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关于超精密平面飞切机床关键技术的分析
摘要：研制了一种用于KDP晶体加工的平面飞切机床，该机床直线轴基于直线电动机驱动、液体静压导轨支承;刀具旋转轴采用高刚度气浮主轴+高刚度主轴旋转机构。基于高精度分辨率位置反馈+线性驱动器+PID控制算法，直线轴获得了1mm/min速度下，0.018mm/min的低速波动以及±0.01μm的位置精度;刀具微进给装置采用差动螺纹进给来实现，最终获得了进给分辨率1μm、锁紧后位置移动量小于1μm高精度进给。在优化工艺参数后，金刚石飞切机床加工100mm×100mm×10mm的KDP晶体后获得表面粗糙度Rq优于2nm高精度指标;加工400mm×400mm×30mm的铝镜后获得面形PV值优于3μm的高精度指标。
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KDP晶体是一种优质的非线性光学材料，常用作光学频率转换器件和光电开关元件，它在美国NIF装置主激光系统以及一些强激光武器等高科技关键设备中起着非常重要的作用。但KDP晶体是一种各向异性、硬度低、易开裂、脆性高、具有很强吸湿性的软脆材料，它在温度急剧变化时容易破裂，属于难加工材料。对于KDP晶体的平面加工，国内外对超精密磨削、超精密抛光等方法进行了大量的研究，但公认最好的KDP晶体精密加工方法还是单点金刚石飞切方法[1,2]。单点金刚石飞切机床是基于超精密驱动及高精度支承运动平台，在加工环境精确控制的条件下，采用天然单晶金刚石刀具，通过单点切削的方式加工出符合光学质量要求光学零件。单点金刚石飞切机床可以将有色金属、塑料、红外光学晶体等材料直接加工达到光学镜面水平，且具有高效率、高精度、高重复性、低成本等特点，非常适合光学零件的批量生产，在国防工业和民用工业中具有广泛的应用。
针对某工程中KDP晶体光学元件的高精度面形与高精度粗糙度要求，笔者研制了如图1所示的大口径超精密光学平面飞切加工机床。床身采用龙门结构，床身与立柱采用低热涨特性的天然花岗岩;直线轴基于直线电动机驱动、液体静压导轨支承，旋转轴采用拨叉驱动+高刚度气浮主轴+高刚度主轴旋转机构;通过优化加工工艺参数，在该机床上实现了KDP晶体光学元件的超精密飞切加工。本文重点介绍影响加工性能的两个关键技术:直线轴的低速稳定性及刀具旋转的高刚度性能。
1、基于直驱的直线轴低速稳定性控制技术
金刚石飞切机床的直线运动轴采用静压支承+直线电动机驱动方式。液体静压支承的线性直驱轴同时具备直线电动机和液体静压轴承两者的优点:液体静压轴承具有摩擦力小、无直接摩擦接触的“爬行”现象、振动小、运动精度高的优点;直线电动机驱动由于没有了机械传动环节，平台结构得以简化，具有良好的加、减速性能，并且直驱可以提高系统刚度及可靠性。
飞切加工对线性直驱轴的低速稳定性要求高(速度波动优于±0.12mm/min)[3]，相对于丝杠驱动的方式，采用液压支承+直线电动机驱动方式，无中间环节的缓冲使得外部干扰无衰减地直接作用于直线电动机，对控制而言增加了难度，影响伺服控制精度。
要提高直线电动机驱动的液体静压导轨低速下的速度波动精度，首先分析影响低速稳定性的因素。直线电动机位置控制系统由三部分组成:位置测量部分、驱动部件和控制算法。要提高低速控制精度，位置测量的分辨率与精度是控制精度的基础，分辨率越高，越有利于控制精度的提高。但控制分辨率到一定程度后受限于机构的特性，不会对控制精度提高又更好的作用[4,5]。本论文机床采用海德汉高精度高分辨率(细分到2nm)的光栅尺作为位置反馈。驱动器直接影响到电动机的控制精度及响应特性。当前的直线电动机驱动的功率变换器有两种类型:一种是线性驱动，一种是PWM驱动，线性驱动的优点是电流纹波小、控制精度高，因此驱动部件采用纹波小的线性驱动器作为直线电动机驱动部件。控制算法采用如图2的多层嵌套PID算法:速度前馈+加速度前馈+位置环PI+速度环PI。系统集成后通过优化前馈、位置环、速度环的伺服参数，获得了优良的直线轴低速稳定性及位置精度:低速稳定性在1mm/min速度下为±0.018mm/min;位置误差为±0.01μm，如图3所示。
2、高刚度刀具旋转系统
高刚度刀具旋转系统由飞切刀盘、刀具微进给机构组成。高刚度刀具旋转系统在气浮轴承与伺服电动机的驱动下带动刀具旋转，实现KDP晶体的周向切削。金刚石刀具经微进给机构后安装在一个大的圆形刀盘之上，刀盘的直径大小需满足工件的加工尺寸(大于500mm×500mm)，另外还需保证刀具在工件上始终是一个切削方向，如图4，确定刀盘直径为720mm(指刀尖运动轨迹所在圆环的直径)。飞切刀盘是一个大质量、大惯量(相对于空气主轴的转子部件而言)的回转部件，对飞切刀盘进行轻量化设计有利于提高主轴单元的动力学性能，通过对刀盘进行拓扑优化和惯性能均布方差有限元分析，剔除刀盘中的小应力区域，减小刀盘惯性量。另外为了保证刀架的质量分布平衡，在刀盘对称的位置还需安装一套金刚石刀具及其调整系统。整个刀盘的结构示意如图5所示。
飞切加工中气浮主轴通过带动安装刀具的刀盘旋转实现金刚石刀具的精密切削，精密飞切的切削进给量小(微米级)，通过高精度微进给机构来实现微米级刀具进给，如图6所示。金刚石刀具通过刀具微进给机构与刀盘刚性连接，金刚石刀具安装在刀具微调机构之上，微调机构需实现高精度分辨率进给的同时刀架具备高刚性，这有利于提高飞切加工精度。高分辨率进给设计差动螺纹进给来实现，最终获得了进给分辨率1μm、锁紧后位置移动量小于1μm高精度进给。
3、超精密飞切工艺验证实验
为获得最优的KDP晶体切削质量，通过优化切削工艺参数，在飞切机床上开展工艺优化实验，获得在机床性能约束下的最优切削工艺参数。工艺参数的优化主要包括主轴转速(200～400r/min)、精切进刀深度(2～5μm)、精切进给速度(2～10mm/min)、调节刀具刃倾角等。通过优化工艺参数后，在100mm×100mm×10mm的KDP晶体样件开展了飞切工艺实验，获得了较好的切削质量:采用白光干涉仪进行了检测，表面粗糙度Rq优于2nm(如图7所示);对400mm×400mm×30mm的铝镜样件进行了飞切工艺验证实验，加工后采用ZYGO激光干涉仪进行了表面形貌检测，拼接后检测结果:面形PV值优于3μm(如图8所示)。
4、结语
(1)飞切机床中直线轴采用直线电动机驱动、液体静压支承方式实现高精度位置驱动，基于高精度分辨率位置反馈+线性驱动器+PID控制算法，获得了1mm/min速度下，0.018mm/min的低速波动以及±0.01μm的位置精度。
(2)刀具微进给装置采用差动螺纹进给来实现，最终获得了进给分辨率1μm、锁紧后位置移动量小于1μm的精度指标。
(3)在优化工艺参数后，研制的金刚石飞切机床加工100mm×100mm×10mm的KDP晶体后获得表面粗糙度Rq优于2nm高精度指标;加工400mm×400mm×30mm的铝镜后获得面形PV值优于3μm的高精度指标。
参考文献：
[5]陈东生,岳晓斌,陈华.直驱系统中检测元件对驱动性能影响的实验分析[J].制造技术与机床,2014(5):71-74.
陈东生,李祥,宋颖慧,肖虹.超精密平面飞切机床关键技术研究[J].制造技术与机床,2020(05):73-76.
基金:“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项(2017ZX04022001).
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2020-07-11
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期刊名称：化学研究
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专业分类：化学
国际刊号：1000-8217
国内刊号：11-1730/N
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创刊时间：1997年
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2020-07-11
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