航天光学伺服惯性器件的精密与超精密制造装备示范

1）必要性

航天光学伺服惯性器件精密与超精密加工是高端智能制造的重要组成部分，主要包括导引头位标器、惯性器件、伺服阀和伺服机构等关键零件制造。

首先，航天光学系统零件的种类有：整流罩、主反射镜、次反射镜、偏心镜、校正镜、支撑镜、棱镜、非球面母模类光学零件等，见图6-12、图6-13。为满足光学系统成像质量好、体积小、重量轻、结构简单等要求，光学系统中零件从球面光学零件发展到非球面光学零件，从二次非球面光学零件发展到高次非球面光学零件，从回转对称非球面光学零件发展到离轴非球面光学零件及自由曲面光学零件，零件制造精度也提高了一个数量级；同时，为满足一些特殊应用，新型材料也得到了广泛使用，如多晶铝酸镁、氟化钙等材料，这些材料大多属于难加工材料。新结构和新材料的应用，提升了光学系统性能。航天产品的性能指标与其光学系统零件加工质量密切相关。如球形整流罩安装于导引头的最前端，是光学镜头的一部分。球形整流罩的同心度加工误差影响导引头位标器的跟踪零位，当同心度超标时，会引起跟踪补偿的不对称，导致产生常值误差量影响跟踪精度。面形精度加工则会引起光学系统像差变大，导致成像质量下降，探测距离缩短。同时由于飞行中要承受较大的压力和热冲击，其表面质量也要求非常高。

图6-12　球形整流罩

图6-13　非球面母模类光学零件

主、次反射镜是导引头位标器中的核心部件，主、次反射镜的面型精度、表面粗糙度、同心度、反射率等技术指标直接影响位标器甚至整个导弹的性能指标。根据设计要求，主反射镜的基体为铝镍钻永磁合金，反射面为非球面，面型精度需要达到1 μm，表面粗糙度达到10 nm，如果直接加工基体，无法加工到设计要求，因此必须采用光学覆膜法加工主、次反射镜，具体做法是：制造高精度的与反射镜参数相同的非球面母模，母模形面与反射镜相反（反射镜为凹面，母模即为凸面），分别镀硅油、一氧化硅、纯铝，通过环氧胶将母模的面型复制到主、次镜基体上。因此在主、次反射镜加工中，非球面母模是核心零件，母模的面型精度、表面粗糙度、同心度必须高于主、次反射镜的各个技术指标，母模的面型精度需要达到PV=0.5 μm；表面玼病B=Ⅲ，同心度C＜5 μm；表面粗糙度为8 nm 。

图6-14　液压伺服产品零件

其次，航天伺服惯性器件的精密与超精密加工结构零件（图6-14）主要分为液压伺服和电动伺服两类，液压伺服结构零件以液压本体和液压传动机构的活塞轴孔类结构为主。电动伺服结构零件以各类复杂薄壁结构、精密传动轴类零件为主。液压传动机构中的高压壳体、蓄压器壳体、作动筒、活塞、伺服阀壳体、阀套、阀芯等的密封腔、精密轴孔配合类结构，加工精度要求高，达到亚微米级。电动伺服机构的舵机框架、舵轴、平台支架、内框架、外框架等结构复杂薄壁框架结构，加工易变形，精度控制难度大。控制伺服结构是控制系统的执行机构，伺服机构运行的精确性直接影响产品的性能。如蓄压器壳体是伺服执行机构中的重要承压传动零件，内孔圆柱度、表面粗糙度加工精度误差影响液压密封效果，误差过大，就会出现渗油、漏油的状况，机构传动不精确，导致液压系统工作异常，影响武器控制信号的执行性能。

光学伺服惯性器件核心零件的制造水平，在一定程度上代表航天精密超精密制造的制高点，目前的工艺为满足精度要求，关键工序多以手工为主，依赖操作人员的技能水平，加工效率低，产品一致性不高，精度提升空间少，产量无法提高，成为型号研制的瓶颈。因此，针对航天光学伺服惯性器件，开展精密与超精密加工示范线的建设与实施对提高我国航天装备的竞争力与综合实力具有重要的战略意义。

由于国外对我国技术及高端装备的封锁，目前航天系统光学零件的加工制造与国外水平有相当大的差距，国内在这方面还是以古典加工为主，零件加工质量高度依赖操作人员的技能水平，数字化水平低。 目前光学零件的加工特点与现状总结如下：①随着航天型号研制的需要，产品的品种与数量急剧增加，产品质量要求更加苛刻，现有生产模式无法满足需要；②设备多为20世纪60、70年代手动设备，设备精度差、故障多，加工参数不能定量控制，加工中的不确定因素多，对操作工人技能要求非常高，加工精度主要依靠操作人员的技能、经验和工装精度来保证，加工周期长，精度一致性差；③零件加工精度要求高，工艺日益复杂，且由于零件结构特殊，检测困难，常出现零件到系统测试时才发现指标超差，严重耽误研制进度；④零件品种多，工艺流程切换频繁，资源调度完全依靠人工处理，设备也都是“孤岛”状态，自动化与数字化水平较低。因此，国内光学零件加工装备，工艺以及自动化传输与检测设备还不能满足航天制造的需要。为了满足航天光学零件对质量和效率的新需求，需要建立光学零件超精密自动化生产线，实现在线在位精密检测。

液压伺服控制系统产品零件加工精度要求高，结构复杂，生产加工需要数控多轴联动加工中心，数控高精度内、外圆磨床，数控精密车床，数控内孔珩磨机床、微小孔挤压研磨机床、数控超精密研磨机床协调完成。 目前，部分至关重要的零件如蓄压器壳体、作动筒、活塞、喷嘴、阀套等零件的研磨加工仍然采用手动加工完成，不能满足航天零件高质量、快节奏、快速响应的需求，加工能力明显不足，远不能满足多个型号的批生产要求。随着航天型号产品的多样化和研制周期的紧迫性，对控制伺服结构零件在加工精度、加工一致性、加工效率和成品零件的稳定性等方面的生产要求越来越高，这就要求在控制伺服结构零件的加工中使用高效、高精度、自动化程度较高的机械加工柔性生产线来保障。

根据航天光学伺服零件的制造特点和生产现状，迫切需要在已有设备的基础上通过自主研发核心加工装备，改造现有设备，形成柔性制造线。开展光学零件和伺服结构件高效加工工艺研究，研制自动加工工件传输与检测装备，围绕航天光学零件和控制伺服结构件的制造特点，在满足加工精度的前提下，提高加工效率。从而促进《中国制造2025 》战略的实施，提高产业核心竞争力和制造业创新能力，推动信息化和工业的深度融合发展。

2）研究目标

以运载火箭伺服机构、卫星光学部件和姿态系统敏感器、战术武器惯性与光学器件为典型产品，开展国产高端装备与国产数控系统的工艺适应性考核，提升国产高端装备的示范应用水平。建立航天精密与超精密制造装备生产示范线，进一步验证和提升国产高端数控装备制造、数控系统集成的示范应用水平，促进国产高端装备工程化应用，从而实现航天精密与超精密零部件制造与加工国产装备的规模化、批量化应用。

3）研究内容

图6-15所示为示范工程总体规划；图6-16所示为示范工程总体研究方案。

图6-15　示范工程总体规划

图6-16　示范工程总体研究方案

（1）开展航天光学伺服惯性器件微孔类、高精度内孔类、光学球面薄壁类及高精度非球面反射镜母模类零件加工工艺方面的研究；解决零件加工精度、质量稳定性与生产能力之间的矛盾。

针对航天领域的位标器非球面光学反射镜母模与超硬薄壁头罩类零件的超精密加工；伺服阀微小孔零件与液压伺服机构复杂壳体类和精密轴孔配合类零件的精密加工过程开展工艺研究。结合具有自主知识产权的国产高性能数控机床与柔性化制造生产线的功能与特点，开展与之相对应的加工技术研究，改进传统工艺路线、建立典型精密复杂零件的优化工艺解决方案和工艺参数数据库、全面提高多种航空领域复杂零件的加工精度、质量稳定性以及生产能力。图6-17所示为典型航天高精度零件加工工艺研究。

图6-17　典型航天高精度零件加工工艺研究

（2）开发数控定尺寸珩磨机、数控立式内孔珩磨机、数控超精密外圆研磨机、数控六轴五联动铣加工中心和数控挤压研磨机等多种精密数控制造装备，并配套国产数控系统，解决国产高端制造装备在航天光学伺服惯性零件制造领域中的精度、效率与可靠性的问题。(www.xing528.com)

目前在航天精密与超精密制造单元中，部分制造装备无法满足高端制造的需求，主要的高档数控机床及数控系统多采用进口，少量使用的国产数控机床也采用进口数控系统。针对航天光学伺服惯性器件加工工艺特点，结合复杂光学零件与精密伺服零件加工中的工艺难点对数控装备的需求，以国产高端制造装备和数控系统为核心，通过对重大专项前期研究成果的集成应用，提升航天光学伺服惯性器件生产的精度与效率，同时对国产设备的可靠性与适应性展开验证。图6-18所示为高端数控系统与数控装备配套。

（3）针对航天光学伺服惯性器件零件制造全过程，开展多种制造、检测及辅助装备的自动化研发、改造与升级，研究自动上下料、自动夹具、物流系统、半自动搬运等自动化技术，实现典型零件制造过程中的装备自动化。

图6-18　高端数控系统与数控装备配套

围绕国产高端制造装备，研究和开发DNC传输及监控管理系统、生产制造及执行管理系统、自动物料搬运、自动上下料等生产线集成关键技术，针对多种航天光学伺服惯性器件复杂度高、精度要求高、多型号小批量的特点，设计和优化柔性制造系统，针对关键工序研发和升级改造自动化制造装备，实现自动装夹、自动化加工与在线检测。

图6-19所示为精密与超精密加工自动化关键技术。

图6-19　精密与超精密加工自动化关键技术

（4）开展相关数字化制造、MES、DNC系统的研究，设计并优化伺服阀惯性器件微孔类、高精度内孔类零件加工、伺服机构精密零件加工及光学球面薄壁类及高精度非球面反射镜母模类零件加工示范线，实现航天制造领域生产柔性化与国产数控机床、数控系统的示范应用。

利用航天精密与超精密制造装备示范线，将国产高端制造装备与数控系统与自动物料搬运系统、自动化控制系统相结合，实现制造装备的自动化。在此基础上通过MES与DNS系统实现航天精密与超精密制造的生产柔性化，建立航天精密与超精密制造装备示范线，针对航天光学伺服惯性器件的小批量、多型号、任务紧等特点，实现零件加工的定制化与柔性化。

图6-20所示为柔性化生产管理系统开发与应用。

图6-20　柔性化生产管理系统开发与应用

4）关键技术

针对航天光学伺服惯性典型零件，开展四项关键技术攻关（包含四项任务）建设两个加工单元组成的示范线，完成示范线的应用与验证。

示范工程总体围绕六个任务展开，首先针对多种航天光学与惯性伺服器件典型复杂零件的加工难点，开展下述四项关键技术的攻关：

①航天光学伺服惯性器件高精度典型零件工艺研究，通过新工艺新方法提高零件加工精度与可靠性；

②高端国产数控装备与数控系统的开发与配套，通过关键制造装备的升级换代适应新的工艺要求，提高制造精度与效率；

③精密与超精密装备自动化技术应用研究，在工艺革新与装备升级的基础上实现制造装备的自动化，消除人为因素的影响，提高精密零件加工的质量与效率；

④柔性化生产管理系统研究、开发与应用，开展柔性制造系统数控设备联网、状态监控系统及生产制造执行系统研究，实现生产自动化与定制化，解决航天光学伺服惯性零件多型号小批量的问题。

在关键技术攻关的基础上，将其成果应用于设计和建立航天精密与超精密制造装备示范线，以提升航天光学伺服惯性复杂器件的加工质量与生产能力。示范线包括伺服惯性器件加工单元与光学超精密零件加工单元。最后，通过对多种复杂航天光学与惯性零件的生产，实现国产高端制造装备与数控系统的适应性与可靠性验证，同时也为航天领域的精密与超精密加工的柔性化、定制化提供了应用示范。

5）预期效果

以国产高档数控装备建立航天核心零件批生产精密超精密示范生产线，是国产高档数控装备研制水平的集中体现，精密超精密加工技术本身是国家制造业水平重要标志，其发展与国防工业密切相关，如美国原民兵Ⅱ型洲际导弹命中精度为500 m，依靠精密超精密制造技术生产高精度陀螺仪表，用于MX导弹使其命中精度达50 m，提高了一个数量级。示范线不仅能满足航天核心零件对加工质量和效率的迫切需求，还能突破国外技术封锁，降低对国外进口机床的依赖，为国家节省外汇，为企业节约生产成本。

本示范工程的研究成果可为我国各类航天光学伺服惯性器件精密与超精密加工提供装备和技术支持，实现相关的关键制造装备、制造工艺和工程应用的综合运用与集成创新，形成适合我国航天光学伺服惯性器件制造工艺、具有自主知识产权的数控定尺寸珩磨机、数控立式内孔珩磨机、数控超精密外圆研磨机、数控六轴五联动铣加工中心、数控挤压研磨机等装备，建设航天光学伺服惯性器件高端柔性制造示范线，完成国产高档数控机床与数控系统在航天光学伺服惯性器件生产线的示范应用，提高多种复杂精密与超精密零件的加工质量和加工效率，推动“04专项”研究在国产高档数控机床、国产高档数控系统在高端装备制造中的应用。示范工程相关成果在国内航天、国防等领域具有广泛的应用前景。

图6-21所示为航天精密加工示范生产线建设预期效果。

图6-21　航天精密加工示范生产线建设预期效果