非球面加工数控夹具的设计研究

梁万冀

摘 要：随着非球面光学元件广泛地应用在数控领域，传统的非球面加工元件已经满足不了现代机械应用，这种社会现实情况对非球面元件的设计提出更高要求，不仅要求要提高元件加工的效率，还要提高元件的精度，要求在现代机械加工中，要减少二次装夹的误差，避免加工数据出现较大的变化影响大规模生产，在这种背景下，提出非球面加工数控夹具的设计优化方案，提高非球面加工数控夹具的效率与精度。文章主要对非球面加工数控夹具的设计过程以及设计方案进行研究，分析非球面应用技术的基本内涵，并综合分析数控夹具的设计过程，并尝试探究非球面加工数控夹具的设计方案，建设夹具的运动学模型，完成夹具的精确度测试，提高非球面加工数控夹具的设计质量。

关键词：非球面加工；数控夹具；设计方案

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）05-0049-02

1 前言

现代非球面加工数控夹具属于光学元件的一种重要类型，光球面主要是与球面有偏离，这种结构能够有效减少光学元件系统的尺寸以及重量，各种非球面加工数控夹具的光学元件的应用，能够提高紧密仪器的精密度。非球面光学元件主要应用在现代天文望远镜等精密度要求较高的仪器中，尽管我国光学元件的精密度达到世界先进水平，但在实际设计中仍旧会出现一系列问题，这就要求我们要重视球面加工数控夹具等设计，优化设计过程与方案，提高设计水平，为现代球面加工数控夹具的设计提供借鉴经验。

2 非球面磨削加工设计技术

非球面磨削加工技术是数控夹具设计的主要技术，在数控夹具的制作上，发挥着重要的作用。磨削加工技术应用在非球面透明的常规磨削上，能够满足非球面的要求。具体制作上，主要是将方形玻璃工件磨出斜面，然后完成装夹工作，在夹具装夹完成后，磨非轴对称非球面。但在加工数控夹具的安装上，这种安装效果相对较差，会影响到非球面元件的精密度。非球面磨削过程：将工作元件直接装夹在非球面的工作台上，由于楔角的影响，非球面元件的非球面一面会偏离水平线，这种情况下，两边的磨削量严重不均衡，在传统的磨削过程中，可以观察到工件的运动方向与砂轮的切削方式相互垂直，由于工件在运动中磨削点固定容易受损，工件会出现磨削现象，由此容易降低非球面元件设计的精密度。

随着现代精密加工技术的进步，现代非球面的磨削加工技术不断进步，平面磨削技术的应用，可以改善传统的磨削工艺，有效提高现代非球面元件的磨削精密度。具体磨削方法如下：在非球面元件磨削中，要根据工件的楔角大小来调节夹具倾斜角度，一般可以通过倾角来调节夹具的位置，这种设计方式既能够有效减少工序，提高工作效率，同时也能够减少磨削总量，避免出现精密度问题；另外，在磨削加工中，让砂轮的运动方向与工件的运动方向一致，促使两个设计元件的运行速率保持平行的状态，呈现出圆周分布的特点，其中，在磨削点的设计上，磨削点改变传统的固定形态，能够自由移动，因此可以自由调节倾角，这种状态下，工件的磨损程度明显降低，由此可以有效增加非球面磨削的精密度，提高基本的效率。在这种方法建设中，由于砂轮的使用宽度增加，磨削面基本保持一致，以此可以利用倾角来调节夹具的具体位置。综合看来，平面磨削原理的应用有效降低了磨削工作量，提高了加工效率。

3 非球面加工数控夹具的设计

3.1 夹具设计总体目标

在非球面加工数控夹具的设计上，要重视夹具总体目标的建设，首先夹具在建设过程中，要按照国家精度磨床标准规定（618Kg）来确定，确保建设车间的温度维持在20摄氏度左右，另外，夹具在工作时，大多被吸附在电磁吸盘上，在实际的加工数控夹具的设计中，要遵循以下的设计要求：（1）设计楔形非球面元件加工夹具，工作台面面积：430mmx430mm；（2）可磨削的楔形非球面最大尺寸：400mmx400mm，带有工件装夹机构；（3）工作台面最大倾角：士80°；（4）工作台面调平时，整机高度不超过150mm。

要将非球面加工数控夹具放置在磨床上进行测试，确保整个设计过程是独立的；另外，还要对工作台面进行精密度测试，将其锁死，通过数控系统来确定来提高夹具的精密度；一般还要将工作平面的平面倾角控制在0～12°左右，垂直回转角度为0～8°。

3.2 夹具的类型

在这些夹具的整体设计上，包括四种设计方案，可以将其分为两类，一类是三自由度机械手模型，主要包括楔块式、气动式以及三轴式倾角可调式夹具，另外一种为手动控制夹具，主要包括球面接触式倾角可调夹具。

三自由度机械手模型主要是由三个旋转关节构成，在工作中，主要是通过机械手的工作台面与底面进行作用，促使工作台面与底座产生一定方向的倾角，这种设计形式为楔块式、气动式以及三轴式倾角可调式夹具的安装设计提供基本的底座。

球面接触式倾角可调夹具属于手动式机械，主要是利用球面来实现工作台面的倾斜，通过摆杆机构来实现底座的回转运动。夹具的主要结构是由底板、凹球面体、钢套、Z轴、定心套以及楔盖等基本零件组成，通过现代机械精密零件的组合，来实现夹具设计目标。在手工机械零件的建设中，通过相关零件的组合，实现零件的基本运动。

4 非球面加工数控夹具的设计模型

在夹具的设计中，重视精度测量能够有效提高夹具的设计精度，同时也能够提高磨削加工精度。为了评价加工误差，就要对加工插补误差以及工件形面误差进行分析、计算。

4.1 插补误差分析

采用前述平行的磨削方法，在x、y方向采用线性插补的方式，另外在z、y的方向，圆弧砂轮上的磨削点是会移动的，通过表面加工圆弧的方式，在工件表面上形成平行加工轨迹，然后通过点的设计A（x，y）B（x1，y1）的形式来确定加工店，应用直线插补的方式进行直线建设，以此来模拟磨削的实际轨迹。

图1主要是xy方向确定插补误差示意图，其中直线AB为夹具磨削的实际运行轨迹，与理想中的运行轨迹AB进行比较，理想的磨削轨迹为弧线AB，x轴方向上的加工误差可以将其看做CD之间的距离，C点为直线AB的重点，D点为弧线AB与圆心延长线的交點。