梁萬冀

摘 要：隨著非球面光學(xué)元件廣泛地應(yīng)用在數(shù)控領(lǐng)域，傳統(tǒng)的非球面加工元件已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代機(jī)械應(yīng)用，這種社會(huì)現(xiàn)實(shí)情況對(duì)非球面元件的設(shè)計(jì)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(jī)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(chǎn)，在這種背景下，提出非球面加工數(shù)控夾具的設(shè)計(jì)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(duì)非球面加工數(shù)控夾具的設(shè)計(jì)過程以及設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究，分析非球面應(yīng)用技術(shù)的基本內(nèi)涵，并綜合分析數(shù)控夾具的設(shè)計(jì)過程，并嘗試探究非球面加工數(shù)控夾具的設(shè)計(jì)方案，建設(shè)夾具的運(yùn)動(dòng)學(xué)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(shè)計(jì)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：非球面加工；數(shù)控夾具；設(shè)計(jì)方案

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(xué)元件的一種重要類型，光球面主要是與球面有偏離，這種結(jié)構(gòu)能夠有效減少光學(xué)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(xué)元件的應(yīng)用，能夠提高緊密儀器的精密度。非球面光學(xué)元件主要應(yīng)用在現(xiàn)代天文望遠(yuǎn)鏡等精密度要求較高的儀器中，盡管我國光學(xué)元件的精密度達(dá)到世界先進(jìn)水平，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中仍舊會(huì)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(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)過程與方案，提高設(shè)計(jì)水平，為現(xiàn)代球面加工數(shù)控夾具的設(shè)計(jì)提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

2 非球面磨削加工設(shè)計(jì)技術(shù)

非球面磨削加工技術(shù)是數(shù)控夾具設(shè)計(jì)的主要技術(shù)，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(shù)應(yīng)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(duì)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(duì)較差，會(huì)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(tái)上，由于楔角的影響，非球面元件的非球面一面會(huì)偏離水平線，這種情況下，兩邊的磨削量嚴(yán)重不均衡，在傳統(tǒng)的磨削過程中，可以觀察到工件的運(yùn)動(dòng)方向與砂輪的切削方式相互垂直，由于工件在運(yùn)動(dòng)中磨削點(diǎn)固定容易受損，工件會(huì)出現(xiàn)磨削現(xiàn)象，由此容易降低非球面元件設(shè)計(jì)的精密度。

隨著現(xiàn)代精密加工技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代非球面的磨削加工技術(shù)不斷進(jìn)步，平面磨削技術(shù)的應(yīng)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(diào)節(jié)夾具傾斜角度，一般可以通過傾角來調(diào)節(jié)夾具的位置，這種設(shè)計(jì)方式既能夠有效減少工序，提高工作效率，同時(shí)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(yùn)動(dòng)方向與工件的運(yùn)動(dòng)方向一致，促使兩個(gè)設(shè)計(jì)元件的運(yùn)行速率保持平行的狀態(tài)，呈現(xiàn)出圓周分布的特點(diǎn)，其中，在磨削點(diǎn)的設(shè)計(jì)上，磨削點(diǎn)改變傳統(tǒng)的固定形態(tài)，能夠自由移動(dòng)，因此可以自由調(diào)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(shè)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(diào)節(jié)夾具的具體位置。綜合看來，平面磨削原理的應(yīng)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(shè)計(jì)

3.1 夾具設(shè)計(jì)總體目標(biāo)

在非球面加工數(shù)控夾具的設(shè)計(jì)上，要重視夾具總體目標(biāo)的建設(shè)，首先夾具在建設(shè)過程中，要按照國家精度磨床標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（618Kg）來確定，確保建設(shè)車間的溫度維持在20攝氏度左右，另外，夾具在工作時(shí)，大多被吸附在電磁吸盤上，在實(shí)際的加工數(shù)控夾具的設(shè)計(jì)中，要遵循以下的設(shè)計(jì)要求：（1）設(shè)計(jì)楔形非球面元件加工夾具，工作臺(tái)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(jī)構(gòu)；（3）工作臺(tái)面最大傾角：士80°；（4）工作臺(tái)面調(diào)平時(shí)，整機(jī)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(jìn)行測試，確保整個(gè)設(shè)計(jì)過程是獨(dú)立的；另外，還要對(duì)工作臺(tái)面進(jìn)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(zhuǎn)角度為0～8°。

3.2 夾具的類型

在這些夾具的整體設(shè)計(jì)上，包括四種設(shè)計(jì)方案，可以將其分為兩類，一類是三自由度機(jī)械手模型，主要包括楔塊式、氣動(dòng)式以及三軸式傾角可調(diào)式夾具，另外一種為手動(dòng)控制夾具，主要包括球面接觸式傾角可調(diào)夾具。

三自由度機(jī)械手模型主要是由三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)構(gòu)成，在工作中，主要是通過機(jī)械手的工作臺(tái)面與底面進(jìn)行作用，促使工作臺(tái)面與底座產(chǎn)生一定方向的傾角，這種設(shè)計(jì)形式為楔塊式、氣動(dòng)式以及三軸式傾角可調(diào)式夾具的安裝設(shè)計(jì)提供基本的底座。

球面接觸式傾角可調(diào)夾具屬于手動(dòng)式機(jī)械，主要是利用球面來實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)面的傾斜，通過擺桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)底座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。夾具的主要結(jié)構(gòu)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(jī)械精密零件的組合，來實(shí)現(xiàn)夾具設(shè)計(jì)目標(biāo)。在手工機(jī)械零件的建設(shè)中，通過相關(guān)零件的組合，實(shí)現(xiàn)零件的基本運(yùn)動(dòng)。

4 非球面加工數(shù)控夾具的設(shè)計(jì)模型

在夾具的設(shè)計(jì)中，重視精度測量能夠有效提高夾具的設(shè)計(jì)精度，同時(shí)也能夠提高磨削加工精度。為了評(píng)價(jià)加工誤差，就要對(duì)加工插補(bǔ)誤差以及工件形面誤差進(jìn)行分析、計(jì)算。

4.1 插補(bǔ)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(bǔ)的方式，另外在z、y的方向，圓弧砂輪上的磨削點(diǎn)是會(huì)移動(dòng)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(diǎn)的設(shè)計(jì)A（x，y）B（x1，y1）的形式來確定加工店，應(yīng)用直線插補(bǔ)的方式進(jìn)行直線建設(shè)，以此來模擬磨削的實(shí)際軌跡。

圖1主要是xy方向確定插補(bǔ)誤差示意圖，其中直線AB為夾具磨削的實(shí)際運(yùn)行軌跡，與理想中的運(yùn)行軌跡AB進(jìn)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(diǎn)為直線AB的重點(diǎn)，D點(diǎn)為弧線AB與圓心延長線的交點(diǎn)。