【doc】大直径菲涅尔透镜模具加工发展现状及展望

【doc】大直径菲涅尔透镜模具加工发展现状及展望 大直径菲涅尔透镜模具加工发展现状及展 望 SpeciaIReDorIs综述 大直径菲涅尔透镜模具加工发展现状及展望 关佳亮?陈志德?曹成国?汪文昌? (?北京工业大学机电学院,北京100124;?北京工研精机有限公司,北京101312) 摘要:针对大直径菲涅尔透镜模具加工设备及加工工艺的发展状况进行了深入的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 研究, 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了大直径 菲涅尔透镜模具加工的研究现状,展望了其未来的发展方向. 关键词:大直径菲涅尔透镜模具超精密加工机床 中图分类号:TH6文献标识码:A DevelopmentstatusandprospectsoflargediameterFresnellensmouldmachining GUANJialiang?, CHENZhide? , CAOChengguo? , WANGWenchang? (Q)CollegeofMechanicalandElectronicApplication,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,CHN; (~)BeijingPrecisionMachinery&EngineeringResearchCo.,Ltd..Beijing101312,CHN) Abstract:ThedevelopmentoflargediameterFresnellensmouldisdeeplyanalyzedandfurtherdevelopmentof largediameterFresnellensisdiscusseddetailedly. Keywords:LargeDiameter;FresnelLens;Mould;HighPrecisionMachining;MachineTool 菲涅尔透镜具有不逊于传统透镜的光学聚焦和光 学成像性能,因其质量轻,厚度薄,口径大,结构紧凑等 优点,在太阳能热水器,太阳能电站及显像领域有着广 泛的应用?. 太阳能作为一种清洁能源,其开发利用已经受到 人们的普遍重视.目前,全球投入使用的太阳能发电 站装机容量约有700MW,在建项目1200MW,已经宣 布建设的装机容量则为1.26万MW.大直径菲涅尔 透镜作为集热元件,是太阳能热发电系统的重要组成 部分.另外,激光背投电视在国外已经逐步成熟,其颜 色表现能力是平板电视的2,3倍,消耗的电能为现有 液晶电视的1/2,等离子电视,传统电视机的1/3.一 条背投电视生产线的造价仅为液晶的几十分之一,而 且生产过程非常环保.激光背投电视的核心部件显示 屏为菲涅尔透镜,其规格尺寸逐步增大.随着太阳能 电站的发展和背投电视进入家庭,对大直径菲涅尔透 镜的市场需求将会越来越大. 目前,大直径菲涅尔透镜的制造,主要通过超精密 金刚石车削加工技术加工出模具,利用模压成型工艺 制作大直径菲涅尔透镜J.图1为菲涅尔透镜模具 施制造成熟度评价十分必要;对于小型项目和比较简 单的产品,可以根据需要,针对几个问题,实施局部制 造成熟度评价,就可能满足目标要求,从而提高评价效 率. (4)每个项目,每个企业都应根据我国的制造成 熟度等级体系 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ,结合项目或企业的特点,制定自己 的制造成熟度等级详细定义,提高评价工作的可行性 和有效性. 参考文献 [1]OSDmanufacturingtechnologyprogramincollaborationwiththejoint service/industryMRLworkinggroup[R].ManufacturingReadiness LevelDeskbook.2010. 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"高档数控机床与基础制造装备"国家科技重大专项一大直径端面透镜模具加工超精密机床及加工工艺的研究(2011ZX04004—011) 攀.37. 综述SpeciaIReDons 不意图. 菲涅尔透镜模具具有同心圆环式细齿沟槽表面, 相邻环带的角度和深度有细微变化.环距小,环数众 多,刀具加工轨迹由一簇相互之间不连续的同心圆环 构成,需要机床进行成千上万次的退刀,进刀.同时, 相邻环带的倾角有微小差距,需对刀具所在回转轴进 行微调.整个加工过程中,机床各轴不停地起动,停止 以及微调,这样对机床的重复定位精度要求极 高10-11].另外,为提高光学性能,菲涅尔透镜工作表 面的表面粗糙度要求极高,应达到纳米级精度,因此对 加工工艺水平提出了很高的要求. 图1菲涅尔透镜模具 为解决大直径菲涅尔透镜模具的加工难题,国内 外开展了专用机床及加工工艺的研究,本文就针对大 直径菲涅尔透镜模具的加工,详述国内外的发展现状. 1大直径菲涅尔透镜模具加工的发展现状 1.1国外发展现状 大直径菲涅尔透镜在大型照明系统和空间太阳能 电池光伏系统等领域中,具有重要的军事及商业应用 价值,但其加工难度高,只有日本,美国等发达国家掌 握了大型菲涅尔透镜加工的关键技术和加工设备. 日本东芝机械从上世纪70年代就开始超精密加 工的研究,经过不断的发展,积累了大量的核心科技和 专有技术,实现了机床的高刚度,高精度和高稳定性. 东芝机械大尺寸投影和屏幕透镜模具超精密加工 机床有ULR,UTD系列,其中龙门式加工机床UTD一 2200B,UTD一3400B,主要用于大直径菲涅尔透镜模具 的加工,模具直径分别达到2200mm和西3400mm. 机床主要配置有由液体静压轴承主轴支承的高精度回 转台,高刚度,高精度双V滚针导轨,高精度回转B 轴,高速度,高精度控制技术和直线电动机驱动技术 (1nm反馈控制),实现了稳定的切削过程,保证了面 形精度和表面粗糙度.图2为UTD一3400B机床结构 图,图3为回转B轴示意图,图4为菲涅尔透镜模具加 工过程示意图. 图2UTD一3400B ??图3回转B轴图4透镜模具加工 东芝机械大直径菲涅尔透镜模具加工机床UTD 系列目前处于国际先进水平.表1为UTD一2200B, UTD一3400B主要技术指标. 美国在超精密加工领域一直处于引领地位.Pre— citeck是一家超精密机床制造商,已在全球推出超过 1200款机床,主要为单晶,有色金属和黑色金属材料 旋转对称和自由形态应用提供全面的超精密多轴金刚 石车削,研磨,切槽和铣削机床. 表1UTD一2200B,UTD一3400B技术指标 主要技术指标UTD一2200B(H)UTD一3400BfH) 最大加工直径/mm22003400 回转台最大承载重量/kg10002000 回转速度/(r/min)10,10010,8O 水平移动(X轴)/ mm11O01850 移动量垂直移动(Z轴)/160240 mm 回转角度(B轴)~360. 最小设定单位X,Z:0.0lm,B:O.00001. 机床重量/kg100003800o Nanoform700Ultra是大容量超精密加工系统,专 为生产单点金刚石车削和确定细微研磨光学镜片,光 学模具镶件,光学镜和精密机械组件而设计.该机床 配置有0.01nm编程分辨率和32pm反馈分辨率运动 控制体系,,z轴应用高刚度静压油轴承导轨和直线 塑茎耋,z…'l耳帚0朋 电动机驱动技术,快刀伺服系统可实现表面结构的金 刚石车削,旋转B轴是直接驱动的油静压轴承,具有 整体式高分辨率编码器,自适应控制技术(ACT)应用 到机床上,改进了面形精度和表面粗糙度. Nanoform700Ultra应用于菲涅尔透镜模具的加 工,最大加工直径700mm,面形精度最小可达0.3txm PV,表面粗糙度达1nm. 图5Nanoform700Ultra 1.2国内发展现状 大型数控超精密菲涅尔透镜加工设备的开发和研 究2004年列入国家863 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ,2007年甘肃天水星火 机床有限公司联合清华大学成功完成了LKG5833大 型数控超精密菲涅尔透镜加工设备的研制.该设备集 数控技术,在线测量技术,精密成形专有技术于一体, 是目前国内先进的超精密加工设备. 北京工研精机有限公司在2009年完成大型菲涅 尔透镜模具加工机床CKG1800VL项目的研制.图6 为CKG1800VL机床结构图. 图6CKG1800VL 通过对机床总体布局设计,部件优化,装配调试精 度控制及切削参数实验,满足了加工技术指标,最大加 工直径为4,2000mm,表面粗糙度达到纳米级,在国内 处于领先水平.表2为CKG1800VL主要技术指标. , :;'uI'平弟.删 Spe00IRepons综述 表2CKG1800VL技术指标 主要技术指标CKG1800VL 主轴工作台尺寸/ram1500 主轴精度/Ixm1.5 回转台回转速度/(r/min)0,100 最大加工直径/ram2000 切削进给速度/(mm/min)1—2000 水平移动(X轴)/ram1000 移动量垂直移动(Z轴)/mm8O 回转角度(B轴)65. 机床定位精度X,z:?2m(全行程) 最小设定单位X,Z:0.1p,m,B:O.001. 机械重量/kg14000 目前,北京工研精机有限公司联合北京工业大学 开展"大直径端面透镜模具加工超精密机床"的研究 开发,本课题属于"高档数控机床与基础制造装备"国 家科技重大专项的一个子课题.北京工研精机有限公 司负责机床设计,北京工业大学负责加工工艺的理论 和实验研究.课题目标是设计完成用于大直径菲涅尔 透镜模具加工的超精密机床,要达到的主要技术指标 为最大加工直径4,2200mm,主轴回转精度1Ixm,机 床轴行程1200mm,Z轴行程200mm,X,Z,B轴编 程分辨率分别为50lqm,50nm,0.0001.,加工工件表 面粗糙度小于10nm.该项目完成后将会使我国在大 直径菲涅尔透镜模具加工设备的制造和研究方面处于 国际先进水平. 国内也有其他相关企业进行菲涅尔透镜产品的设 计和生产,加工工艺技术逐步提高,生产规模日益扩 大.临邑宇影光学仪器有限公司,从1968年成立至今 从事菲涅尔透镜的生产,专注于光学设计,各种类型菲 涅尔透镜模具制造及成形工艺的研究,相继开发出太 阳能光伏聚光,背投影屏幕,投影仪等用途的菲涅尔透 镜产品.国家高新技术企业成都菲斯特科技有限公 司,致力于菲涅尔透镜的研究,开发市场,拥有先进的 大型单点金刚石超精密模具加工设备和多种生产手 段,擅长大型,高精度菲涅尔透镜的设计,开发和生产. 国内最大的单点金刚石超精密加工机床,能够加工高 精密微细结构,加工工件直径可达4,2000mm. 2大直径菲涅尔透镜加工的发展趋势 尽管国内外对大直径菲涅尔透镜模具加工的研究 已经取得了不少成果,但国内对大直径(4,2000mm以 上)菲涅尔透镜模具加工机床的研究水平与美国,日 本还有很大差距,目前还是空白.如何结合我国实际 情况开展对大直径菲涅尔透镜模具加工设备及其工艺 综述SpeeiaIReD0rfs 的研究以缩小与发达国家的差距是当前亟待解决的主 要问题.本文通过对已掌握资料的分析研究,提出了 以下关于大直径菲涅尔透镜模具加工设备及其加工工 艺研究的发展趋势: (1)光学系统的设计研究 传统的菲涅尔透镜是同心圆环状,环带工作面是 平面.最新设计可以使每个工作面具有准确的非球面 轮廓,避免了由沟槽宽度引起的对聚焦精度的限制. 同时,同心圆环式可以设计成阿基米德螺线式,更适合 金刚石车削加工,能够降低对机床的精度要求,并可以 提高加工效率.改善光学设计,提高光学性能和可加 工性,是菲涅尔透镜发展的基本方向?2.J. (2)机床系统的设计研究 超精密机床仍然是大直径菲涅尔透镜模具加工必 不可少的基础设备,机床性能直接影响模具的加工质 量.高刚度,高精度回转主轴,导轨的进给稳定性和定 位精度,高刚度,高回转精度B轴,运动控制技术等是 机床系统的关键组成部分,也是未来研究的重点所在. 另外,随着民用产品的市场需求不断增大,对机床加工 效率的要求也会越来越高. (3)加工工艺技术的优化研究 专用金刚石刀具的设计与刃磨是加工制造中的重 要一环.优化刀具角度,几何形状以及提高刃磨工艺 水平是研究的重要内容墙j.工件变形受切削力,切 削热的影响,因此需要对切削力,切削热的变化规律进 行研究,以保证模具的面形精度.另外,切削参数直接 影响到加工稳定性和工件加工质量,通过理论研究和 实验分析优化切削参数是研究的重点驯. 3结语 综上所述,由于大直径菲涅尔透镜在绿色低碳产 业和环保节能产品领域的广泛应用,带来了巨大的经 济效益,因此世界各国在大直径菲涅尔透镜模具加工 制造设备的研发方面投入了大量的人力物力.我国目 前研制的大直径菲涅尔透镜模具加工专用设备的最大 加工直径仅为西2000mm,加工精度为亚微米级,日本 目前最大加工直径可达西3400mm,加工精度达纳米 级.因此"大直径端面透镜模具加工超精密机床及加 工工艺的研究"被列为2011年国家科技重大专项"高 档数控机床与基础制造装备"的子课题,旨在提升制 造装备的水平,缩小与国外的差距.笔者认为在提高 制造装备水平的同时,工艺的研究水平也不能滞后,离 开了先进的工艺,设备的先进性也就无法体现.因此 开展大直径菲涅尔透镜模具加工工艺的实验研究也是 不可忽视的,必须给予同样的高度重视. 参考文献 [1]汪小云.新型菲涅尔透镜模板数控加工技术研究[D].兰州:兰州理 工大学,2007. [2]海大鹏.菲涅尔透镜的加工工艺研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大 学,2007. [3]刘庆京.金刚石车削在红外衍射光学元件加工中的应用[J].激光与 红外,2001,32(2):102—109. [4]李荣彬,杜雪,张志辉,等.光学微结构的超精密加工技术[J].纳米 技术与精密工程,2003(1):57—61. [5]谢军,黄燕华,吴卫东,等.单点金刚石切削技术在ICF靶制备中的 应用[J].原子能科学技术,2005,39(3):274—277. 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