光學(xué)元件作為軍事和民用領(lǐng)域（如天文望遠(yuǎn)鏡、人工智能（AR/VR）、半導(dǎo)體芯片光刻、新一代通信、醫(yī)療設(shè)備影像與新能源等）中的核心和關(guān)鍵部件，市場需求巨大，尤其在航天和高科技領(lǐng)域的大型光學(xué)工程項(xiàng)目中，需求量極大。
這些項(xiàng)目對(duì)具有超高精度的米級(jí)口徑光學(xué)元件提出了嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)，尤其是精密/超精密光學(xué)元件的加工和供應(yīng)能力。當(dāng)前，高精度且低損傷的光學(xué)元件通常需要經(jīng)過粗磨、精磨、拋光和鍍膜等工藝。
其中，精磨和拋光工藝尤為重要，這在很大程度上決定了光學(xué)元件的加工質(zhì)量。
在這些工藝中，磨削基本上決定了大口徑光學(xué)元件的表面形狀精度。為了減少后續(xù)拋光的工作量，磨削過程中應(yīng)盡量減少光學(xué)元件表面的缺陷和損傷。拋光作為超精密制造中最后的冷加工工序，是獲得超平滑、低缺陷損傷光學(xué)表面的必要保障。
因此，從確保大口徑光學(xué)元件加工質(zhì)量的角度出發(fā)，精密磨削與高精度拋光是相輔相成、不可或缺的，而高精度機(jī)床設(shè)備則是實(shí)現(xiàn)精密磨削與拋光的前提條件。
磨削設(shè)備方面，
1、英國克蘭菲爾德精密工程研究所研發(fā)的 Big Optix 大型超精密磨床具備較高的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)環(huán)路剛度，能夠?qū)崿F(xiàn)亞表面損傷深度的微量可控超精密磨削加工，加工口徑為1米的工件時(shí)，表面形狀精度可達(dá)到1μm。
2、美國Moore公司研發(fā)的 Nanotech 500FG 和 Nanotech 650FG 五軸聯(lián)動(dòng)超精密磨床，能夠磨削軸對(duì)稱及非軸對(duì)稱的光學(xué)曲面，曲面磨削的表面形狀精度PV可達(dá)0.3μm，表面粗糙度Ra可達(dá)10nm。
3、而在拋光設(shè)備方面，法國 REOSC 制造了能夠加工8米口徑鏡片的拋光機(jī)，用于超大望遠(yuǎn)鏡VLT鏡片的拋光，其面形誤差可收斂至8.8nm RMS。
4、美國 QED 公司研發(fā)的 Q22-2000F 磁流變數(shù)控拋光機(jī)床，可高效、高精度地加工平面、球面、非球面及自由曲面的大口徑光學(xué)非球面元件，能夠加工口徑達(dá)到2米的光學(xué)元件。此外，REOSC還開發(fā)了具備加工Φ2500mm能力的離子束拋光系統(tǒng)，用于加工GTC 10.4米的主鏡，加工后的平均表面精度RMS約為12.8nm。
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在激光核聚變、空間望遠(yuǎn)鏡等大型光學(xué)工程項(xiàng)目的推動(dòng)下，中國已經(jīng)具備了開發(fā)和制造相對(duì)高端的精密機(jī)床的能力。然而，與國際先進(jìn)水平相比，中國的光學(xué)超精密加工技術(shù)與設(shè)備仍存在一定差距，因此有必要在關(guān)鍵技術(shù)問題上持續(xù)加強(qiáng)研究。除了光學(xué)元件超精密加工所需的高端磨削與拋光設(shè)備外，還需提升一系列關(guān)鍵支撐單元的技術(shù)水平，如超精密磨削與拋光工藝技術(shù)、高端關(guān)鍵功能部件、加工環(huán)境智能監(jiān)控技術(shù)、高效超精密加工工具、加工與檢測路徑規(guī)劃及補(bǔ)償加工策略、計(jì)算機(jī)輔助制造與檢測軟件等。
這些技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用不僅關(guān)系到高端制造領(lǐng)域的發(fā)展，也對(duì)民用和國防領(lǐng)域至關(guān)重要，是國家重點(diǎn)研發(fā)技術(shù)之一。廈門大學(xué)精密工程實(shí)驗(yàn)室開展了大口徑光學(xué)非球面元件研磨拋光研究，包括加工工藝、研磨拋光設(shè)備、設(shè)備測控軟件以及相關(guān)單元技術(shù)等，并取得了相應(yīng)成果。這些研究成果可為實(shí)現(xiàn)高端光學(xué)元件超精密加工提供技術(shù)支持和裝備解決方案。
超精密磨削設(shè)備與單元技術(shù)
精密磨削機(jī)床設(shè)備的研究與制造，旨在減少磨削過程中遺留的表面損傷層，這不僅有助于提高后續(xù)拋光階段的效率，也是縮短大口徑光學(xué)非球面元件加工周期的重要途徑之一。廈門大學(xué)精密工程實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了UPG80大口徑精密磨削機(jī)床，并成功完成了530mm×530mm熔融石英非球面元件的磨削，加工表面精度達(dá)到PV≤3.38μm，表面損傷深度SSD≤3μm，實(shí)現(xiàn)了高端超精密磨削機(jī)床關(guān)鍵核心技術(shù)的突破。
UPG80磨床采用了靜壓導(dǎo)軌滑塊和靜壓主軸技術(shù)。研究團(tuán)隊(duì)通過運(yùn)動(dòng)學(xué)理論建立了四油墊閉式靜壓導(dǎo)軌的準(zhǔn)靜態(tài)理論模型，分析了PM流量控制器參數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的影響規(guī)律。此外，還考慮了總油膜設(shè)計(jì)間隙在外部負(fù)載下對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的影響規(guī)律，以及配對(duì)導(dǎo)軌表面相對(duì)差異對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的影響。這些研究成果為UPG80導(dǎo)軌部件的橫向閉合導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)誤差分析提供了參考。
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超精密拋光裝備及單元技術(shù)
氣囊拋光技術(shù)是一種極具工程應(yīng)用潛力的超精密拋光技術(shù)，專門用于非球面光學(xué)元件。該技術(shù)具有表面形狀精度高、去除功能穩(wěn)定、材料去除效率高等優(yōu)勢。經(jīng)過多年的技術(shù)迭代，廈門大學(xué)已經(jīng)開發(fā)出多種大口徑五軸柔性數(shù)控帽式拋光機(jī)床，能夠加工平面、非球面、球面、自由曲面等多種表面形態(tài)，具備定量生產(chǎn)的能力。這種技術(shù)的不斷改進(jìn)，不僅提升了加工精度和穩(wěn)定性，還顯著提高了加工效率，使其在大規(guī)模光學(xué)元件的生產(chǎn)中具有重要的應(yīng)用前景。這些設(shè)備可以靈活適應(yīng)不同形狀的光學(xué)元件，滿足從實(shí)驗(yàn)室研究到批量生產(chǎn)的需求，為推動(dòng)高端光學(xué)元件的制造能力提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。
(a) 氣囊拋光機(jī)模型圖；(b) 氣囊拋光機(jī)床實(shí)物圖
如果在常規(guī)路徑規(guī)劃中引入誤差，成像質(zhì)量將降低，光學(xué)元件的性能也會(huì)受到影響。針對(duì)這一問題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于迷宮原理的隨機(jī)路徑規(guī)劃方法，并結(jié)合氣囊拋光的進(jìn)動(dòng)控制模式。該路徑僅在低頻段附近引入一定的功率密度譜，其功率密度譜分布與美國國家點(diǎn)火裝置標(biāo)準(zhǔn)更加一致，能夠在一定程度上抑制中頻誤差。
基于迷宮的拋光路徑生成原理圖
光學(xué)元件超精密磨削拋光加工CAM軟件
隨著高端智能制造業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)精密制造的質(zhì)量控制要求越來越高。為了確保機(jī)床的長期穩(wěn)定運(yùn)行和加工質(zhì)量，并獲得高精度的光學(xué)元件，研究團(tuán)隊(duì)以自主研發(fā)的UPG80大口徑光學(xué)精密磨削機(jī)床為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套精密磨削加工狀態(tài)的智能監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測磨床的運(yùn)行過程和磨削狀態(tài)。本文利用聲發(fā)射信號(hào)的頻譜進(jìn)行線性判別分析（LDA），提出了一種基于LDA的磨削輪狀態(tài)劣化在線監(jiān)測方法，能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別磨削輪的不同磨損階段及自銳性。此外，研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了五軸高效可控帽式拋光系統(tǒng)的控制軟件。該控制軟件基于光學(xué)元件的帽式拋光工藝設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)元件的超精密加工和批量生產(chǎn)。
磨削智能監(jiān)控系統(tǒng)框架
在國家大型光學(xué)工程項(xiàng)目的推動(dòng)下，中國已經(jīng)具備加工高精度大口徑光學(xué)元件的能力，但與國外先進(jìn)水平相比，仍有較大的提升空間。未來的發(fā)展趨勢要求相關(guān)部門、研究機(jī)構(gòu)和高校不斷探索與研究創(chuàng)新的加工技術(shù)、新工藝以及新的檢測技術(shù)。同時(shí)，將這些技術(shù)成果高效轉(zhuǎn)化，研發(fā)和制造高精度的智能集成生產(chǎn)設(shè)備，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件的超精密加工與規(guī)模化生產(chǎn)，從而具備應(yīng)對(duì)國內(nèi)精密/超精密光學(xué)元件加工和供應(yīng)所面臨的嚴(yán)峻發(fā)展機(jī)遇與技術(shù)挑戰(zhàn)的實(shí)力，確保相關(guān)重大工程項(xiàng)目以及國防和軍工領(lǐng)域的建設(shè)與實(shí)施。
