光學元件作為天文望遠鏡、人工智能(AR/VR)、半導體芯片光刻、新一代通信、醫(yī)療設備影像新能源等軍民領域的核心關鍵元器件，有著龐大的市場需求，特別是在航空航天與高新技術領域的大光學工程項目領域，需數(shù)以萬計大批量、米級口徑特殊性能超高精度光學元件，這對我國精密/超精密級光學元件的超精密加工提供了發(fā)展機遇，也給加工與供貨能力帶來了嚴峻的技術挑戰(zhàn)。
現(xiàn)階段，高精度、低損傷的光學元件一般需經(jīng)過粗磨、精磨、拋光和鍍膜等工序。這些工序中，光學元件的精磨與拋光加工尤其重要，在很大程度上決定了光學元件的加工質量水平。其中，磨削基本確定了大口徑光學元件的面形精度，同時為降低后續(xù)的拋光工作量，磨削過程中需盡量減少在光學元件表面形成過多的缺陷與破壞；而拋光作為光學元件超精密加工中最后一道冷加工工序，是獲取超光滑低缺陷損傷光學表面的必要保證。因此，從保證大口徑光學元件加工質量的角度，精密磨削與高精度拋光手段是相輔相成、必不可少的，而高精度的機床裝備則是實現(xiàn)精密磨削與拋光的前提保證。
在激光核聚變和空天望遠鏡等大型光學工程項目的驅動下，國內(nèi)已能夠研發(fā)制造出相對高端的精密機床，但與國際先進水平相比，我國的光學超精密加工技術與裝備還存在一定的差距，須繼續(xù)加強攻關研究。除光學元件超精密加工所必須的高端磨拋裝備，還需要加強一系列關鍵的配套單元技術水平，如超精密磨拋加工工藝與技術、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、計算機輔助制造和檢測軟件等。這些技術的研發(fā)應用關系到高端制造領域的技術發(fā)展，更是國家與行業(yè)領域應重點關注的研發(fā)技術。
廈門大學精密工程實驗室圍繞大口徑光學非球面元件的磨削與拋光加工，對加工工藝、磨削與拋光裝備、裝備監(jiān)控與控制軟件以及相關單元技術開展研究，取得了相應的成果，這些研究成果可為實現(xiàn)高端光學元件的超精密加工提供制造加工技術支持與裝備解決方案。
近期，廈門大學精密工程實驗室在《光電工程》2023年第4期上發(fā)表了題為“光學元件超精密磨拋加工技術研究與裝備開發(fā)”的特邀綜述文章，介紹了廈門大學精密工程課題組在光學元件超精密磨削與拋光加工技術方面的研究情況與進展。
（一）超精密磨削裝備及單元技術
研發(fā)制造超精密磨床設備，有效降低磨削加工階段遺留的表面損傷程度，不僅有助于提升拋光階段的拋光效率，更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研制了大口徑精密磨床UPG80，并開展530 mm×530 mm熔石英非球面元件磨削加工，其加工面型精度PV≤3.38 μm、亞表面損傷深度SSD≤3 μm，實現(xiàn)了研制高端超精密磨削機床關鍵核心技術的突破。UPG80磨床三直線軸均采用了靜壓導軌滑塊和靜壓主軸技術，課題組通過運動學理論，建立了閉式液體靜壓導軌準靜態(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，還考慮外力加載形式下的油膜設計總間隙對運動精度的影響規(guī)律以及配對導軌面相對差異對運動精度的影響，其研究結果為UPG80導軌部件的橫向閉式導軌運動誤差分析提供了參考。
圖1 大口徑精密磨床UPG80
（二）超精密拋光裝備及單元技術
氣囊拋光技術具備加工面形精度高、去除函數(shù)穩(wěn)定以及材料去除效率高等優(yōu)勢，是一種極具工程應用潛力的非球面光學元件超精密拋光加工技術。廈門大學經(jīng)過多年的技術迭代，已研制出多臺大口徑五軸柔性數(shù)控氣囊拋光機床，能夠加工平面、非球面、球面、自由曲面等多種表面形式，且已具備量化生產(chǎn)的能力。
圖2 五軸數(shù)控氣囊拋光機床
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針對規(guī)則路徑規(guī)劃會引入中頻誤差從而降低成像質量導致光學元件性能低的問題，課題組結合氣囊進動控制模式，提出了基于迷宮原理的隨機路徑，該路徑只在靠近低頻段引入一定的功率密度譜，其功率密度譜分布更加趨勢于美國國家點火裝置標準，一定程度上可有效抑制中頻誤差。
圖3 基于迷宮的拋光路徑生成原理圖
（三）光學元件超精密磨拋加工CAM軟件
隨著制造行業(yè)不斷向高端智能化發(fā)展，精密制造領域對質量控制的要求越來越高。為保證機床長期平穩(wěn)的運行和加工質量穩(wěn)定，獲取高精度的光學元件，課題組以自研的UPG80大口徑光學元件精密磨削機床為研究對象，設計了精密磨削加工狀態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)，能夠對磨床的運行過程和磨削加工狀態(tài)進行實時監(jiān)測。其中，課題組利用聲發(fā)射信號的頻譜進行線性判別分析(LDA)，提出了一種基于LDA的砂輪狀態(tài)惡化在線監(jiān)測方法，該方法能夠實時識別磨削過程中的不同磨損階段和砂輪的自銳性。此外，還開發(fā)了五軸高效可控氣囊拋光系統(tǒng)控制軟件，該控制軟件基于光學元件氣囊拋光工藝流程進行設計，能夠實現(xiàn)光學元件的超精密加工以及批量化生產(chǎn)。
圖4 磨削智能監(jiān)控系統(tǒng)框架
在國家大光學工程驅動下，我國已經(jīng)能加工出較高精度的大口徑光學元件，但相比國外先進水平仍然存在較大的提升空間，未來的發(fā)展趨勢需要相關部門與研究機構及高校創(chuàng)新性地探索研究相關新加工技術與方法、新的加工工藝、新的檢測技術，并將這些技術成果進行高效轉化，研發(fā)制造出高精度智能集成化的生產(chǎn)設備，以期在此基礎上實現(xiàn)光學元件的超精密加工以及批量化生產(chǎn)，從而具備實力應對我國精密/超精密級光學元件加工與供貨能力的發(fā)展機遇和嚴峻技術挑戰(zhàn)，確保我國相關大工程項目和國防軍事等領域的建設與實施。
該工作得到了國家自然科學基金項目(51675453)和深圳科技計劃項目(JCYJ 20160517103720819)的資助。
