$66! 年 7 月
第 89 卷 第 8 期
精密加工
航空精密制造技术
"#$"%$&’ ()*+$,$&’ -"’./"+%.)$’0 %*+1’&2&03
456 788!
#9:; <= ’9; <
非球面加工先进技术
庞长涛, 罗松保
(超精密加工国防技术重点实验室,北京 !66697
)
: 摘要 ; 较系统的介绍了非球面零件超精密加工各方面的技术,并结合正研制的 1-<&=>=?(@866 非球面复
合加工系统,着重强调了非球面机床研制过程中应注意的问题。
: 关键词 ; 非球面; 复合加工; ABCD 磨削
: 中图分类号 ; /4E#6F 7! G $
: 文章编号 ; !668 H EIE! 2 $66! 5 68 H 666! H 6E
: 文献标识码 ; 3
"#$%&’(# ")*+(,-’ ./,0%’( 1%’+-&-&2 3(’+&45426
2 P(> B-O&’-?&’> &Q R.?’- H *’(+,=,&< J’&+(==,
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由于应用注射模型成形法的模具形状会复映给
坯料,所以模具的精度则直接左右着透镜的性能。
为了实现 !" #!$ 这样的零件精度,必须加工出优于
!" #!$ 精度的非球面模具,所以更高分辨率、更高
精度的机床是必需的。我国于八十年代开始研制超
精密加工设备,如超精密车床、超精密镗床、超精密
研磨机、超精密大型平磨等,在此技术储备基础上,
开始研制非球面零件超精密复合加工设备 %&’()*)+
,-$.!!,该设备可对非球面零件进行车、磨复合加
工,直至达到所需零件精度。
! 非球面零件的加工方法
非球面透镜、非球面透镜的模具、自由曲面透镜
和其模具的加工,因工件的形状和被加工的材料的
不同,如图 / 所示,其刀具和加工方法也不同。在 #、
/、.、0 的加工方法中,通过对工件轴附加 %1 控制,
使得能进行非轴对称形状的加工。另外 # 的加工方
法,通过对刀具附加超声波椭圆振动,则可以用单晶
金刚石刀头进行高刚性钢的超精密切削。
无论是哪一种加工方法,都因为存在加工误差,
图 / 非球面形状的加工方法
如加工点和坐标系统的误差、机床的运动误差、刀头
分发挥机床精度的机械系统;
的形状误差、砂轮直径的测量误差、加工力及热变形
误差等,所以加工的形状都与计算的形状有很大的
不同。测量结果中都会包含这些加工误差,只有利
#相对给定的形状,必须有能给予准确的指令,
时间不滞后进行运算处理的 %1 系统;
$对于 %1 来的指令,必须有能准确的控制机
用修正这些误差的补偿程序进行数次反复补偿加
械系统的伺服系统;
工,才可以接近目标精度。为了每当进行补偿加工
时,就能使精度提高,必须使刀具和加工机床非常稳
定。
" 超精密非球面机床 #$%&’(’)*+",, 介绍
作为能满足非球面零件超精密复合加工设备的
条件,有以下 2 点:
%在用砂轮磨削以前,必须对砂轮进行严格的
修形;在磨削过程中,必须用 3456 系统对砂轮进行
在线修锐;
&必须有稳定的环境,不对机械系统和控制系
统产生不利的影响。
唯有使这些因素完全匹配的系统,才可以说是
超 精 密 复 合 加 工 系 统 。 下 面 就 某 单 位 研 制 的
%&’()*),-$.!!,来讨论其对以上要求实施情况。
"作为机床,对于指令,必须有准确而稳定的充
表 # 列举了 %&’()*),-$.!! 机床的主要规格。
· ! ·
表 # 机床各部件
&’()*+*,-. $""
金属、半导体、玻璃、陶瓷等球面和非球
面工件或模具,零件直径不大于 $""..
静压空气轴承
(三相异步电机)
"/ %01
!"" 2 3"""4 5 .6(
由弹性联轴节直接驱动
液体静压导轨
3(.
!%"..
液体静压导轨
3(.
!%"..
电机和空气主轴同轴,无联轴节,直接驱
动
" 2 9:; """4 5 .6(
<=>? 系统
$ 个空气弹簧调平、防振
洁净压力空气、恒温液压泵站、真空吸
盘、真空吸屑、喷雾冷却等
形式
加工对象
主轴
7 轴
8 轴
磨头系统
轴承
电动机
转速
动力传递
导轨
最小设定单位
行程
导轨
最小设定单位
行程
轴承和电机
转速
砂轮修整
底座防振
附件
!" # 机械系统
图 $ 为机床主体结构图。机床正交 ! 轴不采取
叠合而采用 @ 字形配置,追求各自轴的直线度,使
两轴产生准确的垂直度。主轴配置在 7 轴上。当进
行单点金刚石切削 (
)时,刀架放置在 8 轴上;
当进行非球面磨削时,磨头系统放在 8 轴上。驱动
马达在两轴端通过弹性联轴节进行动力传递 (参照
图 $
AB?@
)。
《航空精密制造技术》
!""# 年第 $% 卷第 $ 期
制,最高速度定为 3"""4 5 .6(。
拖板导轨采用在刚性及振动衰减能力上都有利
的液体静压导轨。7 轴及 8 轴不仅行程相同,而且具
有相同的断面结构,这不但具有良好的工艺性,而
且可以互换,同时在测量时也非常方便,调节起来
也相对较为容易。在这里我们仅就其中一导轨进行
讨论,另一导轨与其类似。导轨的刚性值如下所
示:导轨刚性值:垂直方向:%30D 5 !.;水平方向:
3"0D 5 !.;轴承刚性值:径向:9/ G0D 5 !.,轴向:
#%/ 30D 5 !.。
图 9 是利用电感测微仪测出了工作台水平方向
运动轨迹的直线度,图 3 则是利用水平仪测出了工
作台在垂直方向上运动轨迹的直线度,两图分别给
出了最后的测量曲线。曲线表明,其水平方向直线
度优于 "/ #3!.,垂直方向直线度优于 "/ !%!.。
图 9 导轨滑动工作台运动轨迹的水平方向直线度
图 3 导轨滑动工作台垂直方向直线度
图 $ 机床主体结构图
为高速切削,主轴采用发热小的空气静压轴
承。空气压力稳定在 C0D 5 E.!。另外,在 &’()*+*F
,-.$"" 型机床上,由于受主轴马达的发热和振动限
主轴和磨头的静态精度,径向优于 "/ #!!.; 轴
向优于 "/ !%!.,其动平衡精度至少比机械标准最
高级 H"/ 9 还要高出 #" 倍(可达 H"/ "9
!" $
%& 装置及测量光栅系统
)。
作为位置反馈装置采用德国 I<>?<&IJ>& 公
· ! ·
非球面加工先进技术
司的测量光栅,其最小分辨率为 !"#,精度是在
$$%## 行程范围内,误差不超过 %& $%!#。与此相适
应,’( 的最小脉冲为 ) 脉冲 !"#。
785(
’*"+,-,./#0%% 的数控系统也采用国际上流行
的开放式数控系统,经过反复论证,选用了 12345
456 公司的可编程多轴运动控制器 (
),图 9
即为该复合加工系统的控制系统图。本系统采用的
是 7( 总线结构,上位机为 :"./; 7/".<=#" !!% 工控
机,8<>?+,+@. 的 A<"B+C,’4 作为操作平台,通过系
统总线与 785( 通讯,也可通过双口 D58 与 785(
进行高速数据交换;控制器上有高速 1E7 处理加工
数据;用高精度的 3F14 测头对刀;通过 )9 位的
15( 驱动主轴电机和伺服电机;用高精度的编码器
和光栅实现系统的闭环双位置反馈控制。
图 9
’*"+,-,./#0%% 控制系统框图
!" ! 伺服系统
’*"+,-,/./#0%% 复合加工系统的伺服放大器和
伺服电机采用的是 GHIHJ5A5 7?/><,<+" (+?K+?*L
.<+" 的产品,该放大器是 7A8 脉宽调制,电机是大
扭矩、大码盘、高精度、高分辨率的直流伺服电机。
该电机最大扭矩可达 !%’& #,可以在低转速状态下
保持性能良好。
为了尽可能缩小对指令值的误差,必须尽量提
高速度环路增益和位置环路增益。非球面加工系统
是实时坐标加工系统,零件的形状精度是非球面加
工的首要问题,当把形状作为问题时,左右机床走刀
系统的跟踪性的是位置环路增益:IK。不提高它,就
不能范成正确的形状。在机械系统的特性达到极
限,其性能不能进一步改善时,我们可以通过依靠其
特性的软件伺服的高精度化,从控制系统方面进行
弥补。
!" #
$%&’ 镜面磨削系统
电解在线修整的概念,约在 0% 年前,美国的诺
顿公司在电解磨削时,曾提出过使工件与砂轮的极
性逆转,设定出类似的提案,但那时,由于没有铁系
砂轮,没使用脉冲电源以及砂轮磨损和机床损伤严
重等原因,所以没能实用化。
日本学者大森整等人从 )MNO 年针对高强度金
属结合剂的超硬磨料砂轮,开发了 2;/>.?+;-.<> :"
7?+>/,, 1?/,,<"P Q 23:1 R 的磨削法,实现了超硬材料
的超精密磨削,现已成功应用于球面、非球面透镜、
模具的超精密加工。
利用 23:1 磨削法的基本原理,采取图 O 所示
那样的镜面磨削透镜形状的方式,砂轮是使用铸铁
)砂轮,从粗
系 S 铁系结合剂超硬磨料 (金刚石 & (T’
磨到镜面加工,用这种方式都可实现。
另外,传统的精磨,通常是使用 )!%%U到 $%%%U的
微细磨粒砂轮,而且最难的是需要多次加工和连续
加工。用 23:1 方法,即使是 V%%%U W )%X %%%U的微细
磨粒砂轮也能确保和维持磨粒突出,较容易地实现
高品位磨削面的加工,这就是其最大的优点。
在 D*"Y 7"/=#+ 公司的 5EJ Z $!%%4 机床上,
装上了 23:1 系统。结果表明X 加工光学玻璃 TI Z O
的透镜时X 实现了 D#*[ $%"# 的极好的镜面粗糙
度。另外,即便对稍软的 35E\’0% 和 J2 等材料进
行非球面加工也实现了 D#*[ 0%"# 的良好镜面。另
外本方法作为非球面光学元件制造技术的新方法,
可以将最终的抛光加工抑制在最小限度,这是现实
的有用的生产方式。在 ’*"+,-,./# 0%% 复合加工设
备上,将最终安装 23:1 系统,实现非球面零件的镜
面磨削。
图 O 非球面的 23:1 磨削方式
· ! ·
!" # 环境装置
在超精密加工领域,影响精度最大的问题就是
温度问题。#""&& 长的金属零件,温度变化 #’ ,其
长度变化 #!&。特别是位置反馈用的测量光栅,对
温度的变化比较敏感。对此,()*+,-,./&$"" 在环境
保障方面也作了较多的工作。首先,拖板的润滑油
和供给主轴的空气都使用恒温装置,使机床主体温
度保持在 !" 0 "1 #"’ 范围之内。对于机床所在的房
间 , 是 专 用 的 洁 净 房 间 , 其 温 度 也 控 制 在 !" 0
"1 2"’ 范围内。同时,机床罩内,也将在小环境内实
行更精确的温度控制。
$ 非球面形状的测量方法
#34! 年开发出最初的超精密非球面加工机床,
开始制作轴对称的非球面透镜的模具。#342 年开发
出能定量化进行非球面测量的大纵向移动量的接触
式形状测量仪 (
),
5+6& 7)8-,96:; 7<=>?@ A?BC?(
《航空精密制造技术》
!""# 年第 $% 卷第 $ 期
方向:
"向大批量、小型化、高精度方向发展。近年来,
电子仪器、半导体仪器和光学仪器的速度发展非常
惊人,特别是人们对高清晰度视频设备如高分辨率
的数码摄像机、光纤接头和 DED 视盘机等的需求越
来越高,这就需要大批量直径小于 #"&& 的高精度
非球面透镜,以满足人们对这方面的需求。
#向大型化发展。欧洲空间局(简称:欧空局)科
学技术委员会日前确定了 !""4 至 !"#$ 年五大科研
任务,首当其中的便是与美国合作研制比哈勃望远
)
镜大 F 倍的新一代太空望远镜(
H 它将在 !"#"
年替代哈勃望远镜。
(GC7
$与有关学科交叉发展。日前,一项新的研究
项目正在由美国麻省理工学院和美国宇航局合作展
开,研究比哈勃望远镜分辨率高 2"" 倍的新型天文
望远镜,它是利用三个排球大小的卫星,在空中牵引
观测器镜头,使其保持精确的角度,从而得到分辨率
更高的数据。这项研究,涉及到航天、大型非球面零
并通过开发的误差量补偿的补偿程序使非球面透镜
件加工、通信、计算机等多种交叉技术。
和模具的精度提高,非球面透镜的应用得到迅速普
及。但是,这种测量方法是通过透镜中心断面的测
量,对于非轴对称非球面形状、自由曲面的测量,是
要求得到全面的测量和补偿。现已开发出使用非接
触原子力测头的形状测量仪,即使对软质金属镜面
的测量,也能丝毫无损零件表面。
不管是那一种测量方法,把被测物体从机床上
取下,进行测量,若是需要补偿,则必须再次装在机
床上进行找中心,再进行加工,要多次反复,精度难
以保证。所以,必须开发在线检测设备。日本的新世
代加工系统 (株)成功开发出了在线高精度测量装
置,现在已经商品化。
# 超精密非球面零件未来发展趋势
随着超精密非球面技术的不断更新,其发展方
向也呈多极化趋势,综合起来,有以下三个主要发展
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