非球曲面光学元件的超精密加工与检测技术的探讨

(四川大学机械工程学院 四川 成都 610065)

21世纪以来，工业的快速发展对零件的精度提出了更高的要求。而非球曲面光学零件因其具有更多的光学设计自由度，快速消除光学系统中多种像差等优良性能，在国防、民用等领域有着广泛的运用并发挥着重要的作用。因此解决非球曲面元器件的加工问题是超精密加工技术研究的一个重要方面，本篇论文将针对此问题展开研究，并提出一些个人的见解。

我国由于工业起步时间晚，发展缓慢的原因，在超精密加工技术上与国外有一定差距。近年来，我国加快了超精密加工技术的研究步伐,研制出了多种超精密加工机床,如NAM-800型纳米数控车床，JCS—035超精密车床和复印机感光鼓加工机床等[1]。但是在非球曲面超精密加工机床的研究制造上，非球曲面超精密加工工艺等研究方面,我们仍然有很大的进步空间。因此本文主要探讨了光学非球曲面的超精密加工机理、方法、设备及测试技术，期望为解决非球曲面元器件的超精细加工问题提出个人参考意见。

一、非球曲面光学元件加工的技术框架

传统光学非球曲面的成型加工大体分为模具成形和切除加工两种，切除加工是利用切削、磨削等制造工艺将工件切除成非球面，再根据精度的要求对零件进行磨削和剖光。这种方法可以达到零件的高精度要求，但是难以应对工业上的大规模生产。另一种模具成型的加工方法是利用已经做好的模具，用相应的塑性材料进行加工，再通过一系列的加工流程形成非球曲面部件，这种方法适应于大批量生产，但高的精度难以把控。两种方法都有其不足的一面，而且这些传统的加工方法对于新型的光学零件往往很难满足高精度的加工要求[2]。所以对于非球曲面超精密加工技术的进一步研究是必不可少的。

二、超精密加工系统的基础设计

(一)加工工艺研究

非球曲面光学元件加工工艺主要有两种，一是超精密车削方面的单点金刚石切削(SPDT)工艺，对于这种工艺要重点研究刀具材料对不同典型曲面切削的影响，不同刀具的几何参数，精度，切削用量(切削速度v，进给量f，切削深度ap)对工件的加工质量(形面精度与表面粗糙度)的影响，以及切削热、切削温度、切削对加工质量的影响。二是超精密磨削工艺[3]，要重点关注典型硬脆非金属材料对曲面切削的磨削影响，不同磨削控制参数对工件加工质量的影响。

(二)加工技术研究

由于非球曲面形状复杂，加工困难，对其进行加工，首先要建立起超精密加工的三维仿真模型，然后进行工艺流程仿真和优化，最后再进行生产加工制造。

此外关于非球自由曲面超精密加工，刀具轨迹的生成是加工过程中至关重要的一个环节，因为可以通过提高刀具轨迹的均一性和减少计算的复杂性，来减少刀具轨迹的干涉从而达到部件的高精度要求。目前加工自由曲面刀具轨迹生成的主要方法为参数法[4]、笛卡尔法、表面偏置法、立方逼近法。

其次，我们要明白的一点是往往产品达不到高精度的要求都是因为加工形状的测试误差引起的，也就是说没有高精度的测试手段就无法加工出高精度的光学非球曲面器件。所以对测试手段的研究要相当重视。

三、超精密加工系统的设计研究

(一)已有的超精密加工系统介绍

关于超精密加工技术方面，美，英，德，日本等国家的超精密加工已经形成产业。这些国家已经研制出许多先进的超精密加工系统，比如英国Cranfield大学的精密工程研究所(CUPE)研制的Nanocenter600型等超精密复合加工机床和Oagm2500六轴CNC超精密磨床；日本理化研究所研制的ASG2500超精密非球曲面磨床，用于非球曲面的超精密加工，加工精度达到0.1μm。

而中国也在“九五”期间成功地研制出了“Nanosys-300非球面曲面超精密复合加工系统”。它具有CNC车削、磨削、飞切(铣削)等多种复合加工功能，可对球面、非球面和平面等形状零件进行纳米级超精密加工。这种超精密复合加工系统的加工工件尺寸范围是Φ300×200mm，测量、控制系统分辨率：1.25～5nm，非球面加工精度：0.3～0.5μm，表面粗糙度：Ra<0.01μm。

(二)超精密加工系统的构造

参考国内外多种先进的非球曲面的超精密加工系统，可看出一个成熟的超精密加工系统是集机械结构、伺服控制装置和静压装置为一体的。

在机械结构方面：(1)对机床床身进行高刚度、高可靠性优化设计，提高系统稳定性。为提高超精密机床床身的静、动态特性，可采用三维建模软件SolidWorks建立机床床身模型，应用有限元分析软件ANSYS Workbench对结构优化后进行静、动态特性分析，通过分析得到最佳方案[5]。(2)在主轴及驱动装置方面：可以通过拨叉式柔性连接驱动装置实现气浮主轴的高回转精度，来保障超精密加工中加工精度对于主轴高回转精度的要求。(3)利用刀具轨迹生成器来得到在自由曲面加工的最佳运动轨迹。

在静压装置方面：有超精密空气静压导轨，直线度可达0.1到0.2μm/250mm，或者是采用超精密闭式液体静压导轨系统来提高系统的刚性和减振效果[6]。

在伺服控制装置方面：根据非球曲面超精密加工机床结构特点及性能要求，采取工控PC+DSP多轴运动控制器构成的开放式数控系统进行系统集成方式实现，或者是开发新型高效的数控伺服系统来应用在非球曲面的超精密加工中。

(三)超精密自由曲面测量技术研究

非球曲面光学零件的面形检测是非球曲面超精密加工技术的一个重要环节。面形测量分为加工过程中的在位测量以及加工终了的面形测量。考虑到实际非球面零件的生产需要,为提高非球曲面零件的生产效率和加工精度,解决非球曲面零件在位测量与在位误差补偿的难题,在在位测量中采用高分辨率的LVDT气浮测头来测量非球曲面面形。而对于工件的最终测量,使用相移式横向剪切干涉法测量光学非球曲面面形的检测装置，从而实现对部分非球曲面光学零件面形的高精度测量。

四、结语

非球曲面超精密加工朝着高精度大型化和高精度小型化方向发展，超精密数控加工机床是非球曲面加工精度达到亚微米级及亚微米级以下的技术保证，文中介绍了非球曲面光学元件的超精密加工与检测技术，包括非球曲面超精密加工的加工工艺研究，超精密加工系统的开发以及对于超精密自由曲面测量技术的探讨。