先進(jìn)光學(xué)制造執(zhí)行系統(tǒng)研究與開發(fā)

唐定勇，李興蘭，陶以政，姜 龍，楊光宏

（中國工程物理研究院 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所，綿陽 621900）

0 引言

超高精度的光學(xué)元件制造隨著科技技術(shù)的進(jìn)步而不斷發(fā)展，并且代表時(shí)代的尖端技術(shù)水平。先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)是為適應(yīng)現(xiàn)代高科技發(fā)展的需要而發(fā)展起來的超精密加工技術(shù)，其內(nèi)涵一是指傳統(tǒng)加工方法不易突破的精度極限的加工技術(shù)，二是指實(shí)現(xiàn)微細(xì)尺寸界限挑戰(zhàn)的加工技術(shù)，三是指跨越傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的特殊形狀零件的加工技術(shù)；具有多學(xué)科的交叉和集成、精密化與超精密化、定量化和可重復(fù)性等特點(diǎn)[1,2]。先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)正由一門經(jīng)典的技藝發(fā)展為一門新的學(xué)科，其典型特征是用數(shù)學(xué)模型描述工藝過程、以計(jì)算機(jī)數(shù)字控制為主導(dǎo)的可重復(fù)的、可確定性的超精密加工，它集成了當(dāng)代光、機(jī)、電、算、測、材、新為一體，融當(dāng)代最新科技成果于一身，它不但服務(wù)于制造，同時(shí)也不斷形成自己的理論體系，發(fā)展成為光學(xué)科學(xué)和制造科學(xué)交叉的新領(lǐng)域和新的學(xué)術(shù)分支[3]。大口徑超精密光學(xué)元件是新型武器和國防工程項(xiàng)目的核心部件之一，然而，口徑超精密光學(xué)元件光學(xué)制造工藝基礎(chǔ)存在著機(jī)械化、數(shù)字化、集成化水平較低、信息化基礎(chǔ)薄弱等缺陷，使得高精度光學(xué)元件的加工成為制約若干武器和國防工程研制的“瓶頸”環(huán)節(jié)。針對大口徑、高精度光學(xué)元件制造過程中定量化水平低、成品率不高、重復(fù)性和一致性較差等問題，本文以大口徑光學(xué)元件制造工藝流程線為基礎(chǔ)，分析、研究了先進(jìn)光學(xué)制造工藝流程、制造執(zhí)行系統(tǒng)需求、體系架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，并采用RUP（Rational Unified Process）方法，利用J2EE技術(shù)構(gòu)建了基于Web的先進(jìn)光學(xué)制造執(zhí)行系統(tǒng)[4,5]。

1 先進(jìn)光學(xué)制造工藝流程線

大口徑超精密光學(xué)元件制造包括傳統(tǒng)古典工藝和先進(jìn)數(shù)字化制造工藝[6]，傳統(tǒng)古典工藝流程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)古典光學(xué)元件制造工藝流程

如圖1所示，光學(xué)元件從設(shè)計(jì)到玻璃毛坯再到元件的最終交付，將經(jīng)過成形加工（使得元件的外形滿足使用的公差要求）、粗磨（將元件表面成形至初步的設(shè)計(jì)形狀，如平面、球面或非球面）、細(xì)磨（進(jìn)一步提高成形精度，減少粗磨形成的表面缺陷）、初拋光（使得磨砂的元件表面成為光學(xué)表面，達(dá)到1～2波長的面形精度）和精拋光（采用連續(xù)拋光或手工修磨，達(dá)到最終的面形精度和表面粗糙度要求）。這種傳統(tǒng)古典研磨拋光工藝中，各工序之間的信息傳遞是非定量、模糊的，光學(xué)元件加工過程無法實(shí)現(xiàn)定量化控制，而且主要依賴于加工人員的經(jīng)驗(yàn)，制造進(jìn)度難以控制，效率低下，難以進(jìn)行大規(guī)模的批量生產(chǎn)。而先進(jìn)光學(xué)加工制造技術(shù)就是在傳統(tǒng)工藝流程中，對工藝流程各工序環(huán)節(jié)中依靠經(jīng)驗(yàn)和手工的工序進(jìn)行數(shù)字化加工和檢測改造，并通過信息化手段各工序環(huán)節(jié)的加工、檢測信息串聯(lián)起來，形成數(shù)字化光學(xué)制造工藝流程如圖2所示。要實(shí)現(xiàn)高精度光學(xué)元件的數(shù)字化制造，必須構(gòu)建貫穿光學(xué)元件設(shè)計(jì)到元件服役的信息傳遞流，并對各個工序節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定量化的技術(shù)指標(biāo)分解和控制。

2 先進(jìn)光學(xué)制造執(zhí)行系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)需求

先進(jìn)光學(xué)制造執(zhí)行系統(tǒng)的主要目的是實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件超精密制造“工藝流、信息流和控制流”的統(tǒng)一集成，消除數(shù)字化制造裝備“孤島”，達(dá)到光學(xué)元件制造上下游信息的共享、協(xié)同以及技術(shù)狀態(tài)控制和管理，合理利用光學(xué)元件制造相關(guān)資源，達(dá)到資源優(yōu)化配置。具體需求為：

1）生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度管理。這是光學(xué)元件制造流程線的源頭，以光學(xué)元件制造流程線的資源和能力為前提條件，通過相應(yīng)的生產(chǎn)計(jì)劃排序和作業(yè)計(jì)劃調(diào)度來優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃。

2）工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)及管理技術(shù)。實(shí)現(xiàn)數(shù)字化光學(xué)元件工藝設(shè)計(jì)，包括工藝規(guī)程的檢索、修改和編輯，提供元件分類標(biāo)準(zhǔn)和典型工藝檢索機(jī)制，支持工藝裝備、磨料、輔料等參數(shù)的選擇，可根據(jù)定量化加工及補(bǔ)償加工指標(biāo)，輔助生成相關(guān)數(shù)控加工指令。

3）光學(xué)元件檢驗(yàn)、檢測及質(zhì)量管理。通過全面收集制造過程中產(chǎn)品的檢驗(yàn)、檢測等質(zhì)量數(shù)據(jù)，科學(xué)的分析質(zhì)量波動原因，明確質(zhì)量提升空間。

4）光學(xué)元件制造資源管理。從生產(chǎn)制造過程所需資源角度出發(fā)對生產(chǎn)過程所需的人、物料、裝備、工具、庫房以及資料等元素進(jìn)行管理，以達(dá)到優(yōu)化配置和利用生產(chǎn)資源，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率的目標(biāo)。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

先進(jìn)光學(xué)制造執(zhí)行系統(tǒng)主要面向示范線生產(chǎn)管理人員、工藝人員和加工、檢測人員。其系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示。

先進(jìn)光學(xué)制造執(zhí)行系統(tǒng)總體架構(gòu)從底向上是制造裝備層、數(shù)據(jù)采集與交互層、業(yè)務(wù)功能模塊層和門戶層。制造裝備層由先進(jìn)光學(xué)制造線相關(guān)制造裝備構(gòu)成，如各種磨削成型裝備、確定性拋光、表面改性和檢測裝備等；數(shù)據(jù)采集與交互層，該層以多功能信息交互終端為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)各種制造信息的采集和交互，并與先進(jìn)光學(xué)制造裝備進(jìn)行接口集成；功能模塊層，是先進(jìn)光學(xué)制造執(zhí)行系統(tǒng)的核心層，實(shí)現(xiàn)制造執(zhí)行管理的主要業(yè)務(wù)功能，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理、接口管理、生產(chǎn)計(jì)劃和調(diào)度管理、光學(xué)元件建檔管理、光學(xué)元件制造工藝規(guī)劃、工步規(guī)劃、元件制造管理、元件檢測管理、質(zhì)量信息管理、裝備及原材料管理、技術(shù)文件管理等業(yè)務(wù)功能模塊；門戶層，主要面向系統(tǒng)的各類人員，為其提供操作界面[5,7,8]。

圖2 數(shù)字化光學(xué)制造工藝流程線

圖3 先進(jìn)光學(xué)制造執(zhí)行系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 先進(jìn)光學(xué)元件制造工藝、工步規(guī)劃

圖4 先進(jìn)光學(xué)制造工藝規(guī)劃業(yè)務(wù)過程

圖5 先進(jìn)光學(xué)制造信息模型

先進(jìn)光學(xué)元件制造工藝規(guī)劃針對同一批元件，解決某一批元件具體需要通過哪些工序加工，以及每一工序?qū)Σ牧系囊?，加工要求等問題。主要功能包括編輯工藝、工藝指派、工藝審核和工藝模板管理等。編輯工藝的目的是為了形成設(shè)計(jì)工藝，可通過直接創(chuàng)建新工藝來實(shí)現(xiàn)，也可通過檢索工藝的類型（平面、球面、非球面）、尺寸、精度，引入工藝模板中已有的成熟工藝，在此基礎(chǔ)上修改成為新工藝來實(shí)現(xiàn)；將形成的設(shè)計(jì)工藝應(yīng)用到某批元件上，即完成了工藝指派的過程，先進(jìn)光學(xué)制造工藝規(guī)劃業(yè)務(wù)過程如圖4所示。

2.3.2 先進(jìn)光學(xué)制造執(zhí)行信息模型

先進(jìn)光學(xué)制造執(zhí)行系統(tǒng)以光學(xué)元件為核心，制造工藝流程為線索來構(gòu)建系統(tǒng)的信息模型。生產(chǎn)計(jì)劃是先進(jìn)光學(xué)制造執(zhí)行系統(tǒng)的源頭，通過生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度，驅(qū)動元件生產(chǎn)制造工藝的編制，工藝通過流程進(jìn)行驅(qū)動，同時(shí)，關(guān)聯(lián)相關(guān)的制造信息，先進(jìn)光學(xué)制造信息模型如圖5所示。

3 結(jié)束語

本文研究分析了先進(jìn)光學(xué)制造工藝流程線及其特點(diǎn)，基于先進(jìn)光學(xué)制造執(zhí)行系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)構(gòu)建了先進(jìn)光學(xué)制造執(zhí)行系統(tǒng)總體架構(gòu)及功能，建立了以光學(xué)元件為核心，工藝流程為線索的先進(jìn)光學(xué)制造執(zhí)行系統(tǒng)。通過應(yīng)用表明，先進(jìn)光學(xué)制造執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以生產(chǎn)計(jì)劃為源頭，流程驅(qū)動的制造工藝動態(tài)編制和光學(xué)元件制造信息的集成，提高了光學(xué)元件制造的定量化水平及生產(chǎn)效率，為光學(xué)元件確定性制造奠定了基礎(chǔ)。

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