非球面加工數(shù)控夾具的設計研究

梁萬冀

摘 要：隨著非球面光學元件廣泛地應用在數(shù)控領域，傳統(tǒng)的非球面加工元件已經滿足不了現(xiàn)代機械應用，這種社會現(xiàn)實情況對非球面元件的設計提出更高要求，不僅要求要提高元件加工的效率，還要提高元件的精度，要求在現(xiàn)代機械加工中，要減少二次裝夾的誤差，避免加工數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的變化影響大規(guī)模生產，在這種背景下，提出非球面加工數(shù)控夾具的設計優(yōu)化方案，提高非球面加工數(shù)控夾具的效率與精度。文章主要對非球面加工數(shù)控夾具的設計過程以及設計方案進行研究，分析非球面應用技術的基本內涵，并綜合分析數(shù)控夾具的設計過程，并嘗試探究非球面加工數(shù)控夾具的設計方案，建設夾具的運動學模型，完成夾具的精確度測試，提高非球面加工數(shù)控夾具的設計質量。

關鍵詞：非球面加工；數(shù)控夾具；設計方案

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）05-0049-02

1 前言

現(xiàn)代非球面加工數(shù)控夾具屬于光學元件的一種重要類型，光球面主要是與球面有偏離，這種結構能夠有效減少光學元件系統(tǒng)的尺寸以及重量，各種非球面加工數(shù)控夾具的光學元件的應用，能夠提高緊密儀器的精密度。非球面光學元件主要應用在現(xiàn)代天文望遠鏡等精密度要求較高的儀器中，盡管我國光學元件的精密度達到世界先進水平，但在實際設計中仍舊會出現(xiàn)一系列問題，這就要求我們要重視球面加工數(shù)控夾具等設計，優(yōu)化設計過程與方案，提高設計水平，為現(xiàn)代球面加工數(shù)控夾具的設計提供借鑒經驗。

2 非球面磨削加工設計技術

非球面磨削加工技術是數(shù)控夾具設計的主要技術，在數(shù)控夾具的制作上，發(fā)揮著重要的作用。磨削加工技術應用在非球面透明的常規(guī)磨削上，能夠滿足非球面的要求。具體制作上，主要是將方形玻璃工件磨出斜面，然后完成裝夾工作，在夾具裝夾完成后，磨非軸對稱非球面。但在加工數(shù)控夾具的安裝上，這種安裝效果相對較差，會影響到非球面元件的精密度。非球面磨削過程：將工作元件直接裝夾在非球面的工作臺上，由于楔角的影響，非球面元件的非球面一面會偏離水平線，這種情況下，兩邊的磨削量嚴重不均衡，在傳統(tǒng)的磨削過程中，可以觀察到工件的運動方向與砂輪的切削方式相互垂直，由于工件在運動中磨削點固定容易受損，工件會出現(xiàn)磨削現(xiàn)象，由此容易降低非球面元件設計的精密度。

隨著現(xiàn)代精密加工技術的進步，現(xiàn)代非球面的磨削加工技術不斷進步，平面磨削技術的應用，可以改善傳統(tǒng)的磨削工藝，有效提高現(xiàn)代非球面元件的磨削精密度。具體磨削方法如下：在非球面元件磨削中，要根據(jù)工件的楔角大小來調節(jié)夾具傾斜角度，一般可以通過傾角來調節(jié)夾具的位置，這種設計方式既能夠有效減少工序，提高工作效率，同時也能夠減少磨削總量，避免出現(xiàn)精密度問題；另外，在磨削加工中，讓砂輪的運動方向與工件的運動方向一致，促使兩個設計元件的運行速率保持平行的狀態(tài)，呈現(xiàn)出圓周分布的特點，其中，在磨削點的設計上，磨削點改變傳統(tǒng)的固定形態(tài)，能夠自由移動，因此可以自由調節(jié)傾角，這種狀態(tài)下，工件的磨損程度明顯降低，由此可以有效增加非球面磨削的精密度，提高基本的效率。在這種方法建設中，由于砂輪的使用寬度增加，磨削面基本保持一致，以此可以利用傾角來調節(jié)夾具的具體位置。綜合看來，平面磨削原理的應用有效降低了磨削工作量，提高了加工效率。

3 非球面加工數(shù)控夾具的設計

3.1 夾具設計總體目標

在非球面加工數(shù)控夾具的設計上，要重視夾具總體目標的建設，首先夾具在建設過程中，要按照國家精度磨床標準規(guī)定（618Kg）來確定，確保建設車間的溫度維持在20攝氏度左右，另外，夾具在工作時，大多被吸附在電磁吸盤上，在實際的加工數(shù)控夾具的設計中，要遵循以下的設計要求：（1）設計楔形非球面元件加工夾具，工作臺面面積：430mmx430mm；（2）可磨削的楔形非球面最大尺寸：400mmx400mm，帶有工件裝夾機構；（3）工作臺面最大傾角：士80°；（4）工作臺面調平時，整機高度不超過150mm。

要將非球面加工數(shù)控夾具放置在磨床上進行測試，確保整個設計過程是獨立的；另外，還要對工作臺面進行精密度測試，將其鎖死，通過數(shù)控系統(tǒng)來確定來提高夾具的精密度；一般還要將工作平面的平面傾角控制在0～12°左右，垂直回轉角度為0～8°。

3.2 夾具的類型

在這些夾具的整體設計上，包括四種設計方案，可以將其分為兩類，一類是三自由度機械手模型，主要包括楔塊式、氣動式以及三軸式傾角可調式夾具，另外一種為手動控制夾具，主要包括球面接觸式傾角可調夾具。

三自由度機械手模型主要是由三個旋轉關節(jié)構成，在工作中，主要是通過機械手的工作臺面與底面進行作用，促使工作臺面與底座產生一定方向的傾角，這種設計形式為楔塊式、氣動式以及三軸式傾角可調式夾具的安裝設計提供基本的底座。

球面接觸式傾角可調夾具屬于手動式機械，主要是利用球面來實現(xiàn)工作臺面的傾斜，通過擺桿機構來實現(xiàn)底座的回轉運動。夾具的主要結構是由底板、凹球面體、鋼套、Z軸、定心套以及楔蓋等基本零件組成，通過現(xiàn)代機械精密零件的組合，來實現(xiàn)夾具設計目標。在手工機械零件的建設中，通過相關零件的組合，實現(xiàn)零件的基本運動。

4 非球面加工數(shù)控夾具的設計模型

在夾具的設計中，重視精度測量能夠有效提高夾具的設計精度，同時也能夠提高磨削加工精度。為了評價加工誤差，就要對加工插補誤差以及工件形面誤差進行分析、計算。

4.1 插補誤差分析

采用前述平行的磨削方法，在x、y方向采用線性插補的方式，另外在z、y的方向，圓弧砂輪上的磨削點是會移動的，通過表面加工圓弧的方式，在工件表面上形成平行加工軌跡，然后通過點的設計A（x，y）B（x1，y1）的形式來確定加工店，應用直線插補的方式進行直線建設，以此來模擬磨削的實際軌跡。

圖1主要是xy方向確定插補誤差示意圖，其中直線AB為夾具磨削的實際運行軌跡，與理想中的運行軌跡AB進行比較，理想的磨削軌跡為弧線AB，x軸方向上的加工誤差可以將其看做CD之間的距離，C點為直線AB的重點，D點為弧線AB與圓心延長線的交點。