杭機股份：大口徑光學元件超聲銑磨拋成套裝備
2023-5-29 來源：機床協會 作者：-
一、產品亮點
浙江杭機股份有限公司（簡稱“杭機股份”）研發的大口徑光學元件超聲銑磨拋成套裝備，采用橋式框架移動式結構布局，具有高剛性、高精度及強大的多手段揉合功能，配置超精密閉式靜壓回轉工作臺，可自由統配超精密靜壓主軸、超聲刀柄、磨拋頭、應力盤、磁流變組合及搖臂式輪廓度儀等關鍵部件，設備配置有尋邊定位系統，可快速定位光學元件坐標，提高工作效率。設備可對3米級光學元件進行超精密銑磨加工、多自由度快速研拋及高精度測量，完成光學元件磨削、研拋、精拋、檢測、確定性修形的全部加工工藝。
設備配置高精度絕對式光柵，保證機床軸系高精度；配置國產五軸聯動數控系統，實現機床多手段、多組合的磨拋加工技術。最大限度地降低光學元件在超精密磨削過程中的亞表面損傷層深度，提高加工精度和效率。加工精度為拋光階段面形≤10nm，表面粗糙度≤1nm RMS；機床精度為直線軸重復定位精度≤1µm，靜壓主軸回轉精度≤0.2µm，靜壓轉臺回轉精度≤0.5µm。
設備主要用于大口徑非球面反射鏡以及SiC/Si、光學玻璃高效光學元件的磨削、磨拋精密加工及在線輪廓測量，可完成光學元件磨削、研拋、粗拋、檢測、確定性修形的全部加工工藝。
設備的研制成功，打破國內超大口徑空間光學反射鏡制造能力瓶頸，為我國航天等重點領域的大型光學元件加工提供關鍵設備保障，對提高我國超大口徑光學元件加工技術起到重要促進作用。
二、產品特點及技術水平
1. 產品結構特點
本機床采用龍門框架移動式結構布局，由雙床身架、橫梁及橫梁支座組成一個剛性框架結構，中間是直徑3m的靜壓回轉工作臺（C軸）。機床具有X、Y、Z三個平動軸，橫梁沿雙床身架上的導軌做縱向運動，橫梁沿左側床身架的縱向運動為Y1軸，橫梁沿右側床身架的縱向運動為Y2軸，橫梁通過Y1與Y2同步驅動實現縱向移動。
在橫梁上有兩套橫向拖板，橫向拖板沿橫梁導軌做橫向運動，橫向拖板的橫向運動為X1、X2軸。橫向拖板前部有垂直拖板，垂直拖板沿橫向拖板上作垂直升降運動，即Z1、Z2軸。
超精密非球面磨削主機垂直拖板下方可安裝超精密磨削主軸和搖臂式輪廓儀測量系統，主軸與垂直拖板之間安裝有一擺動分度軸——B1、B2軸，實現各磨頭和繞Y軸方向±100°擺動。非球面超精密銑磨設備B1、B2軸可安裝超精密磨削主軸和搖臂式輪廓測量裝置等；多自由度快速研拋設備B1、B2軸可自由選裝小磨頭數控研拋裝置、應力盤研拋裝置、磁流體拋光裝置和搖臂式輪廓測量裝置等。
該設備共有9個數控軸（6個直線軸、3個回轉軸），工作時需要進行5軸聯動控制。
2 .技術難點與創新點研究
（1）技術難點
①掌握2000mm直徑超精密閉式靜壓工作臺設計與制造技術；掌握大直徑閉式靜壓工作臺的超高精度（轉臺回轉精度≤0.5μm）的設計、制造、裝配方法，解決了大直徑轉臺回轉精度及穩定性問題，形成關鍵零件加工和部件裝配規范。
②掌握高精度靜壓回轉工作臺的全性能測試方法，解決高精度功能部件制造裝配難、檢測難的問題。
③掌握長絲杠垂度誤差控制技術。由于設備X軸（橫向拖板左右運行）進給機構采用的是絲杠副傳動，絲杠跨度大于6m，為避免絲杠垂度的影響，需要更改或優化傳動機構。采用螺母旋轉絲杠副傳動，并根據橫梁運行曲線適當調整確定絲杠副的支撐拉力。
④設備采用1µm級重復定位精度直線軸進給機構設計、裝配工藝方法、規范檢測方法，提高機床精度。
⑤優化龍門框架式移動結構設計與制造工藝，有效提高非球面超精密銑磨設備的機床精度，有效提升多自由度快速研拋設備的各軸加速度和移動速度，提高設備加工效率。
（2）技術創新點
①高精密靜壓工作臺的設計制造裝配調試檢測技術；
②單機床復合多手段、多工位銑磨/研拋功能技術，拓展功能化、模塊化、標準化設計設計方法，提高設備集成化，滿足光學元件對主機設備的多功能要求；
③大型機床動態和熱態特性分析及優化，掌握大型機床模態變化規律及優化方法。
（3）國內外研制情況
隨著光學制造技術的發展，針對地基、機載大口徑望遠鏡的研究已在全球掀起熱潮，而大口徑望遠鏡的需求對光學制造能力的牽引，掀起了全球光學制造行業的技術創新熱潮。美國Arizona大學、QED公司，德國CARL ZIESS、NTG，日本CANON，英國CRANFIELD等多家公司和研究機構均推出了獨具特色的制造裝備和工藝，大口徑光學制造技術的研究和發展已經國際化。
針對RB‐SiC等硬脆材料加工中存在的問題，從20世紀 90年代開始，國外一些公司開始研究硬脆材料的超聲加工技術，開展超聲加工裝備研制。如DMG公司開發了可用于加工陶瓷、RB‐SiC、C/C復合材料等難加工材料的超聲銑磨設備。此外，奧地利 GFM公司、德國GEISS公司、法國CRENO公司都已研發出超聲加工專用機床，并成功應用于航空航天制造等領域。
DMG公司開發的五軸超聲磨削加工中心
與國外先進水平相比，目前我國航空航天制造企業大都采用傳統的磨削方法加工光學材料構件，在加工質量、成品率、加工效率、工具磨損等方面存在或多或少的問題，顯示出自主研發的重要性。
近年來，我國經濟技術發展迅猛，國力日漸強盛，未來也將需要建造自己的巨型天文望遠鏡。在地基望遠鏡中，近期關于我國12m天文望遠鏡技術方案的爭論正在公開進行，中外學者們紛紛公開發表自己的觀點，問題焦點集中于望遠鏡光學系統方案的選定和國際化問題，但本質上是方案的技術實現可行性問題。
研究直接面向超大口徑反射鏡的高效率、高精度制造問題，通過高效率制造裝備的產業化和大口徑制造工藝規范化，實現大口徑光學元件的批量化生產，將為未來制造巨型拼接主鏡提供強有力的技術保障。
（4）技術水平
本設備是公司第三代產品。第一代產品已經成功生產出4.13m大口徑反射鏡，經一代、二代技術累積，在機床性能、精度、多手段揉合技術方面有進一步創新及應用。
綜合相關技術及產品應用要求，杭機研發的非球面超精密銑磨設備/多自由度快速研拋設備，為我國光學產業升級、研發高性能光電產品提供可靠的技術保障，補實了國內自主研制大型光學元件的高精高效生產制造體系的重要一環，滿足國民經濟和國防安全領域需求，具有良好的經濟和社會效益。
三、圍繞該產品所開展的技術創新工作
1．采取項目負責制。由公司技術副總負責項目的實施和推進，公司負責人參與協調項目進展，同時督促公司配套資金及相應的人力、物力全部落實到位，以保障課題順利實施。
2．制訂項目管理辦法。確定技術資料、財務、生產流程文檔等的管理要求；定期組織階段考評會，檢查計劃進展，協調存在的問題，保障課題實施的時效性；制訂項目開發時間表，確定項目里程碑計劃。
3．項目任務分工明確。對項目研發內容的關鍵技術及技術創新點進行羅列分解，確定項目技術方案和技術路線，由此組織相關人員進行攻關。定期對項目組成員進行考核，并以此作為項目獎勵依據。項目獎勵注重工作成果、工作實效，有效促進了科技人員的研發積極性。
4．人員培養工作。在組織精兵強將的同時，帶動青年員工參與到項目中來，從實際操作中學習。加強與高等院校和用戶形成長期緊密型產、學、研、用合作模式，逐步形成大口徑光學元件精密加工制造示范基地。并依托高等院校科研優勢，建成一支以中青年為主的精密加工技術及裝備研究團隊，以及掌握高效高精銑磨工藝、高精輪廓檢測工藝、高品質研拋工藝的高級技術人才隊伍，推動中國高端機床裝備的持續發展。
四、產品應用效果及產業化前景
大口徑非球面產品應用市場規模大，相關加工、檢測等制造設備也具有廣闊的市場空間。該設備可完成2000mm口徑以內反射鏡元件的高效制造，實現1500-2000mm量級光學元件的快速、高效生產，加工效率顯著提升，滿足國防、天文等領域不斷增長的市場需求。
該設備的研制將打破國外技術壟斷，實現2000mm大口徑非球面反射鏡制造高端數控機床國產化，在行業和專業領域發揮示范作用，為我國光學產業升級提供可靠的技術保障，推動光學制造業向高檔次、高質量方向發展。
該設備的大口徑非球面加工工藝及技術成果可應用于民用天文觀測、減災、氣象、國土資源管控、環保等方面，將產生顯著的社會效益；相關技術成果可應用于測繪等方面，將在國防安全方面發揮顯著作用。針對該產品研發功能部件和加工工藝的研究成果，有望在航空工業超硬復合材料加工產業得到應用，從而推動周邊產業技術進步。
（素材來源：協會行業發展部及相關企業 摘編整理：梅峰 ）
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