【2022先進(jìn)會(huì )員（創(chuàng )新十佳）】杭機股份：大口徑光學(xué)元件超聲銑磨拋成套裝備

2023年3月28日，中國機床工具工業(yè)協(xié)會(huì )公布了“關(guān)于2022年度中國機床工具工業(yè)協(xié)會(huì )先進(jìn)會(huì )員（十佳）的表彰決定”，對10家“自主創(chuàng )新十佳”和10家“產(chǎn)品質(zhì)量十佳”企業(yè)進(jìn)行了表彰，并于CIMT2023展會(huì )開(kāi)幕首日給獲獎企業(yè)頒發(fā)了獎牌。為了更好地宣傳這些先進(jìn)會(huì )員企業(yè)，協(xié)會(huì )傳媒部針對十佳企業(yè)及其產(chǎn)品組織了系列專(zhuān)題報道，以協(xié)會(huì )行業(yè)發(fā)展部提供的資料為素材整理成宣傳稿，經(jīng)與相關(guān)企業(yè)確認后，在協(xié)會(huì )主辦的全媒體平臺陸續公開(kāi)發(fā)布（排名不分先后），供業(yè)界同仁參考，以期共同進(jìn)步。

協(xié)會(huì )傳媒部

一、產(chǎn)品亮點(diǎn)

浙江杭機股份有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)“杭機股份”）研發(fā)的大口徑光學(xué)元件超聲銑磨拋成套裝備，采用橋式框架移動(dòng)式結構布局，具有高剛性、高精度及強大的多手段揉合功能，配置超精密閉式靜壓回轉工作臺，可自由統配超精密靜壓主軸、超聲刀柄、磨拋頭、應力盤(pán)、磁流變組合及搖臂式輪廓度儀等關(guān)鍵部件，設備配置有尋邊定位系統，可快速定位光學(xué)元件坐標，提高工作效率。設備可對3米級光學(xué)元件進(jìn)行超精密銑磨加工、多自由度快速研拋及高精度測量，完成光學(xué)元件磨削、研拋、精拋、檢測、確定性修形的全部加工工藝。

設備配置高精度絕對式光柵，保證機床軸系高精度；配置國產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)數控系統，實(shí)現機床多手段、多組合的磨拋加工技術(shù)。最大限度地降低光學(xué)元件在超精密磨削過(guò)程中的亞表面損傷層深度，提高加工精度和效率。加工精度為拋光階段面形≤10nm，表面粗糙度≤1nm RMS；機床精度為直線(xiàn)軸重復定位精度≤1μm，靜壓主軸回轉精度≤0.2μm，靜壓轉臺回轉精度≤0.5μm。

設備主要用于大口徑非球面反射鏡以及SiC/Si、光學(xué)玻璃高效光學(xué)元件的磨削、磨拋精密加工及在線(xiàn)輪廓測量，可完成光學(xué)元件磨削、研拋、粗拋、檢測、確定性修形的全部加工工藝。

設備的研制成功，打破國內超大口徑空間光學(xué)反射鏡制造能力瓶頸，為我國航天等重點(diǎn)領(lǐng)域的大型光學(xué)元件加工提供關(guān)鍵設備保障，對提高我國超大口徑光學(xué)元件加工技術(shù)起到重要促進(jìn)作用。

二、產(chǎn)品特點(diǎn)及技術(shù)水平

1. 產(chǎn)品結構特點(diǎn)

本機床采用龍門(mén)框架移動(dòng)式結構布局，由雙床身架、橫梁及橫梁支座組成一個(gè)剛性框架結構，中間是直徑3m的靜壓回轉工作臺（C軸）。機床具有X、Y、Z三個(gè)平動(dòng)軸，橫梁沿雙床身架上的導軌做縱向運動(dòng)，橫梁沿左側床身架的縱向運動(dòng)為Y1軸，橫梁沿右側床身架的縱向運動(dòng)為Y2軸，橫梁通過(guò)Y1與Y2同步驅動(dòng)實(shí)現縱向移動(dòng)。

在橫梁上有兩套橫向拖板，橫向拖板沿橫梁導軌做橫向運動(dòng)，橫向拖板的橫向運動(dòng)為X1、X2軸。橫向拖板前部有垂直拖板，垂直拖板沿橫向拖板上作垂直升降運動(dòng)，即Z1、Z2軸。

超精密非球面磨削主機垂直拖板下方可安裝超精密磨削主軸和搖臂式輪廓儀測量系統，主軸與垂直拖板之間安裝有一擺動(dòng)分度軸——B1、B2軸，實(shí)現各磨頭和繞Y軸方向±100°擺動(dòng)。非球面超精密銑磨設備B1、B2軸可安裝超精密磨削主軸和搖臂式輪廓測量裝置等；多自由度快速研拋設備B1、B2軸可自由選裝小磨頭數控研拋裝置、應力盤(pán)研拋裝置、磁流體拋光裝置和搖臂式輪廓測量裝置等。

該設備共有9個(gè)數控軸（6個(gè)直線(xiàn)軸、3個(gè)回轉軸），工作時(shí)需要進(jìn)行5軸聯(lián)動(dòng)控制。

2. 技術(shù)難點(diǎn)與創(chuàng )新點(diǎn)研究

（1）技術(shù)難點(diǎn)

①掌握2000mm直徑超精密閉式靜壓工作臺設計與制造技術(shù)；掌握大直徑閉式靜壓工作臺的超高精度（轉臺回轉精度≤0.5μm）的設計、制造、裝配方法，解決了大直徑轉臺回轉精度及穩定性問(wèn)題，形成關(guān)鍵零件加工和部件裝配規范。

②掌握高精度靜壓回轉工作臺的全性能測試方法，解決高精度功能部件制造裝配難、檢測難的問(wèn)題。

③掌握長(cháng)絲杠垂度誤差控制技術(shù)。由于設備X軸（橫向拖板左右運行）進(jìn)給機構采用的是絲杠副傳動(dòng)，絲杠跨度大于6m，為避免絲杠垂度的影響，需要更改或優(yōu)化傳動(dòng)機構。采用螺母旋轉絲杠副傳動(dòng)，并根據橫梁運行曲線(xiàn)適當調整確定絲杠副的支撐拉力。

④設備采用1μm級重復定位精度直線(xiàn)軸進(jìn)給機構設計、裝配工藝方法、規范檢測方法，提高機床精度。

⑤優(yōu)化龍門(mén)框架式移動(dòng)結構設計與制造工藝，有效提高非球面超精密銑磨設備的機床精度，有效提升多自由度快速研拋設備的各軸加速度和移動(dòng)速度，提高設備加工效率。

（2）技術(shù)創(chuàng )新點(diǎn)

①高精密靜壓工作臺的設計制造裝配調試檢測技術(shù)；

②單機床復合多手段、多工位銑磨/研拋功能技術(shù)，拓展功能化、模塊化、標準化設計設計方法，提高設備集成化，滿(mǎn)足光學(xué)元件對主機設備的多功能要求；

③大型機床動(dòng)態(tài)和熱態(tài)特性分析及優(yōu)化，掌握大型機床模態(tài)變化規律及優(yōu)化方法。

（3）國內外研制情況

隨著(zhù)光學(xué)制造技術(shù)的發(fā)展，針對地基、機載大口徑望遠鏡的研究已在全球掀起熱潮，而大口徑望遠鏡的需求對光學(xué)制造能力的牽引，掀起了全球光學(xué)制造行業(yè)的技術(shù)創(chuàng )新熱潮。美國Arizona大學(xué)、QED公司，德國CARL ZIESS、NTG，日本CANON，英國CRANFIELD等多家公司和研究機構均推出了獨具特色的制造裝備和工藝，大口徑光學(xué)制造技術(shù)的研究和發(fā)展已經(jīng)國際化。

針對RB‐SiC等硬脆材料加工中存在的問(wèn)題，從20世紀 90年代開(kāi)始，國外一些公司開(kāi)始研究硬脆材料的超聲加工技術(shù)，開(kāi)展超聲加工裝備研制。如DMG公司開(kāi)發(fā)了可用于加工陶瓷、RB‐SiC、C/C復合材料等難加工材料的超聲銑磨設備。此外，奧地利 GFM公司、德國GEISS公司、法國CRENO公司都已研發(fā)出超聲加工專(zhuān)用機床，并成功應用于航空航天制造等領(lǐng)域。

DMG公司開(kāi)發(fā)的五軸超聲磨削加工中心

與國外先進(jìn)水平相比，目前我國航空航天制造企業(yè)大都采用傳統的磨削方法加工光學(xué)材料構件，在加工質(zhì)量、成品率、加工效率、工具磨損等方面存在或多或少的問(wèn)題，顯示出自主研發(fā)的重要性。      

近年來(lái)，我國經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展迅猛，國力日漸強盛，未來(lái)也將需要建造自己的巨型天文望遠鏡。在地基望遠鏡中，近期關(guān)于我國12m天文望遠鏡技術(shù)方案的爭論正在公開(kāi)進(jìn)行，中外學(xué)者們紛紛公開(kāi)發(fā)表自己的觀(guān)點(diǎn)，問(wèn)題焦點(diǎn)集中于望遠鏡光學(xué)系統方案的選定和國際化問(wèn)題，但本質(zhì)上是方案的技術(shù)實(shí)現可行性問(wèn)題。

研究直接面向超大口徑反射鏡的高效率、高精度制造問(wèn)題，通過(guò)高效率制造裝備的產(chǎn)業(yè)化和大口徑制造工藝規范化，實(shí)現大口徑光學(xué)元件的批量化生產(chǎn)，將為未來(lái)制造巨型拼接主鏡提供強有力的技術(shù)保障。

（4）技術(shù)水平

本設備是公司第三代產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品已經(jīng)成功生產(chǎn)出4.13m大口徑反射鏡，經(jīng)一代、二代技術(shù)累積，在機床性能、精度、多手段揉合技術(shù)方面有進(jìn)一步創(chuàng )新及應用。

綜合相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品應用要求，杭機研發(fā)的非球面超精密銑磨設備/多自由度快速研拋設備，為我國光學(xué)產(chǎn)業(yè)升級、研發(fā)高性能光電產(chǎn)品提供可靠的技術(shù)保障，補實(shí)了國內自主研制大型光學(xué)元件的高精高效生產(chǎn)制造體系的重要一環(huán)，滿(mǎn)足國民經(jīng)濟和國防安全領(lǐng)域需求，具有良好的經(jīng)濟和社會(huì )效益。

三、圍繞該產(chǎn)品所開(kāi)展的技術(shù)創(chuàng )新工作

1．采取項目負責制。由公司技術(shù)副總負責項目的實(shí)施和推進(jìn)，公司負責人參與協(xié)調項目進(jìn)展，同時(shí)督促公司配套資金及相應的人力、物力全部落實(shí)到位，以保障課題順利實(shí)施。

2．制訂項目管理辦法。確定技術(shù)資料、財務(wù)、生產(chǎn)流程文檔等的管理要求；定期組織階段考評會(huì )，檢查計劃進(jìn)展，協(xié)調存在的問(wèn)題，保障課題實(shí)施的時(shí)效性；制訂項目開(kāi)發(fā)時(shí)間表，確定項目里程碑計劃。

3．項目任務(wù)分工明確。對項目研發(fā)內容的關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)創(chuàng )新點(diǎn)進(jìn)行羅列分解，確定項目技術(shù)方案和技術(shù)路線(xiàn)，由此組織相關(guān)人員進(jìn)行攻關(guān)。定期對項目組成員進(jìn)行考核，并以此作為項目獎勵依據。項目獎勵注重工作成果、工作實(shí)效，有效促進(jìn)了科技人員的研發(fā)積極性。

4．人員培養工作。在組織精兵強將的同時(shí)，帶動(dòng)青年員工參與到項目中來(lái)，從實(shí)際操作中學(xué)習。加強與高等院校和用戶(hù)形成長(cháng)期緊密型產(chǎn)、學(xué)、研、用合作模式，逐步形成大口徑光學(xué)元件精密加工制造示范基地。并依托高等院?？蒲袃?yōu)勢，建成一支以中青年為主的精密加工技術(shù)及裝備研究團隊，以及掌握高效高精銑磨工藝、高精輪廓檢測工藝、高品質(zhì)研拋工藝的高級技術(shù)人才隊伍，推動(dòng)中國高端機床裝備的持續發(fā)展。

四、產(chǎn)品應用效果及產(chǎn)業(yè)化前景

大口徑非球面產(chǎn)品應用市場(chǎng)規模大，相關(guān)加工、檢測等制造設備也具有廣闊的市場(chǎng)空間。該設備可完成2000mm口徑以?xún)确瓷溏R元件的高效制造，實(shí)現1500-2000mm量級光學(xué)元件的快速、高效生產(chǎn)，加工效率顯著(zhù)提升，滿(mǎn)足國防、天文等領(lǐng)域不斷增長(cháng)的市場(chǎng)需求。

該設備的研制將打破國外技術(shù)壟斷，實(shí)現2000mm大口徑非球面反射鏡制造高端數控機床國產(chǎn)化，在行業(yè)和專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮示范作用，為我國光學(xué)產(chǎn)業(yè)升級提供可靠的技術(shù)保障，推動(dòng)光學(xué)制造業(yè)向高檔次、高質(zhì)量方向發(fā)展。

該設備的大口徑非球面加工工藝及技術(shù)成果可應用于民用天文觀(guān)測、減災、氣象、國土資源管控、環(huán)保等方面，將產(chǎn)生顯著(zhù)的社會(huì )效益；相關(guān)技術(shù)成果可應用于測繪等方面，將在國防安全方面發(fā)揮顯著(zhù)作用。針對該產(chǎn)品研發(fā)功能部件和加工工藝的研究成果，有望在航空工業(yè)超硬復合材料加工產(chǎn)業(yè)得到應用，從而推動(dòng)周邊產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步。     

（圖文轉載自中國機床工具工業(yè)協(xié)會(huì )）