摘 要 光學玻璃被廣泛應用于激光技術、光電通訊、航空航天以及國防工業(yè)等領域。H402-AZ 數控專用平面磨床是專門針對大尺寸平面光學玻璃零件，如激光（釹）玻璃、熔石英等加工的需要而研制開發(fā)的機床。該機床可大大縮短光學玻璃的后續(xù)研磨拋光時間，滿足超精磨平面玻璃的批量生產。
1 、機床用途
光學玻璃是用于制造光學儀器或機械系統(tǒng)中光學元件（透鏡、棱鏡和反射鏡等）的玻璃材料的統(tǒng)稱。由于光學玻璃具有穩(wěn)定的物理化學性能和高度的光學均勻性，且耐磨性好、抗蝕性強，因此被廣泛應用于激光技術、光電通訊、航空航天以及國防工業(yè)等領域，已成為當前尖端科學技術中應用最活躍的材料之一。隨著科學技術的不斷發(fā)展，現代光學工業(yè)對光學玻璃提出了精度高、需求量大等苛刻要求。從精度方面，要求光學玻璃具有面形精度高（Ra≤0.1 μm）、表面粗糙度低（Ra≤12 nm）以及亞表面裂紋少等；從需求量方面，以激光核聚變裝置所需的光學玻璃為例， 美國國家點火裝置（National Ignition Facility, NIF）的光學系統(tǒng)使用7000 多件大口徑光學元件（口徑大于400 mm×400 mm）。
當時美國光學制造業(yè)每年能提供大約200～300 個納米級的光學元件，為了在五年時間內完成7 000余件大口徑光學元件和20 000 余件小口徑光學元件的制造，美國光學工業(yè)相關部門必須將其生產能力提高10 倍。而我國現有的光學元件加工能力同樣無法滿足要求。
由于光學玻璃具有硬度高、脆性大的特點，在加工過程中極易產生表面疵病與亞表面損傷，屬于典型的難加工材料。其超光滑表面成形技術及高效低成本加工工藝技術已經成為國防科技、航空航天、電子信息等領域急需研究的重要課題。對于光學玻璃等硬脆材料，超精密磨削技術是實現超光滑表面的最佳手段。因此，美國、德國、日本、英國等工
*國家科技重大專項項目編號：2011ZX04004-051業(yè)發(fā)達國家，對光學玻璃等硬脆材料的超精密磨削加工技術的研究十分活躍，已開發(fā)出先進的高精度高剛度磨床，用于硬脆材料的超精密加工技術的研究，并且相關科研成果被應用于國防及民用工業(yè)領域。近年來，光學玻璃等硬脆材料超精密磨削裝備及工藝技術研究已被列為重點資助的科研內容。
H402-AZ 數控專用平面磨床就是“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項課題“超精密大尺寸光學玻璃平面磨床”的產品，專門針對大尺寸平面光學玻璃零件，如激光（釹）玻璃、熔石英等加工的需要而研制開發(fā)的超精密大尺寸平面磨削加工機床，是此類機床設計制造的關鍵技術，為光學玻璃材料的超精密磨削加工工藝、并在生產中實現應用提供依據。
2 、機床主要參數
H402-AZ 數控專用平面磨床采用龍門式臥軸矩臺的結構布局方式，配備高精度運動功能部件、高分辨率測量與反饋系統(tǒng)以及高性能數控系統(tǒng)與伺服驅動系統(tǒng)，具有結構剛度高、力熱穩(wěn)定性好和加工精度高的特點。另外，機床配備了在位測量系統(tǒng)，可完成大尺寸光學玻璃平面度快速、精密、可靠檢測。超精密大尺寸光學玻璃平面磨床結構，如圖1所示。
2.1 機床主要技術規(guī)格參數
工作臺面尺寸 1300×500 mm
工作臺縱向行程 0~1700 mm
砂輪垂直行程 0~240 mm
滑座橫向行程 0~960 mm
砂輪直徑 270~350 mm
砂輪寬度 40 mm
砂輪轉速 8 000 rpm
砂輪切削速度 20～120 m/s
工件最大質量（含夾具） 300 kg
機床加工零件規(guī)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
圖1 超精密大尺寸光學玻璃平面磨床結構
2.2 機床控制系統(tǒng)及專用軟件開發(fā)
基于西門子840D 數控系統(tǒng)，自主開發(fā)了超精密大尺寸光學玻璃平面磨削專用軟件。針對大尺寸光學玻璃磨削加工工藝特征，該磨削專用軟件能夠實現多個數控軸的可靠便捷控制。磨床主要數控軸包括：磨頭 S 軸工作臺水平運動 X 軸砂輪垂直進給 Y 軸砂輪垂直微進給 Y1 軸砂輪水平進給 Z 軸砂輪水平進給（卸荷） Z1 軸測量架水平移動 X2 軸
測量儀垂直移動 Y2 軸測量儀水平移動 Z2 軸其中X、Y、Z、Z1 采用高精度閉環(huán)控制，可以實現對砂輪架豎直切入運動和橫向進給運動的控制、卸荷裝置同步移動的控制等。數控系統(tǒng)可實現自動進給、自動補償、自動修整砂輪等自動循環(huán)。同時，機床還配有砂輪自動平衡系統(tǒng)，帶自動溫度控制的砂輪主軸潤滑系統(tǒng)及帶磁性分離器和紙質過濾器的冷卻液箱。
3 、機床主要結構特點
3.1 高剛度高穩(wěn)定性床身
床身采用整體花崗巖結構，由于花崗巖具有高阻尼、小振動、熱穩(wěn)定性佳等特性，可以保證磨床高剛度和高穩(wěn)定性。如圖2 所示。
圖2 床身結構
3.2 工作臺
工作臺面采用整體花崗巖結構，在傳統(tǒng)閉式靜壓導軌的基礎上開發(fā)了高剛性、高精度的大平面閉式靜壓導軌，以實現工作臺的大行程、平穩(wěn)、可靠的往復運動。工作臺采用SIEMENS 直線電機進行驅動，同時為了防止直線電機的運動影響臺面，專門為直線電機設計了獨立的靜壓導軌。臺面的運動狀態(tài)由HEIDENHAIN 光柵系統(tǒng)進行閉環(huán)控制，從而保證了工作臺具有高精度、快速響應的運動特性，如圖3 所示。
圖3 工作臺結構
3.3 立柱、滑座與橫梁
雙立柱龍門式布局如圖4 所示，可控制由于熱引起的機床變形，立柱和橫梁采用花崗巖制成。砂輪橫向位移滑座置于固定的橫梁上、安裝砂輪架的垂直運動拖板置于橫向位移滑座上。橫向位移和垂直運動均采用SIEMENS 伺服電機直接驅動高精度滾珠絲杠來完成，HEIDENHAIN 光柵位置反饋。橫向位移滑座以及垂直運動拖板的導軌同樣采用的是液體靜壓導軌。另外在垂直運動拖板上配備了微量進給機構，可以實現砂輪架0.1 μm的微進給。
圖4 立柱、滑座與橫梁結構
為了減少砂輪架滑座自重及其橫向位移引起的橫梁變形，在橫梁的正上方設置了卸荷裝置（卸荷橫梁），如圖5 所示。用以承擔砂輪架滑座的大部分自重，并且通過HEIDENHAIN 光柵位置反饋實現卸荷裝置與砂輪橫向位移滑座的運動同步，從而最大限度的減少橫梁變形對磨削加工的影響。
圖5 卸荷裝置結構
3.4 砂輪架
開發(fā)了轉速范圍廣、高剛性、高精度砂輪靜壓主軸系統(tǒng)，如圖6 所示，以實現砂輪的高剛性、高精度回轉運動。砂輪軸采用液體靜壓軸承支承，SIEMENS 內置式主軸電機，采用冷卻液強制冷卻主軸電機，砂輪主軸配備了砂輪平衡裝置，配套的管理控制程序能在循環(huán)中連續(xù)監(jiān)測砂輪的情況并立即對可能出現的不平衡量進行補償。
圖6 砂輪架結構
3.5 測量系統(tǒng)
機床配備了激光干涉儀作為加工精度的在位測量系統(tǒng)，通過機床臺面運動和測量拖板橫向運動，使激光干涉儀的鏡頭可以掃描所有加工面積。當機床進行磨削加工時，測量橫梁可以運動到加工范圍以外，如圖7 所示。
圖7 測量系統(tǒng)結構
4 、結語
超精密大尺寸光學玻璃平面磨床是針對國家重要光學工程行業(yè)面臨重大需求而研究開發(fā)的，是具有國際先進水平的超精密加工關鍵裝備。該項目的開發(fā)成功，能夠實現450×1 200 mm 光學玻璃的高精度、高效率磨削，工件平面度可達3 μm，大大縮短了后續(xù)研磨拋光的時間，可滿足激光武器、航空航天等領域對超精密大尺寸平面玻璃的大批量需求，對我國天文科學、國家重點工程和軍事裝備的發(fā)展具有重要意義，并將進一步推動我國光學和激光領域制造裝備的技術突破，提升我國相關領域的核心競爭力和創(chuàng)新能力。
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