非球面曲面光學(xué)零件超精密加工裝備與技術(shù)

1、文章編號(hào)10042924X (20030120075203非球面曲面光學(xué)零件超精密加工裝備與技術(shù)羅松保,張建明(中國(guó)航空工業(yè)第一集團(tuán)公司303所第一研究室,北京100076摘要:“Nanosys -300非球面曲面超精密復(fù)合加工系統(tǒng)”是“九五”重點(diǎn)預(yù)研課題“非球面曲面的超精密加工與測(cè)量技術(shù)”的主要研究成果。重點(diǎn)對(duì)非球面曲面光學(xué)零件超精密加工機(jī)床,非球面曲面光學(xué)零件超精密加工工藝,非球面曲面光學(xué)零件超精密測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了研究。其主要技術(shù)成果有:非球面超精密復(fù)合加工系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)和制造技術(shù),高速超精密空氣靜壓主軸系統(tǒng),超精密閉式液體靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng),高速超精密空氣靜壓磨頭電主軸系統(tǒng),開(kāi)放式高性能數(shù)控系統(tǒng)集

2、成技術(shù)等。系統(tǒng)的精度檢測(cè)和工藝實(shí)驗(yàn)表明其研究水平進(jìn)入了國(guó)際先進(jìn)行列。關(guān)鍵詞:非球面;超精密;加工;測(cè)量中圖分類號(hào):TQ171.684文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1引言非球面光學(xué)零件在國(guó)防科技工業(yè)領(lǐng)域,以及民用光電產(chǎn)品方面都有著重要而廣泛的應(yīng)用。近年來(lái),我國(guó)加快了超精密加工技術(shù)的研究步伐,研制出了少量非球面超精密加工機(jī)床,但大多功能單一,一般只有車削功能1-2。少量進(jìn)口的超精密加工機(jī)床最多也只有數(shù)控車削、磨削功能,再加之非球面超精密磨削工藝的復(fù)雜性,這些進(jìn)口的機(jī)床的磨削功能基本上還未得到實(shí)際應(yīng)用。因此,國(guó)內(nèi)真正意義上的非球面超精密加工技術(shù)至今還未開(kāi)展起來(lái)?！熬盼濉逼陂g,中國(guó)航空工業(yè)第一集團(tuán)公司303所第一研究

3、室對(duì)“九五”重點(diǎn)預(yù)研課題-“非球面曲面的超精密加工與測(cè)量技術(shù)”進(jìn)行了系統(tǒng)的科研攻關(guān),成功地研制出了“Nanosys-300非球面曲面超精密復(fù)合加工系統(tǒng)”。它具備超精密復(fù)合加工的功能,既能對(duì)典型有色金屬材料進(jìn)行單點(diǎn)金剛石超精密切削(SPD T 加工,又能對(duì)典型硬脆非金屬材料進(jìn)行超精密磨削加工。2非球面曲面光學(xué)零件超精密加工機(jī)床的研究3Nanosys-300機(jī)床系統(tǒng)主要由以下部分構(gòu)成:(1機(jī)械系統(tǒng),它包括:床身及隔振裝置、導(dǎo)軌及驅(qū)動(dòng)裝置、主軸及驅(qū)動(dòng)裝置、延性方式磨削裝置(砂輪主軸、砂輪電火花修形裝置、EL ID 修銳裝置、機(jī)床位置測(cè)量裝置、刀架及吸屑裝置、噴霧冷卻裝置等;(2恒溫供液系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)

4、;(3CNC 數(shù)控系統(tǒng)。Nanosys -300機(jī)床系統(tǒng)采用“T ”形結(jié)構(gòu)布局。機(jī)床底座采用穩(wěn)定性好的大塊天然大理石,超精密閉式液體靜壓導(dǎo)軌呈“T ”形布局布置在大理石臺(tái)面上,分別作為該系統(tǒng)的X 、Z 軸,它們由交流伺服電機(jī)通過(guò)CO 級(jí)精密滾珠絲杠和四自由度精密絲杠溜板耦聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),其中X 軸導(dǎo)軌上安裝超精密空氣靜壓主軸,其上的真空吸盤用于吸附加工工件。Z 軸導(dǎo)軌上安裝微調(diào)刀架(機(jī)床用于單點(diǎn)金剛石車削(SPD T 功能時(shí),或者作為機(jī)床Y 軸的高剛性、超精密空氣靜壓磨頭(用于超精密鏡面磨削(EL ID 功能時(shí)。機(jī)床的位置通過(guò)收稿日期:2002211220;修訂日期:2002212211.第1

5、1卷第1期2003年2月光學(xué)精密工程O(píng)ptics and Precision EngineeringVol.11No.1Feb.2003安裝在X、Z軸上的高分辨率光柵以及其對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行位置的閉環(huán)反饋控制。機(jī)床大理石底座通過(guò)具有隔振和自動(dòng)調(diào)平功能的空氣彈簧支承在防震地基上。同時(shí),機(jī)床還配備了為空氣靜壓主軸和磨頭等服務(wù)的供氣系統(tǒng)以及用于液體靜壓導(dǎo)軌的恒溫供液系統(tǒng),車削功能時(shí)的吸屑裝置、噴霧冷卻裝置,以及磨削功能時(shí)的金剛石圓弧砂輪在線電火花修形、EL ID修銳裝置和磨頭、工件恒溫冷卻系統(tǒng)。機(jī)床的電控部分采用基于現(xiàn)代控制理論的高性能多軸CNC精密數(shù)控與伺服系統(tǒng)。3非球面曲面光學(xué)零件超精密加工工藝

6、的研究3.1超精密車削工藝研究在單點(diǎn)金剛石切削(SPD T工藝研究中,對(duì)有色金屬材料諸如硬鋁、黃銅、無(wú)氧銅等的典型零件(如平面、柱面、球面、非球面等進(jìn)行了切削工藝實(shí)驗(yàn),重點(diǎn)研究了不同的刀具材料(普通工具鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具、CVD刀具以及金剛石刀具、不同刀具幾何形狀參數(shù)和精度、不同的切削控制參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量及吃刀量對(duì)工件加工質(zhì)量(零件的面形精度與表面粗糙度的影響,同時(shí)還研究了切削液噴霧以及吸屑作用對(duì)加工質(zhì)量的影響。3.2超精密磨削工藝研究在超精密磨削工藝實(shí)驗(yàn)中,對(duì)典型硬脆非金屬材料諸如玻璃、淬硬鋼、半導(dǎo)體、陶瓷等的典型零件(如平面、球面、非球面等進(jìn)行了磨削工藝實(shí)驗(yàn),重點(diǎn)研究了不同粒度、濃

7、度的鑄鐵基金剛石磨輪、磨輪的不同斷面幾何形狀、不同的磨削控制參數(shù)(磨頭和主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量及吃刀量對(duì)工件加工質(zhì)量(零件的面形精度與表面粗糙度的影響,同時(shí)還對(duì)磨輪的在線電火花修形以及在線EL ID 修銳進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,此外還就磨削液對(duì)加工質(zhì)量的影響進(jìn)行了研究。4非球面曲面光學(xué)零件超精密測(cè)量技術(shù)的研究4.1對(duì)刀裝置3在數(shù)控編程、加工過(guò)程中,為順利實(shí)現(xiàn)對(duì)刀功能以及刀具半徑補(bǔ)償,需要準(zhǔn)確測(cè)量刀尖的空間相對(duì)位置以及刀具刀尖的圓弧半徑。刀具位置檢測(cè)裝置由高分辨率的氣浮線性可調(diào)差動(dòng)變壓器(LVD T氣浮測(cè)頭和后續(xù)處理電路組成。一個(gè)LVD T測(cè)頭用于測(cè)量刀尖圓弧在X、Z平面內(nèi)的空間位置以及在X、Z平面內(nèi)刀尖圓弧

8、半徑,另一個(gè)則用于測(cè)量刀尖的高度,即Y向坐標(biāo)。采用氣浮測(cè)頭,可以消除摩擦力的影響,并通過(guò)測(cè)頭背向的恒壓空氣加壓,使得測(cè)量力均勻。4.2非球面面形測(cè)量裝置非球面光學(xué)零件的面形檢測(cè)技術(shù)是非球面加工技術(shù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。面形測(cè)量分加工過(guò)程中的在位測(cè)量以及加工終了的面形測(cè)量,近年來(lái)我國(guó)在非球面測(cè)試技術(shù)研究上取得了一些研究成果,如激光掃描法、干涉法等,但適用于生產(chǎn)需要的、性能穩(wěn)定的高精度實(shí)用化的非球面測(cè)量?jī)x器尚無(wú)成功研制的報(bào)道?？紤]到實(shí)際非球面零件的生產(chǎn)需要,為提高非球面零件的生產(chǎn)效率和加工精度,解決非球面零件在位測(cè)量與在位誤差補(bǔ)償?shù)碾y題,在在位測(cè)量中采用高分辨率的LVD T氣浮測(cè)頭測(cè)量非球面面形。而對(duì)于

9、工件的最終測(cè)量,本課題研制成功了相移式橫向剪切干涉法測(cè)量光學(xué)非球面面形的檢測(cè)裝置及其配套檢測(cè)軟件,實(shí)現(xiàn)了對(duì)部分非球面光學(xué)零件精度為0.1m 面形測(cè)量。5主要技術(shù)成果(1非球面超精密復(fù)合加工系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)和制造技術(shù)以往國(guó)內(nèi)研制的超精密加工裝置大都只有簡(jiǎn)單的車削功能,對(duì)硬脆材料(如玻璃不能進(jìn)行磨削加工,并且裝置的其它輔助功能也很少。本課題研制的非球面超精密復(fù)合加工系統(tǒng)瞄準(zhǔn)了國(guó)際同類系統(tǒng)的先進(jìn)水平,開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)精度高、功能全、實(shí)用性強(qiáng)。系統(tǒng)同時(shí)具備車削和磨削加工功能,此外還開(kāi)發(fā)了工件真空吸附、噴霧、吸屑、在位對(duì)刀、工件在位測(cè)量、空氣彈簧減振等一系列相關(guān)配套技術(shù)和子系統(tǒng)。因此,課題所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)技術(shù)完整性好

10、,具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平。(2高速超精密靜壓主軸系統(tǒng)4-6為了適合微小零件和特殊材料零件的超精密加工,當(dāng)前國(guó)際上先進(jìn)的超精密機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)3000rpm或更高,而以往國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的超精密67光學(xué)精密工程第11卷加工裝置主軸的最高轉(zhuǎn)速僅到5001000rpm 。本課題研制的主軸為了實(shí)現(xiàn)高速、超精密性能,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)平衡、聯(lián)軸器、電機(jī)等方面采取了一系列特殊的技術(shù),使主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到近3000rpm 。此外,在主軸加工方面也采取了一系列措施,保證了主軸部件的加工精度(如轉(zhuǎn)軸圓度達(dá)0.2m 。通過(guò)上述工作,本課題的主軸系統(tǒng)成功地實(shí)現(xiàn)了高速、高精度(0.050.1m 的研制目標(biāo)。(3超精密閉式液體靜壓導(dǎo)

11、軌系統(tǒng)以前我國(guó)研制的超精密加工裝置均采用氣浮式導(dǎo)軌結(jié)構(gòu),使用效果不理想。為了提高系統(tǒng)剛性和減振效果,采用閉式液體靜壓導(dǎo)軌已成為國(guó)際上超精密加工機(jī)床導(dǎo)軌技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。本課題在國(guó)內(nèi)率先研制成功了超精密閉式液體靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng),并在該系統(tǒng)中采用了自行研制開(kāi)發(fā)的四自由度精密絲杠溜板耦聯(lián)機(jī)構(gòu),有效地保證了超精密導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)和定位性能。(4超精密空氣靜壓磨頭電主軸系統(tǒng)4-6適合超精密機(jī)床使用的超精密磨頭系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)尚屬空白,而從國(guó)外進(jìn)口一套磨頭系統(tǒng)需二十幾萬(wàn)美元外匯。由于超精密磨削涉及的技術(shù)比較復(fù)雜,國(guó)內(nèi)數(shù)家單位耗巨資引進(jìn)的磨頭系統(tǒng)至今仍未有效地使用起來(lái)。本課題通過(guò)開(kāi)發(fā)高剛性、超精密(0.1m 磨頭系統(tǒng)以及對(duì)相關(guān)

12、應(yīng)用技術(shù)的掌握,將推動(dòng)我國(guó)的非球面超精密磨削技術(shù)的發(fā)展。(5開(kāi)放式高性能數(shù)控系統(tǒng)集成技術(shù)目前,國(guó)內(nèi)還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出適合非球面超精密加工機(jī)床的商品化高性能數(shù)控系統(tǒng)。因此,課題所需的數(shù)控系統(tǒng)只能自行開(kāi)發(fā)。課題研制的非球面超精密加工機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)采取了用工控PC +DSP 多軸運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)集成方式實(shí)現(xiàn),走出了一條適合我國(guó)超精密機(jī)床發(fā)展的開(kāi)放式高性能數(shù)控系統(tǒng)集成技術(shù)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用的道路。(6非球面面形檢測(cè)技術(shù)非球面面形檢測(cè)技術(shù)是非球面超精密加工技術(shù)中的一大關(guān)鍵技術(shù)。本課題研制成功了相移式橫向剪切干涉法測(cè)量光學(xué)非球面面形的檢測(cè)裝置及其配套檢測(cè)軟件,實(shí)現(xiàn)了對(duì)部分非球面光學(xué)零件精度為0.1m

13、 面形測(cè)量。6結(jié)論該課題在非球面曲面超精密加工設(shè)備和工藝的關(guān)鍵技術(shù)方面取得了一系列重要突破,研究成果填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白,使我國(guó)超精密加工技術(shù)水平躍上了一個(gè)新的臺(tái)階,研究水平進(jìn)入了國(guó)際先進(jìn)行列。目前,我國(guó)航空航天、兵器、核工業(yè)等部門都提出了對(duì)非球面曲面等類型零件的超精密加工設(shè)備及技術(shù)需求,該項(xiàng)研究成果為我國(guó)國(guó)防科研與武器裝備生產(chǎn)所急需的超精密加工設(shè)備和技術(shù)提供了技術(shù)儲(chǔ)備。該課題的研究成功,還為“九五”預(yù)研成果的工程化打下了堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)基礎(chǔ),可以有效地促進(jìn)我國(guó)非球面曲面的超精密加工與測(cè)量整體技術(shù)的跨越式發(fā)展。參考文獻(xiàn):1PN EUMO T H.Nanoform 250Preliminary Eng

14、ineering SpecificationsZ.Revision.2POWELL J W.Design of aerostatic bearing M .The Machinery Publishing Co ,Ltd ,1970.3BRZESKI L ,K AZIMIERSKI Z.High stiffness bearingJ .T ran of the A S M E ,1979,101:520-525.4TAN G I C ,GROSS W A.Analysis and design of externally gas bearingJ .A SL E T rans ,1962,27

15、:261-284.5龐滔,郭大春.超精密加工技術(shù)M .北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2000.PAN G T ,GUO D Ch.The ult raprecision m achining technology M .Beijing :Natinal Defence Industry Press ,2000.(in Chinese 6袁哲俊,王先逵.精密和超精密加工技術(shù)M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.YUAN Zh J ,WAN G X K.The precision and ult raprecision m achining technology M .Beijing :China Mac

16、hine Press ,1999.(in Chinese 77第1期羅松保,等:非球面曲面光學(xué)零件超精密加工裝備與技術(shù)87光學(xué)精密工程第11卷U ltraprecision machining equipment and technology of aspheric opticsL UO Song-bao,ZHAN G Jian-ming(N o.1laboratory,N o.303Research Instit ute ofChi na A viation Indust ry Corporation,Beiji ng100076,Chi naAbstract:Nanosys-300asph

17、eric optical components ultraprecision machining system is one of the major re2 search achievements in search for ultraprecision machining and measuring technology for aspheric compo2 nents during the9th five-year plan.The major achievements in search for ultraprecision machining system, machining t

18、echnology and measuring technology for optical components,and design and manufacturing of aspheric optical components ultraprecision machining system,high speed ultraprecision aerostatic air bearing spindle system,ultraprecision closed hydrostatic oil bearing slides,high speed ultraprecision aerostatic air bearing e