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(中國航空工業(yè)第一集團公司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”重點預(yù)研課題“非球面曲面的超精密加工與測量技術(shù)”的主要研究成果。重點對非球面曲面光學(xué)零件超精密加工機床,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)零件超精密測量技術(shù)進行了研究。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)的精度檢測和工藝實驗表明其研究水平進入了國際先進行列。關(guān)鍵詞:非球面;超精密;加工;測量中圖分類號:TQ171.684文獻標(biāo)識碼:A1引言非球面光學(xué)零件在國防科技工業(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,我國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床,但大多功能單一,一般只有車削功能1-2。少量進口的超精密加工機床最多也只有數(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,這些進口的機床的磨削功能基本上還未得到實際應(yīng)用。因此,國內(nèi)真正意義上的非球面超精密加工技術(shù)至今還未開展起來。“九五”期間,中國航空工業(yè)第一集團公司303所第一研究

3、室對“九五”重點預(yù)研課題-“非球面曲面的超精密加工與測量技術(shù)”進行了系統(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,既能對典型有色金屬材料進行單點金剛石超精密切削(SPD T 加工,又能對典型硬脆非金屬材料進行超精密磨削加工。2非球面曲面光學(xué)零件超精密加工機床的研究3Nanosys-300機床系統(tǒng)主要由以下部分構(gòu)成:(1機械系統(tǒng),它包括:床身及隔振裝置、導(dǎo)軌及驅(qū)動裝置、主軸及驅(qū)動裝置、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、機床位置測量裝置、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機床系統(tǒng)采用“T ”形結(jié)構(gòu)布局。機床底座采用穩(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面上,分別作為該系統(tǒng)的X 、Z 軸,它們由交流伺服電機通過CO 級精密滾珠絲杠和四自由度精密絲杠溜板耦聯(lián)機構(gòu)進行驅(qū)動,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(機床用于單點金剛石車削(SPD T 功能時,或者作為機床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。機床的位置通過收稿日期: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Optics and Precision EngineeringVol.11No.1Feb.2003安裝在X、Z軸上的高分辨率光柵以及其對應(yīng)的驅(qū)動電機進行位置的閉環(huán)反饋控制。機床大理石底座通過具有隔振和自動調(diào)平功能的空氣彈簧支承在防震地基上。同時,機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),車削功能時的吸屑裝置、噴霧冷卻裝置,以及磨削功能時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金剛石切削(SPD T工藝研究中,對有色金屬材料諸如硬鋁、黃銅、無氧銅等的典型零件(如平面、柱面、球面、非球面等進行了切削工藝實驗,重點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、進給量及吃刀量對工件加工質(zhì)量(零件的面形精度與表面粗糙度的影響,同時還研究了切削液噴霧以及吸屑作用對加工質(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驗中,對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、非球面等進行了磨削工藝實驗,重點研究了不同粒度、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、進給量及吃刀量對工件加工質(zhì)量(零件的面形精度與表面粗糙度的影響,同時還對磨輪的在線電火花修形以及在線EL ID 修銳進行了實驗研究,此外還就磨削液對加工質(zhì)量的影響進行了研究。4非球面曲面光學(xué)零件超精密測量技術(shù)的研究4.1對刀裝置3在數(shù)控編程、加工過程中,為順利實現(xiàn)對刀功能以及刀具半徑補償,需要準(zhǔn)確測量刀尖的空間相對位置以及刀具刀尖的圓弧半徑。刀具位置檢測裝置由高分辨率的氣浮線性可調(diào)差動變壓器(LVD T氣浮測頭和后續(xù)處理電路組成。一個LVD T測頭用于測量刀尖圓弧在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,另一個則用于測量刀尖的高度,即Y向坐標(biāo)。采用氣浮測頭,可以消除摩擦力的影響,并通過測頭背向的恒壓空氣加壓,使得測量力均勻。4.2非球面面形測量裝置非球面光學(xué)零件的面形檢測技術(shù)是非球面加工技術(shù)的一個重要環(huán)節(jié)。面形測量分加工過程中的在位測量以及加工終了的面形測量,近年來我國在非球面測試技術(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)定的高精度實用化的非球面測量儀器尚無成功研制的報道?？紤]到實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量與在位誤差補償?shù)碾y題,在在位測量中采用高分辨率的LVD T氣浮測頭測量非球面面形。而對于

9、工件的最終測量,本課題研制成功了相移式橫向剪切干涉法測量光學(xué)非球面面形的檢測裝置及其配套檢測軟件,實現(xiàn)了對部分非球面光學(xué)零件精度為0.1m 面形測量。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)計和制造技術(shù)以往國內(nèi)研制的超精密加工裝置大都只有簡單的車削功能,對硬脆材料(如玻璃不能進行磨削加工,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)了國際同類系統(tǒng)的先進水平,開發(fā)的系統(tǒng)精度高、功能全、實用性強。系統(tǒng)同時具備車削和磨削加工功能,此外還開發(fā)了工件真空吸附、噴霧、吸屑、在位對刀、工件在位測量、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,課題所開發(fā)的系統(tǒng)技術(shù)完整性好

10、,具有國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進水平。(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)前國際上先進的超精密機床主軸轉(zhuǎn)速可達3000rpm或更高,而以往國內(nèi)開發(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現(xiàn)高速、超精密性能,在結(jié)構(gòu)設(shè)計、動平衡、聯(lián)軸器、電機等方面采取了一系列特殊的技術(shù),使主軸轉(zhuǎn)速達到近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0.2m 。通過上述工作,本課題的主軸系統(tǒng)成功地實現(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)軌已成為國際上超精密加工機床導(dǎo)軌技術(shù)的發(fā)展趨勢。本課題在國內(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發(fā)的四自由度精密絲杠溜板耦聯(lián)機構(gòu),有效地保證了超精密導(dǎo)軌運動和定位性能。(4超精密空氣靜壓磨頭電主軸系統(tǒng)4-6適合超精密機床使用的超精密磨頭系統(tǒng)在國內(nèi)尚屬空白,而從國外進口一套磨頭系統(tǒng)需二十幾萬美元外匯。由于超精密磨削涉及的技術(shù)比較復(fù)雜,國內(nèi)數(shù)家單位耗巨資引進的磨頭系統(tǒng)至今仍未有效地使用起來。本課題通過開發(fā)高剛性、超精密(0.1m 磨頭系統(tǒng)以及對相關(guān)

12、應(yīng)用技術(shù)的掌握,將推動我國的非球面超精密磨削技術(shù)的發(fā)展。(5開放式高性能數(shù)控系統(tǒng)集成技術(shù)目前,國內(nèi)還沒有開發(fā)出適合非球面超精密加工機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)只能自行開發(fā)。課題研制的非球面超精密加工機床數(shù)控系統(tǒng)采取了用工控PC +DSP 多軸運動控制器構(gòu)成的開放式數(shù)控系統(tǒng)進行系統(tǒng)集成方式實現(xiàn),走出了一條適合我國超精密機床發(fā)展的開放式高性能數(shù)控系統(tǒng)集成技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用的道路。(6非球面面形檢測技術(shù)非球面面形檢測技術(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量光學(xué)非球面面形的檢測裝置及其配套檢測軟件,實現(xiàn)了對部分非球面光學(xué)零件精度為0.1m

13、 面形測量。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,研究成果填補了國內(nèi)空白,使我國超精密加工技術(shù)水平躍上了一個新的臺階,研究水平進入了國際先進行列。目前,我國航空航天、兵器、核工業(yè)等部門都提出了對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,該項研究成果為我國國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實的理論和技術(shù)基礎(chǔ),可以有效地促進我國非球面曲面的超精密加工與測量整體技術(shù)的跨越式發(fā)展。參考文獻:1PN EUMO T H.Nanoform 250Preliminary Eng

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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