鞏 巖，趙 磊

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春130033)

1 引言

超精密單點(diǎn)金剛石機(jī)床是加工高精密光學(xué)元件的基礎(chǔ)裝備，其定義如下:(1)采用單點(diǎn)金剛石刀具;(2)機(jī)床的導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度小于1 μm，主軸回轉(zhuǎn)誤差小于50 nm，控制和檢測(cè)反饋的分辨率小于10 nm;(3)零件加工的尺寸精度控制在亞微米量級(jí)，面型精度優(yōu)于100 nm，表面粗糙度優(yōu)于5 nm;(4)機(jī)床具有良好的熱穩(wěn)定性、高剛度，并且具備自適應(yīng)控制功能［1］。單點(diǎn)金剛石車床主要用于加工中小尺寸、中等批量的紅外晶體和金屬材料的光學(xué)零件，其特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、加工精度高、重復(fù)性好，適合批量生產(chǎn)，加工成本比傳統(tǒng)的加工技術(shù)明顯降低。

近年來(lái)，隨著對(duì)激光核聚變、同步加速器、天文望遠(yuǎn)鏡、打印機(jī)、攝像機(jī)、硬盤等產(chǎn)品需求的快速增長(zhǎng)，單點(diǎn)金剛石車床在光學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，對(duì)其理論基礎(chǔ)與應(yīng)用領(lǐng)域的研究也受到眾多學(xué)者的關(guān)注。

本文首先分析了單點(diǎn)金剛石車床在國(guó)防和商業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展趨勢(shì)，介紹了目前國(guó)際上的典型商用產(chǎn)品;然后對(duì)超精密單點(diǎn)金剛石車床的核心零部件進(jìn)行了闡述;最后，介紹了單點(diǎn)金剛石車床在國(guó)防和商用光電產(chǎn)品中的應(yīng)用。

2 金剛石切削技術(shù)的發(fā)展

采用金剛石車削技術(shù)加工光學(xué)元件的最早記載可以追溯到第二次世界大戰(zhàn)期間，Cooke［2］和Eindhoven等人［3］分別采用金剛石車削技術(shù)加工施密特圓盤模具。20世紀(jì) 50年代，Taylor＆Hobson研制了用于生產(chǎn)高質(zhì)量攝像機(jī)鏡頭的金剛石機(jī)床［4］。同期，Bell＆ Howell公司開(kāi)始進(jìn)行非球面光學(xué)零件加工技術(shù)的研究［5］。1972年，美國(guó)Union Carbide公司研制成功R-θ非球面加工機(jī)床［6］。1980年，英國(guó)Rank Pneumo公司向市場(chǎng)推出兩軸聯(lián)動(dòng)式商用MSG-325金剛石車床［6］。同年，Moore公司研發(fā)了M-18AG非球面加工機(jī)床，可加工直徑為356 mm的各種非球面金屬反射鏡［6］。1983年和1984年，美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)分別研制成功加工直徑為2.1 m的臥式金剛石車床DTM-3［7］和加工直徑為1.65 m 的 LODTM 立式金剛 石車床［8］，其中LODTM立式金剛石車床被公認(rèn)為世界上精度最高的超精密機(jī)床，如圖1所示。1991年，英國(guó)Cranfield大學(xué)精密工程研究所(CUPE)研制成功OAGM2500數(shù)控機(jī)床，可加工和測(cè)量精密自由曲面，采用加工件拼合方法，能加工出用于天文望遠(yuǎn)鏡的直徑為7.5 m的大型反射鏡［9］。

圖1 美國(guó)的LODTM立式金剛石車床Fig.1 LODTM vertical diamond machine made in the USA

圖2 Moore公司的Nanotech 450UPLFig.2 Nanotech 450UPL made by Moore Company

當(dāng)前國(guó)際上單點(diǎn)金剛石機(jī)床的主要發(fā)展趨勢(shì)是:(1)在尖端技術(shù)和產(chǎn)品的需求下，加工精度向加工極限方向發(fā)展，已進(jìn)入亞微米級(jí)及納米級(jí)加工;(2)隨著微電子產(chǎn)品市場(chǎng)越來(lái)越大，對(duì)機(jī)床的效率和自動(dòng)化程度要求越來(lái)越高;(3)機(jī)床結(jié)構(gòu)不斷向多功能模塊化的方向發(fā)展;(4)機(jī)床功能不斷向加工檢測(cè)補(bǔ)償一體化的方向發(fā)展。

目前國(guó)際上主要生產(chǎn)商用金剛石超精密加工設(shè)備的廠商有:美國(guó)Moore公司、AMETEK集團(tuán)旗下的Precitech公司和Taylor Hobson公司，日本的東芝機(jī)械公司、豐田工機(jī)公司和德國(guó)的LT Ultra公司等。圖2～圖4為幾款典型的超精密單點(diǎn)金剛石機(jī)床產(chǎn)品，分別為 Moore公司的 Nanotech 450UPL、Precitech公司的Nanoform 700 ultra和LT Ultra公司的MTC400。

圖3 Precitech公司的Nanoform 700 ultraFig.3 Nanoform 700 ultra made by Precitech Company

圖4 LT Ultra公司的MTC400Fig.4 MTC400 made by LT Ultra Company

圖5 配有XZCB和磨頭的金剛石機(jī)床Fig.5 Diamond machine with XZCB and grinding spindle

上述商用單點(diǎn)金剛石車床標(biāo)配有X軸/Z軸工作臺(tái)以及空氣靜壓主軸，并且可以通過(guò)附加旋轉(zhuǎn)C軸和旋轉(zhuǎn)B軸擴(kuò)展為4軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。同時(shí)單點(diǎn)金剛石機(jī)床還可以增加銑頭、磨頭或者快刀伺服裝置。圖5所示為配備了旋轉(zhuǎn)B軸、旋轉(zhuǎn)C軸和水平面內(nèi)與主軸成45°角分布磨頭的5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床。

3 超精密單點(diǎn)金剛石機(jī)床的共性技術(shù)與關(guān)鍵零部件

為實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件的超精密加工，單點(diǎn)金剛石機(jī)床系統(tǒng)集成了先進(jìn)的空氣靜壓主軸、液壓導(dǎo)軌、直線電機(jī)、自適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件和核心技術(shù)。

3.1 床身與隔振裝置

圖6 Nanotech 450UPL的床身與隔振系統(tǒng)Fig.6 Base and vibration isolation system of Nanotech 450UPL

圖7 Nanoform 700 ultra的床身與隔振系統(tǒng)Fig.7 Base and vibration isolation system of Nanoform 700 ultra

為了增加超精密機(jī)床的靜剛度和動(dòng)剛度，床身由整塊的天然花崗巖構(gòu)成，由4個(gè)主動(dòng)氣浮隔振結(jié)構(gòu)支撐。機(jī)床標(biāo)配有兩個(gè)相互獨(dú)立的直線運(yùn)動(dòng)軸X軸和Z軸，它們?cè)谒矫鎯?nèi)呈T形結(jié)構(gòu)放置，有利于提高機(jī)床的閉環(huán)剛度。X軸工作臺(tái)上安裝了超精密靜壓空氣主軸，Z軸工作臺(tái)用于安裝各種刀架、可附加的磨頭/銑頭、快刀伺服裝置、慢刀伺服裝置和旋轉(zhuǎn)B軸等［10］。圖6和圖7分別為Nanotech 450UPL和Nanoform 700 ultra的床身和隔振系統(tǒng)。

3.2 超精密液壓導(dǎo)軌與直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

金剛石機(jī)床標(biāo)配的X/Z工作臺(tái)均采用直線電機(jī)作驅(qū)動(dòng)，靜油壓導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向，如圖8所示，相對(duì)傳統(tǒng)的絲杠與電機(jī)直聯(lián)方式，這種方式能夠有效提高運(yùn)動(dòng)精度;導(dǎo)軌為非接觸式導(dǎo)軌，有效降低了工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的摩擦和阻尼。工作臺(tái)采用光柵尺或激光干涉儀進(jìn)行位置的實(shí)時(shí)檢測(cè)，由于鑄鐵工作臺(tái)與微晶玻璃光柵尺的熱膨脹系數(shù)相差很大，故將光柵尺安裝在銦鋼固定套上，然后再將其固定在工作臺(tái)上來(lái)降低溫度變化對(duì)位置檢測(cè)的影響。

圖8 液體靜壓導(dǎo)軌與電機(jī)直驅(qū)技術(shù)Fig.8 Oil hydrostatic bearing slide and linear motor

3.3 超精密空氣靜壓主軸

相對(duì)于液體靜壓主軸，機(jī)床采用空氣靜壓主軸的形式，從而提高了回轉(zhuǎn)精度。空氣靜壓主軸由硬化不銹鋼軸和青銅軸套構(gòu)成，主軸通過(guò)高精密研磨機(jī)床無(wú)心磨削加工而成，為滿足垂直度和平行度要求，主軸外圓面和止推軸承外表面一次裝夾加工完成。為降低轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的熱變形對(duì)主軸性能的影響，在前后軸承以及中間的電機(jī)處均設(shè)有水冷循環(huán)裝置。直流無(wú)刷式電動(dòng)機(jī)、速度反饋編碼器和C軸位置編碼器與主軸安裝為一體，通過(guò)軟件系統(tǒng)中配置的主軸與C軸間的轉(zhuǎn)換程序，可以方便地實(shí)現(xiàn)兩軸之間的更換。圖9和圖10分別為Nanotech 450UPL和Nanoform 700 ultra采用的主軸，其徑向端跳分別優(yōu)于25 nm和50 nm。

圖9 Nanotech 450UPL的主軸PI ISO 5.5Fig.9 PI ISO 5.5 air bearing spindle of Nanotech 450UPL

圖10 Nanoform 700 ultra的主軸HD-160Fig.10 HD-160 air bearing spindle of Nanoform 700 ultra

3.4 旋轉(zhuǎn)B軸

機(jī)床采用液體靜壓旋轉(zhuǎn)B軸，采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，并且集成有高分辨率編碼器和制動(dòng)器。B軸可以根據(jù)需要鎖定或旋轉(zhuǎn)。B軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，需提升X軸以增加機(jī)床的系統(tǒng)剛度。B軸上帶有T形槽，可以將刀具、檢測(cè)裝置和快刀伺服裝置等固定其上。

3.5 超精密機(jī)床的自適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)

超精密機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)是高編程分辨率和高精度的伺服控制軟硬件環(huán)境。在高編程分辨率條件下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量切削，需要很高的控制速度，相應(yīng)地對(duì)插補(bǔ)周期和伺服閉環(huán)采樣周期提出了更高的要求［11］。

Moore公司開(kāi)發(fā)的Delta Tau運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、Precitech公司自行研制的UPx控制系統(tǒng)都具備自適應(yīng)控制功能?？刂葡到y(tǒng)可以在機(jī)床上運(yùn)行特定的加工任務(wù)，也可以實(shí)時(shí)連續(xù)地調(diào)整伺服控制參數(shù)，并且具有主動(dòng)取消重復(fù)誤差源等功能。

3.6 工件在線測(cè)量和誤差補(bǔ)償裝置

超精密金剛石機(jī)床配備有在線測(cè)量和誤差補(bǔ)償裝置(WECS)，能夠?qū)鈱W(xué)表面進(jìn)行在線測(cè)量和修正。WECS工作時(shí)，通過(guò)安裝在Z軸或B軸上的氣浮線性可調(diào)差動(dòng)變壓器(LVDT)探頭對(duì)工件表面進(jìn)行測(cè)量，獲得加工面的實(shí)際數(shù)據(jù)，然后通過(guò)與理論加工表面進(jìn)行比較進(jìn)而確定去除量，修正后的工件面形精度可以達(dá)到亞微米級(jí)。

3.7 精密光學(xué)對(duì)刀裝置和LVDT對(duì)刀裝置

為了準(zhǔn)確測(cè)量刀尖的空間相對(duì)位置和刀尖的圓弧半徑，在超精密金剛石機(jī)床中配有立式顯微鏡光學(xué)對(duì)刀裝置或LVDT對(duì)刀裝置。

圖11 光學(xué)對(duì)刀裝置Fig.11 Optical tool setter

圖12 光學(xué)對(duì)刀軟件Fig.12 Software of optical tool setter

光學(xué)對(duì)刀裝置如圖11所示，立式顯微鏡采用運(yùn)動(dòng)學(xué)精密定位方式安裝在主軸殼體的頂部，以保證每次拆裝時(shí)的重復(fù)定位精度。刀尖的垂直位置由可調(diào)焦顯微鏡的焦平面確定，刀尖的水平位置由軟件十字線以及主軸中心線精確定位，如圖12所示，刀尖的圓弧半徑通過(guò)3次測(cè)量確定。由于光學(xué)對(duì)刀裝置增加了LED照明裝置，可精確測(cè)量負(fù)前角刀具位置和刀尖半徑。

LVDT對(duì)刀裝置如圖13所示，它可用于金剛石刀具相對(duì)位置和刀尖半徑的測(cè)量，以及磨削砂輪位置和大小形狀的測(cè)量。對(duì)刀時(shí)，一個(gè)LVDT探頭測(cè)量刀尖圓弧在X、Z平面內(nèi)的空間位置和X、Z平面內(nèi)的刀尖圓弧半徑，另一個(gè)探頭用于測(cè)量刀尖的高度，即Y方向坐標(biāo)值［12］。LVDT對(duì)刀為接觸式對(duì)刀，相對(duì)于光學(xué)非接觸對(duì)刀方式，對(duì)精密刀尖存在一定的損壞性。

圖13 LVDT對(duì)刀裝置Fig.13 LVDT tool setter

4 超精密單點(diǎn)金剛石機(jī)床在光學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用

適用于單點(diǎn)金剛石車削加工的材料主要有:(1)鋁、黃銅、鍍鎳材料、金、銀等有色金屬;(2)鍺、硫化鋅、硒化鋅、硅、氟化鈣、硫化鋅、碲鎘汞、銻化鎘等紅外光學(xué)晶體材料;(3)聚碳酸脂、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等聚合物［9］。圖14所示為采用單點(diǎn)金剛石車削(SPDT)加工的各種材料光學(xué)元件。其它一些材料如BK7、熔石英、SF12等玻璃材料，WC、SiC等陶瓷材料和鋼鐵等不能直接采用金剛石車削加工，但這些材料可以通過(guò)金剛石機(jī)床上選配的磨頭或銑刀頭來(lái)進(jìn)行加工。

單點(diǎn)金剛石車床通過(guò)配置快刀伺服系統(tǒng)(FTS)和慢刀伺服系統(tǒng)(SSS)，可以進(jìn)行三軸聯(lián)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)各種自由曲面的加工。

圖14 金剛石車削加工的各種材料光學(xué)元件Fig.14 Optical components with different materials by using diamond turning

圖15 快刀伺服系統(tǒng)Fig.15 Schematics of FTS system

圖16 一種快刀伺服裝置示意圖Fig.16 Schematics of a FTS mechanism

FTS如圖15所示，它包括一個(gè)裝在Z軸上的短行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)，工作時(shí)X軸、C軸和短行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)三軸聯(lián)動(dòng)，其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)由壓電(PZT)驅(qū)動(dòng)或帶閉環(huán)位置反饋的直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。圖16所示為一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖，機(jī)構(gòu)由PZT驅(qū)動(dòng)，通過(guò)柔性鉸鏈組成的柔性機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的傳遞，并通過(guò)在末端安裝電容傳感器形成運(yùn)動(dòng)閉環(huán)［13］。FTS可實(shí)現(xiàn)各種自由曲面的車削加工，如微棱鏡、透鏡陣列、環(huán)面以及小離軸量的(不超過(guò)mm量級(jí))離軸非球面的加工。圖17為采用快刀伺服裝置加工的透鏡陣列。

圖17 快刀伺服加工的透鏡陣列Fig.17 Lens array products processed by FTS

慢刀伺服系統(tǒng)如圖18所示，同樣可以加工環(huán)面、離軸非球面和漸進(jìn)式透鏡等各種自由曲面。由于慢刀伺服時(shí)X軸、C軸和Z軸三軸聯(lián)動(dòng)，可以加工離軸量較大的非球面，并且相對(duì)于快刀伺服裝置，其自由曲面的加工精度更高。圖19為采用慢刀伺服加工的各種光學(xué)元件。

圖18 慢刀伺服系統(tǒng)示意圖Fig.18 Schematics of SSS system

金剛石車床加工的光學(xué)元件在軍用和民用光電產(chǎn)品中的應(yīng)用非常廣泛。軍用光電武器產(chǎn)品大都裝備有各種各樣的光電傳感器件，而這些光電傳感器件或多或少采用了各種形式的紅外光學(xué)元件，尤其是軍用激光和紅外熱成像產(chǎn)品對(duì)紅外光學(xué)元件有大量的需求。例如AN/AVS26飛行員夜視眼鏡就采用了9塊非球面光學(xué)元件和2塊球面光學(xué)元件［14］。在民用光電產(chǎn)品中，采用金剛石車削的光學(xué)元件也發(fā)揮著核心零部件的功能，比如激光打印機(jī)中的多面棱鏡，復(fù)印機(jī)中的硒鼓，硬盤中的磁頭，攝像機(jī)中的鏡頭和取景器，顯示器中的Fresnel透鏡，手機(jī)中的嵌入式鏡頭，高能激光器中的反射鏡，光通信中的光纖球端，醫(yī)療儀器中的He-Ne激光聚焦校正器等。另外，還可以采用金剛石車削技術(shù)加工各種光學(xué)零件的成型模具和高精度光機(jī)結(jié)構(gòu)件，比如液晶屏中的導(dǎo)光板模具，照相機(jī)、CD、DVD中的非球面透鏡模具，全息光學(xué)元件模具，高精密望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、光刻投影物鏡中的光機(jī)接觸界面等。

圖19 慢刀伺服加工的各種光學(xué)元件Fig.19 Optical component products processed by SSS

圖20 和圖21為采用SPDT的一種望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，系統(tǒng)中的所有光機(jī)零件均采用6061鋁，在加工主鏡、次鏡以及與次鏡支撐架的接觸界面時(shí)均采用了SPDT技術(shù)。結(jié)果表明:光學(xué)零件與光機(jī)接觸界面的精度足夠高，無(wú)需調(diào)整便可滿足預(yù)期的系統(tǒng)性能指標(biāo)，簡(jiǎn)化了裝配過(guò)程［15］。

SPDT通過(guò)增加磨削、銑削附件或采用陶瓷刀具，可以加工各種硬脆材料的光學(xué)零件;通過(guò)與離子束拋光技術(shù)相結(jié)合，可以加工高精度非球面光學(xué)零件;通過(guò)與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)制技術(shù)和鍍膜工藝相結(jié)合，可批量生產(chǎn)精密非球面反射鏡和透鏡;通過(guò)與中心偏檢測(cè)儀結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件的無(wú)調(diào)整精密裝配。

圖20 采用單點(diǎn)金剛石車削的全鋁材料望遠(yuǎn)鏡示意圖Fig.20 Schematic diagram of an all-aluminum telescope machined by SPDT method

圖21 安裝好的望遠(yuǎn)鏡Fig.21 Assembled telescope

采用SPDT實(shí)現(xiàn)無(wú)調(diào)整裝配的關(guān)鍵在于鏡框與鏡片的同心以及鏡框配合面的精確加工。圖22和圖23分別為鏡框和鏡片的兩種定心車削方式。方式1如圖22所示，首先將鏡片和鏡框采用環(huán)氧樹(shù)脂粘接在一起，然后通過(guò)Z向調(diào)整裝置、X/Y向調(diào)整裝置和tip/tilt調(diào)整裝置實(shí)現(xiàn)鏡片光軸與機(jī)床主軸的重合，進(jìn)而加工鏡框的上、下表面及外圓定位面。方式2如圖23所示，首先將鏡片安放在機(jī)床專用夾具上，通過(guò)鏡片的自身重力進(jìn)行調(diào)心以保證鏡片光軸與機(jī)床主軸重合，并采用黏合劑將鏡片與專用卡盤粘接，然后將鏡框安放在鏡片上，并采用黏合劑將鏡框和鏡片粘接，進(jìn)而將專用卡盤和鏡框、鏡片整體卸下反轉(zhuǎn)，通過(guò)鏡框的注膠孔注入環(huán)氧樹(shù)脂膠將鏡片和鏡框粘接固定，最后加工固定好的鏡框組件上、下表面及外圓定位面［16-17］。其中，方式1采用了金剛石車床和中心偏檢測(cè)儀結(jié)合的方式，適合于各種形狀鏡片的定心。方式2僅采用了金剛石車床，但僅限于利用自重進(jìn)行調(diào)心的鏡片和相應(yīng)的鏡框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖22 金剛石定心車削方式1Fig.22 A method of centering a lens in a cell by using SPDT

按照上述方法依次完成了各個(gè)鏡框和鏡片的定心車削，并采用SPDT技術(shù)加工鏡筒的配合內(nèi)表面，最后將加工好的鏡框單元依次放入鏡筒中，整個(gè)過(guò)程無(wú)需調(diào)整，僅依靠結(jié)構(gòu)件的SPDT高精度加工保證偏心和間隔要求，簡(jiǎn)化了裝配的過(guò)程，圖24為一種光學(xué)系統(tǒng)無(wú)調(diào)整裝配的示意圖。

圖24 光學(xué)系統(tǒng)的無(wú)調(diào)整裝配Fig.24 Drop-in assembly of a optical system

圖23 金剛石定心車削方式2Fig.23 Another method of centering a lens in a cell by using SPDT

5 結(jié)束語(yǔ)

單點(diǎn)金剛石機(jī)床是實(shí)現(xiàn)精密/超精密加工的關(guān)鍵裝備，尤其是在航空宇航、國(guó)防軍事、微電子等領(lǐng)域的核心光電產(chǎn)品制造方面發(fā)揮著重要的作用。本文介紹了單點(diǎn)金剛石機(jī)床發(fā)展情況和現(xiàn)狀，分析了單點(diǎn)金剛石機(jī)床的關(guān)鍵零部件和核心技術(shù)，并以主次鏡望遠(yuǎn)鏡和金剛石定心裝配為例闡述了單點(diǎn)金剛石機(jī)床在光電產(chǎn)品中的應(yīng)用。不難看出，隨著單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)在光學(xué)工程領(lǐng)域越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，單點(diǎn)金剛石機(jī)床將向著高效高精度加工、加工檢測(cè)一體化、大型結(jié)構(gòu)與微納結(jié)構(gòu)加工等高技術(shù)趨勢(shì)發(fā)展，從而突破現(xiàn)有加工精度和加工范圍的局限，將我國(guó)精密加工技術(shù)提升到世界先進(jìn)水平。

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