非球面加工數控夾具的設計研究

梁萬冀

摘 要：隨著非球面光學元件廣泛地應用在數控領域，傳統的非球面加工元件已經滿足不了現代機械應用，這種社會現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，要求在現代機械加工中，要減少二次裝夾的誤差，避免加工數據出現較大的變化影響大規模生產，在這種背景下，提出非球面加工數控夾具的設計優化方案，提高非球面加工數控夾具的效率與精度。文章主要對非球面加工數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，并綜合分析數控夾具的設計過程，并嘗試探究非球面加工數控夾具的設計方案，建設夾具的運動學模型，完成夾具的精確度測試，提高非球面加工數控夾具的設計質量。

關鍵詞：非球面加工；數控夾具；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

現代非球面加工數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的尺寸以及重量，各種非球面加工數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一系列問題，這就要求我們要重視球面加工數控夾具等設計，優化設計過程與方案，提高設計水平，為現代球面加工數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控夾具設計的主要技術，在數控夾具的制作上，發揮著重要的作用。磨削加工技術應用在非球面透明的常規磨削上，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，工件會出現磨削現象，由此容易降低非球面元件設計的精密度。

隨著現代精密加工技術的進步，現代非球面的磨削加工技術不斷進步，平面磨削技術的應用，可以改善傳統的磨削工藝，有效提高現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，要根據工件的楔角大小來調節夾具傾斜角度，一般可以通過傾角來調節夾具的位置，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，呈現出圓周分布的特點，其中，在磨削點的設計上，磨削點改變傳統的固定形態，能夠自由移動，因此可以自由調節傾角，這種狀態下，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 非球面加工數控夾具的設計

3.1 夾具設計總體目標

在非球面加工數控夾具的設計上，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，通過數控系統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工作臺面的傾斜，通過擺桿機構來實現底座的回轉運動。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，通過現代機械精密零件的組合，來實現夾具設計目標。在手工機械零件的建設中，通過相關零件的組合，實現零件的基本運動。

4 非球面加工數控夾具的設計模型

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。