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超精密加工机床系统研究与未来发展

现代超精密加工机床与系统已应用到当代多个高端技术领域,在推动科技进步方面发挥着重大作用。总体上,我国该项技术与国际先进水平还有较大差距。瞄准未来发展方向,抓住主要矛盾,突破关键技术,适应发展需求,对推动我国科技进步,加强国防建设具有重大意义。

光学元件因面形精度和表面质量要求非常高,是超精密加工典型性和代表性的主要应用领域。

传统的光学系统因设计、计算、加工和制造技术所限,结构和元件形状都较简单——光学元件形面通常为平面或球面。传统的光学元件加工时,采用大数、无规则轨迹控制和均化效应等工艺,配合检测,可获得良好的超精密加工效果。这里的加工精度依赖的是工艺方法,而不苛求加工机床本身的精度。低机械精度的加工机床仍可达到高的光学元件加工精度效果,这类机床通常也被称为“非确定性”(Non-deterministic)加工机床。采用传统加工方法的“非确定性”超精密加工机床只适合加工球面、平面等简单形状和玻璃类硬脆材料的光学元件。

随着现代科技的发展,特别是光电子技术、计算技术的发展,当今的光学应用系统在适应光学元件形面的复杂性、材料的多样性、几何尺度的大小方面都有了巨大的发展变化。传统的“非确定性”超精密加工机床和工艺方法已不能适应现代光学系统元件加工需求——或是根本无法加工,或是加工效率极低。

而“确定性”(Deterministic)超精密加工机床和可控制刀具(如金刚石刀具)能以极高精度的空间运动轨迹直接加工成型具有光学镜面效果的产品。具有这种性能的机床不仅使加工效率得到了极大提高,还可实现传统方法难以加工处理的金属基、光学晶体等材料及非球类复杂形面元件的超精密加工。

现代超精密加工系统

超精密机床的高确定性取决于对影响精度性能的各环节因素的控制。这些控制品质常常要求达到当代科技的极限,如机床运动部件(导轨、主轴等)较高的运动精度和可控性(如摩擦、阻尼品质),机床坐标测量系统较高的分辨率、测量精度和稳定性,运动伺服控制系统较高的动、静态加工轨迹跟踪和定位控制精度等。此外,还要求数控系统具有较高性能的多轴实时控制及数据处理能力,机床本体的高刚性、高稳定性和优良的振动阻尼。为了防止环境振动和加工中机床姿态微小变化的影响,机床还需安装隔振、精密自动水平调整机构等。

环境因素对超精密加工影响巨大。特别是大型超精密加工机床对环境控制极为严苛,包括高稳定性地基振动控制、机床本体液体温控、环境空气流场和温度控制。另外,以现有的科技手段,对声场及任何可能对机床状态产生微小扰动的因素都要进行严格控制。

1 SPDT单点金刚石车床系统

现代光学确定性加工技术的核心是数控超精密加工机床。其中,最具有代表性的是SPDT(Single Point Diamond Turing,单点金刚石车削)机床。SPDT采用金刚石刀具,可直接车削加工成型达到光学级质量的金属基、光学晶体等材料的非球曲面零件。

20世纪80年代,美国为了解决天基高能激光武器、惯性约束核聚变点火、太空探测、高能粒子加速器等国家重大工程中光学系统加工技术难题,专门组织在劳伦斯·利弗莫尔(LLNL)国家实验室开展了大、小多种尺寸和立、卧不同类型SPDT机床系统研究。

在LLNL研发的SPDT机床中,最具技术代表性的要数LODTM(Large Optic Diamond Turning Machine,大型光学金刚石车床)。LODTM机床系统投资巨大,设计方案周详,关键技术解决方案采用了当时最新技术手段。至今,LODTM的某些技术指标都难以超越。LODTM在超精密加工技术与机床系统发展史上具有里程碑的示范作用。

美国在发展信息战和精确制导装备中,为了解决大量非球面光学晶体材料和元件的加工难题,需要相当数量的具有高效及非球面光学零件加工能力的SPDT机床。90年代后,商品化的SPDT机床得到了重点研发支持和广泛应用。

2 XZC超精密加工机床系统

普通的SPDT机床主轴只进行转速控制,因而只能加工回转对称类非球面零件。对于非回转对称的光学自由曲面加工,这样的SPDT机床就无能为力了。

通过对SPDT机床的主轴配置高分辨率的角度检测装置,形成可进行转角位置精密控制的C轴,SPDT机床可拓展成工件主轴和加工刀具运动导轨进行联动控制的XZC超精密加工机床。机床通过XZC联动控制可解决具有某些特征和类型的非回转对称的光学自由曲面元件的加工难题。

(1)FTS快速刀具伺服超精密加工技术。

针对微小阵列结构的光学自由曲面元件,曲面曲率变化大,XZC联动加工时刀具会产生非常大的瞬时运动加速度变化。因刀具安装机床拖板大惯量和驱动功率所限,加上振动因数,XZC直接控制将会遇到很大困难。

对于矢高较小的微小阵列结构的光学自由曲面元件加工,FTS(Fast Tool Servo,快速刀具伺服)加工技术是一种可行的解决方案,即在机床Z轴拖板与刀具之间安装一个低惯量微小行程、高频响位移控制机构(图1)。依Z向加工所需行程大小和频响要求,微位移机构的驱动元件可选压电、音圈或小型直线电机等。FTS的控制可采取CZ随动控制方式。

 
 
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