非球面加工先进技术 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 参考文献 ） ） I # J 杨福兴 1 非球面光学零件的超精密磨削技术 I K J 1 超精密 加工与测控技术论文集，#333 L #! I ! J 坪井晖、前田幸雄 1 超精密非球面加工机の开发 I M J 1 机 械の研究，#33!，（ #" I $ J 田中克敏 1 非球面加工の先端技术 I M J 1 机械技术，!"""， （ 4 I F J 大森整 1 非球面透镜及模具的 N>OD 镜面磨削 I M J 1 机械 と工具 #33!，（ #! I 2 J 大园和美 1 超精密机床的非球面加工技术 I M J 1 机械と工 具，#344，（ P I P J 陈钊新 1 开放式数控系统在超精密加工中的应用 I K J 1 超 精密加工与测控技术论文集，#333Q#! ） ） R 收稿日期 !""#Q"$Q#! S · ! ·