光学元件作为天文望远镜、人工智能(AR/VR)、半导体芯片光刻、新一代通信、医疗设备影像新能源等军民领域的核心关键元器件，有着庞大的市场需求，特别是在航空航天与高新技术领域的大光学工程项目领域，需数以万计大批量、米级口径特殊性能超高精度光学元件，这对我国精密/超精密级光学元件的超精密加工提供了发展机遇，也给加工与供货能力带来了严峻的技术挑战。

现阶段，高精度、低损伤的光学元件一般需经过粗磨、精磨、抛光和镀膜等工序。这些工序中，光学元件的精磨与抛光加工尤其重要，在很大程度上决定了光学元件的加工质量水平。其中，磨削基本确定了大口径光学元件的面形精度，同时为降低后续的抛光工作量，磨削过程中需尽量减少在光学元件表面形成过多的缺陷与破坏；而抛光作为光学元件超精密加工中最后一道冷加工工序，是获取超光滑低缺陷损伤光学表面的必要保证。因此，从保证大口径光学元件加工质量的角度，精密磨削与高精度抛光手段是相辅相成、必不可少的，而高精度的机床装备则是实现精密磨削与抛光的前提保证。

在激光核聚变和空天望远镜等大型光学工程项目的驱动下，国内已能够研发制造出相对高端的精密机床，但与国际先进水平相比，我国的光学超精密加工技术与装备还存在一定的差距，须继续加强攻关研究。除光学元件超精密加工所必须的高端磨抛装备，还需要加强一系列关键的配套单元技术水平，如超精密磨抛加工工艺与技术、高端关键功能部件、加工环境智能监控技术、高效超精密加工工具、加工与检测路径规划及补偿加工策略、计算机辅助制造和检测软件等。这些技术的研发应用关系到高端制造领域的技术发展，更是国家与行业领域应重点关注的研发技术。

厦门大学精密工程实验室围绕大口径光学非球面元件的磨削与抛光加工，对加工工艺、磨削与抛光装备、装备监控与控制软件以及相关单元技术开展研究，取得了相应的成果，这些研究成果可为实现高端光学元件的超精密加工提供制造加工技术支持与装备解决方案。

近期，厦门大学精密工程实验室在《光电工程》2023年第4期上发表了题为“光学元件超精密磨抛加工技术研究与装备开发”的特邀综述文章，介绍了厦门大学精密工程课题组在光学元件超精密磨削与抛光加工技术方面的研究情况与进展。

（一）超精密磨削装备及单元技术

研发制造超精密磨床设备，有效降低磨削加工阶段遗留的表面损伤程度，不仅有助于提升抛光阶段的抛光效率，更是缩短大口径光学非球面元件加工周期的重要途径之一。厦门大学精密工程实验室研制了大口径精密磨床UPG80，并开展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、亚表面损伤深度SSD≤3 μm，实现了研制高端超精密磨削机床关键核心技术的突破。UPG80磨床三直线轴均采用了静压导轨滑块和静压主轴技术，课题组通过运动学理论，建立了闭式液体静压导轨准静态理论模型，分析了PM流量控制器参数对运动精度的影响规律。此外，还考虑外力加载形式下的油膜设计总间隙对运动精度的影响规律以及配对导轨面相对差异对运动精度的影响，其研究结果为UPG80导轨部件的横向闭式导轨运动误差分析提供了参考。

图1 大口径精密磨床UPG80

（二）超精密抛光装备及单元技术

气囊抛光技术具备加工面形精度高、去除函数稳定以及材料去除效率高等优势，是一种极具工程应用潜力的非球面光学元件超精密抛光加工技术。厦门大学经过多年的技术迭代，已研制出多台大口径五轴柔性数控气囊抛光机床，能够加工平面、非球面、球面、自由曲面等多种表面形式，且已具备量化生产的能力。

图2 五轴数控气囊抛光机床

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针对规则路径规划会引入中频误差从而降低成像质量导致光学元件性能低的问题，课题组结合气囊进动控制模式，提出了基于迷宫原理的随机路径，该路径只在靠近低频段引入一定的功率密度谱，其功率密度谱分布更加趋势于美国国家点火装置标准，一定程度上可有效抑制中频误差。

图3 基于迷宫的抛光路径生成原理图

（三）光学元件超精密磨抛加工CAM软件

随着制造行业不断向高端智能化发展，精密制造领域对质量控制的要求越来越高。为保证机床长期平稳的运行和加工质量稳定，获取高精度的光学元件，课题组以自研的UPG80大口径光学元件精密磨削机床为研究对象，设计了精密磨削加工状态智能监控系统，能够对磨床的运行过程和磨削加工状态进行实时监测。其中，课题组利用声发射信号的频谱进行线性判别分析(LDA)，提出了一种基于LDA的砂轮状态恶化在线监测方法，该方法能够实时识别磨削过程中的不同磨损阶段和砂轮的自锐性。此外，还开发了五轴高效可控气囊抛光系统控制软件，该控制软件基于光学元件气囊抛光工艺流程进行设计，能够实现光学元件的超精密加工以及批量化生产。

图4 磨削智能监控系统框架

在国家大光学工程驱动下，我国已经能加工出较高精度的大口径光学元件，但相比国外先进水平仍然存在较大的提升空间，未来的发展趋势需要相关部门与研究机构及高校创新性地探索研究相关新加工技术与方法、新的加工工艺、新的检测技术，并将这些技术成果进行高效转化，研发制造出高精度智能集成化的生产设备，以期在此基础上实现光学元件的超精密加工以及批量化生产，从而具备实力应对我国精密/超精密级光学元件加工与供货能力的发展机遇和严峻技术挑战，确保我国相关大工程项目和国防军事等领域的建设与实施。

该工作得到了国家自然科学基金项目(51675453)和深圳科技计划项目(JCYJ 20160517103720819)的资助。