杭机股份：大口径光学元件超声铣磨抛成套装备
2023-5-29 来源：机床协会 作者：-
一、产品亮点
浙江杭机股份有限公司（简称“杭机股份”）研发的大口径光学元件超声铣磨抛成套装备，采用桥式框架移动式结构布局，具有高刚性、高精度及强大的多手段揉合功能，配置超精密闭式静压回转工作台，可自由统配超精密静压主轴、超声刀柄、磨抛头、应力盘、磁流变组合及摇臂式轮廓度仪等关键部件，设备配置有寻边定位系统，可快速定位光学元件坐标，提高工作效率。设备可对3米级光学元件进行超精密铣磨加工、多自由度快速研抛及高精度测量，完成光学元件磨削、研抛、精抛、检测、确定性修形的全部加工工艺。
设备配置高精度绝对式光栅，保证机床轴系高精度；配置国产五轴联动数控系统，实现机床多手段、多组合的磨抛加工技术。最大限度地降低光学元件在超精密磨削过程中的亚表面损伤层深度，提高加工精度和效率。加工精度为抛光阶段面形≤10nm，表面粗糙度≤1nm RMS；机床精度为直线轴重复定位精度≤1µm，静压主轴回转精度≤0.2µm，静压转台回转精度≤0.5µm。
设备主要用于大口径非球面反射镜以及SiC/Si、光学玻璃高效光学元件的磨削、磨抛精密加工及在线轮廓测量，可完成光学元件磨削、研抛、粗抛、检测、确定性修形的全部加工工艺。
设备的研制成功，打破国内超大口径空间光学反射镜制造能力瓶颈，为我国航天等重点领域的大型光学元件加工提供关键设备保障，对提高我国超大口径光学元件加工技术起到重要促进作用。
二、产品特点及技术水平
1. 产品结构特点
本机床采用龙门框架移动式结构布局，由双床身架、横梁及横梁支座组成一个刚性框架结构，中间是直径3m的静压回转工作台（C轴）。机床具有X、Y、Z三个平动轴，横梁沿双床身架上的导轨做纵向运动，横梁沿左侧床身架的纵向运动为Y1轴，横梁沿右侧床身架的纵向运动为Y2轴，横梁通过Y1与Y2同步驱动实现纵向移动。
在横梁上有两套横向拖板，横向拖板沿横梁导轨做横向运动，横向拖板的横向运动为X1、X2轴。横向拖板前部有垂直拖板，垂直拖板沿横向拖板上作垂直升降运动，即Z1、Z2轴。
超精密非球面磨削主机垂直拖板下方可安装超精密磨削主轴和摇臂式轮廓仪测量系统，主轴与垂直拖板之间安装有一摆动分度轴——B1、B2轴，实现各磨头和绕Y轴方向±100°摆动。非球面超精密铣磨设备B1、B2轴可安装超精密磨削主轴和摇臂式轮廓测量装置等；多自由度快速研抛设备B1、B2轴可自由选装小磨头数控研抛装置、应力盘研抛装置、磁流体抛光装置和摇臂式轮廓测量装置等。
该设备共有9个数控轴（6个直线轴、3个回转轴），工作时需要进行5轴联动控制。
2 .技术难点与创新点研究
（1）技术难点
①掌握2000mm直径超精密闭式静压工作台设计与制造技术；掌握大直径闭式静压工作台的超高精度（转台回转精度≤0.5μm）的设计、制造、装配方法，解决了大直径转台回转精度及稳定性问题，形成关键零件加工和部件装配规范。
②掌握高精度静压回转工作台的全性能测试方法，解决高精度功能部件制造装配难、检测难的问题。
③掌握长丝杠垂度误差控制技术。由于设备X轴（横向拖板左右运行）进给机构采用的是丝杠副传动，丝杠跨度大于6m，为避免丝杠垂度的影响，需要更改或优化传动机构。采用螺母旋转丝杠副传动，并根据横梁运行曲线适当调整确定丝杠副的支撑拉力。
④设备采用1µm级重复定位精度直线轴进给机构设计、装配工艺方法、规范检测方法，提高机床精度。
⑤优化龙门框架式移动结构设计与制造工艺，有效提高非球面超精密铣磨设备的机床精度，有效提升多自由度快速研抛设备的各轴加速度和移动速度，提高设备加工效率。
（2）技术创新点
①高精密静压工作台的设计制造装配调试检测技术；
②单机床复合多手段、多工位铣磨/研抛功能技术，拓展功能化、模块化、标准化设计设计方法，提高设备集成化，满足光学元件对主机设备的多功能要求；
③大型机床动态和热态特性分析及优化，掌握大型机床模态变化规律及优化方法。
（3）国内外研制情况
随着光学制造技术的发展，针对地基、机载大口径望远镜的研究已在全球掀起热潮，而大口径望远镜的需求对光学制造能力的牵引，掀起了全球光学制造行业的技术创新热潮。美国Arizona大学、QED公司，德国CARL ZIESS、NTG，日本CANON，英国CRANFIELD等多家公司和研究机构均推出了独具特色的制造装备和工艺，大口径光学制造技术的研究和发展已经国际化。
针对RB‐SiC等硬脆材料加工中存在的问题，从20世纪 90年代开始，国外一些公司开始研究硬脆材料的超声加工技术，开展超声加工装备研制。如DMG公司开发了可用于加工陶瓷、RB‐SiC、C/C复合材料等难加工材料的超声铣磨设备。此外，奥地利 GFM公司、德国GEISS公司、法国CRENO公司都已研发出超声加工专用机床，并成功应用于航空航天制造等领域。
DMG公司开发的五轴超声磨削加工中心
与国外先进水平相比，目前我国航空航天制造企业大都采用传统的磨削方法加工光学材料构件，在加工质量、成品率、加工效率、工具磨损等方面存在或多或少的问题，显示出自主研发的重要性。
近年来，我国经济技术发展迅猛，国力日渐强盛，未来也将需要建造自己的巨型天文望远镜。在地基望远镜中，近期关于我国12m天文望远镜技术方案的争论正在公开进行，中外学者们纷纷公开发表自己的观点，问题焦点集中于望远镜光学系统方案的选定和国际化问题，但本质上是方案的技术实现可行性问题。
研究直接面向超大口径反射镜的高效率、高精度制造问题，通过高效率制造装备的产业化和大口径制造工艺规范化，实现大口径光学元件的批量化生产，将为未来制造巨型拼接主镜提供强有力的技术保障。
（4）技术水平
本设备是公司第三代产品。第一代产品已经成功生产出4.13m大口径反射镜，经一代、二代技术累积，在机床性能、精度、多手段揉合技术方面有进一步创新及应用。
综合相关技术及产品应用要求，杭机研发的非球面超精密铣磨设备/多自由度快速研抛设备，为我国光学产业升级、研发高性能光电产品提供可靠的技术保障，补实了国内自主研制大型光学元件的高精高效生产制造体系的重要一环，满足国民经济和国防安全领域需求，具有良好的经济和社会效益。
三、围绕该产品所开展的技术创新工作
1．采取项目负责制。由公司技术副总负责项目的实施和推进，公司负责人参与协调项目进展，同时督促公司配套资金及相应的人力、物力全部落实到位，以保障课题顺利实施。
2．制订项目管理办法。确定技术资料、财务、生产流程文档等的管理要求；定期组织阶段考评会，检查计划进展，协调存在的问题，保障课题实施的时效性；制订项目开发时间表，确定项目里程碑计划。
3．项目任务分工明确。对项目研发内容的关键技术及技术创新点进行罗列分解，确定项目技术方案和技术路线，由此组织相关人员进行攻关。定期对项目组成员进行考核，并以此作为项目奖励依据。项目奖励注重工作成果、工作实效，有效促进了科技人员的研发积极性。
4．人员培养工作。在组织精兵强将的同时，带动青年员工参与到项目中来，从实际操作中学习。加强与高等院校和用户形成长期紧密型产、学、研、用合作模式，逐步形成大口径光学元件精密加工制造示范基地。并依托高等院校科研优势，建成一支以中青年为主的精密加工技术及装备研究团队，以及掌握高效高精铣磨工艺、高精轮廓检测工艺、高品质研抛工艺的高级技术人才队伍，推动中国高端机床装备的持续发展。
四、产品应用效果及产业化前景
大口径非球面产品应用市场规模大，相关加工、检测等制造设备也具有广阔的市场空间。该设备可完成2000mm口径以内反射镜元件的高效制造，实现1500-2000mm量级光学元件的快速、高效生产，加工效率显著提升，满足国防、天文等领域不断增长的市场需求。
该设备的研制将打破国外技术垄断，实现2000mm大口径非球面反射镜制造高端数控机床国产化，在行业和专业领域发挥示范作用，为我国光学产业升级提供可靠的技术保障，推动光学制造业向高档次、高质量方向发展。
该设备的大口径非球面加工工艺及技术成果可应用于民用天文观测、减灾、气象、国土资源管控、环保等方面，将产生显著的社会效益；相关技术成果可应用于测绘等方面，将在国防安全方面发挥显著作用。针对该产品研发功能部件和加工工艺的研究成果，有望在航空工业超硬复合材料加工产业得到应用，从而推动周边产业技术进步。
（素材来源：协会行业发展部及相关企业 摘编整理：梅峰 ）
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