0 引言
超高精度的光學元件制造隨著科技技術的進步而不斷發展，并且代表時代的尖端技術水平。先進光學制造技術是為適應現代高科技發展的需要而發展起來的超精密加工技術，其內涵一是指傳統加工方法不易突破的精度極限的加工技術，二是指實現微細尺寸界限挑戰的加工技術，三是指跨越傳統應用領域的特殊形狀零件的加工技術；具有多學科的交叉和集成、精密化與超精密化、定量化和可重復性等特點。先進光學制造技術正由一門經典的技藝發展為一門新的學科，其典型特征是用數學模型描述工藝過程、以計算機數字控制為主導的可重復的、可確定性的超精密加工，它集成了當代光、機、電、算、測、材、新為一體，融當代最新科技成果于一身，它不但服務于制造，同時也不斷形成自己的理論體系，發展成為光學科學和制造科學交叉的新領域和新的學術分支。大口徑超精密光學元件是新型武器和國防工程項目的核心部件之一，然而，口徑超精密光學元件光學制造工藝基礎存在著機械化、數字化、集成化水平較低、信息化基礎薄弱等缺陷，使得高精度光學元件的加工成為制約若干武器和國防工程研制的“瓶頸”環節。針對大口徑、高精度光學元件制造過程中定量化水平低、成品率不高、重復性和一致性較差等問題，本文以大口徑光學元件制造工藝流程線為基礎，分析、研究了先進光學制造工藝流程、制造執行系統需求、體系架構和關鍵技術，并采用RUP（Rational Unified Process）方法，利用J2EE技術構建了基于Web的先進光學制造執行系統。
1 先進光學制造工藝流程線
大口徑超精密光學元件制造包括傳統古典工藝和先進數字化制造工藝，傳統古典工藝流程如圖1所示。
圖1 傳統古典光學元件制造工藝流程
如圖1所示，光學元件從設計到玻璃毛坯再到元件的最終交付，將經過成形加工（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計形狀，如平面、球面或非球面）、細磨（進一步提高成形精度，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表面，達到1～2波長的面形精度）和精拋光（采用連續拋光或手工修磨，達到最終的面形精度和表面粗糙度要求）。這種傳統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，光學元件加工過程無法實現定量化控制，而且主要依賴于加工人員的經驗，制造進度難以控制，效率低下，難以進行大規模的批量生產。而先進光學加工制造技術就是在傳統工藝流程中，對工藝流程各工序環節中依靠經驗和手工的工序進行數字化加工和檢測改造，并通過信息化手段各工序環節的加工、檢測信息串聯起來，形成數字化光學制造工藝流程如圖2所示。要實現高精度光學元件的數字化制造，必須構建貫穿光學元件設計到元件服役的信息傳遞流，并對各個工序節點進行定量化的技術指標分解和控制。
圖2 數字化光學制造工藝流程線
2 先進光學制造執行系統
2.1 系統需求
先進光學制造執行系統的主要目的是實現光學元件超精密制造“工藝流、信息流和控制流”的統一集成，消除數字化制造裝備“孤島”，達到光學元件制造上下游信息的共享、協同以及技術狀態控制和管理，合理利用光學元件制造相關資源，達到資源優化配置。具體需求為：
1）生產計劃與調度管理。這是光學元件制造流程線的源頭，以光學元件制造流程線的資源和能力為前提條件，通過相應的生產計劃排序和作業計劃調度來優化生產計劃。
2）工藝規劃設計及管理技術。實現數字化光學元件工藝設計，包括工藝規程的檢索、修改和編輯，提供元件分類標準和典型工藝檢索機制，支持工藝裝備、磨料、輔料等參數的選擇，可根據定量化加工及補償加工指標，輔助生成相關數控加工指令。
3）光學元件檢驗、檢測及質量管理。通過全面收集制造過程中產品的檢驗、檢測等質量數據，科學的分析質量波動原因，明確質量提升空間。
4）光學元件制造資源管理。從生產制造過程所需資源角度出發對生產過程所需的人、物料、裝備、工具、庫房以及資料等元素進行管理，以達到優化配置和利用生產資源，降低生產成本，提高生產效率的目標。
2.2 系統總體架構
先進光學制造執行系統主要面向示范線生產管理人員、工藝人員和加工、檢測人員。其系統總體架構如圖3所示。
圖3 先進光學制造執行系統總體架構
先進光學制造執行系統總體架構從底向上是制造裝備層、數據采集與交互層、業務功能模塊層和門戶層。制造裝備層由先進光學制造線相關制造裝備構成，如各種磨削成型裝備、確定性拋光、表面改性和檢測裝備等；數據采集與交互層，該層以多功能信息交互終端為基礎，實現各種制造信息的采集和交互，并與先進光學制造裝備進行接口集成；功能模塊層，是先進光學制造執行系統的核心層，實現制造執行管理的主要業務功能，包括基礎數據管理、系統管理、接口管理、生產計劃和調度管理、光學元件建檔管理、光學元件制造工藝規劃、工步規劃、元件制造管理、元件檢測管理、質量信息管理、裝備及原材料管理、技術文件管理等業務功能模塊；門戶層，主要面向系統的各類人員，為其提供操作界面。
2.3 系統關鍵技術
2.3.1 先進光學元件制造工藝、工步規劃
先進光學元件制造工藝規劃針對同一批元件，解決某一批元件具體需要通過哪些工序加工，以及每一工序對材料的要求，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計工藝，可通過直接創建新工藝來實現，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，在此基礎上修改成為新工藝來實現；將形成的設計工藝應用到某批元件上，即完成了工藝指派的過程，先進光學制造工藝規劃業務過程如圖4所示。
圖4 先進光學制造工藝規劃業務過程
2.3.2 先進光學制造執行信息模型
先進光學制造執行系統以光學元件為核心，制造工藝流程為線索來構建系統的信息模型。生產計劃是先進光學制造執行系統的源頭，通過生產計劃調度，驅動元件生產制造工藝的編制，工藝通過流程進行驅動，同時，關聯相關的制造信息，先進光學制造信息模型如圖5所示。
圖5 先進光學制造信息模型
3 結束語
本文研究分析了先進光學制造工藝流程線及其特點，基于先進光學制造執行系統需求，設計構建了先進光學制造執行系統總體架構及功能，建立了以光學元件為核心，工藝流程為線索的先進光學制造執行系統。通過應用表明，先進光學制造執行系統實現了以生產計劃為源頭，流程驅動的制造工藝動態編制和光學元件制造信息的集成，提高了光學元件制造的定量化水平及生產效率，為光學元件確定性制造奠定了基礎。
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本文標題：先進光學制造執行系統研究與開發
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