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摘 要
非球面光學(xué)零件可以獲得球面光學(xué)零件無(wú)可比擬的良好的成像質(zhì)量，在光學(xué)系統(tǒng)中能夠很好的矯正多種像差，改善成像質(zhì)量，提高系統(tǒng)鑒別能力，它能以一個(gè)或幾個(gè)非球面零件代替多個(gè)球面零件，從而簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)，降低成本并有效的減輕儀器重量。可廣泛應(yīng)用于各種現(xiàn)代光電子產(chǎn)品，幾乎在所有的工程應(yīng)用領(lǐng)域中，無(wú)論是現(xiàn)代國(guó)防科技技術(shù)領(lǐng)域，還是普通的工業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景，開(kāi)展光學(xué)玻璃非球面零件的高精密光學(xué)技術(shù)研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。
本次設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容為非球曲面的超精密加工系統(tǒng)的研究，非球曲面的超精密加工工藝的研究。重點(diǎn)內(nèi)容是非球曲面加工超精密磨削裝置的設(shè)計(jì)，主要為砂輪主軸裝置的選取，中心高位調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，各個(gè)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)以及砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡的分析。在研究過(guò)程中詳細(xì)的分析了影響零件加工精度的各種主要因素并提出相應(yīng)的控制措施，尤其是對(duì)非球曲面的磨削加工設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并簡(jiǎn)要分析了非球曲面加工機(jī)床的數(shù)控及伺服控制系統(tǒng)等。
關(guān)鍵詞：非球曲面；超精密加工；微調(diào)機(jī)構(gòu)；金剛石砂輪
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Abstract
The aspheric optical parts can get good image quality, good optical system correction of various aberrations, to improve the image quality, and improve the system ability to identify it to one or several non-spherical spherical optical parts unparalleledparts instead of a number of spherical parts, thus simplifying the instrument structure, reduce costs and reduce instrument weight. It’s widely used in many realms, such as national defense, machine chemical and aviation. It’s very useful to develop the grinding theory and important practical significance to study the high precision grinding methods about the optical glass aspheric surface parts.
This article discussed in the ultra-precision grinder, the CNC operation program,and the aspheric surface optics parts’ grinding craft. The center height micro-adjusting mechanism and the drive system. In the process of the research, we analysis it detailed that the main factor influence the process precision of the parts, and make something to solve it, especially for the precision grinding equipments, and analysis it simplify for the precision machine tool for aspheric surface optics parts and the servo-control system and the other technology.
Key words: the aspheric surface; ultra-precision machining; the micro-adjusting mechanism; diamond wheel
目 錄
摘要 I
目錄 III
第1章 緒論 1
1.1非球面加工的優(yōu)點(diǎn)和意義 1
1.2非球曲面研究概述 1
1.2.1 非球面的定義 1
1.2.2 非球面應(yīng)用領(lǐng)域 2
1.2.3 非球曲面加工技術(shù)近年來(lái)發(fā)展概況 2
1.2.4 非球曲面加工的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向 4
1.3 非球面光學(xué)零件材料及其加工方法 4
1.3.1 計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石技術(shù)（SPDT） 5
1.3.2 超精密磨削技術(shù) 5
1.3.3 計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成型（CCOS）技術(shù) 5
1.3.4 光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù) 6
1.3.5 光學(xué)塑料成型技術(shù) 6
1.3.6 其他非球面加工技術(shù) 6
1.4非球面精密磨削加工理論 6
1.4.1 微量加工理論 7
1.4.2 脆性材料的延性域磨削 8
第2章 超精密非球面加工方案選擇及誤差分析 10
2.1 超精密非球曲面磨床的總體布局 10
2.1.1 空氣主軸系統(tǒng) 10
2.1.2 伺服進(jìn)給系統(tǒng) 11
2.1.3 微位移測(cè)量系統(tǒng) 11
2.1.4 中心高微調(diào)系統(tǒng) 11
2.1.5 數(shù)控系統(tǒng) 11
2.2 非球曲面磨削方案的確定 12
2.2.1加工零件的技術(shù)參數(shù) 13
2.2.2 非球曲面磨削方案確定 13
2.3 加工誤差分析 14
2.3.1 中心高微調(diào)機(jī)構(gòu)對(duì)零件加工精度的影響 15
2.3.2 在X軸上砂輪安裝誤差對(duì)零件加工精度的影響 17
2.3.3 砂輪半徑誤差對(duì)零件加工精度的影響 18
2.3.4 及綜合作用時(shí)對(duì)零件面形精度的影響 19
第3章 非球面磨削裝置設(shè)計(jì) 21
3.1 超精密加工的關(guān)鍵技術(shù) 21
3.1.1 超精密主軸 21
3.1.2 超精密導(dǎo)軌 21
3.1.3 傳動(dòng)系統(tǒng) 22
3.1.4 超精密刀具 22
3.1.5 超精密加工其他技術(shù) 23
3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23
3.2.1 磨削參數(shù)的計(jì)算 23
3.2.2 導(dǎo)軌的整體設(shè)計(jì) 24
3.2.3 傳動(dòng)參數(shù)的計(jì)算 25
3.3 磨削系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25
3.3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26
3.3.1 中心高微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 27
3.3.2 砂輪主軸的選擇 28
結(jié) 論 31
致 謝 32
參考文獻(xiàn) 33
CONTENTS
Abstract I
CONTENTS III
Capter 1 Introduction 1
1.1 The meaning of the processing of aspheric surface 1
1.2 The introuduction of the aspheric surface’s research 1
1.2.1 Definition of aspheric surface 1
1.2.2 Application of aspheric surface 2
1.2.3 The development of aspheric surface in recent years 2
1.2.4 Aspheric pricesssing trends and research directions 4
1.3 The parts’ material and the processing method 4
1.3.1 Computer-controlled single-point diamond technology（SPDT） 5
1.3.2 Ultra-precision grinding technology 5
1.3.3 Computer Controlled Optical Surfacing（CCOS） 5
1.3.4 Optical glass compression molding technology 6
1.3.5Optical plastic molding technology 6
1.3.6 Other processing technology 6
1.4Aspheric surface precision grinding theory 6
1.4.1 Trace processing theory 8
1.4.2 Ductile-regime grinding of brittle materials 8
Capter 2 Ultra-precision aspheric processing alternatives and error analysis 10
2.1 Ultra precision aspherical surface grinding machine layout 10
2.1.1 Air spindle system 10
2.1.2 Servo feed system 11
2.1.3 Micro-displacement measurement system 11
2.1.4 Center high tuning system 11
2.1.5 Numerical control system 11
2.2 Aspherical surface grinding scheme 12
2.2.1 Processing part of the technical parameters 13
2.2.2 Aspherical surface grinding scheme 13
2.3 Processing error analysis 14
2.3.1 Center high fine-tuning mechanism on the impact of cutting accuracy 15
2.3.2 In the X axis on the wheel on the impact of cutting accuracy 17
2.3.3 Wheel radius error on the part of machining precision 18
2.3.4 Both and on the part 19
Capter3 Aspheric tooling design 21
3.1 Ultra-precision machining technology 21
3.1.1 Ultra-precision spindle 21
3.1.2 Ultra-precision guide 21
3.1.3 Drive system 22
3.1.4 Ultra-precision cutter 22
3.1.5 Other technology 23
3.2 Transmission System Designing 23
3.2.1 Grinding parameters 23
3.2.2 The overall design of the Rails 24
3.2.3 Calculation of transmission parameters 25
3.3 Grinding systems design 25
3.3.1 System architecture design 26
3.3.1 Center high micro-adjusting mechanism design 27
3.3.2 Wheel spindle design 28
Conclusion 31
Thanks 32
References 33
第1章 緒論
1.1非球曲面加工的意義和優(yōu)點(diǎn)
非球面技術(shù)應(yīng)用于光學(xué)零件，相對(duì)于球面而言，具有許多優(yōu)點(diǎn)，它可以消除球面鏡片在光傳遞過(guò)程中產(chǎn)生的球差、慧差、像散、場(chǎng)曲及畸變等諸多不利因素，減少光能損失，從而獲得高質(zhì)量的圖像效果和高品質(zhì)的光學(xué)特征。一般來(lái)說(shuō)，在光學(xué)儀器上，一塊非球面透鏡的作用相當(dāng)于三塊球面鏡，因此，光學(xué)儀器設(shè)備采用非球面鏡片具有重量輕、透光性能好、成本低、且使光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)更具靈活性的優(yōu)點(diǎn)[1]。
圖1-1 球面和非球面透鏡的光學(xué)性能
1.2非球曲面研究概述
1.2.1 非球面的定義
非球曲面是指光學(xué)表面具有無(wú)數(shù)個(gè)對(duì)稱軸，并且沒(méi)有一定的曲率半徑的曲面。非球面按照有無(wú)回轉(zhuǎn)軸可以分為兩種類型：一類是具有一個(gè)回轉(zhuǎn)軸，例如拋物面、橢球面等；另一類是沒(méi)有回旋軸，如離軸拋物面、自由曲面等。自由曲面是一種復(fù)雜的、非回轉(zhuǎn)型非球面[1]。
1.2.2 非球曲面應(yīng)用領(lǐng)域
非球面曲面光學(xué)零件因其優(yōu)良的光學(xué)性能而日益成為一類非常重要的光學(xué)零件?？蓮V泛應(yīng)用于各種現(xiàn)代光電子產(chǎn)品，幾乎在所有的工程應(yīng)用領(lǐng)域中，無(wú)論是現(xiàn)代國(guó)防科技技術(shù)領(lǐng)域，還是普通的工業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。
軍用方面，西方國(guó)家在70年代以后研制和生產(chǎn)的軍用光電系統(tǒng)，如軍用激光裝置、熱成像裝置、微光夜視頭盔、紅外掃描裝置、導(dǎo)彈引導(dǎo)頭和各種變焦鏡頭，均已在不同程度上采用了非球面光學(xué)零件。在一般民用光電系統(tǒng)方面，非球面零件可以大量地應(yīng)用到各種光電成像系統(tǒng)中，如飛機(jī)中提供飛行信息的顯示系統(tǒng)；攝像機(jī)的取景器、交焦鏡頭；紅外廣角地平儀中的鍺透鏡；錄像、錄音用顯微物鏡讀頭；醫(yī)療診斷用的間接眼底鏡，內(nèi)窺鏡，漸進(jìn)鏡片等，以及數(shù)碼相機(jī)、VCD、DVD、電腦、CCD攝像鏡頭，大屏幕投影電視機(jī)等圖像處理產(chǎn)品。
如今，非球面光學(xué)零件在機(jī)載設(shè)備衛(wèi)星慣性制導(dǎo)及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、激光制導(dǎo)系統(tǒng)、紅外探測(cè)系統(tǒng)等國(guó)防科技工業(yè)領(lǐng)域以及民用光電產(chǎn)品方面都有著越來(lái)越廣泛、越來(lái)越重要的應(yīng)用[1]。
1.2.3 非球曲面加工技術(shù)近年來(lái)的發(fā)展概況
我國(guó)從20世紀(jì)80年代初才開(kāi)始超精密技術(shù)的研究，發(fā)展比較緩慢。近年來(lái)，我國(guó)加快了非球曲面零件超精密加工技術(shù)的研究步伐，成功研制出了非球曲面超精密加工磨床和車床，但是真正意義上的非球面超精密加工技術(shù)至今還未開(kāi)展起來(lái)。在非球面超精加工工藝的研究方面，我國(guó)尚在起步階段，還沒(méi)有對(duì)加工工藝進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究[3]。
國(guó)內(nèi)對(duì)光學(xué)非球面加工技術(shù)的研究越來(lái)越重視，清華大學(xué)在非球面計(jì)算機(jī)控制研磨、哈爾濱工業(yè)大學(xué)在非球面超精密磨削拋光、國(guó)防科技大學(xué)在非球面磨削研拋加工一體化、長(zhǎng)春理工大學(xué)和中科院長(zhǎng)春光機(jī)所在非球面新加工原理方法、成都精密光學(xué)工程研究中心在大型非球面加工等方面都作了很多研究工作，推動(dòng)了我國(guó)光學(xué)非球面超精密加工技術(shù)的發(fā)展，但與國(guó)外仍有較大的技術(shù)差距[3]。
“九五”期間，超精密加工國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)九五”重點(diǎn)預(yù)研課題“非球面曲面的超精密加工與測(cè)量技術(shù)”進(jìn)行了卓有成效的、系統(tǒng)的科研攻關(guān)，成功地研制出了“Nanosys-300非球面曲面超精密復(fù)合加工系統(tǒng)” [2]。本課題的研究成果，將有效地解決我國(guó)國(guó)防科研生產(chǎn)對(duì)非球面光學(xué)零件需求的矛盾，并有效地促進(jìn)我國(guó)非球面超精密加工技術(shù)的跨越式發(fā)展。
在Nanosys-300系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到被加工對(duì)象材料以及精度要求的不同，采用了模塊化設(shè)計(jì)理論，即在同一臺(tái)機(jī)床上通過(guò)不同的模塊組合來(lái)實(shí)現(xiàn)超精密車削（SPDT)和超精密磨削（ELID）等功能。對(duì)于有色金屬材料，如銅、鋁及其合金等工件采取金剛石車削工藝加工，而對(duì)于黑色金屬、玻璃和陶瓷等工件則采取超精密磨削（ELID）工藝加工[3]。
國(guó)外從20 世紀(jì)60年代開(kāi)始進(jìn)行超精密加工技術(shù)的研究，到20世紀(jì)80年代以后，出現(xiàn)了許多新的非球面超精密加工技術(shù)，如計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)（SPDT）、計(jì)算機(jī)數(shù)控磨削技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控超精密拋光技術(shù)等。這些加工方法基本解決了各類非球面零件的加工問(wèn)題，加工零件精度和效率高，適于批量生產(chǎn)。非球面曲面加工應(yīng)根據(jù)工件材料、形狀、精度和口徑等因素的不同，采用不同的加工方法。如對(duì)于銅、鋁等軟質(zhì)材料，可采用單點(diǎn)金剛石切削（SPDT）進(jìn)行超精密加工，對(duì)于玻璃、陶瓷等硬脆材料，則主要是通過(guò)超精密磨削、研磨和拋光進(jìn)行加工。目前，國(guó)外許多公司已將超精密車削、磨削、研磨及拋光等加工功能集于一體，研制開(kāi)發(fā)出新型的非球面超精密復(fù)合加工系統(tǒng)。如Rank Pneumo公司生產(chǎn)的Nanoform 300、Nanoform 250，英國(guó)Cranfleld大學(xué)的精密工程研究所（CUPE）研制的Nanocentre，日本豐田工機(jī)的AHN60-3D、ULP-100A(H)等都具有復(fù)合加工功能，這樣就使得非球面曲面零件的加工變得更加靈活[2,3,4]。
在光學(xué)非球面的超精密加工機(jī)床方面美國(guó)Moore 公司的產(chǎn)品軸分辨率達(dá)到1 nm美國(guó)Rochester 大學(xué)光學(xué)研究所和光學(xué)加工中心(COM) 基于先進(jìn)光學(xué)加工技術(shù)開(kāi)發(fā)如Nanotech150AG非球面加工機(jī)Q22 磁流變拋光機(jī)等在光學(xué)非球面超精密測(cè)量方面有Taylor Hobson 公司的接觸式非球面形狀精度測(cè)量機(jī)ZYGO公司的非接觸表面粗糙度測(cè)量系統(tǒng)[6]。
1.2.4 非球曲面的加工發(fā)展趨勢(shì)和研究方向
由于非曲面光學(xué)零件的諸多優(yōu)點(diǎn)，從事非球曲面零件加工的國(guó)家也越來(lái)越多，到目前為止，對(duì)非球曲面的相關(guān)研究主要有一下幾個(gè)方面：
1.非球面加工材料的開(kāi)發(fā)以及非球曲面加工磨具材料的研究
2.高精度非球曲面加工技術(shù)及加工方法的研究
3.非球面加工機(jī)械設(shè)備的研發(fā)
4.計(jì)算機(jī)數(shù)控加工非球曲面的軟件研發(fā)
5.非球面加工檢測(cè)以及設(shè)備的研究[11]
而非球曲面的零件也正朝著以下的方向發(fā)展：
1.向高精度[3]、低表面粗糙度方向發(fā)展
2.向大批量、高效率方向發(fā)展
3.由簡(jiǎn)單的軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)二次非球面，向離軸非球面以及高次自由光學(xué)曲面發(fā)展
4.向大型化、巨型化光學(xué)零件方向發(fā)展
5.向小型化、微型化光學(xué)零件方向發(fā)展
6.向自動(dòng)化柔性生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展
1.3 非球面光學(xué)零件材料及其加工方法
目前，用于非球面光學(xué)零件的主要材料有光學(xué)塑料、玻璃、石英、紅外鍺材料以及銅鋁等軟屬材料[23]，國(guó)外從上世紀(jì)60年代就開(kāi)始了對(duì)非球面加工技術(shù)的研究，20世紀(jì)80年代以來(lái)出現(xiàn)了多新的非球面超精密加工技術(shù)，它們主要是：計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)(SPDT)、計(jì)算機(jī)數(shù)控超精密磨削及拋光技術(shù)以及光學(xué)塑料成型技術(shù)等。這些加工方法基本解決了各類非球面零件的加工問(wèn)題，加工零件精度和效率高，適于批量生產(chǎn)非球面曲面加工[1]。
根據(jù)工件材料形狀精度和口徑等因素的不同，加工非球面零件采用的加工方法也不同。對(duì)于銅、鋁等軟質(zhì)材料可采用單點(diǎn)金剛石切削(SPDT)進(jìn)行超精密加工，對(duì)于玻璃、陶瓷等硬脆材料則主要是通過(guò)超精密磨削、研磨和拋光進(jìn)行加工，也可以采用玻璃模壓成型法，而對(duì)于光學(xué)樹(shù)脂材料則采用光學(xué)塑料成型技術(shù)，如注射成型技術(shù)等。
1.3.1 計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石技術(shù)（SPDT）
計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石技術(shù)(SPDT)是美國(guó)國(guó)防科研機(jī)構(gòu)于20世紀(jì)60年代率先開(kāi)發(fā)、80年代得以推廣應(yīng)用的一項(xiàng)非球面光學(xué)零件加工技術(shù)，它是在超精密數(shù)控車床上，采用天然單晶金剛石刀具，在對(duì)機(jī)床和加工環(huán)境進(jìn)行精確控制條件下，直接利用天然金剛石刀具單點(diǎn)車削加工出符合光學(xué)質(zhì)量要求的非球面光學(xué)零件，該技術(shù)主要用于加工中小尺寸、中等批量的紅外晶體和軟金屬材料的光學(xué)零件，其特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、加工硬度較低、重復(fù)性好、適合批量生產(chǎn)、加工成本比傳統(tǒng)的加工技術(shù)明顯降低。目前采用單點(diǎn)金剛石技術(shù)可以加工的材料有：有色金屬、鍺、塑料、紅外光學(xué)晶體、無(wú)電鎳等。上述材料均可直接達(dá)到光學(xué)表面質(zhì)量要求。此技術(shù)還可用來(lái)加工玻璃、鈦、鎢等材料，但是目前還不能直接達(dá)到光學(xué)表面質(zhì)量要求，還要進(jìn)一步研磨拋光。該技術(shù)與粒子束拋光技術(shù)相結(jié)合，可以加工高精度非球面光學(xué)零件，與鍍硬鈦膜工藝和環(huán)氧樹(shù)脂技術(shù)相結(jié)合，可以生產(chǎn)高精度非球面光學(xué)零件，且價(jià)格相對(duì)低廉[1]。
1.3.2 超精密磨削技術(shù)
對(duì)于玻璃、陶瓷等硬脆材料來(lái)說(shuō)，若采用車削方式加工非球面光學(xué)零件，其面型精度及表面粗糙度很難達(dá)到光學(xué)零件的要求，必須通過(guò)磨削或拋光進(jìn)一步提高其表面精度。在磨削加工中，為了使加工表面不產(chǎn)生脆性斷裂現(xiàn)象，使材料以“塑性”流動(dòng)方式去除，必須保證未變形切削厚度小于脆性——塑性（或稱為延性）轉(zhuǎn)換臨界值，能滿足這種磨削條件的方式稱為延性磨削方式。
1.3.3 計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成型（CCOS）技術(shù)
計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形(computer optical surfacing，CCOS)技術(shù)即用計(jì)算機(jī)控制的方法，使得在單位時(shí)間內(nèi)，加工面上某一點(diǎn)的材料去除量正比于磨盤壓強(qiáng)及磨盤與加工點(diǎn)之間的相對(duì)速度。這種加工方法的實(shí)現(xiàn)難度很大[7]。
1.3.4 光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)
光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)是一種高精度光學(xué)元件加工技術(shù)，它是把軟化的玻璃放入高精度的模具中，在加溫加壓和無(wú)氧的條件下，一次性直接模壓成型出達(dá)到使用要求的光學(xué)零件。這項(xiàng)技術(shù)自20世紀(jì)80年代中期開(kāi)發(fā)至今已經(jīng)有20余年的歷史了，現(xiàn)在已成為國(guó)際上最先進(jìn)的光學(xué)零件制造技術(shù)方法之一。
1.3.5 光學(xué)塑料成型技術(shù)
光學(xué)塑料成型技術(shù)是當(dāng)前制造塑料非球面光學(xué)零件的先進(jìn)技術(shù)，包括注射成型、鑄造成型和壓制成型等技術(shù)。光學(xué)塑料注射成型技術(shù)主要用來(lái)大量生產(chǎn)直徑100mm以下的非球面光學(xué)零件，也可制造微型透鏡陣列。而模壓和鑄造主要應(yīng)用于直徑在100mm以上的非球面光學(xué)零件。其中注射成型法具有重量輕、成本低，光學(xué)零件和安裝部件可以一體化，節(jié)省裝配工作量，耐沖擊等諸多優(yōu)點(diǎn)。
1.3.6 其他非球面加工技術(shù)
非球面的加工方法較多，但根據(jù)形成方法，非球面零件的加工可歸納為四類：復(fù)制成型法、附加成型法、去除成型法和特種加工法。
1.4非球面精密磨削加工理論
非球曲面精密磨削加工時(shí)，將精密磨削加工機(jī)理和非球曲面的范成加工方法結(jié)合在一起，在特定的精密磨削加工設(shè)備上實(shí)現(xiàn)。
1.4.1 微量加工理論
精密加工的關(guān)鍵是能夠在被加工表面上進(jìn)行微量加工，其加工量的大小標(biāo)志著精密加工的水平[18]。當(dāng)前，精密切削主要以金剛石刀具精密車削和金剛石微粉砂輪精密磨削為代表。微量切削時(shí)，其水平可達(dá)分子級(jí)、原子級(jí)，這就需要精密車床和精密磨床，鋒利的刀具和砂輪[7]。
微量切削機(jī)理與一般切削是有很大差別的，因?yàn)檫@時(shí)的切削厚度績(jī)效，被吃刀量(切削深度)可能小于晶粒的大小，切削就在晶粒內(nèi)進(jìn)行，因此，切削不是在晶粒之間的破壞切削力一定要超過(guò)晶體內(nèi)部非常大的原子、分子結(jié)合力，刀刃上所承受的切應(yīng)力就急速地增加并變得非常大。如在切削低碳鋼的情況下，刀刃上的切應(yīng)力值接近材料的抗剪強(qiáng)度極限，當(dāng)切削厚度在l μm以下時(shí)，被切材料的切應(yīng)力可達(dá)13000MPa。刀刃在受到很大應(yīng)力的同時(shí)，切削區(qū)會(huì)產(chǎn)生很大的熱量、刀刃切削處的溫度會(huì)很高，要求刀具材料應(yīng)有很高的高溫強(qiáng)度和高溫硬度[24]。因此，只有超硬刀具材料，如金剛石、立方氮化硼等才能勝任。
1、微切削理論
采用細(xì)粒度砂輪，用極小的修整導(dǎo)程(砂輪軸向)，即縱向進(jìn)給量和修整深度精細(xì)修整砂輪，使磨粒表面微細(xì)破碎而產(chǎn)生微刃。從而，一顆磨粒就形成了多顆磨粒，使磨粒變細(xì)，造成了微切削作用，得到了低粗糙度表面。
圖1-2磨粒的微刃性和等高性
2、滑擠、摩擦、拋光作用
砂輪修整得到的微刃開(kāi)始比較銳利，切削作用較強(qiáng)，隨著磨削時(shí)間的增加而逐漸鈍化，同時(shí)，等高性得到改善。這時(shí)，切削作用減弱，滑擠、摩擦、拋光作用加強(qiáng)。同時(shí)，磨削區(qū)的高溫使金屬軟化，鈍化微刃的滑擦和擠壓將工件表面的凸峰輾平，降低了表面粗糙度。
3、微刃的等高切削作用
砂輪精細(xì)修整所形成的微刃，分布在砂輪表層上，具有很好的等高性，從而使加工表面的磨削殘留高度極小，且均勻而無(wú)過(guò)深的劃痕，降低了表面粗糙度。
1.4.2 脆性材料的延性域磨削
在一定的條件下，脆性材料通過(guò)精密磨削能產(chǎn)生無(wú)裂紋無(wú)缺陷的表面，這種加工稱為延性域磨削[16]。目前延性域磨削作為硬脆材料高質(zhì)量高精度零件的重要加工方法已引起工業(yè)界的特別關(guān)注，特別是在生產(chǎn)結(jié)構(gòu)陶瓷零件的鏡面磨削領(lǐng)域中起著日益重要的作用。
為控制加工表面裂紋的產(chǎn)生，發(fā)展了延性域磨削技術(shù)。1989年，T.G.Bifano明確提出加工脆性材料的延性域磨削新工藝，認(rèn)為采用高剛度高分辨率精密磨床，通過(guò)控制進(jìn)給率，就可使硬脆材料以延性域模式去除材料。Bifaao對(duì)延性域磨削方式的定義是基于脆性材料被磨表面的破碎表面相對(duì)面積率，Bifano定義的延性域磨削方式下，被磨表面的破碎表面面積率為10%及以下。在磨削陶瓷等硬脆材料時(shí)，如果把磨削深度控制在相應(yīng)的量級(jí)，則脆性材料在磨削過(guò)程中的去除機(jī)制可由脆性去除變?yōu)檠有粤鲃?dòng)[7]。
實(shí)現(xiàn)脆性材料延性域精密磨削加工的條件是，砂輪單個(gè)磨粒的最大切削深度應(yīng)小于脆性材料的臨界切削厚度ac，如公式(1-1)所示。
(1-1)
其中：E為材料的彈性模量（Mpa）
H為材料的顯微硬度（Gpa）
Kc為材料的斷裂韌性( MPam1/2）
公式應(yīng)考慮實(shí)際磨削條件影響，需進(jìn)行模型系數(shù)的修正。從理論分析可知，砂輪平均磨粒尺寸、砂輪速度、工件速度以及磨削深度等因素是影響脆性材料延性域磨削的重要因素。此外，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的延性域方式去除，對(duì)機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)精度、剮度、機(jī)床導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)精度、進(jìn)給控制系統(tǒng)的分辨率、砂輪修整等都有很高的要求。選擇合適磨削參數(shù)，使磨粒實(shí)際磨削深度小于臨界切削深度，可在延性域磨削過(guò)程中形成磨削加工表面[7]。
第2章 超精密非球曲面加工方案選擇及誤差分析
2.1 超精密非球曲面磨床的總體布局
本課題的超精密磨床擬由現(xiàn)有的亞微米超精密車床改裝而成。在改裝后該機(jī)床不僅能夠?qū)崿F(xiàn)非球曲面精密磨削加工，而且仍具有超精密車削加工的功能。本機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)[19,20]簡(jiǎn)圖如圖2-1所示。其結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個(gè)部分。
1-伺服電機(jī)1，2-主軸電機(jī)，3-激光測(cè)量系統(tǒng)1，4-Z向氣浮溜板
5-磁性聯(lián)軸節(jié)，6-主軸箱，7-氣浮主軸，8-真空吸盤，9-伺服電機(jī)2
10-激光測(cè)量系統(tǒng)2,11-X向氣浮溜板，12-磨頭，13-工件
圖2-1 超精密機(jī)床機(jī)構(gòu)示意圖
2.1.1 空氣主軸系統(tǒng)
它采用了主軸電機(jī)與主軸分體式設(shè)計(jì)方案，空氣主軸由經(jīng)改裝過(guò)的帶空氣靜壓軸承的直流電機(jī)并通過(guò)磁性聯(lián)軸節(jié)帶動(dòng)空氣主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸和軸承均采用白色的密玉材料制成，其主軸的回轉(zhuǎn)精度小于0.05μm,主軸徑向剛度不小于220N/μm,軸向剛度不小于160N/μm,導(dǎo)軌徑向剛度不小于200N/μm,工件則通過(guò)真空吸盤吸附而夾緊[8]。
2.1.2 伺服進(jìn)給系統(tǒng)
圖2-1中縱溜板和橫溜板的微量進(jìn)給是由分辨率為1 024 000 step/r的高分辨率伺服電機(jī)來(lái)直接驅(qū)動(dòng)的。首先伺服電機(jī)直接拖動(dòng)滾珠絲杠，再通過(guò)絲杠螺母把電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)。它接收來(lái)自CNC插補(bǔ)裝置的脈沖/方向信號(hào)，其中脈沖數(shù)代表了位移指令。脈沖頻率代表了速度指令+由伺服電機(jī)的辨率可知，該伺服系統(tǒng)的直線位移分辨率為4.9nm[8]。
2.1.3 微位移測(cè)量系統(tǒng)
該系統(tǒng)采用雙反饋策略，角位移反饋通過(guò)與電機(jī)集成在一起的光電碼盤來(lái)實(shí)現(xiàn)，其分辨率為655 360 pulse/r，經(jīng)過(guò)4倍頻后，其角位移分辨率可達(dá)262 1440 pulse/r，直線位移則通過(guò)日本東京精密株式會(huì)社的DLSTAXL-TM-20B型單頻激光干涉儀實(shí)現(xiàn),其分辨率為5nm[8]。
2.1.4 中心高微調(diào)系統(tǒng)
在設(shè)計(jì)中為了能保證y方向的精確微調(diào)，中心高微調(diào)系統(tǒng)采用了常見(jiàn)的斜楔機(jī)構(gòu)，微調(diào)范圍是2mm能實(shí)現(xiàn)0.1μm的精確微調(diào)，以保證零件加工的面形精度。
2.1.5 數(shù)控系統(tǒng)
它主要控制.軸和/軸作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，以獲得不同的非球曲面。非球曲面數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵在于非球曲面的數(shù)控插補(bǔ)。本數(shù)控系統(tǒng)采用獨(dú)特的“雙圓弧步長(zhǎng)伸縮數(shù)控插補(bǔ)算法”，其數(shù)控系統(tǒng)的分辨率為5nm。
2.2 非球曲面磨削方案的確定
在磨削加工方面，無(wú)論對(duì)于硬脆材料還是金屬材料，采用弧形金剛石砂輪在一定的行走軌跡和修整條件下都可以在數(shù)控機(jī)床上實(shí)現(xiàn)非球面的成形加工。最新研發(fā)的幾種弧形金剛石砂輪成形磨削方法都可以大致分為交叉磨削法、平行磨削法、傾斜磨削法、球面砂輪磨削法和斜軸圓柱砂輪磨削法[2]。如下圖所示。
(a) 單點(diǎn)金剛石切削法 (b) 交叉磨削法 (c) 平行磨削法
(d) 傾斜磨削法 (e) 球面砂輪磨削法 (f) 斜軸圓柱砂輪磨削法
圖2-2 光學(xué)非球面加工方法
交叉磨削法的加工表面質(zhì)量較差，為此，將砂輪軸旋轉(zhuǎn)60°，使砂輪軸速與工件速度方向平行進(jìn)行磨削，即采用平行磨削法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，平行磨削法比交叉磨削法能獲得更好的表面加工質(zhì)量。傾斜磨削法是將砂輪軸傾斜一定角度，適用于加工更深的凹形非球面。球面砂輪磨削法是利用砂輪球面按照非球面的運(yùn)動(dòng)軌跡與工件點(diǎn)接觸進(jìn)行磨削加工，它能使球面的砂輪均衡磨耗，形狀精度可達(dá)到0.089μm，但球面砂輪成形修整比較困難[1]。斜軸圓柱砂輪磨削法是采用小直徑砂輪加工較深的凹面，主要用于超精密光學(xué)非球面零件的加工。
2.2.1加工零件的技術(shù)參數(shù)
本課題所要求加工加工的零件圖及如圖2-3所示：
光學(xué)零件圖的技術(shù)指標(biāo)：
1．加工直徑范圍Φ10-Φ100mm；
2．焦距范圍：30-300±0.5mm；
3．面形精度優(yōu)于/2-/5；
4，表面疵病等級(jí)B=Ⅳ
圖2-3 光學(xué)零件圖
該非球曲面零件內(nèi)凹的最小圓弧曲率半徑為R9，內(nèi)凹最深處為14mm.
2.2.2 非球曲面磨削方案確定
在光學(xué)玻璃、陶瓷軸承等脆性材料的超精密磨削過(guò)程中，磨削系統(tǒng)對(duì)零件加工精度的影響很大[9]，如磨頭主軸的回轉(zhuǎn)速度、回轉(zhuǎn)精度、砂輪的形狀及修整等因素對(duì)零件加工精度影響較大。此外，磨頭中心高與工件中心高的微調(diào)對(duì)零件加工時(shí)的面型精度、尺寸精度也有較大的影響。因此在研制非球曲面磨削系統(tǒng)時(shí)，我們應(yīng)根據(jù)被加工零件的尺寸、形狀、面型精度及表面粗糙度來(lái)確定它的設(shè)計(jì)方案。
如圖2-3，對(duì)于該光學(xué)零件，其外凸曲面1由于曲率半徑較大，故而較容易加工。但是對(duì)于凹的較深的非球曲面，當(dāng)曲面的最小曲率半徑較小，其最小曲率半徑R=9mm，因此只能用半徑R≤9mm的金鋼石砂輪進(jìn)行磨削加工，并且該零件凹面深度為14mm，如果砂輪與工作臺(tái)垂直放置，砂輪軸會(huì)與工件發(fā)生干涉，如圖2-4所示。因此本非球曲面磨削系統(tǒng)的砂輪軸擬采用傾斜放置方式，以便能磨削加工最小曲率半徑較大的非球曲面零件時(shí)，還能磨削加工凹得較深的非球曲面零件。
(a)砂輪軸傾斜放置 (b)砂輪軸垂直放置
圖2-4 凹非球曲面加工時(shí)砂輪的兩種放置方式
2.3 加工誤差分析
在確定了非球曲面磨削的方案之后，為了加工出高質(zhì)量的零件，我們?cè)谘兄品乔蚯婺ハ飨到y(tǒng)之前，有必要對(duì)光學(xué)零件超精密磨削時(shí)的加工誤差做較為詳細(xì)的分析[21]。圖2-5是超精密非球曲面磨削系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件圖，磨頭主軸擬傾斜45°。
該磨削系統(tǒng)主要分為五大部分：①空氣主軸系統(tǒng)，位于縱溜板之上；②伺服進(jìn)給系統(tǒng)，包括縱溜板的微進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和橫溜板微進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；③微位移測(cè)量系統(tǒng)，主要用來(lái)進(jìn)行z向和x向的微位移監(jiān)測(cè)；④中心高微調(diào)系統(tǒng)，主要用于微調(diào)磨頭在y向的高度，y向微調(diào)精度的高低直接決定著被加工零件輪廓精度的大?。虎輸?shù)控系統(tǒng)，將控制縱溜板和橫溜板的進(jìn)給。數(shù)控系統(tǒng)在磨削加工非球曲面時(shí)，有數(shù)控系統(tǒng)控制縱溜板（Z軸）及橫溜板（X,Y軸）作相應(yīng)的縱向和橫向進(jìn)給，即可實(shí)現(xiàn)非球曲面的超精密磨削加工【8】。
1-縱溜板 2-主軸箱 3-主軸 4-真空吸盤 5-過(guò)渡盤 6-工件
7-高速磨頭 8-中心高微調(diào)機(jī)構(gòu) 9-微調(diào)支座 10-橫溜板
圖2-5 超精密光學(xué)非球曲面磨床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2.3.1 中心高微調(diào)機(jī)構(gòu)對(duì)零件加工精度的影響
圖2-6所示為砂輪與工件磨削時(shí)的接觸情況。當(dāng)砂輪的磨削點(diǎn)與工件的回轉(zhuǎn)中心不在同一水平面內(nèi)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)圖2-6所示的兩種情況。加工后會(huì)在工件表面出現(xiàn)一個(gè)未磨削到的小圓錐，它將直接影響被加工零件的加工精度，這是由于磨削時(shí)中心高微調(diào)機(jī)構(gòu)微位移精度不夠而造成的。圖2-7a為磨削時(shí)中心高微調(diào)誤差（即砂輪與工件的接觸點(diǎn)低于工件回轉(zhuǎn)中心）的這種情況，此時(shí)小圓錐的磨削痕跡方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较颉Ｒ虼丝筛鶕?jù)工件磨削痕跡方向及殘留面的大小來(lái)判斷砂輪中心高的微調(diào)誤差及其方向[10]。
從圖2-6中我們可以看出，由于中心高微調(diào)機(jī)構(gòu)的精度不夠而在被磨削工件表面殘留一個(gè)小圓錐，其小圓錐的直徑為d，高度為，很顯然：
(2-1)
(2-2)
式中： -中心高微調(diào)誤差，即微調(diào)精度
-砂輪與工件之間的夾角
圖2-6 砂輪在Y方向的位置誤差
圖2-7 砂輪在Y方向中心高位置誤差對(duì)零件加工精度的影響
從公式(2-1)及公式(2-2)可以看出，由于中心高微誤差，因此會(huì)使得零件表面產(chǎn)生較大的輪廓誤差，亦即方向是誤差的敏感方向。設(shè)砂輪與工件之間的夾角為45°，要使得已加工零件的輪廓精度達(dá)到0.3μm,在光學(xué)非球面的磨削過(guò)程中，由于零件的輪廓精度還受到數(shù)控插補(bǔ)算法、機(jī)床導(dǎo)軌本身運(yùn)動(dòng)精度、砂輪的安裝及磨損等因素的影響。因此實(shí)際磨削時(shí)中心高微調(diào)機(jī)構(gòu)的微調(diào)精度應(yīng)達(dá)到0.1μm。
2.3.2 在X軸上砂輪安裝誤差對(duì)零件加工精度的影響
砂輪在安裝時(shí)，如在X軸方向與工件回轉(zhuǎn)軸線有不重合誤差，則此誤差會(huì)對(duì)零件磨損加工后的形狀精度產(chǎn)生較大的影響，如圖2-8所示。設(shè)磨削點(diǎn)處傾角為，則在此點(diǎn)處Z軸方向的誤差值
（2-3）
對(duì)于圖2-3所示曲率半徑小于9mm的內(nèi)凹非球曲面零件，當(dāng)砂輪在X軸方向的安裝誤差有變化時(shí)，會(huì)對(duì)零件的形狀誤差產(chǎn)生較大的影響。從公式(2-3)中可以看出，一方面加工誤差隨絕對(duì)值的增大而增大；另一方面，當(dāng)值固定時(shí)加工誤差隨值的增大而增大。當(dāng)=0°時(shí)，。從公式(2-3)可算出，若零件的形狀精度要求控制在0.1μm范圍內(nèi)，則必須控制在0.1μm范圍內(nèi)，這對(duì)于超精密非球曲面磨削系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵[11]。
圖2-8 砂輪X向誤差對(duì)零件面形精度的影響
2.3.3 砂輪半徑誤差對(duì)零件加工精度的影響
在磨削加工過(guò)程中，當(dāng)砂輪有半徑所產(chǎn)生的Z軸方向上的誤差可表示如下：
（2-4）
從圖2-9中可以看出，一方面加工誤差隨砂輪半徑誤差絕對(duì)值的增大而增大；另一方面，當(dāng)砂輪半徑誤差值固定，加工誤差隨角的增大而增大，當(dāng)=0°時(shí)，。由公式(2-4)可知，對(duì)于最小曲率半徑為R9的非球曲面，當(dāng)工件與砂輪接觸點(diǎn)的傾角達(dá)到最大值時(shí)，如果工件的面形精度要求控制在0.1μm范圍內(nèi)，則必須控制在0.17μm范圍內(nèi)[10]。
圖2-9 砂輪誤差對(duì)零件面形精度的影響
2.3.4 及綜合作用時(shí)對(duì)零件面形精度的影響
之前已分析了中心高微調(diào)誤差，砂輪在X方向的安裝位置誤差及砂輪半徑誤差單獨(dú)作用時(shí)對(duì)零件面形精度的影響，而實(shí)際加工時(shí)往往是幾種誤差(、、)同時(shí)對(duì)零件的面形精度產(chǎn)生影響，當(dāng)砂輪的微調(diào)中心高滿足所需微調(diào)精度要求時(shí)，設(shè)、等誤差對(duì)零件面形精度的影響值為。則綜合上面的分析可得=+
(2-5)
由公式(2-5)可知，對(duì)于最小曲率半徑R=9mm的內(nèi)凹非球曲面來(lái)說(shuō)當(dāng)和綜合作用對(duì)零件的面形精度產(chǎn)生影響時(shí)，如果和同時(shí)取正值，則值增大，零件加工后的面形精度會(huì)顯著降低；反之當(dāng)和取相反值時(shí)，則變小，零件加工后的面形精度提高[10]。在實(shí)際的磨削加 工中應(yīng)重視這一理論分析的結(jié)果，以最大限度地提高零件的加工精度。下面給出該項(xiàng)綜合誤差在加工中進(jìn)行補(bǔ)償?shù)囊环N方法。
圖2-10 砂輪磨削軌跡示意圖
圖2-10所示為砂輪磨削時(shí)的軌跡示意圖。在磨削加工時(shí)，CNC數(shù)控系統(tǒng)控制工件在Z軸方向和砂輪在X軸方向同時(shí)運(yùn)動(dòng)，從而得到所需的非球曲面軌跡。設(shè)砂輪的中心點(diǎn)軌跡坐標(biāo)為(X0，Z0)，砂輪與工件接觸點(diǎn)的軌跡坐標(biāo)為(Xw，Zw)，砂輪半徑為R，砂輪磨削點(diǎn)法線方向與Z軸夾角為θ，則有下式：
(2-6)
(2-7)
當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)生成砂輪軌跡之后，磨削系統(tǒng)進(jìn)行初次磨削，磨削完畢后用高精度的檢測(cè)設(shè)備對(duì)非球曲面的面形誤差進(jìn)行檢測(cè)，然后補(bǔ)償砂輪軌跡，再次進(jìn)行磨削加工，如此重復(fù)，直到滿足精度要求為止[11]，其流程如圖2-11所示。
圖2-11 磨削過(guò)程示意圖
第3章 非球曲面磨削裝置設(shè)計(jì)
3.1 超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)
超精密技術(shù)發(fā)展到今天，已不是孤立的加工方法和單純的工藝問(wèn)題，而成為包括廣泛內(nèi)容的系統(tǒng)工程。實(shí)現(xiàn)超精密切削技術(shù)，不僅需要超精密的機(jī)床和刀具，也需要超穩(wěn)定的環(huán)境條件，還需要運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，反饋補(bǔ)償[2]。只有將各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)成就集結(jié)起來(lái)，才有可能實(shí)現(xiàn)超精密加工。
3.1.1 超精密主軸
超精密加工機(jī)床的主軸在加工過(guò)程中直接支持工件或刀具的運(yùn)動(dòng)，故主軸的回轉(zhuǎn)精度直接影響到工件的加工精度?，F(xiàn)在超精密加工機(jī)床中使用的精度最高的主軸是空氣靜壓軸承主軸，目前的磁懸浮軸承還遠(yuǎn)達(dá)不到空氣靜壓軸承的精度，所以還必須依靠空氣軸承。本次設(shè)計(jì)所選即為空氣靜壓軸承主軸。
3.1.2 超精密導(dǎo)軌
超精密加工機(jī)床導(dǎo)軌應(yīng)有的基本要求是：動(dòng)作靈活、無(wú)爬行等不連續(xù)動(dòng)作；直線精度好；在實(shí)用中應(yīng)具有與使用條件相適應(yīng)的剛性；高速運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)熱量少；維修保養(yǎng)容易。
超精密加工機(jī)床中常用的導(dǎo)軌有V-V型滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌，液體靜壓導(dǎo)軌和氣體靜壓導(dǎo)軌。傳統(tǒng)的V-V型滑動(dòng)和滾動(dòng)導(dǎo)軌在美國(guó)的應(yīng)用都取得了良好的效果。
液體靜壓導(dǎo)軌由于油的粘性剪切阻力而發(fā)熱量比較大，因此必須對(duì)液壓油采取冷卻措施。另外液壓裝置比較大，而且油路的維修保養(yǎng)也較為麻煩。氣體靜壓由于支撐部是平面，可獲得較大的支撐剛度，它幾乎不存在發(fā)熱問(wèn)題，若設(shè)計(jì)合理，則在后續(xù)的維修保養(yǎng)方面幾乎不會(huì)發(fā)生什么問(wèn)題，只需要注意導(dǎo)軌面的防塵。
3.1.3 傳動(dòng)系統(tǒng)
目前用于精密加工和超精密加工的傳動(dòng)系統(tǒng)主要有：滾珠絲杠傳動(dòng)、靜壓絲杠傳動(dòng)、摩擦驅(qū)動(dòng)和直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
精密滾珠絲杠是超精密加工機(jī)床常采用的驅(qū)動(dòng)方法，超精密加工機(jī)床一般采用C0級(jí)滾珠絲杠，利用閉環(huán)控制最高可達(dá)0.01μm的定位精度。利用滾珠絲杠的微小彈性變形原理，可實(shí)現(xiàn)納米分辨率的進(jìn)給。但絲杠的安裝誤差、絲杠本身的彎曲、滾珠的跳動(dòng)及制造上的誤差、螺母的預(yù)緊程度等都會(huì)給導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度帶來(lái)影響[4]。通常超精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)特殊設(shè)計(jì)，例如絲杠螺母與氣浮平臺(tái)的連接器是高軸向剛度，而水平、垂直、俯仰和偏轉(zhuǎn)四自由度無(wú)約束的機(jī)構(gòu)，電機(jī)與絲杠的連接器采用純扭矩、無(wú)反向間隙的連接器。氣浮絲杠和磁浮絲杠可進(jìn)一步減小滾珠絲杠的跳動(dòng)誤差和因摩擦和反向間隙引入控制系統(tǒng)的非線性環(huán)節(jié)。
靜壓絲杠的絲杠和螺母不直接接觸，有一層高壓膜相隔，因此沒(méi)有摩擦引起的爬行和反向間隙，可以長(zhǎng)時(shí)間保持其精度，進(jìn)給分辨率可更高。由于介質(zhì)膜（油、空氣）有勻化作用，可以提高進(jìn)給精度，在較長(zhǎng)行程上，可以達(dá)到納米級(jí)的定位分辨率[4]。
3.1.4 超精密刀具
利用天然金剛石刀具進(jìn)行超精密切削加工是獲得高質(zhì)量加工表面的主要方法[25]，采用天然金剛石刀具加工球曲面、非球曲面零件，可保證切削的紋理粗糙度較小，容易安裝刀具以及刀具磨損后對(duì)加工表面的影響較小。但圓弧刃金剛石刀具制造工藝的（要求同時(shí)產(chǎn)生鋒利度和圓弧精度），特別是刃磨工藝一直阻礙我國(guó)超精密曲面切削技術(shù)的發(fā)展。圓弧刃金剛石車刀的制造包括金剛石晶體定向、刃磨、刃磨質(zhì)量測(cè)試以及刀體焊接等，其刃磨設(shè)備精度和刃磨工藝技術(shù)是其制造的關(guān)鍵[22]。
3.1.5 超精密加工其他技術(shù)
超精密加工其他技術(shù)包括機(jī)床位移測(cè)量技術(shù)、高度CNC數(shù)控系統(tǒng)、非球面面形測(cè)量裝置、延性磨削裝置、恒溫供液系統(tǒng)和系統(tǒng)振動(dòng)控制技術(shù)等。
3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.2.1 磨削參數(shù)的計(jì)算
磨削基本參數(shù)：
1、砂輪速度
(3-1)
式中：-砂輪速度(m/s)
-砂輪直徑(mm)
-砂輪轉(zhuǎn)速(r/min)
本機(jī)構(gòu)采用高速磨削，其磨削速度45m/s<<150m/s,砂輪直徑為12mm,高速電主軸和砂輪轉(zhuǎn)速為80000r/min,可求得砂輪速度：=50m/s。
2、工件速度
(3-2)
式中：-工件速度(m/min)
-工件直徑(mm)
-工件轉(zhuǎn)速(r/min)
從公式(3-1)和公式(3-2)[13]中可以看出，當(dāng)公式中任何兩個(gè)參數(shù)為已知時(shí)，可計(jì)算出另外一個(gè)參數(shù)的數(shù)值。
初定縱向進(jìn)給=1m/min,工件速度為=20m/s，=30mm，則得：
(3-3)
計(jì)算，得，=212r/min
3.2.2 導(dǎo)軌的整體設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)傳動(dòng)部分中X軸Z軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌呈“T”形安排在機(jī)床的床身上。檢測(cè)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)位置的光柵測(cè)量系統(tǒng)的讀數(shù)頭安裝在固定不動(dòng)的床身上，而其測(cè)量位置用的標(biāo)尺光柵則安裝在X、Z軸導(dǎo)軌的移動(dòng)溜板上。導(dǎo)軌采用液體靜壓導(dǎo)軌。由于油液粘性剪切阻力較大，發(fā)熱問(wèn)題較為突出，故采用恒溫供液系統(tǒng)控制溫度。導(dǎo)軌采用伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)C0級(jí)精密滾珠絲杠以及結(jié)構(gòu)新穎的4自由度精密絲杠溜板耦聯(lián)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
X軸導(dǎo)軌采用空氣靜壓導(dǎo)軌作為支撐，用滾珠絲杠作為驅(qū)動(dòng)組件。針對(duì)X軸導(dǎo)軌自重及外載荷產(chǎn)生的變形，設(shè)計(jì)了載荷系統(tǒng)，采用可調(diào)節(jié)載荷力的機(jī)械卸荷方式，把X軸導(dǎo)軌移動(dòng)部分重量加載到卸荷梁上，減輕了X軸導(dǎo)軌的負(fù)擔(dān)。Z軸導(dǎo)軌采用液體靜壓導(dǎo)軌作為支撐，并采取桁架式結(jié)構(gòu)以減輕導(dǎo)軌的重量，同時(shí)防止其重量使X軸導(dǎo)軌產(chǎn)生扭曲變形，對(duì)Z軸導(dǎo)軌設(shè)計(jì)了配重系統(tǒng)，通過(guò)精確控制液體靜壓輪的位置，保證配重體的重心與Z軸導(dǎo)軌的重心相對(duì)于X軸導(dǎo)軌中心線嚴(yán)格對(duì)稱。
傳動(dòng)部分選用滾珠絲杠來(lái)驅(qū)動(dòng)氣、液體靜壓導(dǎo)軌，為滿足運(yùn)行要求，采用一端固定一端游動(dòng)的安裝方式，兩端采用無(wú)徑向間隙鋼球回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；絲杠與電機(jī)的連接處設(shè)計(jì)了特殊的滾珠連接軸節(jié)，以消除電機(jī)與絲杠安裝所產(chǎn)生的同軸誤差對(duì)電機(jī)及絲杠傳動(dòng)的干涉影響；絲母與導(dǎo)軌的連接為多點(diǎn)式鋼球連接，其結(jié)構(gòu)形式既能減小絲杠的撓度及晃動(dòng)對(duì)導(dǎo)軌的影響，又能保證傳動(dòng)鏈的剛度。為了提高機(jī)床定位精度，用雙頻激光干涉儀作為位置反饋組件進(jìn)行全閉環(huán)的控制[4]。
3.2.3 傳動(dòng)參數(shù)的計(jì)算
橫溜板和縱溜板的通過(guò)滾珠絲杠來(lái)傳動(dòng)
(3-4)
式中：-回轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)速(r/min)
-移動(dòng)件的線速度(m/min)
由公式（3-4）[12]計(jì)算可得，=9.43mm
導(dǎo)程與螺距的關(guān)系為
(3-5)
取=2，則取螺距=5mm。（表G18-1 ZBJ51004-1989）
3.3 磨削系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在第2章誤差分析中得知，要使得零件磨削后的面形精度優(yōu)于0.3μm，而且在光學(xué)非球曲面的磨削過(guò)程中，由于零件的輪廓精度還受到數(shù)控插補(bǔ)算法、砂輪在X方向的安裝位置誤差、砂輪半徑及機(jī)床導(dǎo)軌本身運(yùn)動(dòng)精度等因素影響。因此實(shí)際磨削加工時(shí)中心高微調(diào)機(jī)構(gòu)的微調(diào)精度應(yīng)達(dá)到0.1μm。
3.3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
該磨削系統(tǒng)主要分為五大部分：①空氣主軸系統(tǒng)，位于縱溜板之上；②伺服進(jìn)給系統(tǒng)，包括縱溜板的微進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和橫溜板微進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；③微位移測(cè)量系統(tǒng)，主要用來(lái)進(jìn)行z向和x向的微位移監(jiān)測(cè)；④中心高微調(diào)系統(tǒng)，主要用于微調(diào)磨頭在y向的高度，y向微調(diào)精度的高低直接決定著被加工零件輪廓精度的大?。虎輸?shù)控系統(tǒng)，將控制縱溜板和橫溜板的進(jìn)給。數(shù)控系統(tǒng)在磨削加工非球曲面時(shí)，有數(shù)控系統(tǒng)控制縱溜板（Z軸）及橫溜板（X,Y軸）作相應(yīng)的縱向和橫向進(jìn)給，即可實(shí)現(xiàn)非球曲面的超精密磨削加工[8]。
1-縱溜板 2-主軸箱 3-主軸 4-真空吸盤 5-過(guò)渡盤 6-工件
7-高速磨頭 8-中心高微調(diào)機(jī)構(gòu) 9-微調(diào)支座 10-橫溜板
圖3-1 超精密光學(xué)非球曲面磨床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
3.3.2 中心高微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
中心高位調(diào)機(jī)構(gòu)的微位移誤差對(duì)零件輪廓精度及表面粗糙度影響較大，是零件加工誤差敏感方向。
本次設(shè)計(jì)的中心高微調(diào)機(jī)構(gòu)如圖3-2所示，它主要運(yùn)用了斜楔移動(dòng)產(chǎn)生微位移的原理[10]。斜楔與水平方向有一個(gè)很小的夾角，本微調(diào)機(jī)構(gòu)的斜楔夾角為6°。微調(diào)桿Ⅰ或Ⅱ采用的是螺旋千分尺，且對(duì)它原有的刻度再次進(jìn)行了細(xì)分。螺旋千分尺每回轉(zhuǎn)一小格，斜楔在水平方向上將產(chǎn)生=1μm的微位移，在垂直方向上的微位移為
(3-6)
由公式(3-6)可得=0.1μm，正好滿足我們磨削時(shí)需要達(dá)到的微調(diào)精度指標(biāo)。
1-微調(diào)桿Ⅰ，2-微調(diào)支撐板，3-斜楔，4-磨頭支座，
5-磨頭，6-磨頭夾緊蓋，7-微調(diào)桿Ⅱ
圖3-2 中心高微調(diào)機(jī)構(gòu)示意圖
對(duì)于已經(jīng)設(shè)計(jì)制造出的中心高微調(diào)機(jī)構(gòu)，要對(duì)其進(jìn)行微位移標(biāo)定，可以用電感測(cè)微儀進(jìn)行標(biāo)定，當(dāng)微調(diào)桿I或II旋轉(zhuǎn)一個(gè)小格時(shí)，用測(cè)微儀測(cè)出該機(jī)構(gòu)在垂直方向上的位移，所得數(shù)據(jù)如下表3-1所示：
表3-1 中心高微調(diào)機(jī)構(gòu)標(biāo)定數(shù)據(jù)表
格數(shù)
微位移量
（μm）
格數(shù)
微位移量
（μm）
格數(shù)
微位移量
（μm）
1
0.1
1
0.09
1
0.09
1
0.09
1
0.1
1
0.1
1
0.1
1
0.1
1
0.08
1
0.1
1
0.1
1
0.09
1
0.08
1
0.09
1
0.09
1
0.09
1
0.09
1
0.08
1
0.1
1
0.09
1
0.09
1
0.1
1
0.1
1
0.1
1
0.1
1
0.1
1
0.1
1
0.09
1
0.1
1
0.1
從表中可以看出，微調(diào)桿旋轉(zhuǎn)一小格時(shí)，最大的微位移量是0.1μm，并且在垂直方向有2mm的調(diào)整范圍，可實(shí)現(xiàn)磨削加工時(shí)的砂輪的中心高微調(diào)。
3.3.3 砂輪主軸的選擇
由之前的計(jì)算可知，砂輪主軸的轉(zhuǎn)速大于10 000r/min，普通的三相異步電動(dòng)機(jī)為磨頭的磨床砂輪主軸轉(zhuǎn)速為150r/min~7000r/min,所以需要選用高速電主軸作為砂輪主軸。
高速精密主軸是一種直接依賴于高速軸承技術(shù)、油氣潤(rùn)滑技術(shù)、精密制造與裝配技術(shù)、電機(jī)設(shè)計(jì)與制造、高速驅(qū)動(dòng)與精密數(shù)控等技術(shù)的高度機(jī)電一體化的高科技產(chǎn)品。在高速精密主軸系統(tǒng)中，主要有高速電主軸，高速氣浮主軸，高速磁力主軸，磁氣/空氣混合主軸等[14]。
本砂輪主軸的高速主軸所采用的為高速氣浮主軸。氣浮主軸主要是采用空氣靜壓軸承作主軸的支承，采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。氣浮軸承采用“全支承”結(jié)構(gòu)與國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比，能成倍地提高軸系的承載和剛度。如圖3-3所示，工作時(shí)，來(lái)自管道經(jīng)過(guò)精密過(guò)濾的壓縮空氣進(jìn)入殼體的通道，再流入軸承的節(jié)流小孔。然后流經(jīng)軸承與主軸之間的間隙，形成一層壓力氣膜，將主軸浮起。啟動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸，通過(guò)改變電源的頻率，使主軸以不同的速度旋轉(zhuǎn)。
軸系回轉(zhuǎn)精度受構(gòu)成其運(yùn)動(dòng)的部件的幾何精度、裝配精度和潤(rùn)滑介質(zhì)性質(zhì)的影響。取決于其間的運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)的數(shù)目、基準(zhǔn)和動(dòng)體（或定體）間的間隙或干涉，接觸機(jī)構(gòu)的特性以及固有摩擦力的大小等因素。不同摩擦機(jī)理的軸系具有不同的精度水平，在精度比較上，空氣靜壓軸系占有較大