杭機(jī)股份：大口徑光學(xué)元件超聲銑磨拋成套裝備
2023-5-29 來源：機(jī)床協(xié)會(huì) 作者：-
一、產(chǎn)品亮點(diǎn)
浙江杭機(jī)股份有限公司（簡(jiǎn)稱“杭機(jī)股份”）研發(fā)的大口徑光學(xué)元件超聲銑磨拋成套裝備，采用橋式框架移動(dòng)式結(jié)構(gòu)布局，具有高剛性、高精度及強(qiáng)大的多手段揉合功能，配置超精密閉式靜壓回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，可自由統(tǒng)配超精密靜壓主軸、超聲刀柄、磨拋頭、應(yīng)力盤、磁流變組合及搖臂式輪廓度儀等關(guān)鍵部件，設(shè)備配置有尋邊定位系統(tǒng)，可快速定位光學(xué)元件坐標(biāo)，提高工作效率。設(shè)備可對(duì)3米級(jí)光學(xué)元件進(jìn)行超精密銑磨加工、多自由度快速研拋及高精度測(cè)量，完成光學(xué)元件磨削、研拋、精拋、檢測(cè)、確定性修形的全部加工工藝。
設(shè)備配置高精度絕對(duì)式光柵，保證機(jī)床軸系高精度；配置國(guó)產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床多手段、多組合的磨拋加工技術(shù)。最大限度地降低光學(xué)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(jī)床精度為直線軸重復(fù)定位精度≤1µm，靜壓主軸回轉(zhuǎn)精度≤0.2µm，靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)精度≤0.5µm。
設(shè)備主要用于大口徑非球面反射鏡以及SiC/Si、光學(xué)玻璃高效光學(xué)元件的磨削、磨拋精密加工及在線輪廓測(cè)量，可完成光學(xué)元件磨削、研拋、粗拋、檢測(cè)、確定性修形的全部加工工藝。
設(shè)備的研制成功，打破國(guó)內(nèi)超大口徑空間光學(xué)反射鏡制造能力瓶頸，為我國(guó)航天等重點(diǎn)領(lǐng)域的大型光學(xué)元件加工提供關(guān)鍵設(shè)備保障，對(duì)提高我國(guó)超大口徑光學(xué)元件加工技術(shù)起到重要促進(jìn)作用。
二、產(chǎn)品特點(diǎn)及技術(shù)水平
1. 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
本機(jī)床采用龍門框架移動(dòng)式結(jié)構(gòu)布局，由雙床身架、橫梁及橫梁支座組成一個(gè)剛性框架結(jié)構(gòu)，中間是直徑3m的靜壓回轉(zhuǎn)工作臺(tái)（C軸）。機(jī)床具有X、Y、Z三個(gè)平動(dòng)軸，橫梁沿雙床身架上的導(dǎo)軌做縱向運(yùn)動(dòng)，橫梁沿左側(cè)床身架的縱向運(yùn)動(dòng)為Y1軸，橫梁沿右側(cè)床身架的縱向運(yùn)動(dòng)為Y2軸，橫梁通過Y1與Y2同步驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)縱向移動(dòng)。
在橫梁上有兩套橫向拖板，橫向拖板沿橫梁導(dǎo)軌做橫向運(yùn)動(dòng)，橫向拖板的橫向運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，即Z1、Z2軸。
超精密非球面磨削主機(jī)垂直拖板下方可安裝超精密磨削主軸和搖臂式輪廓儀測(cè)量系統(tǒng)，主軸與垂直拖板之間安裝有一擺動(dòng)分度軸——B1、B2軸，實(shí)現(xiàn)各磨頭和繞Y軸方向±100°擺動(dòng)。非球面超精密銑磨設(shè)備B1、B2軸可安裝超精密磨削主軸和搖臂式輪廓測(cè)量裝置等；多自由度快速研拋設(shè)備B1、B2軸可自由選裝小磨頭數(shù)控研拋裝置、應(yīng)力盤研拋裝置、磁流體拋光裝置和搖臂式輪廓測(cè)量裝置等。
該設(shè)備共有9個(gè)數(shù)控軸（6個(gè)直線軸、3個(gè)回轉(zhuǎn)軸），工作時(shí)需要進(jìn)行5軸聯(lián)動(dòng)控制。
2 .技術(shù)難點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)研究
（1）技術(shù)難點(diǎn)
①掌握2000mm直徑超精密閉式靜壓工作臺(tái)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)；掌握大直徑閉式靜壓工作臺(tái)的超高精度（轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)精度≤0.5μm）的設(shè)計(jì)、制造、裝配方法，解決了大直徑轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)精度及穩(wěn)定性問題，形成關(guān)鍵零件加工和部件裝配規(guī)范。
②掌握高精度靜壓回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的全性能測(cè)試方法，解決高精度功能部件制造裝配難、檢測(cè)難的問題。
③掌握長(zhǎng)絲杠垂度誤差控制技術(shù)。由于設(shè)備X軸（橫向拖板左右運(yùn)行）進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用的是絲杠副傳動(dòng)，絲杠跨度大于6m，為避免絲杠垂度的影響，需要更改或優(yōu)化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。采用螺母旋轉(zhuǎn)絲杠副傳動(dòng)，并根據(jù)橫梁運(yùn)行曲線適當(dāng)調(diào)整確定絲杠副的支撐拉力。
④設(shè)備采用1µm級(jí)重復(fù)定位精度直線軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配工藝方法、規(guī)范檢測(cè)方法，提高機(jī)床精度。
⑤優(yōu)化龍門框架式移動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝，有效提高非球面超精密銑磨設(shè)備的機(jī)床精度，有效提升多自由度快速研拋設(shè)備的各軸加速度和移動(dòng)速度，提高設(shè)備加工效率。
（2）技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)
①高精密靜壓工作臺(tái)的設(shè)計(jì)制造裝配調(diào)試檢測(cè)技術(shù)；
②單機(jī)床復(fù)合多手段、多工位銑磨/研拋功能技術(shù)，拓展功能化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法，提高設(shè)備集成化，滿足光學(xué)元件對(duì)主機(jī)設(shè)備的多功能要求；
③大型機(jī)床動(dòng)態(tài)和熱態(tài)特性分析及優(yōu)化，掌握大型機(jī)床模態(tài)變化規(guī)律及優(yōu)化方法。
（3）國(guó)內(nèi)外研制情況
隨著光學(xué)制造技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)地基、機(jī)載大口徑望遠(yuǎn)鏡的研究已在全球掀起熱潮，而大口徑望遠(yuǎn)鏡的需求對(duì)光學(xué)制造能力的牽引，掀起了全球光學(xué)制造行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新熱潮。美國(guó)Arizona大學(xué)、QED公司，德國(guó)CARL ZIESS、NTG，日本CANON，英國(guó)CRANFIELD等多家公司和研究機(jī)構(gòu)均推出了獨(dú)具特色的制造裝備和工藝，大口徑光學(xué)制造技術(shù)的研究和發(fā)展已經(jīng)國(guó)際化。
針對(duì)RB‐SiC等硬脆材料加工中存在的問題，從20世紀(jì) 90年代開始，國(guó)外一些公司開始研究硬脆材料的超聲加工技術(shù)，開展超聲加工裝備研制。如DMG公司開發(fā)了可用于加工陶瓷、RB‐SiC、C/C復(fù)合材料等難加工材料的超聲銑磨設(shè)備。此外，奧地利 GFM公司、德國(guó)GEISS公司、法國(guó)CRENO公司都已研發(fā)出超聲加工專用機(jī)床，并成功應(yīng)用于航空航天制造等領(lǐng)域。
DMG公司開發(fā)的五軸超聲磨削加工中心
與國(guó)外先進(jìn)水平相比，目前我國(guó)航空航天制造企業(yè)大都采用傳統(tǒng)的磨削方法加工光學(xué)材料構(gòu)件，在加工質(zhì)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(fā)的重要性。
近年來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展迅猛，國(guó)力日漸強(qiáng)盛，未來也將需要建造自己的巨型天文望遠(yuǎn)鏡。在地基望遠(yuǎn)鏡中，近期關(guān)于我國(guó)12m天文望遠(yuǎn)鏡技術(shù)方案的爭(zhēng)論正在公開進(jìn)行，中外學(xué)者們紛紛公開發(fā)表自己的觀點(diǎn)，問題焦點(diǎn)集中于望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)方案的選定和國(guó)際化問題，但本質(zhì)上是方案的技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(chǎn)業(yè)化和大口徑制造工藝規(guī)范化，實(shí)現(xiàn)大口徑光學(xué)元件的批量化生產(chǎn)，將為未來制造巨型拼接主鏡提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。
（4）技術(shù)水平
本設(shè)備是公司第三代產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品已經(jīng)成功生產(chǎn)出4.13m大口徑反射鏡，經(jīng)一代、二代技術(shù)累積，在機(jī)床性能、精度、多手段揉合技術(shù)方面有進(jìn)一步創(chuàng)新及應(yīng)用。
綜合相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品應(yīng)用要求，杭機(jī)研發(fā)的非球面超精密銑磨設(shè)備/多自由度快速研拋設(shè)備，為我國(guó)光學(xué)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、研發(fā)高性能光電產(chǎn)品提供可靠的技術(shù)保障，補(bǔ)實(shí)了國(guó)內(nèi)自主研制大型光學(xué)元件的高精高效生產(chǎn)制造體系的重要一環(huán)，滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防安全領(lǐng)域需求，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
三、圍繞該產(chǎn)品所開展的技術(shù)創(chuàng)新工作
1．采取項(xiàng)目負(fù)責(zé)制。由公司技術(shù)副總負(fù)責(zé)項(xiàng)目的實(shí)施和推進(jìn)，公司負(fù)責(zé)人參與協(xié)調(diào)項(xiàng)目進(jìn)展，同時(shí)督促公司配套資金及相應(yīng)的人力、物力全部落實(shí)到位，以保障課題順利實(shí)施。
2．制訂項(xiàng)目管理辦法。確定技術(shù)資料、財(cái)務(wù)、生產(chǎn)流程文檔等的管理要求；定期組織階段考評(píng)會(huì)，檢查計(jì)劃進(jìn)展，協(xié)調(diào)存在的問題，保障課題實(shí)施的時(shí)效性；制訂項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間表，確定項(xiàng)目里程碑計(jì)劃。
3．項(xiàng)目任務(wù)分工明確。對(duì)項(xiàng)目研發(fā)內(nèi)容的關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行羅列分解，確定項(xiàng)目技術(shù)方案和技術(shù)路線，由此組織相關(guān)人員進(jìn)行攻關(guān)。定期對(duì)項(xiàng)目組成員進(jìn)行考核，并以此作為項(xiàng)目獎(jiǎng)勵(lì)依據(jù)。項(xiàng)目獎(jiǎng)勵(lì)注重工作成果、工作實(shí)效，有效促進(jìn)了科技人員的研發(fā)積極性。
4．人員培養(yǎng)工作。在組織精兵強(qiáng)將的同時(shí)，帶動(dòng)青年員工參與到項(xiàng)目中來，從實(shí)際操作中學(xué)習(xí)。加強(qiáng)與高等院校和用戶形成長(zhǎng)期緊密型產(chǎn)、學(xué)、研、用合作模式，逐步形成大口徑光學(xué)元件精密加工制造示范基地。并依托高等院校科研優(yōu)勢(shì)，建成一支以中青年為主的精密加工技術(shù)及裝備研究團(tuán)隊(duì)，以及掌握高效高精銑磨工藝、高精輪廓檢測(cè)工藝、高品質(zhì)研拋工藝的高級(jí)技術(shù)人才隊(duì)伍，推動(dòng)中國(guó)高端機(jī)床裝備的持續(xù)發(fā)展。
四、產(chǎn)品應(yīng)用效果及產(chǎn)業(yè)化前景
大口徑非球面產(chǎn)品應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模大，相關(guān)加工、檢測(cè)等制造設(shè)備也具有廣闊的市場(chǎng)空間。該設(shè)備可完成2000mm口徑以內(nèi)反射鏡元件的高效制造，實(shí)現(xiàn)1500-2000mm量級(jí)光學(xué)元件的快速、高效生產(chǎn)，加工效率顯著提升，滿足國(guó)防、天文等領(lǐng)域不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。
該設(shè)備的研制將打破國(guó)外技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)2000mm大口徑非球面反射鏡制造高端數(shù)控機(jī)床國(guó)產(chǎn)化，在行業(yè)和專業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮示范作用，為我國(guó)光學(xué)產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供可靠的技術(shù)保障，推動(dòng)光學(xué)制造業(yè)向高檔次、高質(zhì)量方向發(fā)展。
該設(shè)備的大口徑非球面加工工藝及技術(shù)成果可應(yīng)用于民用天文觀測(cè)、減災(zāi)、氣象、國(guó)土資源管控、環(huán)保等方面，將產(chǎn)生顯著的社會(huì)效益；相關(guān)技術(shù)成果可應(yīng)用于測(cè)繪等方面，將在國(guó)防安全方面發(fā)揮顯著作用。針對(duì)該產(chǎn)品研發(fā)功能部件和加工工藝的研究成果，有望在航空工業(yè)超硬復(fù)合材料加工產(chǎn)業(yè)得到應(yīng)用，從而推動(dòng)周邊產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步。
（素材來源：協(xié)會(huì)行業(yè)發(fā)展部及相關(guān)企業(yè) 摘編整理：梅峰 ）
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