非球曲面光學元件的超精密加工與檢測技術(shù)的探討

(四川大學機械工程學院 四川 成都 610065)

21世紀以來，工業(yè)的快速發(fā)展對零件的精度提出了更高的要求。而非球曲面光學零件因其具有更多的光學設(shè)計自由度，快速消除光學系統(tǒng)中多種像差等優(yōu)良性能，在國防、民用等領(lǐng)域有著廣泛的運用并發(fā)揮著重要的作用。因此解決非球曲面元器件的加工問題是超精密加工技術(shù)研究的一個重要方面，本篇論文將針對此問題展開研究，并提出一些個人的見解。

我國由于工業(yè)起步時間晚，發(fā)展緩慢的原因，在超精密加工技術(shù)上與國外有一定差距。近年來，我國加快了超精密加工技術(shù)的研究步伐,研制出了多種超精密加工機床,如NAM-800型納米數(shù)控車床，JCS—035超精密車床和復印機感光鼓加工機床等[1]。但是在非球曲面超精密加工機床的研究制造上，非球曲面超精密加工工藝等研究方面,我們?nèi)匀挥泻艽蟮倪M步空間。因此本文主要探討了光學非球曲面的超精密加工機理、方法、設(shè)備及測試技術(shù)，期望為解決非球曲面元器件的超精細加工問題提出個人參考意見。

一、非球曲面光學元件加工的技術(shù)框架

傳統(tǒng)光學非球曲面的成型加工大體分為模具成形和切除加工兩種，切除加工是利用切削、磨削等制造工藝將工件切除成非球面，再根據(jù)精度的要求對零件進行磨削和剖光。這種方法可以達到零件的高精度要求，但是難以應(yīng)對工業(yè)上的大規(guī)模生產(chǎn)。另一種模具成型的加工方法是利用已經(jīng)做好的模具，用相應(yīng)的塑性材料進行加工，再通過一系列的加工流程形成非球曲面部件，這種方法適應(yīng)于大批量生產(chǎn)，但高的精度難以把控。兩種方法都有其不足的一面，而且這些傳統(tǒng)的加工方法對于新型的光學零件往往很難滿足高精度的加工要求[2]。所以對于非球曲面超精密加工技術(shù)的進一步研究是必不可少的。

二、超精密加工系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)計

(一)加工工藝研究

非球曲面光學元件加工工藝主要有兩種，一是超精密車削方面的單點金剛石切削(SPDT)工藝，對于這種工藝要重點研究刀具材料對不同典型曲面切削的影響，不同刀具的幾何參數(shù)，精度，切削用量(切削速度v，進給量f，切削深度ap)對工件的加工質(zhì)量(形面精度與表面粗糙度)的影響，以及切削熱、切削溫度、切削對加工質(zhì)量的影響。二是超精密磨削工藝[3]，要重點關(guān)注典型硬脆非金屬材料對曲面切削的磨削影響，不同磨削控制參數(shù)對工件加工質(zhì)量的影響。

(二)加工技術(shù)研究

由于非球曲面形狀復雜，加工困難，對其進行加工，首先要建立起超精密加工的三維仿真模型，然后進行工藝流程仿真和優(yōu)化，最后再進行生產(chǎn)加工制造。

此外關(guān)于非球自由曲面超精密加工，刀具軌跡的生成是加工過程中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，因為可以通過提高刀具軌跡的均一性和減少計算的復雜性，來減少刀具軌跡的干涉從而達到部件的高精度要求。目前加工自由曲面刀具軌跡生成的主要方法為參數(shù)法[4]、笛卡爾法、表面偏置法、立方逼近法。

其次，我們要明白的一點是往往產(chǎn)品達不到高精度的要求都是因為加工形狀的測試誤差引起的，也就是說沒有高精度的測試手段就無法加工出高精度的光學非球曲面器件。所以對測試手段的研究要相當重視。

三、超精密加工系統(tǒng)的設(shè)計研究

(一)已有的超精密加工系統(tǒng)介紹

關(guān)于超精密加工技術(shù)方面，美，英，德，日本等國家的超精密加工已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)。這些國家已經(jīng)研制出許多先進的超精密加工系統(tǒng)，比如英國Cranfield大學的精密工程研究所(CUPE)研制的Nanocenter600型等超精密復合加工機床和Oagm2500六軸CNC超精密磨床；日本理化研究所研制的ASG2500超精密非球曲面磨床，用于非球曲面的超精密加工，加工精度達到0.1μm。

而中國也在“九五”期間成功地研制出了“Nanosys-300非球面曲面超精密復合加工系統(tǒng)”。它具有CNC車削、磨削、飛切(銑削)等多種復合加工功能，可對球面、非球面和平面等形狀零件進行納米級超精密加工。這種超精密復合加工系統(tǒng)的加工工件尺寸范圍是Φ300×200mm，測量、控制系統(tǒng)分辨率：1.25～5nm，非球面加工精度：0.3～0.5μm，表面粗糙度：Ra<0.01μm。

(二)超精密加工系統(tǒng)的構(gòu)造

參考國內(nèi)外多種先進的非球曲面的超精密加工系統(tǒng)，可看出一個成熟的超精密加工系統(tǒng)是集機械結(jié)構(gòu)、伺服控制裝置和靜壓裝置為一體的。

在機械結(jié)構(gòu)方面：(1)對機床床身進行高剛度、高可靠性優(yōu)化設(shè)計，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。為提高超精密機床床身的靜、動態(tài)特性，可采用三維建模軟件SolidWorks建立機床床身模型，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS Workbench對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后進行靜、動態(tài)特性分析，通過分析得到最佳方案[5]。(2)在主軸及驅(qū)動裝置方面：可以通過撥叉式柔性連接驅(qū)動裝置實現(xiàn)氣浮主軸的高回轉(zhuǎn)精度，來保障超精密加工中加工精度對于主軸高回轉(zhuǎn)精度的要求。(3)利用刀具軌跡生成器來得到在自由曲面加工的最佳運動軌跡。

在靜壓裝置方面：有超精密空氣靜壓導軌，直線度可達0.1到0.2μm/250mm，或者是采用超精密閉式液體靜壓導軌系統(tǒng)來提高系統(tǒng)的剛性和減振效果[6]。

在伺服控制裝置方面：根據(jù)非球曲面超精密加工機床結(jié)構(gòu)特點及性能要求，采取工控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)，或者是開發(fā)新型高效的數(shù)控伺服系統(tǒng)來應(yīng)用在非球曲面的超精密加工中。

(三)超精密自由曲面測量技術(shù)研究

非球曲面光學零件的面形檢測是非球曲面超精密加工技術(shù)的一個重要環(huán)節(jié)。面形測量分為加工過程中的在位測量以及加工終了的面形測量。考慮到實際非球面零件的生產(chǎn)需要,為提高非球曲面零件的生產(chǎn)效率和加工精度,解決非球曲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LVDT氣浮測頭來測量非球曲面面形。而對于工件的最終測量,使用相移式橫向剪切干涉法測量光學非球曲面面形的檢測裝置，從而實現(xiàn)對部分非球曲面光學零件面形的高精度測量。

四、結(jié)語

非球曲面超精密加工朝著高精度大型化和高精度小型化方向發(fā)展，超精密數(shù)控加工機床是非球曲面加工精度達到亞微米級及亞微米級以下的技術(shù)保證，文中介紹了非球曲面光學元件的超精密加工與檢測技術(shù)，包括非球曲面超精密加工的加工工藝研究，超精密加工系統(tǒng)的開發(fā)以及對于超精密自由曲面測量技術(shù)的探討。