大口径光学元件高精度平面磨床加工系统研究

王振忠 郭隐彪 李 洁 雷向阳 张东旭

1.厦门大学，厦门，361005 2.成都精密光学工程研究中心，成都，610041

0 引言

非球面一般是指轴对称非球面及非轴对称非球面，根据光学设计应用需求，在基本类型的基础上又衍生出几种广义的非球面，如离轴非球面、楔形非球面等［1－2］。在精密与超精密加工领域，数控金刚石切削及磨削方法、模压注塑成形方法、小磨头抛光方法及磁流变抛光方法等非球面加工方法，基本上解决了各种中小口径非球面镜的加工问题，并且相应加工设备的总体成套水平较高［3－5］。自20世纪90年代以来，在先进军事及空间光学系统、激光核聚变、大型天文望远镜工程等国家重大光学工程任务的需求牵引下，大口径非球面（口径400mm×400mm以上），尤其是大口径光学玻璃非球面的制造和检测技术得到了快速的发展。就技术发展趋势而言，高精度金刚石砂轮高效磨削技术、确定性抛光技术和与加工相配套的大尺寸高精度检测等技术是研究的重点。通过分析各类非球面方程类型，可知X、Y、Z三轴联动的超精密平面磨床通过直线或圆弧包络方法可以实现各类大口径非球面加工［6－7］，更加具有通用性。根据当前的设备水平，对于大口径光学元件，通常的加工工序为铣磨成形－粗磨－精磨－抛光－精修，该工序流程中加工精度逐渐提高，而材料去除率迅速降低，因此采用高精度平面磨床的粗磨、精磨的加工精度将制约工件的整个加工周期。

本文主要研究大尺寸光学零件的高精度平面磨削加工技术，涉及光学非球面的加工机床，以及加工控制、工具技术、面形检测等关键技术，最终建立各类非球面元件的磨削加工工艺系统，实现高精度、高效率、高自动化程度的加工。

1 高精度平面磨床开发

目前除了超精密加工机床及加工工具外，实现一个完整的非球面超精密磨削加工过程，还应该包括的关键配套技术有：超精密加工工艺控制方法、金刚石砂轮修整及动平衡技术、与加工精度相适应的测量方法及误差补偿、超精密加工环境控制（包括恒温、隔振、洁净控制等）。此外，加工监控、计算机辅助制造软件系统等也是提高加工精度、效率及自动化程度的必要措施。基于高精度平面磨床的加工技术系统如图1所示。从国内现有装备发展水平来看，目前在大口径非球面等光学元件加工领域，研制开发相应大尺寸高精度平面磨床及开展加工配套技术研究是重点。

图1 高精度平面磨床加工体系

对于平面磨床，其卧轴矩台布局由于具有精度高和通用性好等特点在精密和超精密平面磨床中得到广泛应用，在其结构型式上，立柱移动式相比磨头移动式、拖板移动式具有结构简单、总体刚性好、磨削效率高等特点，且左右和前后的独立运动可进一步减小复合误差。随着制造技术的发展，当前精密与超精密平面磨床的综合性技术趋于成熟，并形成相应的结构特点：①T形整体布局的模块化设计；②采用液体动静压轴承的主轴单元；③具有液体静压或空气静压平面导轨结构的直线运动单元；④采用光栅尺或激光干涉仪的位置反馈全闭环结构的运动反馈单元；⑤具有高的编程分辨率（0.1μm及以上精度）的数控系统和高精度的伺服控制软硬件环境，能实现高控制速度（毫秒级响应）、微纳米级轮廓控制与插补；⑥设计中预先控制的热对称性及热稳定性。

目前，垂直、横向最小进给量0.1μm的大型超精密平面磨床在国际上已相当普遍，在超精密磨削加工领域，具有代表性的超精密平面磨床有日本Nagase（长濑工机）公司的N2C－C、N2CU及SGC系列，Okamoto（冈本）公司的UPG及PSG系列，德国Blohm（保宁）的Profimat系列。从国外应用情况来看，美国、德国等国家在大口径光学元件加工技术的开发计划中都提出并实现了采用大型超精密多轴机床完成从玻璃毛坯到高精度光学表面的直接磨削成形加工。为此，针对国家重要光学工程的需求，我们研制了如图2所示的立柱移动式数控卧轴矩台平面磨床MGK7160。

机床整体采用模块化结构，机械结构部分由床身工作台、立柱、底座、磨头、砂轮修整装置、动平衡系统、外围防护罩、电磁吸盘等组成；电气及辅助部分主要有电气及数控系统、光栅反馈系统、液压系统、冷却系统、过滤系统、润滑系统、空气净化装置等。床身工作台部分由床身、工作台、滚珠丝杠、配对滚珠丝杠专用轴承、光栅尺、防护装置等组成。床身工作台之间采用创新性设计的拼块式静压导轨结构。立柱底座部分由立柱、底座、直线滚动导轨、滚珠丝杠、配对滚珠丝杠专用轴承、光栅尺、防护装置等组成，底座与床身为独立结构（非整体铸件），采用螺栓固定在一起，构成“T”形结构形式。主轴单元采用动静压轴承主轴，与主轴伺服电机通过抗振联轴器直联。主要技术指标如下：工作台加工范围为800mm×600mm，X、Y、Z三直线轴分辨率均为0.1μm，主轴最高转速为3000r／min，主轴回转精度为0.1μm，X轴移动最大速度为20m／min，Y、Z两轴移动最大速度为5 m／min。

图2 MGK7160高精度平面磨床开发

2 加工控制

2.1 加工轨迹的规划控制

为保证磨削加工精度及充分发挥数控机床精度特性，根据不同类型光学表面和具体机床结构方式，选择合理有效的加工规划控制方法是关键，即在机床机械系统特性基础上实现数控轨迹规划的高精度化。

在超精密平面磨床上，根据X、Y、Z三个直线轴的特点，非球面磨削加工适合采用直线和斜线光栅扫描式加工轨迹。直线包络式加工规划如图3a所示。根据设定的X、Z轴加工步长可得到加工轨迹2，在轨迹2的基础上进行加工起始点的偏移得到轨迹1、3。加工中砂轮通过加工正程和返程依次遍历这三条轨迹线实现磨削循环。即该加工包络方法相对于原来的加工轨迹，将砂轮的分割细化为原来的9倍，而如果纯粹采用将X轴及Z轴进给步长减小为原来的1／3的方法，则分割细化程度也为原来的9倍，但是其加工效率没有包络方法高。

采用直线光栅式插补加工方法，其短轴方向的精度相对于其他两轴可以比较低。而当机床Z轴进给精度有一定保证时，也可采用斜线包络加工方法，如图3b所示。该加工方法在工件上始终采用斜线进给方式，同时使用机床的三个坐标轴，其优点为在同一个加工表面点上存在多种方向及进给速度，调整不同的加工参数则其各次加工进给的加工方向均会产生变化。斜线包络控制较直线光栅式在X轴行程基础上增加了一个同步或异步的Z轴偏移行程，异步偏移方式即X轴正反程运动起始时刻与Z轴运动起始时刻不同，是为了在加工开始后先平走一段，该平走轨迹可以消除包络较少经过的边缘位置与中心位置的加工次数差距。

图3 加工规划控制方式

2.2 计算机辅助制造软件开发

数控技术的核心是由计算机（主要是软件）实现对加工过程中的信息进行处理和控制，实现加工过程自动化。要满足当前对大尺寸光学零件日益增长的需求，以高精度加工设备配套高自动化程度的计算机辅助制造软件来实现高效加工十分重要。图4为磨削加工工作流程示意图，计算机辅助制造软件所起的作用包括人机界面的提供、加工参数控制、程序传输、加工管理、测量误差数据处理，以及加工运动、工件测量、砂轮修整等数控（NC）程序的生成。机床数控系统根据相应的数控程序来执行运动坐标输出，完成加工等相应工作。

图4 计算机辅助制造工作流程

从图4可以看出，辅助制造软件的主要功能是加工参数输入、数控程序生成及测量数据处理，因此应进行详细的功能模块规划。参数输入模块应分为工件参数、机床工作参数、加工参数三个层次。其中，工件参数为工件类型、非球面方程参数、口径大小等；机床工作参数为坐标系选择、主轴正反转控制、砂轮类型及尺寸参数等；加工参数包括加工规划方式选择、插补方式选择、加工步长、进给量、进给速度等。该模块所获得的参数是进行自动编程的依据。

NC程序生成模块应包括加工、测量及修整三个方面，因采用基于机床的在位测量方式，因此测量时机床的运行程序同样需要自动编程来实现。该模块主要根据所确定的参数及已经建立的加工轨迹计算模型进行数学处理，计算出砂轮所需的加工轨迹和每个程序段所需的工艺数据，并按照所用数控系统约定的加工指令和程序段格式，直接生成可用的NC文本文件，以方便通过RS232或USB接口传给机床数控系统。测量数据处理模块主要完成对工件或砂轮表面测量数据的采集及处理，对于工件，计算补偿加工误差数据及评价加工表面质量，而砂轮则计算修整后表面及半径参数，用以更新加工中所使用的砂轮参数。

最后，基于工控PC机和Windows2000操作系统，选用Delphi 6.0和Visual Fortran作为开发工具，对制造系统软件进行开发。

3 加工工具技术

3.1 金刚石砂轮修整

目前加工大尺寸光学零件常用的金刚石砂轮按形状分主要有平面砂轮、圆弧砂轮、球面砂轮。其中平面砂轮应用于平面及凸形工件加工，而圆弧砂轮与球面砂轮在曲面加工中适用范围较广，但修整难度较大。Zhao等［8］提出的杯状砂轮修整法，利用杯形砂轮上脱落下来的磨粒对金刚石砂轮磨粒和结合剂的冲击以及研磨作用产生修整效果，即可整形，也可同时修锐。该方法需要开发与机床相适应的修整装置。已有研究表明，对比各修整方式所能达到的磨粒状态、形状精度、表面粗糙度及修整效率等指标，在成形修整方面，杯形砂轮修整技术是比较理想的工作方式。利用杯形修整技术，能得到直线度非常高的砂轮截面，同时进行修锐。如果利用这一特性，就能修整出任意凸形截面，易于得到较高的砂轮形状精度。

对于圆弧修整，被修整圆弧金刚石砂轮只进行旋转运动；杯形砂轮修整器提供摆动和修整进给运动，还进行杯形砂轮自身的旋转运动，往复运动同样由机床工作台提供。基于平面砂轮及圆弧砂轮的修整，两轴修整器具体结构方案如图5所示，该装置包括4个部分，集成了金刚石笔修整、平面修整及圆弧修整功能。杯状砂轮修整器部分（图5中A部分）：由步进电机通过圆弧齿形同步带传动驱动杯状修整砂轮旋转，通过数控系统控制步进电机转速。摆动机构部分（图5中B部分）：由伺服电机连接数控回转工作台驱动摆臂转动，摆臂摆动角度±15°。升降进给机构（图5中C部分）：通过伺服电机带动带轮驱动丝杠，实现进给调节。金刚石笔修整部分（图5中D部分）：金刚石笔修整是单点修整方式，修整效率高，主要辅助杯形砂轮修整使用，对砂轮面形误差较大或砂轮粗修场合可明显提高修整效率。

图5 两轴杯形砂轮修整器

3.2 砂轮动平衡

在精密和超精密磨削加工中，砂轮微小不平衡量都会使工件表面产生波纹，严重地影响质量和精度提高。动平衡系统基本由平衡头、传感器及控制器三部分组成，其关键在于根据床身的结构和加工需求考虑，选择合适的平衡头安装方式。目前，现有超精密磨床采用的动平衡方式主要有在线监测外置式手动平衡方式，以及采用接触或非接触式传感器的平衡头外装或内置等自动实时平衡方式，图6所示为两种振动传感器采集放置方式。

图6 振动传感器放置方式

自动平衡方式自动化程度、精度及效率高，同时具有实时性，但结构制造要求高且造价也高。内置式平衡头在设计的时候就考虑到平衡问题，在主轴设计过程中需将主轴设计为中空便于内置式平衡头的安装，但这样会增加主轴制造难度。而外装式平衡头一般通过一个预先设计好的安装法兰安装在各种不同磨床的轴端，这样的安装方式既简单又多样化。外装式平衡头是用螺旋连接法兰安装在磨床主轴端面并随其一同高速旋转，因而这种“在线动平衡”最接近实际加工状态，磨削效果最佳。如图7所示，综合制造及精度的优化考虑，在大尺寸高精度平面磨床MGK7160上采用了接触传感器的外装式实时平衡结构（美国Schmitt公司SBS0850L）。

图7 外装式动平衡设计结构

4 在位测量

在粗精加工阶段，相应精度等级的在位检测应用广泛，可为大口径元件补偿加工提供数据，或指导工件进入后续抛光工艺。在位检测可避免离线检测时由于定位基准变化所带来的误差，直接在机床上测量，不受工件口径大小影响，结果更接近实际加工情况。从提高加工效率来讲，粗精磨削阶段的面形精度收敛是关键。因此，实现磨削阶段的精确在位检测，可提高补偿加工精度，有利于减少补偿加工次数，缩短加工周期。

在位测量基于超精密机床运动精度，其检测过程由数控程序控制，扩展了数控机床的测量功能，其关键是基于测量几何及精度特征，对所测数据进行高精度的数据处理。图8所示为接触式及非接触式传感器的在位测量应用。

根据在位测量的特点，数据流程主要设计由数据预处理、误差补偿和数据处理三大部分组成。首先通过标度变化、剔除奇异项、平滑处理等操作实现预处理，然后进行坐标系不重合等误差补偿，最后在数据处理部分中当需要进行补偿加工或反求光学元件表面方程时，应选择曲线／面拟合，曲线／面拟合采用非线性最小二乘法。当需要评价非球面光学元件的表面质量时，应选择曲面插值，曲面插值主要利用分片三次插值多项式方法进行二元三次样条曲面构造，得到实际加工的面形，再与理想的非球面面形相比较，从而求出非球面的面形误差函数和各种像差参数等。采用基于标准件的误差分离与校正方法来对在位测量系统及数据处理方案的有效性和可靠性进行检验。

图8 在位测量应用

在传感器的选择方面，进行工件测量比较实验以确定适合大尺寸测量传感器类型。接触式传感器采用中原量仪DGB型电感测微仪，±3μm档分度值为0.1μm。日本Keyence公司LK－G10型非接触激光位移传感器，分辨率为0.01μm。采用初抛光后的高精度工件作为测量标准件，方形平面元件310mm×310mm，利用Veeco干涉仪对其进行检测得到表面误差分布。由检测结果可知：表面最大高度差为2.32μm，均方差为0.30μm；接触式传感器测量时表面最大高度差为6.17μm，均方差为1.16μm。面形误差分布规律与干涉仪的检测结果有较大差别。而非接触式传感器无需与工件表面接触，测量效率较高，同时其测量分辨率高，从而所获得的测量结果精度高，表面最大高度差为4.32μm，均方差为0.63μm，且面形分布误差较小。因此，在非球面粗精磨削阶段的在位检测中可选用非接触式传感器。

5 实验结果

基于以上的工作，以表1所示的实验参数进行相应的大口径光学平面元件初步加工实验。MGK7160高精度平面磨床置于恒温洁净隔振车间，磨削液采取纸过滤方式，冷却系统温度控制在20±0.1℃，动静压主轴油温控制精度同样为20±0.1℃。加工中采取直线包络光栅方式插补，400＃陶瓷结合剂金刚石砂轮经过杯形修整器精密修整后，在主轴转速为1500r／min时动平衡精度为0.1μm。工件材料为400mm×400mm口径方形BK7玻璃，材料去除加工总量为150μm。

表1 加工实验参数

加工后采取激光位移传感器进行表面测量，X、Z方向通过光栅式测量，测量范围为400mm×400mm，测量轨迹间距为50mm，即在X、Z方向均得到8条测量轨迹，测量步长为1mm，即每组数据点401个。为充分验证机床及加工技术系统的性能及可靠性，进行了多次反复加工实验。图9所示为加工实验结果，结果1和结果2的表面最大高度差分别为5.31μm、5.79μm，均方差分别为0.72μm、0.86μm；平面度采用青岛前哨公司的数字式电子水平仪DL11进行测量，测量精度为0.001mm／m，所测得平面度分别为2.54μm、3.26μm。可以看出，在表1的实验条件下，机床获得了较好的加工精度。

图9 磨削加工实验结果

6 结束语

超精密磨削加工是一项综合性系统工程，它涉及机床、控制、工具、检测、材料、环境控制等成果。针对具体的加工对象，高精度高性能的加工设备及工具与最优配套工艺技术等相结合，才能充分发挥出磨削加工的优势。本文研究了大口径光学元件加工中高精度平面磨床加工技术系统的开发应用，并进行了实验验证。

在开发的MGK7160高精度平面磨床基础上，已实现了加工规划控制、计算机辅助制造软件、砂轮修整、动平衡以及在位检测等功能，并通过实验研究来说明其加工应用的有效性。

采用400＃陶瓷结合剂金刚石砂轮实现了400×400mm口径平面光学元件的精密磨削加工，获得了较好的加工精度，表面最大高度差稳定在5μm左右，均方差达到1μm以下。

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