光學元件作為軍事和民用領域（如天文望遠鏡、人工智能（AR/VR）、半導體芯片光刻、新一代通信、醫(yī)療設備影像與新能源等）中的核心和關鍵部件，市場需求巨大，尤其在航天和高科技領域的大型光學工程項目中，需求量極大。
這些項目對具有超高精度的米級口徑光學元件提出了嚴峻的技術挑戰(zhàn)，尤其是精密/超精密光學元件的加工和供應能力。當前，高精度且低損傷的光學元件通常需要經(jīng)過粗磨、精磨、拋光和鍍膜等工藝。
其中，精磨和拋光工藝尤為重要，這在很大程度上決定了光學元件的加工質量。
在這些工藝中，磨削基本上決定了大口徑光學元件的表面形狀精度。為了減少后續(xù)拋光的工作量，磨削過程中應盡量減少光學元件表面的缺陷和損傷。拋光作為超精密制造中最后的冷加工工序，是獲得超平滑、低缺陷損傷光學表面的必要保障。
因此，從確保大口徑光學元件加工質量的角度出發(fā)，精密磨削與高精度拋光是相輔相成、不可或缺的，而高精度機床設備則是實現(xiàn)精密磨削與拋光的前提條件。
磨削設備方面，
1、英國克蘭菲爾德精密工程研究所研發(fā)的 Big Optix 大型超精密磨床具備較高的動態(tài)和靜態(tài)環(huán)路剛度，能夠實現(xiàn)亞表面損傷深度的微量可控超精密磨削加工，加工口徑為1米的工件時，表面形狀精度可達到1μm。
2、美國Moore公司研發(fā)的 Nanotech 500FG 和 Nanotech 650FG 五軸聯(lián)動超精密磨床，能夠磨削軸對稱及非軸對稱的光學曲面，曲面磨削的表面形狀精度PV可達0.3μm，表面粗糙度Ra可達10nm。
3、而在拋光設備方面，法國 REOSC 制造了能夠加工8米口徑鏡片的拋光機，用于超大望遠鏡VLT鏡片的拋光，其面形誤差可收斂至8.8nm RMS。
4、美國 QED 公司研發(fā)的 Q22-2000F 磁流變數(shù)控拋光機床，可高效、高精度地加工平面、球面、非球面及自由曲面的大口徑光學非球面元件，能夠加工口徑達到2米的光學元件。此外，REOSC還開發(fā)了具備加工Φ2500mm能力的離子束拋光系統(tǒng)，用于加工GTC 10.4米的主鏡，加工后的平均表面精度RMS約為12.8nm。
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在激光核聚變、空間望遠鏡等大型光學工程項目的推動下，中國已經(jīng)具備了開發(fā)和制造相對高端的精密機床的能力。然而，與國際先進水平相比，中國的光學超精密加工技術與設備仍存在一定差距，因此有必要在關鍵技術問題上持續(xù)加強研究。除了光學元件超精密加工所需的高端磨削與拋光設備外，還需提升一系列關鍵支撐單元的技術水平，如超精密磨削與拋光工藝技術、高端關鍵功能部件、加工環(huán)境智能監(jiān)控技術、高效超精密加工工具、加工與檢測路徑規(guī)劃及補償加工策略、計算機輔助制造與檢測軟件等。
這些技術的研發(fā)與應用不僅關系到高端制造領域的發(fā)展，也對民用和國防領域至關重要，是國家重點研發(fā)技術之一。廈門大學精密工程實驗室開展了大口徑光學非球面元件研磨拋光研究，包括加工工藝、研磨拋光設備、設備測控軟件以及相關單元技術等，并取得了相應成果。這些研究成果可為實現(xiàn)高端光學元件超精密加工提供技術支持和裝備解決方案。
超精密磨削設備與單元技術
精密磨削機床設備的研究與制造，旨在減少磨削過程中遺留的表面損傷層，這不僅有助于提高后續(xù)拋光階段的效率，也是縮短大口徑光學非球面元件加工周期的重要途徑之一。廈門大學精密工程實驗室開發(fā)了UPG80大口徑精密磨削機床，并成功完成了530mm×530mm熔融石英非球面元件的磨削，加工表面精度達到PV≤3.38μm，表面損傷深度SSD≤3μm，實現(xiàn)了高端超精密磨削機床關鍵核心技術的突破。
UPG80磨床采用了靜壓導軌滑塊和靜壓主軸技術。研究團隊通過運動學理論建立了四油墊閉式靜壓導軌的準靜態(tài)理論模型，分析了PM流量控制器參數(shù)對運動精度的影響規(guī)律。此外，還考慮了總油膜設計間隙在外部負載下對運動精度的影響規(guī)律，以及配對導軌表面相對差異對運動精度的影響。這些研究成果為UPG80導軌部件的橫向閉合導軌運動誤差分析提供了參考。
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超精密拋光裝備及單元技術
氣囊拋光技術是一種極具工程應用潛力的超精密拋光技術，專門用于非球面光學元件。該技術具有表面形狀精度高、去除功能穩(wěn)定、材料去除效率高等優(yōu)勢。經(jīng)過多年的技術迭代，廈門大學已經(jīng)開發(fā)出多種大口徑五軸柔性數(shù)控帽式拋光機床，能夠加工平面、非球面、球面、自由曲面等多種表面形態(tài)，具備定量生產(chǎn)的能力。這種技術的不斷改進，不僅提升了加工精度和穩(wěn)定性，還顯著提高了加工效率，使其在大規(guī)模光學元件的生產(chǎn)中具有重要的應用前景。這些設備可以靈活適應不同形狀的光學元件，滿足從實驗室研究到批量生產(chǎn)的需求，為推動高端光學元件的制造能力提供了強有力的技術支撐。
(a) 氣囊拋光機模型圖；(b) 氣囊拋光機床實物圖
如果在常規(guī)路徑規(guī)劃中引入誤差，成像質量將降低，光學元件的性能也會受到影響。針對這一問題，研究團隊提出了一種基于迷宮原理的隨機路徑規(guī)劃方法，并結合氣囊拋光的進動控制模式。該路徑僅在低頻段附近引入一定的功率密度譜，其功率密度譜分布與美國國家點火裝置標準更加一致，能夠在一定程度上抑制中頻誤差。
基于迷宮的拋光路徑生成原理圖
光學元件超精密磨削拋光加工CAM軟件
隨著高端智能制造業(yè)的不斷發(fā)展，對精密制造的質量控制要求越來越高。為了確保機床的長期穩(wěn)定運行和加工質量，并獲得高精度的光學元件，研究團隊以自主研發(fā)的UPG80大口徑光學精密磨削機床為研究對象，設計了一套精密磨削加工狀態(tài)的智能監(jiān)控系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測磨床的運行過程和磨削狀態(tài)。本文利用聲發(fā)射信號的頻譜進行線性判別分析（LDA），提出了一種基于LDA的磨削輪狀態(tài)劣化在線監(jiān)測方法，能夠實時識別磨削輪的不同磨損階段及自銳性。此外，研究團隊還開發(fā)了五軸高效可控帽式拋光系統(tǒng)的控制軟件。該控制軟件基于光學元件的帽式拋光工藝設計，能夠實現(xiàn)光學元件的超精密加工和批量生產(chǎn)。
磨削智能監(jiān)控系統(tǒng)框架
在國家大型光學工程項目的推動下，中國已經(jīng)具備加工高精度大口徑光學元件的能力，但與國外先進水平相比，仍有較大的提升空間。未來的發(fā)展趨勢要求相關部門、研究機構和高校不斷探索與研究創(chuàng)新的加工技術、新工藝以及新的檢測技術。同時，將這些技術成果高效轉化，研發(fā)和制造高精度的智能集成生產(chǎn)設備，以此為基礎實現(xiàn)光學元件的超精密加工與規(guī)模化生產(chǎn)，從而具備應對國內精密/超精密光學元件加工和供應所面臨的嚴峻發(fā)展機遇與技術挑戰(zhàn)的實力，確保相關重大工程項目以及國防和軍工領域的建設與實施。
