（廈門大學(xué)航空航天學(xué)院，廈門 361102）

大口徑光學(xué)元件通常包括平面、非球面、離軸非球面、楔形非球面等類型[1]。在航空航天、醫(yī)療影像設(shè)備、軍事光學(xué)系統(tǒng)、激光核聚變裝置等先進(jìn)制造領(lǐng)域，非球面光學(xué)元件展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢：簡化儀器結(jié)構(gòu)、減少光能損失、獲得更好的光學(xué)效果等[2]。因其重要的戰(zhàn)略地位與國家光學(xué)工程應(yīng)用需求的不斷提升，大口徑非球面光學(xué)元件的制造也顯現(xiàn)出大型化、高精度、高效率等特點(diǎn)[3]。

加工設(shè)備的性能是影響大口徑光學(xué)元件面型精度、表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素。因此，如何開發(fā)出高性能的機(jī)床設(shè)備，是當(dāng)前國內(nèi)外的主要研究方向之一。國外發(fā)達(dá)國家在該領(lǐng)域的研究起步較早，目前已在相關(guān)領(lǐng)域取得了很大進(jìn)展。英國Cranfield 大學(xué)研制的OAGM2500大型超精密磨床可加工最大為2.5m×2.5m 的工件，平面加工精度達(dá)到1μm。美國Precitech 公司生產(chǎn)的Nanoform X 機(jī)床最大可加工工件的直徑為440mm，加工后面形精度PV值<0.1μm；Lawrence Livermore 國家實(shí)驗(yàn)室研制的LODTM 機(jī)床具備精度達(dá)28nm 的超高加工水平[4–5]。日本Fanuc 公司的ROBONANO α–0iB 五軸超精密機(jī)床回轉(zhuǎn)精度為0.05μm，加工得到的工件表面粗糙度可達(dá)2.36nm[5–6]。國內(nèi)方面，代表性的主要有航空工業(yè)精密所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、廈門大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)。航空工業(yè)精密所研制的Nanosys–300 超精密復(fù)合加工機(jī)床、北京機(jī)床研究所研制的NAM–800 機(jī)床均有著較為優(yōu)越的加工性能。哈爾濱工業(yè)大學(xué)從超精密機(jī)床多尺度方法、設(shè)計(jì)理論等方面出發(fā)，研制出多臺超精密加工設(shè)備[7–9]。廈門大學(xué)研制了MK7160 和2MK1760 大尺寸矩形光學(xué)平面精密磨床，其工作臺加工范圍為800mm×600mm，各軸分辨率達(dá)0.1μm[10]。而在加工工藝方面，廈門大學(xué)開發(fā)了光學(xué)非球面的計(jì)算機(jī)輔助制造工藝軟件[11]。

總體來說，國內(nèi)在大口徑光學(xué)超精密加工機(jī)床領(lǐng)域已取得較大進(jìn)步，但由于技術(shù)封鎖等原因，國內(nèi)的研究進(jìn)展仍存在滯后性。隨著人們意識到大口徑光學(xué)元件在軍用和民用領(lǐng)域的巨大作用后，各方面的相關(guān)研究進(jìn)程也在不斷加快，而其中對更大口徑的超精密光學(xué)磨床的需求尤為迫切。

因此，針對當(dāng)前需求，課題組在自主研發(fā)的MK7160 和2MK1760平面磨床[2,10–12]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研發(fā)了高精度平面磨床UPG80。該機(jī)床具備更大口徑的加工性能與更先進(jìn)的配套工藝技術(shù)，如液體靜壓支承技術(shù)、砂輪修整技術(shù)及智能監(jiān)測系統(tǒng)等。同時(shí)對磨床的誤差與精度控制進(jìn)行了分析，并通過加工試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)超精密磨削加工。

磨床總體結(jié)構(gòu)開發(fā)

超精密制造是獲得高形狀精度、表面精度和表面完整性的必要方式[13]。隨著國內(nèi)外研究的進(jìn)展，超精密制造已經(jīng)形成一套完整的加工系統(tǒng)。以大口徑光學(xué)非球面的超精密磨削為研究對象，相對應(yīng)的配套技術(shù)有超精密加工工藝控制方法、液體靜壓支承技術(shù)、金剛石砂輪修整技術(shù)、精度控制技術(shù)、超精密工件主軸技術(shù)及計(jì)算機(jī)輔助制造軟件系統(tǒng)等[12]。從國內(nèi)研究現(xiàn)狀來看，加工尺寸繼續(xù)向著大型化發(fā)展，因此研發(fā)高精度大口徑光學(xué)非球面超精密磨削裝備及其配套技術(shù)是當(dāng)前超精密磨削加工的研究重點(diǎn)[5]。超精密磨床加工系統(tǒng)如圖1所示。

目前，英國Loxham Precision公司、美國LLNL 實(shí)驗(yàn)室、德國IPT公司等國外研究機(jī)構(gòu)已在超精密磨削領(lǐng)域取得了很大的發(fā)展，其研發(fā)的超精密磨床已應(yīng)用于大口徑光學(xué)元件以及硬脆材料光學(xué)元件的加工[14]。而國內(nèi)大口徑光學(xué)元件的超精密加工仍需進(jìn)一步發(fā)展，針對需求，本課題組研制了應(yīng)用于大口徑光學(xué)非球面的立柱移動(dòng)式臥軸矩臺平面磨床UPG80，機(jī)床型式如圖2所示。機(jī)床整體由基礎(chǔ)構(gòu)架（包含底座、工作臺、立柱、磨頭），X、Y、Z軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電主軸部件，主軸冷卻系統(tǒng)，冷卻液冷卻系統(tǒng)，潤滑系統(tǒng)，在位檢測系統(tǒng)，砂輪主軸動(dòng)平衡調(diào)整系統(tǒng)，砂輪自動(dòng)修形系統(tǒng)組成。基礎(chǔ)架構(gòu)的材料為鑄鐵，X、Y、Z軸均采用液體靜壓軸承支撐，并采用絲杠加伺服電機(jī)的傳動(dòng)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)及光柵尺加伺服電機(jī)的閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行定位。其中工作臺與底座為T 型分布，立柱置于底座上，磨頭置于立柱上。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)為西門子840D–DSL，并基于Windows 操作平臺，可實(shí)現(xiàn)磨床系統(tǒng)的四軸數(shù)控。機(jī)床的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

圖1 超精密磨床加工系統(tǒng)Fig.1 Ultra-precision grinding machine processing system

圖2 超精密平面磨床UPG80Fig.2 Ultra-precision surface grinder UPG80

關(guān)鍵配套技術(shù)

1 液體靜壓支承技術(shù)

靜壓導(dǎo)軌與傳統(tǒng)導(dǎo)軌相比，具有摩擦力小、運(yùn)動(dòng)平滑、剛度高、精度高和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)[15]。超精密磨床UPG80 中，靜壓導(dǎo)軌有3處，分別是水平移動(dòng)的工作臺靜壓導(dǎo)軌、前后移動(dòng)的靜壓導(dǎo)軌和垂向移動(dòng)的主軸箱。靜壓導(dǎo)軌的系統(tǒng)靜剛度、最大承載力等靜態(tài)特性對機(jī)床導(dǎo)軌副的運(yùn)動(dòng)精度有著重要影響。本機(jī)床采用拼塊式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，剛度高易于加工與裝配。同時(shí)，較之常用的閉式靜壓導(dǎo)軌，結(jié)構(gòu)更簡單，安裝與拆卸也更方便[2]。

圖3為工作臺靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征。如圖3（a）所示，滑塊在機(jī)床導(dǎo)軌內(nèi)進(jìn)行單自由度方向水平來回移動(dòng)，工作臺安裝于滑塊上，并隨滑塊的移動(dòng)而獲得水平運(yùn)動(dòng)?；瑝K均勻地分布于兩側(cè)導(dǎo)軌上，如圖3（b）所示。

圖4為二腔靜壓滑塊，滑塊本體特征包含舉升油腔、保持油腔、進(jìn)油孔、螺紋孔等。此外，滑塊還配合有壓力傳感器和PM 流量控制器。保持油腔位于靜壓滑塊靠近工作臺的一側(cè)，舉升油腔與保持油腔對置，壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測舉升油腔的壓力。螺紋孔的作用是連接工作臺。PM 流量控制器與滑塊油腔應(yīng)是一一對應(yīng)的。因此，二腔靜壓滑塊實(shí)際上配有兩個(gè)PM 流量控制器，即圖4所示的PM 流量控制器有兩個(gè)，為疊加式裝配。

液壓油從進(jìn)油口流入，流經(jīng)滑塊內(nèi)部同一條油路至兩個(gè)PM 流量控制器，液油分別從兩個(gè)PM 流量控制器的穩(wěn)壓腔室流出，然后各自流入滑塊內(nèi)部的兩條敏感油路，一條通向舉升油腔，另一條通向保持油腔，最后液油從封油面流出，完成回油。PM流量控制器具體結(jié)構(gòu)及工作原理可參考文獻(xiàn)[16]。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)要求Table1 Main technical requirements

圖3 工作臺靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征Fig.3 Structural characteristics of hydrostatic guideway

2 砂輪修整技術(shù)及裝置

光學(xué)元件大多屬于硬脆性材料，在加工過程中砂輪極易磨損乃至失去加工能力。為了保證高效、可靠的磨削效果，需對金剛石砂輪修形并保持磨粒的鋒銳性。因此，本課題組設(shè)計(jì)了杯狀圓弧包絡(luò)砂輪修整器（圖5（a）），設(shè)計(jì)的裝置包含擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、傾角機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)和修整機(jī)構(gòu)。

該砂輪修整器的主軸由轉(zhuǎn)矩馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)，最高轉(zhuǎn)速為3000r/min，并且其端面的傾斜角度可在–15°～15° 之間調(diào)整。擺動(dòng)機(jī)構(gòu)由與轉(zhuǎn)臺連接的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)傳動(dòng)比為1∶90 的蝸桿副傳動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度的變化由數(shù)控系統(tǒng)控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向和每秒輸入脈沖數(shù)來實(shí)現(xiàn)。擺臂的擺動(dòng)行程為–15°～15°，擺動(dòng)進(jìn)給范圍為0～100r/min，擺動(dòng)步長最小為0.01°，砂輪修整器的實(shí)物如圖5（b）所示。

砂輪修整器與機(jī)床運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)控制。具體的修整過程為，機(jī)床控制待修整圓弧金剛石砂輪的往復(fù)運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)，修整器則實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)、修整進(jìn)給以及自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在修整過程中，金剛石砂輪的磨粒、結(jié)合劑與修整器杯狀砂輪中的脫落磨粒接觸，通過機(jī)床和修整器的聯(lián)動(dòng)產(chǎn)生研磨效果，從而實(shí)現(xiàn)對砂輪的修形與修銳[17]。該在位砂輪修整裝置的設(shè)計(jì)有利于增加接觸弧長度以獲得更佳的修整效果和良好的表面誤差分布。同時(shí)，也有利于提高金剛石砂輪的加工性能與加工效率。

圖4 靜壓滑塊結(jié)構(gòu)Fig.4 Structural of hydrostatic slider

圖5 砂輪修整器Fig.5 Grinding wheel dresser

3 智能監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

當(dāng)前，多信號的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于超精密機(jī)床已成為主流。磨削工藝的穩(wěn)定可控，除了依靠磨床本身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，對機(jī)床使用過程中產(chǎn)生的振動(dòng)誤差、熱變形、摩擦損耗等誤差的監(jiān)測也尤為關(guān)鍵。UPG80 監(jiān)測系統(tǒng)以高性能的NI–PXI 系統(tǒng)為基礎(chǔ)，SQL Server 數(shù)據(jù)庫為支撐，設(shè)計(jì)并搭建了監(jiān)測硬件平臺[18]。信號的采集由機(jī)床內(nèi)部、內(nèi)置與外置傳感器協(xié)同運(yùn)作，實(shí)時(shí)監(jiān)測并管理磨床運(yùn)行和磨削加工過程中的各類靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，包含振動(dòng)、溫度、壓力、流量、聲發(fā)射等多種信號，最終實(shí)現(xiàn)對超精密磨削機(jī)床及砂輪磨削性能的監(jiān)測。

監(jiān)測系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖6所示，其中主軸與靜壓導(dǎo)軌的油腔壓力與溫度、磨削液系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)控由機(jī)床自身已提前安裝好的內(nèi)部傳感器測得，通過數(shù)控系統(tǒng)OPC 服務(wù)器將信號傳輸至PXI 采集平臺，振動(dòng)、溫度、聲發(fā)射等信號則通過RS485 通信接入PXI 采集平臺。最后，由智能監(jiān)控系統(tǒng)對采集的各類信號進(jìn)行查詢與管理，并對磨床進(jìn)行反饋控制。

誤差分析與精度控制

1 靜態(tài)精度檢測

要了解數(shù)控機(jī)床的精度并對其進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)對機(jī)床進(jìn)行誤差補(bǔ)償，首先需要了解機(jī)床的誤差分布，即需要建立磨床X、Y、Z軸3 個(gè)方向的誤差模型。因此，采用雷尼紹激光干涉儀XL–80 對研發(fā)的磨床各軸的直線度誤差及定位精度誤差進(jìn)行測量，建立相應(yīng)的機(jī)床誤差坐標(biāo)系，如圖7所示，測量方法采用單項(xiàng)誤差直接測量法。

圖6 磨床監(jiān)測系統(tǒng)總體構(gòu)架Fig.6 Overall framework of grinding machine monitoring system

各方向的誤差疊加計(jì)算公式如下：

其中，Ex、Ey、Ez分別為磨床在x、y、z方向的誤差疊加；δxx、δyy、δzz分別為磨床x、y、z軸方向的定位誤差；δxy、δzy分別為磨床x、z軸在y方向的直線度誤差；δxz、δyz分別為磨床x、y軸在z方向的直線度誤差；δyx、δzx分別為磨床y、z軸在x方向的直線度誤差。

圖7 磨床誤差坐標(biāo)系Fig.7 Grinding machine error coordinate system

由于磨床的加工精度主要取決于Y軸，即機(jī)床主軸的精度，因此本文主要采用Y軸誤差進(jìn)行分析。激光干涉儀的測量結(jié)果如圖8（a）所示，Y軸上取一截面的誤差分布如圖8（b）所示?？梢钥闯?，誤差分布存在從中心到邊緣遞減的趨勢，主要原因在于直線度誤差在測量時(shí)以兩端為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，因此中間位置的誤差相對增加，但實(shí)際上以Y軸中軸線為例，定位誤差極小，可滿足超精密加工的要求。通過誤差分布圖，在加工時(shí)可視具體情況有選擇性地避開高誤差位置以達(dá)到更好的加工效果。

2 加工精度檢驗(yàn)

為進(jìn)一步研究磨床的磨削加工特性，采用修整后的800 目樹脂結(jié)合劑金剛石圓弧砂輪對530mm×530mm 的大口徑光學(xué)非球面元件進(jìn)行了初步磨削加工試驗(yàn)。試驗(yàn)在恒溫隔振環(huán)境中進(jìn)行，以避免環(huán)境因素的影響，試驗(yàn)條件如表2所示。

進(jìn)行多組加工試驗(yàn)以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，加工后的工件表面采用激光位移傳感器進(jìn)行測量。加工試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，3 次試驗(yàn)得到的面形精度峰谷PV 值分別為3.1794μm、3.1401μm、3.1886μm，均方差值分別為0.47965μm、0.43569μm、0.45442μm?？梢钥闯?，試驗(yàn)得到的工件面形精度較好，磨床具有良好的加工性能。

結(jié)論

大口徑光學(xué)非球面的超精密磨削是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，而磨床的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)超精密磨削的基礎(chǔ)。本文以課題組自主開發(fā)的高精度平面磨床UPG80 為基礎(chǔ)，綜合融入液體靜壓支承技術(shù)、砂輪修整技術(shù)及智能監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)等關(guān)鍵配套工藝技術(shù)，確保超精密加工的可靠性。同時(shí)，建立了三坐標(biāo)軸誤差模型以對機(jī)床進(jìn)行誤差補(bǔ)償并對實(shí)際加工起到指導(dǎo)作用。研發(fā)的磨床采用金剛石圓弧砂輪對530mm×530mm口徑光學(xué)非球面元件進(jìn)行了初步加工試驗(yàn)，結(jié)果表明，多次磨削加工后的面形精度PV 值基本穩(wěn)定在3.1401μm 水平，可說明本課題組開發(fā)的大口徑光學(xué)超精密磨床的加工穩(wěn)定性良好，完全可用于大口徑光學(xué)非球面的超精密磨削加工。

圖8 磨床誤差分布圖Fig.8 Distribution map of grinding machine error

表2 加工試驗(yàn)條件Table2 Experimental conditions

圖9 加工后的工件面形Fig.9 Workpiece surface after machining