大直徑菲涅爾透鏡模具加工發展現狀及展望*

關佳亮 陳志德 曹成國 汪文昌

(①北京工業大學機電學院，北京 100124;②北京工研精機有限公司，北京 101312)

菲涅爾透鏡具有不遜于傳統透鏡的光學聚焦和光學成像性能，因其質量輕、厚度薄、口徑大、結構緊湊等優點，在太陽能熱水器、太陽能電站及顯像領域有著廣泛的應用［1－2］。

太陽能作為一種清潔能源，其開發利用已經受到人們的普遍重視。目前，全球投入使用的太陽能發電站裝機容量約有700 MW，在建項目1 200 MW，已經宣布建設的裝機容量則為1.26萬MW。大直徑菲涅爾透鏡作為集熱元件，是太陽能熱發電系統的重要組成部分。另外，激光背投電視在國外已經逐步成熟，其顏色表現能力是平板電視的2～3倍，消耗的電能為現有液晶電視的1/2，等離子電視、傳統電視機的1/3。一條背投電視生產線的造價僅為液晶的幾十分之一，而且生產過程非常環保。激光背投電視的核心部件顯示屏為菲涅爾透鏡，其規格尺寸逐步增大。隨著太陽能電站的發展和背投電視進入家庭，對大直徑菲涅爾透鏡的市場需求將會越來越大。

目前，大直徑菲涅爾透鏡的制造，主要通過超精密金剛石車削加工技術加工出模具，利用模壓成型工藝制作大直徑菲涅爾透鏡［3－9］。圖1為菲涅爾透鏡模具示意圖。

菲涅爾透鏡模具具有同心圓環式細齒溝槽表面，相鄰環帶的角度和深度有細微變化。環距小，環數眾多，刀具加工軌跡由一簇相互之間不連續的同心圓環構成，需要機床進行成千上萬次的退刀、進刀。同時，相鄰環帶的傾角有微小差距，需對刀具所在回轉軸進行微調。整個加工過程中，機床各軸不停地起動、停止以及微調，這樣對機床的重復定位精度要求極高［10－11］。另外，為提高光學性能，菲涅爾透鏡工作表面的表面粗糙度要求極高，應達到納米級精度，因此對加工工藝水平提出了很高的要求。

為解決大直徑菲涅爾透鏡模具的加工難題，國內外開展了專用機床及加工工藝的研究，本文就針對大直徑菲涅爾透鏡模具的加工，詳述國內外的發展現狀。

1 大直徑菲涅爾透鏡模具加工的發展現狀

1.1 國外發展現狀

大直徑菲涅爾透鏡在大型照明系統和空間太陽能電池光伏系統等領域中，具有重要的軍事及商業應用價值，但其加工難度高，只有日本、美國等發達國家掌握了大型菲涅爾透鏡加工的關鍵技術和加工設備。

日本東芝機械從上世紀70年代就開始超精密加工的研究，經過不斷的發展，積累了大量的核心科技和專有技術，實現了機床的高剛度、高精度和高穩定性。

東芝機械大尺寸投影和屏幕透鏡模具超精密加工機床有ULR、UTD系列，其中龍門式加工機床UTD－2200B、UTD－3400B，主要用于大直徑菲涅爾透鏡模具的加工，模具直徑分別達到φ2 200 mm和φ3 400 mm。機床主要配置有由液體靜壓軸承主軸支承的高精度回轉臺，高剛度、高精度雙V滾針導軌，高精度回轉B軸，高速度、高精度控制技術和直線電動機驅動技術(1 nm反饋控制)，實現了穩定的切削過程，保證了面形精度和表面粗糙度。圖2為UTD－3400B機床結構圖，圖3為回轉B軸示意圖，圖4為菲涅爾透鏡模具加工過程示意圖。

東芝機械大直徑菲涅爾透鏡模具加工機床UTD系列目前處于國際先進水平。表1為UTD－2200B、UTD－3400B主要技術指標。

美國在超精密加工領域一直處于引領地位。Preciteck是一家超精密機床制造商，已在全球推出超過1 200款機床，主要為單晶、有色金屬和黑色金屬材料旋轉對稱和自由形態應用提供全面的超精密多軸金剛石車削、研磨、切槽和銑削機床。

表1 UTD－2200B、UTD－3400B技術指標

Nanoform 700 Ultra是大容量超精密加工系統，專為生產單點金剛石車削和確定細微研磨光學鏡片、光學模具鑲件、光學鏡和精密機械組件而設計。該機床配置有0.01 nm編程分辨率和32 pm反饋分辨率運動控制體系，X、Z軸應用高剛度靜壓油軸承導軌和直線電動機驅動技術，快刀伺服系統可實現表面結構的金剛石車削，旋轉B軸是直接驅動的油靜壓軸承，具有整體式高分辨率編碼器，自適應控制技術(ACT)應用到機床上，改進了面形精度和表面粗糙度。

Nanoform 700 Ultra應用于菲涅爾透鏡模具的加工，最大加工直徑700 mm，面形精度最小可達0.3 μm PV，表面粗糙度達1 nm。

1.2 國內發展現狀

大型數控超精密菲涅爾透鏡加工設備的開發和研究2004年列入國家863計劃，2007年甘肅天水星火機床有限公司聯合清華大學成功完成了LKG5833大型數控超精密菲涅爾透鏡加工設備的研制。該設備集數控技術、在線測量技術、精密成形專有技術于一體，是目前國內先進的超精密加工設備。

北京工研精機有限公司在2009年完成大型菲涅爾透鏡模具加工機床CKG1800VL項目的研制。圖6為CKG1800VL機床結構圖。

通過對機床總體布局設計、部件優化、裝配調試精度控制及切削參數實驗，滿足了加工技術指標，最大加工直徑為φ2 000 mm，表面粗糙度達到納米級，在國內處于領先水平。表2為CKG1800VL主要技術指標。

表2 CKG1800VL技術指標

目前，北京工研精機有限公司聯合北京工業大學開展“大直徑端面透鏡模具加工超精密機床”的研究開發，本課題屬于“高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項的一個子課題。北京工研精機有限公司負責機床設計，北京工業大學負責加工工藝的理論和實驗研究。課題目標是設計完成用于大直徑菲涅爾透鏡模具加工的超精密機床，要達到的主要技術指標為最大加工直徑φ2 200 mm，主軸回轉精度1 μm，機床X軸行程1 200 mm，Z軸行程200 mm，X、Z、B軸編程分辨率分別為 50 nm、50 nm、0.000 1°，加工工件表面粗糙度小于10 nm。該項目完成后將會使我國在大直徑菲涅爾透鏡模具加工設備的制造和研究方面處于國際先進水平。

國內也有其他相關企業進行菲涅爾透鏡產品的設計和生產，加工工藝技術逐步提高，生產規模日益擴大。臨邑宇影光學儀器有限公司，從1968年成立至今從事菲涅爾透鏡的生產，專注于光學設計，各種類型菲涅爾透鏡模具制造及成形工藝的研究，相繼開發出太陽能光伏聚光、背投影屏幕、投影儀等用途的菲涅爾透鏡產品。國家高新技術企業成都菲斯特科技有限公司，致力于菲涅爾透鏡的研究，開發市場，擁有先進的大型單點金剛石超精密模具加工設備和多種生產手段，擅長大型、高精度菲涅爾透鏡的設計、開發和生產。國內最大的單點金剛石超精密加工機床，能夠加工高精密微細結構，加工工件直徑可達φ2 000 mm。

2 大直徑菲涅爾透鏡加工的發展趨勢

盡管國內外對大直徑菲涅爾透鏡模具加工的研究已經取得了不少成果，但國內對大直徑(φ2 000 mm以上)菲涅爾透鏡模具加工機床的研究水平與美國、日本還有很大差距，目前還是空白。如何結合我國實際情況開展對大直徑菲涅爾透鏡模具加工設備及其工藝的研究以縮小與發達國家的差距是當前亟待解決的主要問題。本文通過對已掌握資料的分析研究，提出了以下關于大直徑菲涅爾透鏡模具加工設備及其加工工藝研究的發展趨勢:

(1)光學系統的設計研究

傳統的菲涅爾透鏡是同心圓環狀，環帶工作面是平面。最新設計可以使每個工作面具有準確的非球面輪廓，避免了由溝槽寬度引起的對聚焦精度的限制。同時，同心圓環式可以設計成阿基米德螺線式，更適合金剛石車削加工，能夠降低對機床的精度要求，并可以提高加工效率。改善光學設計，提高光學性能和可加工性，是菲涅爾透鏡發展的基本方向［12－15］。

(2)機床系統的設計研究

超精密機床仍然是大直徑菲涅爾透鏡模具加工必不可少的基礎設備，機床性能直接影響模具的加工質量。高剛度、高精度回轉主軸，導軌的進給穩定性和定位精度，高剛度、高回轉精度B軸，運動控制技術等是機床系統的關鍵組成部分，也是未來研究的重點所在。另外，隨著民用產品的市場需求不斷增大，對機床加工效率的要求也會越來越高。

(3)加工工藝技術的優化研究

專用金剛石刀具的設計與刃磨是加工制造中的重要一環。優化刀具角度、幾何形狀以及提高刃磨工藝水平是研究的重要內容［16－18］。工件變形受切削力、切削熱的影響，因此需要對切削力、切削熱的變化規律進行研究，以保證模具的面形精度。另外，切削參數直接影響到加工穩定性和工件加工質量，通過理論研究和實驗分析優化切削參數是研究的重點［19－20］。

3 結語

綜上所述，由于大直徑菲涅爾透鏡在綠色低碳產業和環保節能產品領域的廣泛應用，帶來了巨大的經濟效益，因此世界各國在大直徑菲涅爾透鏡模具加工制造設備的研發方面投入了大量的人力物力。我國目前研制的大直徑菲涅爾透鏡模具加工專用設備的最大加工直徑僅為φ2 000 mm，加工精度為亞微米級，日本目前最大加工直徑可達φ3 400 mm，加工精度達納米級。因此“大直徑端面透鏡模具加工超精密機床及加工工藝的研究”被列為2011年國家科技重大專項“高檔數控機床與基礎制造裝備”的子課題，旨在提升制造裝備的水平，縮小與國外的差距。筆者認為在提高制造裝備水平的同時，工藝的研究水平也不能滯后，離開了先進的工藝，設備的先進性也就無法體現。因此開展大直徑菲涅爾透鏡模具加工工藝的實驗研究也是不可忽視的，必須給予同樣的高度重視。

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