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某些類光學自由曲面元件雖然曲面矢高較大，但曲面變化較為平緩。加工這類曲面，刀具直線運動速度和加速度都不大。這時，可采用慢速拖板伺服（S3—Slow Slide Servo）超精密加工技術，即XZC聯動加工。為了獲得光學級的超精密加工質量，除了要求直線軸具有很高的控制分辨率和精度外，還特別要求C軸具有*的角度控制分辨率（如達0.06″）和精度。

3多軸超精密自由曲面磨床

航空航天設計中，減少阻力是最重要的。以前的、飛機光學系統(tǒng)設計師只能采用球、平面形狀光學零件設計技術，而球、平面形狀會引入空氣阻力。飛機和上符合理想設計的保形窗口會大幅度地降低空氣阻力。

除降低阻力外，保形光學外形設計比傳統(tǒng)形狀更難于探測（隱形）。保形光學有助于優(yōu)化飛行器形狀設計，使之對雷達和其他探測方法的反射減至最小。保形光學替代球形窗口還可提供更寬的視場。但是，有時為了獲得寬視場需采用非對稱形狀。

非球面光學比傳統(tǒng)的球面光學復雜，而保形光學在復雜性連續(xù)集上比非球面光學更復雜。

20世紀末，在保形光學需求的牽引下，國外一些重要的科研機構和企業(yè)催生研發(fā)了CDMG（Conformal Deterministic Microgrinder）多軸超精密自由曲面磨床，為光學工業(yè)提供了下一代保形光學零件的加工制造能力。這種機床可加工的保形光學零件形狀包括軸對稱和非軸對稱光學元件，還可以為非球、衍射或尖頂拱等形狀的組合；在材料方面，范圍從光學玻璃、紅外材料到有色金屬、晶體、聚合物和陶瓷等。

多軸超精密自由曲面磨床的另一個重要應用，是用于大型深空望遠鏡拼接式離軸非球面反射鏡片的加工制造。

4 專用超精密加工機床系統(tǒng)

專用超精密加工機床系統(tǒng)類型很多，下面是幾種典型的專用機床。

（1）KDP超精密飛切加工機床。

在激光核聚變點火（美國NIF、中國神光）設施中，有大量的KDP（KH2PO4，碳磷酸二氫鉀）晶體元件把強紅外激光倍頻成紫外激光，以發(fā)揮光開關控制的作用。

這種光學系統(tǒng)中的KDP晶體元件為數百平方米的方形薄片。KDP晶體加工精度要求平面度、平行度達幾分之一λ波長，表面粗糙度達1~2nm。

KDP晶體不僅加工精度要求非常高，而且由于材料加工特性工藝要求，目前只能采用單點金剛石飛切（單刀銑削）工藝。

KDP超精密飛切加工機床是一種KDP加工的專用機床，對機床飛切工具主軸精度、直線導軌工作面的直線精度、機床穩(wěn)定性和環(huán)境溫度控制要求都很高。

（2）平板顯示器背光板滾筒模具超精密加工機床和菲涅耳透鏡模具超精密加工機床。

這兩種模具專用加工機床的共同特點是：加工對象都是大尺寸、表面微結構形式，并采用成型SPDT刀具加工。

背光板要求的是光學背光照明的均勻性，菲涅耳透鏡產品現在一般用于照明勻光及太陽能聚光發(fā)電等。

相對于光學成像，這兩種專用加工機床的精度要求不是特別高。

超精密加工機床關鍵技術

1 機床系統(tǒng)總體綜合設計技術

超精密機床的設計、制造技術已升華到一種藝術境界，非常規(guī)方法能及。

常規(guī)機床在設計與制造等技術環(huán)節(jié)上要求相對較低，而超精密機床各環(huán)節(jié)基本都處于一種技術極限或臨界應用狀態(tài)，哪個環(huán)節(jié)考慮或處理不周就會導致整體失敗。因此，設計上需對機床系統(tǒng)整體和各部分技術具有全面、深刻的了解，并依可行性，從整體出發(fā)，周詳地進行關聯綜合設計。否則，即便是全部采用部件、子系統(tǒng)，堆砌方法仍會導致失敗。如LODTM機床設計必須對誤差源進行周詳分析，識別其耦合機制并且以傳遞函數表達，用綜合原則對主要誤差進行分配和補償。

2 高剛性、高穩(wěn)定機床本體結構設計和制造技術

尤其是LODTM機床，由于機身大、自身重、承載工件重量變化大，任何微小的變形都會影響加工精度。結構設計除從材料、結構形式、工藝方面達到要求外，還須兼顧機床運行時的可操作性。

如為了獲得高穩(wěn)定性能，LODTM床身設計成高整體性，盡量減少裝配環(huán)節(jié)；整體熱處理，需解決相應大尺寸的熱處理設備、工藝；床體精加工時需嚴格模擬實際工作狀態(tài)進行精密修正等。

3 超精密工件主軸技術

中小型機床常采用空氣靜壓主軸方案?？諝忪o壓主軸阻尼小，適合高速回轉加工應用，但承載能力較小。空氣靜壓主軸回轉精度可達0.05μm。

超精密機床主軸承載工件尺寸、重量大，一般宜采用液體靜壓主軸。液體靜壓主軸阻尼大、抗振性好、承載力大，但主軸高速時發(fā)熱多，需采取液體冷卻恒溫措施。液體靜壓主軸回轉精度可達0.1μm。

工件主軸用于速度控制模式時，主軸角度編碼器分辨率要求不高。當用于XZC位置控制模式時，為了保證加工工件的表面質量，編碼器分辨率要求非常高，可達0.06″。

為了保證主軸精度和穩(wěn)定性，無論氣壓源或液壓源都需進行恒溫、過濾和壓力精密控制處理。

4 超精密導軌技術

早期的超精密機床采用氣浮靜壓導軌技術。氣浮靜壓導軌易于維護，但阻尼小，承載抗振性能差，現已較少采用。閉式液體靜壓導軌具有高抗振阻尼、高剛度、承載力大的優(yōu)勢。國外主要的超精密加工現在主要采用液體靜壓導軌。超精密的液體靜壓導軌的直線度可達到0.1μm。

5 納米（A°）級分辨率動態(tài)超精密坐標測量技術

早期的超精密機床坐標測量系統(tǒng)采用激光干涉測量方式。激光干涉測量是一種高精度的標準幾何量測量基準，但是易受環(huán)境因素（氣壓、濕度、溫度、氣流擾動等）影響。這類因素容易影響刀具控制，從而影響工件的表面加工質量。為此，美國LLNL的LODTM坐標激光測量回路采用了真空隔離和零溫度系數的殷鋼坐標測量框架技術。這也是激光坐標測量方面的應用。

現今的超精密機床坐標測量系統(tǒng)大多采用衍射光柵。光柵測量系統(tǒng)穩(wěn)定性高，分辨率可達納米級。為了進一步獲得較高的位置控制特性和表面加工質量，采用DSP細分，測量系統(tǒng)分辨率可達A°級。

6 納米級重復定位精度超精密傳動、驅動控制技術

為了實現光學級的確定性超精密加工，機床必須具有納米級重復定位精度的刀具運動控制品質。伺服傳動、驅動系統(tǒng)需消除一切非線性因素，特別是具有非線性特性的運動機構摩擦等效應。因此，采用氣浮、液浮等方式應用于軸承、導軌、平衡機構成了必然的選擇。

伺服運動控制器除了具有高分辨率、高實時性要求外，在控制方程及模式技術上也需不斷進步。實驗證明：研制系統(tǒng)進行曲面加工控制時，高性能伺服運動控制器執(zhí)行一階無差、二階有差控制，刀具軌跡動態(tài)跟蹤有滯后現象。這種滯后量雖小，精密加工可不計，但超精密加工中不可忽略。

7 開放式高性能CNC數控系統(tǒng)技術

從加工精度和效能出發(fā)，數控系統(tǒng)除了滿足超精密機床控制顯示分辨率、精度、實時性等要求，還需擴展機測量、對刀、補償等許多輔助功能。因為通用數控系統(tǒng)難以滿足要求，所以國外的超精密機床現在基本都采用PC與運動控制器相結合研制開放式CNC數控系統(tǒng)模式。這種模式既可使數控系統(tǒng)實現高的軸控性能，還可獲得高的功能可擴充性。

超精加工與一般精度加工不同，加工需輔以測量反復迭代進行。為了減少工件再定位引入的安裝誤差，或解決大尺寸、復雜型面無有效測量儀器問題，機床在機需配置各種光學、電子測量儀器和補償處理手段。對此，PC與運動控制器相結合的開放式CNC數控系統(tǒng)可發(fā)揮其優(yōu)勢。

8 高精度氣、液、溫度、振動等工作環(huán)境控制技術

（1）機床隔振及水平姿態(tài)控制。

振動對超精密加工的影響非常明顯。機床隔振需采取特殊的地基處理和機床本體氣浮隔振復合措施。氣浮隔振系統(tǒng)采用具有位置控制的主動式氣墊。LODTM機床支撐在4個氣墊上，并形成3點動態(tài)可調平支撐。

機床體氣浮隔振系統(tǒng)還需具備自動調平功能，以防止機床加工中水平狀態(tài)變化對加工的影響。對于LODTM隔振要求高的機床，隔振系統(tǒng)的自然頻率要求在1Hz以下。

對于機床的液壓源、冷卻水源的脈動也必須采取措施，如采取脈動濾波裝置等。

（2）溫度控制。

對LODTM機床來說，機床和工件尺寸大，受溫度影響也大。在同樣的切削量和線速度下，大工件的加工周期長，溫度對加工精度的影響非常大。

因此，LODTM機床溫控要求非常高。如LLNL的LODTM機床，機床床體恒溫水、液壓系統(tǒng)控溫為0.0005℃，機房空氣控溫為0.003℃。

對于小型商品化的機床，溫度控制要求不需太高（0.5℃）。這是因為小零件的高速加工時間短，溫度影響相對較小且易控。

現代超精密機床研制實例——Nanosys-1000數控光學加工機床

2011年，依托于北京航空精密研究所的精密制造技術航空科技重點實驗室研制出Nanosys-1000數控光學加工機床。這是我國研制成功的臺大型光學級加工水平的LODTM機床（圖2）。

 

機床本體水恒溫、主軸、導軌液壓系統(tǒng)恒溫為0.1℃，加工機房空氣恒溫為0.1℃。機床主要技術指標：工件尺寸范圍大于1m；測量、控制系統(tǒng)分辨率為納米級；加工面形精度為亞微米級；加工工件表面粗糙度為納米級。

Nanosys-1000機床系統(tǒng)的特點是:

（1）床身本體設計成整體類龍門框架結構，具有高剛性、高穩(wěn)定性及安裝、維修、工件裝卸、加工運行易操作性特點。

（2）機身整體坐落在4主動式隔振氣墊上，形成動力學3支撐，可隨著加工中重心改變自動調水平；隔振氣墊下的機床地基設計成具有橫向隔離的重力型減振形式；機床重心及工件刀具加工點設計在接近支持平面的位置，以最小化床身姿態(tài)變化擾動影響。

（3）機床主軸、導軌均采用液浮靜承，并根據工作狀態(tài)，主軸采用低阻尼,導軌采用高阻尼油；Z垂直導軌托板設計成無干涉氣浮重力平衡機構。

（4）機床坐標測量采用衍射光柵測量系統(tǒng)；機床采用PC與多軸運動控制器構成的開放式數控系統(tǒng)。

（5）機床本體、主軸采用了無脈動重力型水冷恒溫；液壓源采用恒溫、恒壓、脈動濾波技術和裝置；機房設計為內外雙層恒溫控制：為了保證控溫精度,機床運行時，內機房處于無人狀態(tài)，操作人員在外恒溫隔離間監(jiān)控。

超精密機床的未來展望

超精密加工機床系統(tǒng)總的發(fā)展趨勢是，要求更高的加工表面質量和面形精度，加工尺寸趨于極大和極小兩個方向，同時要求復雜形面、不同材料的加工適應性等。

在提高加工表面質量、面形精度方面，一方面繼續(xù)提高機床的精度、穩(wěn)定性，另一方面通過加工工藝進步引入復合加工功能等,如在多軸超精密自由曲面磨床上引入進動拋光等準確定性加工功能以提高表面質量和面形精度。

超精加工所能達到的表面質量、面形精度與元件尺寸、形狀、材料相關。未來最能反映機床精度水平的LODTM，加工精度穩(wěn)定達到，表面粗糙度在1~5nm,面形精度可達亞微米（工件尺寸≥φ1000mm）。對于具有復合加工功能的機床，輔以測量技術還可進一步從加工工藝上提高精度。

關于大尺度的發(fā)展應用，如適應未來空、天基強激光輕質、高剛性金屬基主反射鏡加工的超大型SLODTM機床；地基超大口徑深空望遠鏡（如歐洲的Euro50（φ50m）、OWL（φ100m））拼接式離軸非球面鏡（數米尺寸）加工的多軸超精密磨削加工等（圖3）。

 

近年來，太赫茲（THz）作為一門新興技術得到了廣泛重視。太赫茲頻譜介于微波與紅外之間。太赫茲的*性能給反隱身探測、電子對抗、電磁、寬帶通信、天文學、醫(yī)學成像、無損檢測、安全檢查等領域帶來了深遠的影響。太赫茲是未來超精密加工技術與機床廣泛和重要的應用領域。

從大的尺度來說，太赫茲應用需求巨大,如太赫茲天線鏡面加工需求。

在小的尺度方面，太赫茲系統(tǒng)中的微型波紋喇叭天線（毫米級復雜形狀內腔、微米級加工精度）是未來所需解決的超精密加工難題之一。

超精密微機械加工機床的關鍵技術不在機床自身尺寸。由于運動精度要求，這種機床尺寸不能做得太小,因而其關鍵技術在于機床結構，如工件的裝夾，在位測量、調整、對刀、微型超精密刀具等。

在加工面形的復雜度方面，由于太赫茲波束控制元件表面電磁特性，其設計元件面形更加復雜，如非對稱賦形自由曲面等。

由于各種條件限制，超精密機床不可能做得太大。對于硬脆材料的超大型應用，如深空望遠鏡拼接式離軸非球面鏡片可用相應尺寸的多軸超精密自由曲面磨床加工解決，但對于太赫茲應用的金屬基（如鋁基等）相同尺寸或更復雜面形元件，這種機床就不適宜。

關于機門的未來趨勢,應發(fā)展XZC型LODTM超精密加工機床,實現較大矢高大型賦形復雜曲面零件的SPDT加工能力。

在加工材料方面，太赫茲應用更具多樣性。

發(fā)展超精密加工機床與系統(tǒng)，需重點突破解決的關鍵技術包括：高精度、高分辨率、高穩(wěn)定、大位移坐標測量系統(tǒng),*控制算法（自適應控制、二階動態(tài)無差控制等）的高性能多軸運動控制器及超高精度環(huán)境控制技術等。