紀(jì)90年代以來，在先進(jìn)軍事及空間光學(xué)系統(tǒng)、激光核聚變、大型天文望遠(yuǎn)鏡工程等國家重大光學(xué)工程任務(wù)的需求牽引下，大口徑非球面（口徑400mm×400mm以上），尤其是大口徑光學(xué)玻璃非球面的制造和檢測技術(shù)得到了快速的發(fā)展。就技術(shù)發(fā)展趨勢而言，高精度金剛石砂輪高效磨削技術(shù)、確定性拋光技術(shù)和與加工相配套的大尺寸高精度檢測等技術(shù)是研究的重點。通過分析各類非球面方程類型，可知X、Y、Z三軸聯(lián)動的超精密平面磨床通過直線或圓弧包絡(luò)方法可以實現(xiàn)各類大口徑非球面加工［6－7］，更加具有通用性。根據(jù)當(dāng)前的設(shè)備水平，對于大口徑光學(xué)元件，通常的加工工序為銑磨成形－粗磨－精磨－拋光－精修，該工序流程中加工精度逐漸提高，而材料去除率迅速降低，因此采用高精度平面磨床的粗磨、精磨的加工精度將制約工件的整個加工周期。

本文主要研究大尺寸光學(xué)零件的高精度平面磨削加工技術(shù)，涉及光學(xué)非球面的加工機(jī)床，以及加工控制、工具技術(shù)、面形檢測等關(guān)鍵技術(shù)，最終建立各類非球面元件的磨削加工工藝系統(tǒng)，實現(xiàn)高精度、高效率、高自動化程度的加工。

1 高精度平面磨床開發(fā)

目前除了超精密加工機(jī)床及加工工具外，實現(xiàn)一個完整的非球面超精密磨削加工過程，還應(yīng)該包括的關(guān)鍵配套技術(shù)有：超精密加工工藝控制方法、金剛石砂輪修整及動平衡技術(shù)、與加工精度相適應(yīng)的測量方法及誤差補(bǔ)償、超精密加工環(huán)境控制（包括恒溫、隔振、潔凈控制等）。此外，加工監(jiān)控、計算機(jī)輔助制造軟件系統(tǒng)等也是提高加工精度、效率及自動化程度的必要措施。基于高精度平面磨床的加工技術(shù)系統(tǒng)如圖1所示。從國內(nèi)現(xiàn)有裝備發(fā)展水平來看，目前在大口徑非球面等光學(xué)元件加工領(lǐng)域，研制開發(fā)相應(yīng)大尺寸高精度平面磨床及開展加工配套技術(shù)研究是重點。

圖1 高精度平面磨床加工體系

對于平面磨床，其臥軸矩臺布局由于具有精度高和通用性好等特點在精密和超精密平面磨床中得到廣泛應(yīng)用，在其結(jié)構(gòu)型式上，立柱移動式相比磨頭移動式、拖板移動式具有結(jié)構(gòu)簡單、總體剛性好、磨削效率高等特點，且左右和前后的獨立運動可進(jìn)一步減小復(fù)合誤差。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前精密與超精密平面磨床的綜合性技術(shù)趨于成熟，并形成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)特點：①T形整體布局的模塊化設(shè)計；②采用液體動靜壓軸承的主軸單元；③具有液體靜壓或空氣靜壓平面導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的直線運動單元；④采用光柵尺或激光干涉儀的位置反饋全閉環(huán)結(jié)構(gòu)的運動反饋單元；⑤具有高的編程分辨率（0.1μm及以上精度）的數(shù)控系統(tǒng)和高精度的伺服控制軟硬件環(huán)境，能實現(xiàn)高控制速度（毫秒級響應(yīng)）、微納米級輪廓控制與插補(bǔ)；⑥設(shè)計中預(yù)先控制的熱對稱性及熱穩(wěn)定性。

目前，垂直、橫向最小進(jìn)給量0.1μm的大型超精密平面磨床在國際上已相當(dāng)普遍，在超精密磨削加工領(lǐng)域，具有代表性的超精密平面磨床有日本Nagase（長瀨工機(jī)）公司的N2C－C、N2CU及SGC系列，Okamoto（岡本）公司的UPG及PSG系列，德國Blohm（保寧）的Profimat系列。從國外應(yīng)用情況來看，美國、德國等國家在大口徑光學(xué)元件加工技術(shù)的開發(fā)計劃中都提出并實現(xiàn)了采用大型超精密多軸機(jī)床完成從玻璃毛坯到高精度光學(xué)表面的直接磨削成形加工。為此，針對國家重要光學(xué)工程的需求，我們研制了如圖2所示的立柱移動式數(shù)控臥軸矩臺平面磨床MGK7160。

機(jī)床整體采用模塊化結(jié)構(gòu)，機(jī)械結(jié)構(gòu)部分由床身工作臺、立柱、底座、磨頭、砂輪修整裝置、動平衡系統(tǒng)、外圍防護(hù)罩、電磁吸盤等組成；電氣及輔助部分主要有電氣及數(shù)控系統(tǒng)、光柵反饋系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、空氣凈化裝置等。床身工作臺部分由床身、工作臺、滾珠絲杠、配對滾珠絲杠專用軸承、光柵尺、防護(hù)裝置等組成。床身工作臺之間采用創(chuàng)新性設(shè)計的拼塊式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。立柱底座部分由立柱、底座、直線滾動導(dǎo)軌、滾珠絲杠、配對滾珠絲杠專用軸承、光柵尺、防護(hù)裝置等組成，底座與床身為獨立結(jié)構(gòu)（非整體鑄件），采用螺栓固定在一起，構(gòu)成“T”形結(jié)構(gòu)形式。主軸單元采用動靜壓軸承主軸，與主軸伺服電機(jī)通過抗振聯(lián)軸器直聯(lián)。主要技術(shù)指標(biāo)如下：工作臺加工范圍為800mm×600mm，X、Y、Z三直線軸分辨率均為0.1μm，主軸最高轉(zhuǎn)速為3000r／min，主軸回轉(zhuǎn)精度為0.1μm，X軸移動最大速度為20m／min，Y、Z兩軸移動最大速度為5 m／min。

圖2 MGK7160高精度平面磨床開發(fā)

2 加工控制

2.1 加工軌跡的規(guī)劃控制

為保證磨削加工精度及充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床精度特性，根據(jù)不同類型光學(xué)表面和具體機(jī)床結(jié)構(gòu)方式，選擇合理有效的加工規(guī)劃控制方法是關(guān)鍵，即在機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)特性基礎(chǔ)上實現(xiàn)數(shù)控軌跡規(guī)劃的高精度化。

在超精密平面磨床上，根據(jù)X、Y、Z三個直線軸的特點，非球面磨削加工適合采用直線和斜線光柵掃描式加工軌跡。直線包絡(luò)式加工規(guī)劃如圖3a所示。根據(jù)設(shè)定的X、Z軸加工步長可得到加工軌跡2，在軌跡2的基礎(chǔ)上進(jìn)行加工起始點的偏移得到軌跡1、3。加工中砂輪通過加工正程和返程依次遍歷這三條軌跡線實現(xiàn)磨削循環(huán)。即該加工包絡(luò)方法相對于原來的加工軌跡，將砂輪的分割細(xì)化為原來的9倍，而如果純粹采用將X軸及Z軸進(jìn)給步長減小為原來的1／3的方法，則分割細(xì)化程度也為原來的9倍，但是其加工效率沒有包絡(luò)方法高。

采用直線光柵式插補(bǔ)加工方法，其短軸方向的精度相對于其他兩軸可以比較低。而當(dāng)機(jī)床Z軸進(jìn)給精度有一定保證時，也可采用斜線包絡(luò)加工方法，如圖3b所示。該加工方法在工件上始終采用斜線進(jìn)給方式，同時使用機(jī)床的三個坐標(biāo)軸，其優(yōu)點為在同一個加工表面點上存在多種方向及進(jìn)給速度，調(diào)整不同的加工參數(shù)則其各次加工進(jìn)給的加工方向均會產(chǎn)生變化。斜線包絡(luò)控制較直線光柵式在X軸行程基礎(chǔ)上增加了一個同步或異步的Z軸偏移行程，異步偏移方式即X軸正反程運動起始時刻與Z軸運動起始時刻不同，是為了在加工開始后先平走一段，該平走軌跡可以消除包絡(luò)較少經(jīng)過的邊緣位置與中心位置的加工次數(shù)差距。

圖3 加工規(guī)劃控制方式

2.2 計算機(jī)輔助制造軟件開發(fā)

數(shù)控技術(shù)的核心是由計算機(jī)（主要是軟件）實現(xiàn)對加工過程中的信息進(jìn)行處理和控制，實現(xiàn)加工過程自動化。要滿足當(dāng)前對大尺寸光學(xué)零件日益增長的需求，以高精度加工設(shè)備配套高自動化程度的計算機(jī)輔助制造軟件來實現(xiàn)高效加工十分重要。圖4為磨削加工工作流程示意圖，計算機(jī)輔助制造軟件所起的作用包括人機(jī)界面的提供、加工參數(shù)控制、程序傳輸、加工管理、測量誤差數(shù)據(jù)處理，以及加工運動、工件測量、砂輪修整等數(shù)控（NC）程序的生成。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)的數(shù)控程序來執(zhí)行運動坐標(biāo)輸出，完成加工等相應(yīng)工作。

圖4 計算機(jī)輔助制造工作流程

從圖4可以看出，輔助制造軟件的主要功能是加工參數(shù)輸入、數(shù)控程序生成及測量數(shù)據(jù)處理，因此應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的功能模塊規(guī)劃。參數(shù)輸入模塊應(yīng)分為工件參數(shù)、機(jī)床工作參數(shù)、加工參數(shù)三個層次。其中，工件參數(shù)為工件類型、非球面方程參數(shù)、口徑大小等；機(jī)床工作參數(shù)為坐標(biāo)系選擇、主軸正反轉(zhuǎn)控制、砂輪類型及尺寸參數(shù)等；加工參數(shù)包括加工規(guī)劃方式選擇、插補(bǔ)方式選擇、加工步長、進(jìn)給量、進(jìn)給速度等。該模塊所獲得的參數(shù)是進(jìn)行自動編程的依據(jù)。

NC程序生成模塊應(yīng)包括加工、測量及修整三個方面，因采用基于機(jī)床的在位測量方式，因此測量時機(jī)床的運行程序同樣需要自動編程來實現(xiàn)。該模塊主要根據(jù)所確定的參數(shù)及已經(jīng)建立的加工軌跡計算模型進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，計算出砂輪所需的加工軌跡和每個程序段所需的工藝數(shù)據(jù)，并按照所用數(shù)控系統(tǒng)約定的加工指令和程序段格式，直接生成可用的NC文本文件，以方便通過RS232或USB接口傳給機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)。測量數(shù)據(jù)處理模塊主要完成對工件或砂輪表面測量數(shù)據(jù)的采集及處理，對于工件，計算補(bǔ)償加工誤差數(shù)據(jù)及評價加工表面質(zhì)量，而砂輪則計算修整后表面及半徑參數(shù)，用以更新加工中所使用的砂輪參數(shù)。

最后，基于工控PC機(jī)和Windows2000操作系統(tǒng)，選用Delphi 6.0和Visual Fortran作為開發(fā)工具，對制造系統(tǒng)軟件進(jìn)行開發(fā)。

3 加工工具技術(shù)

3.1 金剛石砂輪修整

目前加工大尺寸光學(xué)零件常用的金剛石砂輪按形狀分主要有平面砂輪、圓弧砂輪、球面砂輪。其中平面砂輪應(yīng)用于平面及凸形工件加工，而圓弧砂輪與球面砂輪在曲面加工中適用范圍較廣，但修整難度較大。Zhao等［8］提出的杯狀砂輪修整法，利用杯形砂輪上脫落下來的磨粒對金剛石砂輪磨粒和結(jié)合劑的沖擊以及研磨作用產(chǎn)生修整效果，即可整形，也可同時修銳。該方法需要開發(fā)與機(jī)床相適應(yīng)的修整裝置。已有研究表明，對比各修整方式所能達(dá)到的磨粒狀態(tài)、形狀精度、表面粗糙度及修整效率等指標(biāo)，在成形修整方面，杯形砂輪修整技術(shù)是比較理想的工作方式。利用杯形修整技術(shù)，能得到直線度非常高的砂輪截面，同時進(jìn)行修銳。如果利用這一特性，就能修整出任意凸形截面，易于得到較高的砂輪形狀精度。

對于圓弧修整，被修整圓弧金剛石砂輪只進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動；杯形砂輪修整器提供擺動和修整進(jìn)給運動，還進(jìn)行杯形砂輪自身的旋轉(zhuǎn)運動，往復(fù)運動同樣由機(jī)床工作臺提供?；谄矫嫔拜喖皥A弧砂輪的修整，兩軸修整器具體結(jié)構(gòu)方案如圖5所示，該裝置包括4個部分，集成了金剛石筆修整、平面修整及圓弧修整功能。杯狀砂輪修整器部分（圖5中A部分）：由步進(jìn)電機(jī)通過圓弧齒形同步帶傳動驅(qū)動杯狀修整砂輪旋轉(zhuǎn)，通過數(shù)控系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。擺動機(jī)構(gòu)部分（圖5中B部分）：由伺服電機(jī)連接數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺驅(qū)動擺臂轉(zhuǎn)動，擺臂擺動角度±15°。升降進(jìn)給機(jī)構(gòu)（圖5中C部分）：通過伺服電機(jī)帶動帶輪驅(qū)動絲杠，實現(xiàn)進(jìn)給調(diào)節(jié)。金剛石筆修整部分（圖5中D部分）：金剛石筆修整是單點修整方式，修整效率高，主要輔助杯形砂輪修整使用，對砂輪面形誤差較大或砂輪粗修場合可明顯提高修整效率。

圖5 兩軸杯形砂輪修整器

3.2 砂輪動平衡

在精密和超精密磨削加工中，砂輪微小不平衡量都會使工件表面產(chǎn)生波紋，嚴(yán)重地影響質(zhì)量和精度提高。動平衡系統(tǒng)基本由平衡頭、傳感器及控制器三部分組成，其關(guān)鍵在于根據(jù)床身的結(jié)構(gòu)和加工需求考慮，選擇合適的平衡頭安裝方式。目前，現(xiàn)有超精密磨床采用的動平衡方式主要有在線監(jiān)測外置式手動平衡方式，以及采用接觸或非接觸式傳感器的平衡頭外裝或內(nèi)置等自動實時平衡方式，圖6所示為兩種振動傳感器采集放置方式。

圖6 振動傳感器放置方式

自動平衡方式自動化程度、精度及效率高，同時具有實時性，但結(jié)構(gòu)制造要求高且造價也高。內(nèi)置式平衡頭在設(shè)計的時候就考慮到平衡問題，在主軸設(shè)計過程中需將主軸設(shè)計為中空便于內(nèi)置式平衡頭的安裝，但這樣會增加主軸制造難度。而外裝式平衡頭一般通過一個預(yù)先設(shè)計好的安裝法蘭安裝在各種不同磨床的軸端，這樣的安裝方式既簡單又多樣化。外裝式平衡頭是用螺旋連接法蘭安裝在磨床主軸端面并隨其一同高速旋轉(zhuǎn)，因而這種“在線動平衡”最接近實際加工狀態(tài)，磨削效果最佳。如圖7所示，綜合制造及精度的優(yōu)化考慮，在大尺寸高精度平面磨床MGK7160上采用了接觸傳感器的外裝式實時平衡結(jié)構(gòu)（美國Schmitt公司SBS0850L）。

圖7 外裝式動平衡設(shè)計結(jié)構(gòu)

4 在位測量

在粗精加工階段，相應(yīng)精度等級的在位檢測應(yīng)用廣泛，可為大口徑元件補(bǔ)償加工提供數(shù)據(jù)，或指導(dǎo)工件進(jìn)入后續(xù)拋光工藝。在位檢測可避免離線檢測時由于定位基準(zhǔn)變化所帶來的誤差，直接在機(jī)床上測量，不受工件口徑大小影響，結(jié)果更接近實際加工情況。從提高加工效率來講，粗精磨削階段的面形精度收斂是關(guān)鍵。因此，實現(xiàn)磨削階段的精確在位檢測，可提高補(bǔ)償加工精度，有利于減少補(bǔ)償加工次數(shù)，縮短加工周期。

在位測量基于超精密機(jī)床運動精度，其檢測過程由數(shù)控程序控制，擴(kuò)展了數(shù)控機(jī)床的測量功能，其關(guān)鍵是基于測量幾何及精度特征，對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度的數(shù)據(jù)處理。圖8所示為接觸式及非接觸式傳感器的在位測量應(yīng)用。

根據(jù)在位測量的特點，數(shù)據(jù)流程主要設(shè)計由數(shù)據(jù)預(yù)處理、誤差補(bǔ)償和數(shù)據(jù)處理三大部分組成。首先通過標(biāo)度變化、剔除奇異項、平滑處理等操作實現(xiàn)預(yù)處理，然后進(jìn)行坐標(biāo)系不重合等誤差補(bǔ)償，最后在數(shù)據(jù)處理部分中當(dāng)需要進(jìn)行補(bǔ)償加工或反求光學(xué)元件表面方程時，應(yīng)選擇曲線／面擬合，曲線／面擬合采用非線性最小二乘法。當(dāng)需要評價非球面光學(xué)元件的表面質(zhì)量時，應(yīng)選擇曲面插值，曲面插值主要利用分片三次插值多項式方法進(jìn)行二元三次樣條曲面構(gòu)造，得到實際加工的面形，再與理想的非球面面形相比較，從而求出非球面的面形誤差函數(shù)和各種像差參數(shù)等。采用基于標(biāo)準(zhǔn)件的誤差分離與校正方法來對在位測量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理方案的有效性和可靠性進(jìn)行檢驗。

圖8 在位測量應(yīng)用

在傳感器的選擇方面，進(jìn)行工件測量比較實驗以確定適合大尺寸測量傳感器類型。接觸式傳感器采用中原量儀DGB型電感測微儀，±3μm檔分度值為0.1μm。日本Keyence公司LK－G10型非接觸激光位移傳感器，分辨率為0.01μm。采用初拋光后的高精度工件作為測量標(biāo)準(zhǔn)件，方形平面元件310mm×310mm，利用Veeco干涉儀對其進(jìn)行檢測得到表面誤差分布。由檢測結(jié)果可知：表面最大高度差為2.32μm，均方差為0.30μm；接觸式傳感器測量時表面最大高度差為6.17μm，均方差為1.16μm。面形誤差分布規(guī)律與干涉儀的檢測結(jié)果有較大差別。而非接觸式傳感器無需與工件表面接觸，測量效率較高，同時其測量分辨率高，從而所獲得的測量結(jié)果精度高，表面最大高度差為4.32μm，均方差為0.63μm，且面形分布誤差較小。因此，在非球面粗精磨削階段的在位檢測中可選用非接觸式傳感器。

5 實驗結(jié)果

基于以上的工作，以表1所示的實驗參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的大口徑光學(xué)平面元件初步加工實驗。MGK7160高精度平面磨床置于恒溫潔凈隔振車間，磨削液采取紙過濾方式，冷卻系統(tǒng)溫度控制在20±0.1℃，動靜壓主軸油溫控制精度同樣為20±0.1℃。加工中采取直線包絡(luò)光柵方式插補(bǔ)，400＃陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪經(jīng)過杯形修整器精密修整后，在主軸轉(zhuǎn)速為1500r／min時動平衡精度為0.1μm。工件材料為400mm×400mm口徑方形BK7玻璃，材料去除加工總量為150μm。

表1 加工實驗參數(shù)

加工后采取激光位移傳感器進(jìn)行表面測量，X、Z方向通過光柵式測量，測量范圍為400mm×400mm，測量軌跡間距為50mm，即在X、Z方向均得到8條測量軌跡，測量步長為1mm，即每組數(shù)據(jù)點401個。為充分驗證機(jī)床及加工技術(shù)系統(tǒng)的性能及可靠性，進(jìn)行了多次反復(fù)加工實驗。圖9所示為加工實驗結(jié)果，結(jié)果1和結(jié)果2的表面最大高度差分別為5.31μm、5.79μm，均方差分別為0.72μm、0.86μm；平面度采用青島前哨公司的數(shù)字式電子水平儀DL11進(jìn)行測量，測量精度為0.001mm／m，所測得平面度分別為2.54μm、3.26μm?？梢钥闯?，在表1的實驗條件下，機(jī)床獲得了較好的加工精度。

圖9 磨削加工實驗結(jié)果

6 結(jié)束語

超精密磨削加工是一項綜合性系統(tǒng)工程，它涉及機(jī)床、控制、工具、檢測、材料、環(huán)境控制等成果。針對具體的加工對象，高精度高性能的加工設(shè)備及工具與最優(yōu)配套工藝技術(shù)等相結(jié)合，才能充分發(fā)揮出磨削加工的優(yōu)勢。本文研究了大口徑光學(xué)元件加工中高精度平面磨床加工技術(shù)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，并進(jìn)行了實驗驗證。

在開發(fā)的MGK7160高精度平面磨床基礎(chǔ)上，已實現(xiàn)了加工規(guī)劃控制、計算機(jī)輔助制造軟件、砂輪修整、動平衡以及在位檢測等功能，并通過實驗研究來說明其加工應(yīng)用的有效性。

采用400＃陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪實現(xiàn)了400×400mm口徑平面光學(xué)元件的精密磨削加工，獲得了較好的加工精度，表面最大高度差穩(wěn)定在5μm左右，均方差達(dá)到1μm以下。

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