摘 要 光学玻璃被广泛应用于激光技术、光电通讯、航空航天以及国防工业等领域。H402-AZ 数控专用平面磨床是专门针对大尺寸平面光学玻璃零件，如激光（钕）玻璃、熔石英等加工的需要而研制开发的机床。该机床可大大缩短光学玻璃的后续研磨抛光时间，满足超精磨平面玻璃的批量生产。

       1 、机床用途

     光学玻璃是用于制造光学仪器或机械系统中光学元件（透镜、棱镜和反射镜等）的玻璃材料的统称。由于光学玻璃具有稳定的物理化学性能和高度的光学均匀性，且耐磨性好、抗蚀性强，因此被广泛应用于激光技术、光电通讯、航空航天以及国防工业等领域，已成为当前尖端科学技术中应用最活跃的材料之一。随着科学技术的不断发展，现代光学工业对光学玻璃提出了精度高、需求量大等苛刻要求。从精度方面，要求光学玻璃具有面形精度高（Ra≤0.1 μm）、表面粗糙度低（Ra≤12 nm）以及亚表面裂纹少等；从需求量方面，以激光核聚变装置所需的光学玻璃为例， 美国国家点火装置（National Ignition Facility, NIF）的光学系统使用7000 多件大口径光学元件（口径大于400 mm×400 mm）。

      当时美国光学制造业每年能提供大约200～300 个纳米级的光学元件，为了在五年时间内完成7 000余件大口径光学元件和20 000 余件小口径光学元件的制造，美国光学工业相关部门必须将其生产能力提高10 倍。而我国现有的光学元件加工能力同样无法满足要求。

      由于光学玻璃具有硬度高、脆性大的特点，在加工过程中极易产生表面疵病与亚表面损伤，属于典型的难加工材料。其超光滑表面成形技术及高效低成本加工工艺技术已经成为国防科技、航空航天、电子信息等领域急需研究的重要课题。对于光学玻璃等硬脆材料，超精密磨削技术是实现超光滑表面的最佳手段。因此，美国、德国、日本、英国等工
*国家科技重大专项项目编号：2011ZX04004-051业发达国家，对光学玻璃等硬脆材料的超精密磨削加工技术的研究十分活跃，已开发出先进的高精度高刚度磨床，用于硬脆材料的超精密加工技术的研究，并且相关科研成果被应用于国防及民用工业领域。近年来，光学玻璃等硬脆材料超精密磨削装备及工艺技术研究已被列为重点资助的科研内容。

     H402-AZ 数控专用平面磨床就是“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项课题“超精密大尺寸光学玻璃平面磨床”的产品，专门针对大尺寸平面光学玻璃零件，如激光（钕）玻璃、熔石英等加工的需要而研制开发的超精密大尺寸平面磨削加工机床，是此类机床设计制造的关键技术，为光学玻璃材料的超精密磨削加工工艺、并在生产中实现应用提供依据。
 
 
      2 、机床主要参数

      H402-AZ 数控专用平面磨床采用龙门式卧轴矩台的结构布局方式，配备高精度运动功能部件、高分辨率测量与反馈系统以及高性能数控系统与伺服驱动系统，具有结构刚度高、力热稳定性好和加工精度高的特点。另外，机床配备了在位测量系统，可完成大尺寸光学玻璃平面度快速、精密、可靠检测。超精密大尺寸光学玻璃平面磨床结构，如图1所示。
 

      2.1 机床主要技术规格参数

      工作台面尺寸 1300×500 mm
      工作台纵向行程 0~1700 mm
      砂轮垂直行程 0~240 mm
      滑座横向行程 0~960 mm
      砂轮直径 270~350 mm
      砂轮宽度 40 mm
      砂轮转速 8 000 rpm
      砂轮切削速度 20～120 m/s
      工件最大质量（含夹具） 300 kg
      机床加工零件规格 450 mm×1 200 mm
      加工工件表面粗糙度 Ra≤10 nm
      加工工件的面形精度（表面平度）PV 3 μm

       
  
                    图1 超精密大尺寸光学玻璃平面磨床结构

      2.2 机床控制系统及专用软件开发
 
 
     基于西门子840D 数控系统，自主开发了超精密大尺寸光学玻璃平面磨削专用软件。针对大尺寸光学玻璃磨削加工工艺特征，该磨削专用软件能够实现多个数控轴的可靠便捷控制。磨床主要数控轴包括：磨头 S 轴工作台水平运动 X 轴砂轮垂直进给 Y 轴砂轮垂直微进给 Y1 轴砂轮水平进给 Z 轴砂轮水平进给（卸荷） Z1 轴测量架水平移动 X2 轴
测量仪垂直移动 Y2 轴测量仪水平移动 Z2 轴其中X、Y、Z、Z1 采用高精度闭环控制，可以实现对砂轮架竖直切入运动和横向进给运动的控制、卸荷装置同步移动的控制等。数控系统可实现自动进给、自动补偿、自动修整砂轮等自动循环。同时，机床还配有砂轮自动平衡系统，带自动温度控制的砂轮主轴润滑系统及带磁性分离器和纸质过滤器的冷却液箱。
 

      3 、机床主要结构特点
 
 
     3.1 高刚度高稳定性床身
 
 
     床身采用整体花岗岩结构，由于花岗岩具有高阻尼、小振动、热稳定性佳等特性，可以保证磨床高刚度和高稳定性。如图2 所示。

     
  
     图2 床身结构

     3.2 工作台
 
 
     工作台面采用整体花岗岩结构，在传统闭式静压导轨的基础上开发了高刚性、高精度的大平面闭式静压导轨，以实现工作台的大行程、平稳、可靠的往复运动。工作台采用SIEMENS 直线电机进行驱动，同时为了防止直线电机的运动影响台面，专门为直线电机设计了独立的静压导轨。台面的运动状态由HEIDENHAIN 光栅系统进行闭环控制，从而保证了工作台具有高精度、快速响应的运动特性，如图3 所示。

                          图3 工作台结构
 

      3.3 立柱、滑座与横梁
 

      双立柱龙门式布局如图4 所示，可控制由于热引起的机床变形，立柱和横梁采用花岗岩制成。砂轮横向位移滑座置于固定的横梁上、安装砂轮架的垂直运动拖板置于横向位移滑座上。横向位移和垂直运动均采用SIEMENS 伺服电机直接驱动高精度滚珠丝杠来完成，HEIDENHAIN 光栅位置反馈。横向位移滑座以及垂直运动拖板的导轨同样采用的是液体静压导轨。另外在垂直运动拖板上配备了微量进给机构，可以实现砂轮架0.1 μm的微进给。

                 图4 立柱、滑座与横梁结构

     为了减少砂轮架滑座自重及其横向位移引起的横梁变形，在横梁的正上方设置了卸荷装置（卸荷横梁），如图5 所示。用以承担砂轮架滑座的大部分自重，并且通过HEIDENHAIN 光栅位置反馈实现卸荷装置与砂轮横向位移滑座的运动同步，从而最大限度的减少横梁变形对磨削加工的影响。

      
   
                       图5 卸荷装置结构

     3.4 砂轮架

     开发了转速范围广、高刚性、高精度砂轮静压主轴系统，如图6 所示，以实现砂轮的高刚性、高精度回转运动。砂轮轴采用液体静压轴承支承，SIEMENS 内置式主轴电机，采用冷却液强制冷却主轴电机，砂轮主轴配备了砂轮平衡装置，配套的管理控制程序能在循环中连续监测砂轮的情况并立即对可能出现的不平衡量进行补偿。

                        图6 砂轮架结构

     3.5 测量系统

     机床配备了激光干涉仪作为加工精度的在位测量系统，通过机床台面运动和测量拖板横向运动，使激光干涉仪的镜头可以扫描所有加工面积。当机床进行磨削加工时，测量横梁可以运动到加工范围以外，如图7 所示。

                         图7 测量系统结构

      4 、结语
 
 
     超精密大尺寸光学玻璃平面磨床是针对国家重要光学工程行业面临重大需求而研究开发的，是具有国际先进水平的超精密加工关键装备。该项目的开发成功，能够实现450×1 200 mm 光学玻璃的高精度、高效率磨削，工件平面度可达3 μm，大大缩短了后续研磨抛光的时间，可满足激光武器、航空航天等领域对超精密大尺寸平面玻璃的大批量需求，对我国天文科学、国家重点工程和军事装备的发展具有重要意义，并将进一步推动我国光学和激光领域制造装备的技术突破，提升我国相关领域的核心竞争力和创新能力。