控制器外壳巩岩;赵磊
【摘 要】介绍了单点金刚石车床概念,总结回顾了单点金刚石车床在国防和商业领域内的发展状况,给出了目前商用单点金刚石车床的典型产品。对单点金刚石车床的关键零部件和核心技术,如空气静压主轴、液压导轨、直流电机、对刀装置、误差补偿和自适应控制等进行了分析。最后,介绍了适宜单点金刚石车削加工的材料,分析了快刀伺服和慢刀伺服在光学元件中的应用以及所加工的光学元件在国防和商用光电产品中的应用,并以主次镜望远镜系统和精密光学系统无调整装配为例,说明了单点金刚石车削在光电产品中的重要作用。%This paper overviews the development of the single diamond machines used in weapons and commercial fields,and introduces nowadays widely-used commercial ultra-precision diamond turning machines.Then,it analyzes the key techniques to achieve nanometer-level precision machining,such as air bearing work spindles,oil hydrostatic bearing X/Z slides,work piece measurement error compensation,optical tool setters,Linear Variable Differential Transformer（LVDT） tool setters and adaptive control systems.Finally,it summ arizes the materials suitable for diamond turning,and introduces the fast tool servo and slow slide servo used in the manufacturing of opto-mechanical components.By taking drop-in assembly of a Cassegrain telescope and an fine optical system for examples,this paper shows the important effort of the ultra-precision diamond turning in photoelectric products.
【期刊名称】《中国光学》
【年(卷),期】2011(004)006
【总页数】9页(P537-545)
【关键词】超精密机床;单点金刚石车削;光学元件
【作 者】巩岩;赵磊
【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室,吉林长春130033
水位显示器
【正文语种】中 文
【中图分类】TG518.3;TH703
1 引言
超精密单点金刚石机床是加工高精密光学元件的基础装备，其定义如下:(1)采用单点金刚石刀具;(2)机床的导轨运动精度小于1 μm，主轴回转误差小于50 nm，控制和检测反馈的分辨率小于10 nm;(3)零件加工的尺寸精度控制在亚微米量级，面型精度优于100 nm，表面粗糙度优于5 nm;(4)机床具有良好的热稳定性、高刚度，并且具备自适应控制功能［1］。单点金刚石车床主要用于加工中小尺寸、中等批量的红外晶体和金属材料的光学零件，其特点是生产效率高、加工精度高、重复性好，适合批量生产，加工成本比传统的加工技术明显降低。
近年来，随着对激光核聚变、同步加速器、天文望远镜、打印机、摄像机、硬盘等产品需求的快速增长，单点金刚石车床在光学工程领域的应用日益广泛，对其理论基础与应用领域的研究也受到众多学者的关注。
折叠炕桌
本文首先分析了单点金刚石车床在国防和商业领域的发展状况和发展趋势，介绍了目前国际上的典型商用产品;然后对超精密单点金刚石车床的核心零部件进行了阐述;最后，介绍了单点金刚石车床在国防和商用光电产品中的应用。
2 金刚石切削技术的发展
采用金刚石车削技术加工光学元件的最早记载可以追溯到第二次世界大战期间，Cooke［2］和Eindhoven等人［3］分别采用金刚石车削技术加工施密特圆盘模具。20世纪 50年代，Taylor＆Hobson研制了用于生产高质量摄像机镜头的金刚石机床［4］。同期，Bell＆ Howell公司开始进行非球面光学零件加工技术的研究［5］。1972年，美国Union Carbide公司研制成功R-θ非球面加工机床［6］。1980年，英国Rank Pneumo公司向市场推出两轴联动式商用MSG-325金刚石车床［6］。同年，Moore公司研发了M-18AG非球面加工机床，可加工直径为356 mm的各种非球面金属反射镜［6］。1983年和1984年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)分别研制成功加工直径为2.1 m的卧式金刚石车床DTM-3［7］和加工直径为1.65 m 的 LODTM 立式金刚 石车床［8］，其中LODTM立式金刚石车床被公认为世界上精度最高的超精密机床，如图1所示。1991年，英国Cranfield大学精密
工程研究所(CUPE)研制成功OAGM2500数控机床，可加工和测量精密自由曲面，采用加工件拼合方法，能加工出用于天文望远镜的直径为7.5 m的大型反射镜［9］。
图1 美国的LODTM立式金刚石车床Fig.1 LODTM vertical diamond machine made in the USA
图2 Moore公司的Nanotech 450UPLFig.2 Nanotech 450UPL made by Moore Company
当前国际上单点金刚石机床的主要发展趋势是:(1)在尖端技术和产品的需求下，加工精度向加工极限方向发展，已进入亚微米级及纳米级加工;(2)随着微电子产品市场越来越大，对机床的效率和自动化程度要求越来越高;(3)机床结构不断向多功能模块化的方向发展;(4)机床功能不断向加工检测补偿一体化的方向发展。热风锅炉
目前国际上主要生产商用金刚石超精密加工设备的厂商有:美国Moore公司、AMETEK集团旗下的Precitech公司和Taylor Hobson公司，日本的东芝机械公司、丰田工机公司和德国的LT Ultra公司等。图2～图4为几款典型的超精密单点金刚石机床产品，分别为 Moore公司的 Nanotech 450UPL、Precitech公司的Nanoform 700 ultra和LT Ultra公司的MTC400。
图3 Precitech公司的Nanoform 700 ultraFig.3 Nanoform 700 ultra made by Precitech Company
图4 LT Ultra公司的MTC400Fig.4 MTC400 made by LT Ultra Company
图5 配有XZCB和磨头的金刚石机床Fig.5 Diamond machine with XZCB and grinding spindle
上述商用单点金刚石车床标配有X轴/Z轴工作台以及空气静压主轴，并且可以通过附加旋转C轴和旋转B轴扩展为4轴联动系统。同时单点金刚石机床还可以增加铣头、磨头或者快刀伺服装置。图5所示为配备了旋转B轴、旋转C轴和水平面内与主轴成45°角分布磨头的5轴联动机床。
3 超精密单点金刚石机床的共性技术与关键零部件
为实现光学元件的超精密加工，单点金刚石机床系统集成了先进的空气静压主轴、液压导轨、直线电机、自适应数控系统等关键零部件和核心技术。
3.1 床身与隔振装置
图6 Nanotech 450UPL的床身与隔振系统Fig.6 Base and vibration isolation system of Nanotech 450UPL
图7 Nanoform 700 ultra的床身与隔振系统Fig.7 Base and vibration isolation system of Nanoform 700 ultra
影像处理
为了增加超精密机床的静刚度和动刚度，床身由整块的天然花岗岩构成，由4个主动气浮隔振结构支撑。机床标配有两个相互独立的直线运动轴X轴和Z轴，它们在水平面内呈T形结构放置，有利于提高机床的闭环刚度。X轴工作台上安装了超精密静压空气主轴，Z轴工作台用于安装各种刀架、可附加的磨头/铣头、快刀伺服装置、慢刀伺服装置和旋转B轴等［10］。图6和图7分别为Nanotech 450UPL和Nanoform 700 ultra的床身和隔振系统。
3.2 超精密液压导轨与直流电机驱动技术
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金刚石机床标配的X/Z工作台均采用直线电机作驱动，静油压导轨进行导向，如图8所示，相对传统的丝杠与电机直联方式，这种方式能够有效提高运动精度;导轨为非接触式导轨，有效降低了工作台运动过程的摩擦和阻尼。工作台采用光栅尺或激光干涉仪进行位置的实
时检测，由于铸铁工作台与微晶玻璃光栅尺的热膨胀系数相差很大，故将光栅尺安装在铟钢固定套上，然后再将其固定在工作台上来降低温度变化对位置检测的影响。
图8 液体静压导轨与电机直驱技术Fig.8 Oil hydrostatic bearing slide and linear motor
3.3 超精密空气静压主轴
相对于液体静压主轴，机床采用空气静压主轴的形式，从而提高了回转精度。空气静压主轴由硬化不锈钢轴和青铜轴套构成，主轴通过高精密研磨机床无心磨削加工而成，为满足垂直度和平行度要求，主轴外圆面和止推轴承外表面一次装夹加工完成。为降低转动产生的热变形对主轴性能的影响，在前后轴承以及中间的电机处均设有水冷循环装置。直流无刷式电动机、速度反馈编码器和C轴位置编码器与主轴安装为一体，通过软件系统中配置的主轴与C轴间的转换程序，可以方便地实现两轴之间的更换。图9和图10分别为Nanotech 450UPL和Nanoform 700 ultra采用的主轴，其径向端跳分别优于25 nm和50 nm。
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