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非球面光学零件确定性超精密加工技术和装备

发布:朗诵 点击次数:471次 时间:2017-09-21 来源:吉祥光电

   非球面光学零件是一类非常重要的光学零件,最常用的有抛物面镜、双曲面镜以及椭球面镜等。非球面光学零件具有球面光学零件无可比拟的良好成像质量,应用在光学系统中能够很好地矫正多种像差,改善仪器成像质量,提高仪器鉴别能力,增大作用距离,它能以一个或几个少量的非球面零件代替较多的球面零件,从而简化仪器结构,降低成本,并有效地减轻仪器重量。

   非球面曲面光学零件在现代高能激光武器、惯性约束核聚变点火工程、空天遥感和深空探测以及航空航天精确打击系统中发挥着极为重要的作用,应用范围日益广泛。其中一些系统因使用环境和有关条件(如航空航天对重量、过载、温度环境等要求)限制,对零件材料性能(比刚度、温度稳定性、加工特性等)有着非常严苛的要求。在这种情况下,传统的非球面光学零件加工方法不仅在时间、效率和成本上远远不能满足要求,更重要的是不能完成像对铍、金、铜等有色金属和许多其他一些材料非球面光学曲面的加工。同时,传统的非球面光学零件加工方法还无法解决复杂非球面曲面零件,譬如自由曲面、保形曲面光学零件的超精密加工技术难题。为此,迫切需要研究适应快速、高效的现代光学复杂非球面确定性超精密加工技术。另一方面,随着现代计算机技术、超精密测量技术、超精密运动控制技术、各种相关精密元部件制造技术以及小环境控制技术等的发展,也为实现上述要求的现代复杂非球面加工制造技术提供了技术支撑,使之成为现实可能。

   非球面光学零件确定性超精密加工技术和装备是现代先进制造技术的典型代表,单点金刚石数控车削(SPDT)机床是现代超精密数控光学加工的最典型、最重要的加工装备。SPDT可实现金属基反射镜、红外材料透镜等非球面、离轴非球面等光学元件的高效、确定性超精密加工。由于以SPDT为代表的现代超精密数控光学加工装备技术水平对国家的军事和国民经济领域尖端技术的发展具有重大作用,世界发达国家对我国采取了严格的装备禁运和技术封锁。特别是在大尺寸、超高精密、多坐标联动技术产品方面控制方面尤为严格。

   近年来,中航工业精密所依托其在超精密加工技术领域的研究基础和传统,开展了“非球面光学零件确定性超精密加工技术和装备”项目研究,突破了大型光学数控加工机床设计、制造及运行环境控制等关键技术,在大承载力、高刚性的超精密立式液体静压主轴技术,大行程、高刚性、无摩擦效应超精密液体静压导轨驱动与控制技术,机床Z轴无摩擦干涉效应的全气浮气缸精密平衡与导轨技术,纳米分辨率开放式高性能数控系统集成技术,机床温度及振动环境精密控制技术以及高品质压力油源、气源供给技术等方面取得了一系列成果,最终研制成功“Nanosys-1000 LODTM数控光学加工机床”及其辅助支撑系统。该机床通过纳米分辨率的超精密加工运动轨迹控制,用金刚石刀具直接车削成形金属、红外等材料的大型光学零件。该机床可高效地加工传统光学加工技术和装备难以加工或根本无法加工的多种材料(如金属基、红外及KDP晶体等)和复杂曲面(深度非球面、离轴非球面等)现代光学系统元件。

   该系统自研制成功以来,经过几年的连续运行、工艺研究及工程应用,整体性能表现良好,精度稳定可靠。2016年,由该机床制造的直径达Φ1000mm的大口径非球面抛物面铝基反射镜参加了第十三届中国国际机床工具展览会(CIMES2016),吸引了现场不少业界人士的关注,也标志着我国利用自主研发的超精密加工设备制造大口径非球面超精密光学零件成为现实。同时,该系统已先后为中国电子科技集团公司、北京邮电大学、中国计量科学研究院和中国科学院物理研究所等科研生产机构解决了不少超精密加工技术难题,包括太赫兹关键技术验证、卡塞格伦太赫兹天线系统及太赫兹通讯系统等,满足了我国国防科技工业尖端装备和民用光电市场的迫切需求,具有重要的军事价值、社会效益和经济效益。  

   “Nanosys-1000 LODTM 数控光学加工机床”的成功研制和良好运行,表明大口径非球面曲面超精密加工设备制造和工艺关键技术方面取得了一系列重要突破,打破了国外的技术封锁和装备禁运,使我国的非球面光学零件的超精密加工技术水平上跃了一个新的台阶,项目成果达到了同类技术国际先进水平。(中航工业精密所 罗松保  )


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