H402-AZ數(shù)控專用平面磨床

忻曉蔚

（上海機(jī)床廠有限公司 上海 200093）

H402-AZ數(shù)控專用平面磨床

忻曉蔚

（上海機(jī)床廠有限公司 上海 200093）

光學(xué)玻璃被廣泛應(yīng)用于激光技術(shù)、光電通訊、航空航天以及國防工業(yè)等領(lǐng)域。H402-AZ數(shù)控專用平面磨床是專門針對大尺寸平面光學(xué)玻璃零件，如激光（釹）玻璃、熔石英等加工的需要而研制開發(fā)的機(jī)床。該機(jī)床可大大縮短光學(xué)玻璃的后續(xù)研磨拋光時(shí)間，滿足超精磨平面玻璃的批量生產(chǎn)。

光學(xué)玻璃 精密加工 平面磨床

1 機(jī)床用途

光學(xué)玻璃是用于制造光學(xué)儀器或機(jī)械系統(tǒng)中光學(xué)元件（透鏡、棱鏡和反射鏡等）的玻璃材料的統(tǒng)稱。由于光學(xué)玻璃具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性能和高度的光學(xué)均勻性，且耐磨性好、抗蝕性強(qiáng)，因此被廣泛應(yīng)用于激光技術(shù)、光電通訊、航空航天以及國防工業(yè)等領(lǐng)域，已成為當(dāng)前尖端科學(xué)技術(shù)中應(yīng)用最活躍的材料之一。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代光學(xué)工業(yè)對光學(xué)玻璃提出了精度高、需求量大等苛刻要求。從精度方面，要求光學(xué)玻璃具有面形精度高（Ra≤0.1 μm）、表面粗糙度低（Ra≤12 nm）以及亞表面裂紋少等；從需求量方面，以激光核聚變裝置所需的光學(xué)玻璃為例，美國國家點(diǎn)火裝置（National Ignition Facility,NIF）的光學(xué)系統(tǒng)使用7000多件大口徑光學(xué)元件（口徑大于400mm×400mm）。當(dāng)時(shí)美國光學(xué)制造業(yè)每年能提供大約200～300個(gè)納米級(jí)的光學(xué)元件，為了在五年時(shí)間內(nèi)完成7 000余件大口徑光學(xué)元件和20 000余件小口徑光學(xué)元件的制造，美國光學(xué)工業(yè)相關(guān)部門必須將其生產(chǎn)能力提高10倍。而我國現(xiàn)有的光學(xué)元件加工能力同樣無法滿足要求。

由于光學(xué)玻璃具有硬度高、脆性大的特點(diǎn)，在加工過程中極易產(chǎn)生表面疵病與亞表面損傷，屬于典型的難加工材料。其超光滑表面成形技術(shù)及高效低成本加工工藝技術(shù)已經(jīng)成為國防科技、航空航天、電子信息等領(lǐng)域急需研究的重要課題。對于光學(xué)玻璃等硬脆材料，超精密磨削技術(shù)是實(shí)現(xiàn)超光滑表面的最佳手段。因此，美國、德國、日本、英國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家，對光學(xué)玻璃等硬脆材料的超精密磨削加工技術(shù)的研究十分活躍，已開發(fā)出先進(jìn)的高精度高剛度磨床，用于硬脆材料的超精密加工技術(shù)的研究，并且相關(guān)科研成果被應(yīng)用于國防及民用工業(yè)領(lǐng)域。近年來，光學(xué)玻璃等硬脆材料超精密磨削裝備及工藝技術(shù)研究已被列為重點(diǎn)資助的科研內(nèi)容。

H402-AZ數(shù)控專用平面磨床就是“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)課題“超精密大尺寸光學(xué)玻璃平面磨床”的產(chǎn)品，專門針對大尺寸平面光學(xué)玻璃零件，如激光（釹）玻璃、熔石英等加工的需要而研制開發(fā)的超精密大尺寸平面磨削加工機(jī)床，是此類機(jī)床設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵技術(shù)，為光學(xué)玻璃材料的超精密磨削加工工藝、并在生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用提供依據(jù)。

2 機(jī)床主要參數(shù)

H402-AZ數(shù)控專用平面磨床采用龍門式臥軸矩臺(tái)的結(jié)構(gòu)布局方式，配備高精度運(yùn)動(dòng)功能部件、高分辨率測量與反饋系統(tǒng)以及高性能數(shù)控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)剛度高、力熱穩(wěn)定性好和加工精度高的特點(diǎn)。另外，機(jī)床配備了在位測量系統(tǒng)，可完成大尺寸光學(xué)玻璃平面度快速、精密、可靠檢測。超精密大尺寸光學(xué)玻璃平面磨床結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

2.1 機(jī)床主要技術(shù)規(guī)格參數(shù)

圖1 超精密大尺寸光學(xué)玻璃平面磨床結(jié)構(gòu)

2.2 機(jī)床控制系統(tǒng)及專用軟件開發(fā)

基于西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，自主開發(fā)了超精密大尺寸光學(xué)玻璃平面磨削專用軟件。針對大尺寸光學(xué)玻璃磨削加工工藝特征，該磨削專用軟件能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)數(shù)控軸的可靠便捷控制。磨床主要數(shù)控軸包括：

其中X、Y、Z、Z1采用高精度閉環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)對砂輪架豎直切入運(yùn)動(dòng)和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的控制、卸荷裝置同步移動(dòng)的控制等。數(shù)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)給、自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)修整砂輪等自動(dòng)循環(huán)。同時(shí)，機(jī)床還配有砂輪自動(dòng)平衡系統(tǒng)，帶自動(dòng)溫度控制的砂輪主軸潤滑系統(tǒng)及帶磁性分離器和紙質(zhì)過濾器的冷卻液箱。

3 機(jī)床主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.1 高剛度高穩(wěn)定性床身

床身采用整體花崗巖結(jié)構(gòu)，由于花崗巖具有高阻尼、小振動(dòng)、熱穩(wěn)定性佳等特性，可以保證磨床高剛度和高穩(wěn)定性。如圖2所示。

圖2 床身結(jié)構(gòu)

3.2 工作臺(tái)

工作臺(tái)面采用整體花崗巖結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)閉式靜壓導(dǎo)軌的基礎(chǔ)上開發(fā)了高剛性、高精度的大平面閉式靜壓導(dǎo)軌，以實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的大行程、平穩(wěn)、可靠的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)采用SIEMENS直線電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同時(shí)為了防止直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)影響臺(tái)面，專門為直線電機(jī)設(shè)計(jì)了獨(dú)立的靜壓導(dǎo)軌。臺(tái)面的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由HEIDENHAIN光柵系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制，從而保證了工作臺(tái)具有高精度、快速響應(yīng)的運(yùn)動(dòng)特性，如圖3所示。

圖3 工作臺(tái)結(jié)構(gòu)

3.3 立柱、滑座與橫梁

雙立柱龍門式布局如圖4所示，可控制由于熱引起的機(jī)床變形，立柱和橫梁采用花崗巖制成。砂輪橫向位移滑座置于固定的橫梁上、安裝砂輪架的垂直運(yùn)動(dòng)拖板置于橫向位移滑座上。橫向位移和垂直運(yùn)動(dòng)均采用SIEMENS伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)高精度滾珠絲杠來完成，HEIDENHAIN光柵位置反饋。橫向位移滑座以及垂直運(yùn)動(dòng)拖板的導(dǎo)軌同樣采用的是液體靜壓導(dǎo)軌。另外在垂直運(yùn)動(dòng)拖板上配備了微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)砂輪架0.1 μm的微進(jìn)給。

圖4 立柱、滑座與橫梁結(jié)構(gòu)

為了減少砂輪架滑座自重及其橫向位移引起的橫梁變形，在橫梁的正上方設(shè)置了卸荷裝置（卸荷橫梁），如圖5所示。用以承擔(dān)砂輪架滑座的大部分自重，并且通過HEIDENHAIN光柵位置反饋實(shí)現(xiàn)卸荷裝置與砂輪橫向位移滑座的運(yùn)動(dòng)同步，從而最大限度的減少橫梁變形對磨削加工的影響。

圖5 卸荷裝置結(jié)構(gòu)

3.4 砂輪架

開發(fā)了轉(zhuǎn)速范圍廣、高剛性、高精度砂輪靜壓主軸系統(tǒng)，如圖6所示，以實(shí)現(xiàn)砂輪的高剛性、高精度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。砂輪軸采用液體靜壓軸承支承，SIEMENS內(nèi)置式主軸電機(jī)，采用冷卻液強(qiáng)制冷卻主軸電機(jī)，砂輪主軸配備了砂輪平衡裝置，配套的管理控制程序能在循環(huán)中連續(xù)監(jiān)測砂輪的情況并立即對可能出現(xiàn)的不平衡量進(jìn)行補(bǔ)償。

圖6 砂輪架結(jié)構(gòu)

3.5 測量系統(tǒng)

機(jī)床配備了激光干涉儀作為加工精度的在位測量系統(tǒng)，通過機(jī)床臺(tái)面運(yùn)動(dòng)和測量拖板橫向運(yùn)動(dòng)，使激光干涉儀的鏡頭可以掃描所有加工面積。當(dāng)機(jī)床進(jìn)行磨削加工時(shí)，測量橫梁可以運(yùn)動(dòng)到加工范圍以外，如圖7所示。

圖7 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

超精密大尺寸光學(xué)玻璃平面磨床是針對國家重要光學(xué)工程行業(yè)面臨重大需求而研究開發(fā)的，是具有國際先進(jìn)水平的超精密加工關(guān)鍵裝備。該項(xiàng)目的開發(fā)成功，能夠?qū)崿F(xiàn)450×1 200 mm光學(xué)玻璃的高精度、高效率磨削，工件平面度可達(dá)3 μm，大大縮短了后續(xù)研磨拋光的時(shí)間，可滿足激光武器、航空航天等領(lǐng)域?qū)Τ艽蟪叽缙矫娌ＡУ拇笈啃枨?，對我國天文科學(xué)、國家重點(diǎn)工程和軍事裝備的發(fā)展具有重要意義，并將進(jìn)一步推動(dòng)我國光學(xué)和激光領(lǐng)域制造裝備的技術(shù)突破，提升我國相關(guān)領(lǐng)域的核心競爭力和創(chuàng)新能力。

*國家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目編號(hào)：2011ZX04004-051