光學(xué)元件作為天文望遠(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)備影像新能源等軍民領(lǐng)域的核心關(guān)鍵元器件，有著龐大的市場(chǎng)需求，特別是在航空航天與高新技術(shù)領(lǐng)域的大光學(xué)工程項(xiàng)目領(lǐng)域，需數(shù)以萬計(jì)大批量、米級(jí)口徑特殊性能超高精度光學(xué)元件，這對(duì)我國精密/超精密級(jí)光學(xué)元件的超精密加工提供了發(fā)展機(jī)遇，也給加工與供貨能力帶來了嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。
現(xiàn)階段，高精度、低損傷的光學(xué)元件一般需經(jīng)過粗磨、精磨、拋光和鍍膜等工序。這些工序中，光學(xué)元件的精磨與拋光加工尤其重要，在很大程度上決定了光學(xué)元件的加工質(zhì)量水平。其中，磨削基本確定了大口徑光學(xué)元件的面形精度，同時(shí)為降低后續(xù)的拋光工作量，磨削過程中需盡量減少在光學(xué)元件表面形成過多的缺陷與破壞；而拋光作為光學(xué)元件超精密加工中最后一道冷加工工序，是獲取超光滑低缺陷損傷光學(xué)表面的必要保證。因此，從保證大口徑光學(xué)元件加工質(zhì)量的角度，精密磨削與高精度拋光手段是相輔相成、必不可少的，而高精度的機(jī)床裝備則是實(shí)現(xiàn)精密磨削與拋光的前提保證。
在激光核聚變和空天望遠(yuǎn)鏡等大型光學(xué)工程項(xiàng)目的驅(qū)動(dòng)下，國內(nèi)已能夠研發(fā)制造出相對(duì)高端的精密機(jī)床，但與國際先進(jìn)水平相比，我國的光學(xué)超精密加工技術(shù)與裝備還存在一定的差距，須繼續(xù)加強(qiáng)攻關(guān)研究。除光學(xué)元件超精密加工所必須的高端磨拋裝備，還需要加強(qiáng)一系列關(guān)鍵的配套單元技術(shù)水平，如超精密磨拋加工工藝與技術(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(cè)路徑規(guī)劃及補(bǔ)償加工策略、計(jì)算機(jī)輔助制造和檢測(cè)軟件等。這些技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用關(guān)系到高端制造領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，更是國家與行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的研發(fā)技術(shù)。
廈門大學(xué)精密工程實(shí)驗(yàn)室圍繞大口徑光學(xué)非球面元件的磨削與拋光加工，對(duì)加工工藝、磨削與拋光裝備、裝備監(jiān)控與控制軟件以及相關(guān)單元技術(shù)開展研究，取得了相應(yīng)的成果，這些研究成果可為實(shí)現(xiàn)高端光學(xué)元件的超精密加工提供制造加工技術(shù)支持與裝備解決方案。
近期，廈門大學(xué)精密工程實(shí)驗(yàn)室在《光電工程》2023年第4期上發(fā)表了題為“光學(xué)元件超精密磨拋加工技術(shù)研究與裝備開發(fā)”的特邀綜述文章，介紹了廈門大學(xué)精密工程課題組在光學(xué)元件超精密磨削與拋光加工技術(shù)方面的研究情況與進(jìn)展。
（一）超精密磨削裝備及單元技術(shù)
研發(fā)制造超精密磨床設(shè)備，有效降低磨削加工階段遺留的表面損傷程度，不僅有助于提升拋光階段的拋光效率，更是縮短大口徑光學(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)室研制了大口徑精密磨床UPG80，并開展530 mm×530 mm熔石英非球面元件磨削加工，其加工面型精度PV≤3.38 μm、亞表面損傷深度SSD≤3 μm，實(shí)現(xiàn)了研制高端超精密磨削機(jī)床關(guān)鍵核心技術(shù)的突破。UPG80磨床三直線軸均采用了靜壓導(dǎo)軌滑塊和靜壓主軸技術(shù)，課題組通過運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，建立了閉式液體靜壓導(dǎo)軌準(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，還考慮外力加載形式下的油膜設(shè)計(jì)總間隙對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的影響規(guī)律以及配對(duì)導(dǎo)軌面相對(duì)差異對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的影響，其研究結(jié)果為UPG80導(dǎo)軌部件的橫向閉式導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)誤差分析提供了參考。
圖1 大口徑精密磨床UPG80
（二）超精密拋光裝備及單元技術(shù)
氣囊拋光技術(shù)具備加工面形精度高、去除函數(shù)穩(wěn)定以及材料去除效率高等優(yōu)勢(shì)，是一種極具工程應(yīng)用潛力的非球面光學(xué)元件超精密拋光加工技術(shù)。廈門大學(xué)經(jīng)過多年的技術(shù)迭代，已研制出多臺(tái)大口徑五軸柔性數(shù)控氣囊拋光機(jī)床，能夠加工平面、非球面、球面、自由曲面等多種表面形式，且已具備量化生產(chǎn)的能力。
圖2 五軸數(shù)控氣囊拋光機(jī)床
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針對(duì)規(guī)則路徑規(guī)劃會(huì)引入中頻誤差從而降低成像質(zhì)量導(dǎo)致光學(xué)元件性能低的問題，課題組結(jié)合氣囊進(jìn)動(dòng)控制模式，提出了基于迷宮原理的隨機(jī)路徑，該路徑只在靠近低頻段引入一定的功率密度譜，其功率密度譜分布更加趨勢(shì)于美國國家點(diǎn)火裝置標(biāo)準(zhǔn)，一定程度上可有效抑制中頻誤差。
圖3 基于迷宮的拋光路徑生成原理圖
（三）光學(xué)元件超精密磨拋加工CAM軟件
隨著制造行業(yè)不斷向高端智能化發(fā)展，精密制造領(lǐng)域?qū)|(zhì)量控制的要求越來越高。為保證機(jī)床長(zhǎng)期平穩(wěn)的運(yùn)行和加工質(zhì)量穩(wěn)定，獲取高精度的光學(xué)元件，課題組以自研的UPG80大口徑光學(xué)元件精密磨削機(jī)床為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了精密磨削加工狀態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)δゴ驳倪\(yùn)行過程和磨削加工狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其中，課題組利用聲發(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的砂輪狀態(tài)惡化在線監(jiān)測(cè)方法，該方法能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別磨削過程中的不同磨損階段和砂輪的自銳性。此外，還開發(fā)了五軸高效可控氣囊拋光系統(tǒng)控制軟件，該控制軟件基于光學(xué)元件氣囊拋光工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)元件的超精密加工以及批量化生產(chǎn)。
圖4 磨削智能監(jiān)控系統(tǒng)框架
在國家大光學(xué)工程驅(qū)動(dòng)下，我國已經(jīng)能加工出較高精度的大口徑光學(xué)元件，但相比國外先進(jìn)水平仍然存在較大的提升空間，未來的發(fā)展趨勢(shì)需要相關(guān)部門與研究機(jī)構(gòu)及高校創(chuàng)新性地探索研究相關(guān)新加工技術(shù)與方法、新的加工工藝、新的檢測(cè)技術(shù)，并將這些技術(shù)成果進(jìn)行高效轉(zhuǎn)化，研發(fā)制造出高精度智能集成化的生產(chǎn)設(shè)備，以期在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件的超精密加工以及批量化生產(chǎn)，從而具備實(shí)力應(yīng)對(duì)我國精密/超精密級(jí)光學(xué)元件加工與供貨能力的發(fā)展機(jī)遇和嚴(yán)峻技術(shù)挑戰(zhàn)，確保我國相關(guān)大工程項(xiàng)目和國防軍事等領(lǐng)域的建設(shè)與實(shí)施。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51675453)和深圳科技計(jì)劃項(xiàng)目(JCYJ 20160517103720819)的資助。
