CN102069406B

CN102069406B - 一种精密调整位姿的离轴车削夹具

Info

Publication number: CN102069406B
Application number: CN201010594313A
Authority: CN
Inventors: 周晓勤; 赵绍昕; 王刚; 朱志伟
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Changshu intellectual property operation center Co.,Ltd.
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2030-12-20
Also published as: CN102069406A

Abstract

本发明涉及一种精密调整位姿的离轴车削夹具，属于超精密加工和光学零件加工等技术领域。用周向均布的平行式位姿运动机构实现离轴自由曲面工件的位姿运动；通过精密齿轮齿条机构对位姿进行精密联动调整；利用手动预夹紧及离心力自夹紧复合机构实现工件的夹紧和位姿再锁定。优点在于：不需要毛坯母体做基体，减少浪费，离轴量可调，加工柔性大，不仅可实现自由曲面之离轴安装位置的调整，而且可实现姿态的调整，更为重要的是这种位姿调整均通过联动实现，可保持位姿的精确性和同步性，并且装置简单可靠，可大大降低离轴自由曲面工件加工时的非回转对称度。

Description

一种精密调整位姿的离轴车削夹具

技术领域

本发明属于超精密加工和光学零件加工技术领域，涉及一种精密调整位姿的离轴车削夹具，可实现自由曲面工件之离轴安装位置和姿态的精密联动调整。

背景技术

与传统的回转对称光学曲面相比，光学自由曲面具有许多优良性能，例如可克服光学***各种像差，改善光学性能，减缩光学***的尺寸，使光学***轻量化。光学自由曲面不仅在航天航空和国防等工业领域中有着重要的应用，而且在面向消费者的工业领域也有着广泛的应用需求。目前关于光学自由曲面的加工方法主要涉及：复制成型，CNC磨削/研磨/抛光，飞切加工，基于快速刀具伺服（Fast Tool Servo，以下简称FTS）和慢溜板伺服（Slow Slide Servo）的金刚石车削等。

在这些光学自由曲面加工方法中，基于FTS的金刚石车削被认为是最有发展前途的加工方法，但仍存在一些问题有待解决。在车削加工中，工件与金刚石车床主轴通常是同轴安装的，即共轴车削。随着刀具接触点的回转半径减小，接触点的切削速度也在逐渐减小，甚至在工件安装中心处趋近于零，这极大影响了工件安装中心处的加工质量。为消除该影响，可将工件与主轴采用非共轴方式安装，使待加工的工件几何轴线偏离主轴回转中心线以确保每个刀具接触点的速度皆不为零，即所谓的离轴车削方式。离轴车削可以避免切削速度为零的问题。

在现有的关于工件离轴安装的技术方案中，主要包括如下两种：

（1）根据所需的离轴量，在毛坯母体上打孔后嵌入若干个子体工件，整体加工完成后再将所需的子体工件取出。该方法只适用于母体回转对称的离轴非球面车削；由于加工中离轴非球面安装需要100%的离轴量，故受到机床加工空间限制；此外，该方法装夹需要不同规格的毛坯母体，造成不必要的浪费。

（2）将圆盘基体夹持在主轴上，在圆盘基体上沿径向按不同离轴量打出一系列孔，将不同离轴量的非球面工件装夹在相应的孔中进行加工。该方法的离轴量也是不可调整的，夹具缺乏柔性。

综上所述，现有的关于工件离轴安装的技术方案，存在的问题主要在于：

（1）基本上都是针对离轴非球面的离轴车削，工件的离轴安装位置必须满足离轴非球面的偏移位置，不适合其它类型自由曲面的离轴车削；

（2）工件装夹在基体上以后无法进行安装位姿的精确调整，尤其是无法对不同方向的工件实现联动调整。

发明内容

本发明提供一种精密调整位姿的离轴车削夹具，实现自由曲面工件之离轴安装位置和姿态的精密联动调整，抑制共轴车削时工件中心切削速度为零的问题，减少自由曲面的非回转对称性。

本发明采取的技术方案是：

（1）包括周向均布的平行式位姿运动机构，用于实现离轴自由曲面工件的位姿运动；

（2）包括姿态调节及锁紧机构和位置调节及锁紧机构，通过精密齿轮齿条机构对离轴自由曲面工件的位姿进行精密联动调整；

（3）包括手动预夹紧及离心力自夹紧复合机构，用于实现工件的固定和位姿再锁定。

本发明一种实施方式是：以夹具体母体为基体，姿态调节及锁紧机构以螺纹联接方式固联于夹具体母体之上，位置调节及锁紧机构以螺纹联接方式固联于夹具体母体之上；姿态调整联动推杆嵌入夹具体母体的中心孔内、周向采用定位键定位；三楔面联动推杆嵌入姿态调整联动推杆中心孔内，且前端三个楔面分别接触配合于工件固定基体一、工件固定基体二、工件固定基体三的径向受力柱、周向采用定位键定位；平行式位姿运动机构一、平行式位姿运动机构二、平行式位姿运动机构三主动运动部分分别以螺纹联接方式固联于夹具体母体之前端、各平行式位姿运动机构的从动运动部分分别以螺纹联接方式固联于工件固定基体一、工件固定基体二、工件固定基体三之后端的固定连接槽；夹紧用之离心力飞锤一、离心力飞锤二、离心力飞锤三嵌入夹具体母体上部凹槽内，夹紧板一、夹紧板二、夹紧板三、夹紧板四、夹紧板五、夹紧板六压入夹具体母体前端弧形槽内，其一端以锥面同离心力飞锤一、离心力飞锤二、离心力飞锤三配合传递夹紧力、另一端与平行式位姿运动机构一、平行式位姿运动机构二、平行式位姿运动机构三接触夹紧；预紧锥形套套于夹具体母体外圆表面，预紧锥形套前端锥形部与离心力飞锤一、离心力飞锤二、离心力飞锤三之锥形部接触配合、采用定位键定位；预紧螺母与夹具体母体螺纹连接，从夹具体母体后端旋入后直接接触预紧锥形套，用以推动预紧锥形套；主轴联接部以螺纹方式联接固联于夹具体母体尾部，定位孔分别位于工件固定基体一、工件固定基体二、工件固定基体三上。

本发明的优点在于：不需要毛坯母体做基体，减少浪费，离轴量可调，加工柔性大；不仅可实现自由曲面之离轴安装位置的调整，而且可实现姿态的调整，更为重要的是这种位姿调整均通过联动实现，可保持位姿的精确性和同步性；本发明不仅适用于100%离轴量类型的车削加工，还适用于其他类型自由曲面的离轴车削；图1中，示出了工件的离轴安装位姿调整可减少自由曲面的非回转对称性，图1选取了二次曲面z=x²+y²上的x²+(y-4)²<=1离轴车削时的部分数据。图1a示出了在离轴偏移量为零的情况下，共轴车削，Z轴的往复运动幅度可达到30μm；图1b示出了调整离轴偏移量，可减少Z轴的往复运动幅度；在图1c中，进一步示出了当同时调整离轴偏移量和摆动角时，可使Z轴的往复运动幅度减少到6μm。如此可见，离轴加工中用本发明夹具同时对工件的位置和姿态进行联动调整会极大降低自由曲面的非回转对称性。

本发明可应用于各种材料的自由曲面的离轴车削加工。

附图说明

图1是调整离轴安装位置和姿态以减少非回转对称性的示意图，是共轴车削情况；

图2是调整离轴安装位置和姿态以减少非回转对称性的示意图，是离轴车削K=2情况；

图3是调整离轴安装位置和姿态以减少非回转对称性的示意图，是离轴车削K=2转角A=45°情况；

图4是位姿运动机构的原理图，a、b、c、d是铰点；①、②、③、④是连杆；I、II是动力杆；

图5是位姿运动机构布置图，a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3、d1、d2、d3是不同分布方向上铰链点编号；

图6是位姿运动机构联动调整示意图；

图7是位姿运动机构运动副及夹持机构联接示意图；

图8 是夹具体与主轴联接部示意图，1a-莫氏锥体；1b-夹具体联接孔；1c-主轴联接孔；

图9 是夹具体整体轴测示意图；

图10是移除工件固定基体6b后的整体轴测示意图；

图11是夹具体内部结构轴测示意图；

图12 是径向位置联动调节机构轴测示意图；

图13 是姿态联动调节机构轴测示意图；

图14 是平行式位姿运动机构的联接处截面示意图，5a1-配合用锥形孔；5a2-径向平行板；5a3-轴向平行板；5a4-圆锥形轴尖销；5a5-弹性片；

图15是夹具体母体部分轴测示意图；

图16是夹具体母体部分另一方向轴测示意图；

图17是夹具体姿态调整联动推杆轴测示意图；

图18是夹具体姿态调整联动推杆另一方向轴测示意图；

图19是夹具预紧锥形套轴测示意图；

图20是工件固定基体轴测示意图；

图21是工件固定基体另一方向轴测示意图，6b1-工件固定基体6b之径向受力柱；6b2-工件固定基体6b之固定联接槽。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明。

以夹具体母体2为基体，姿态调节及锁紧机构10以螺纹联接方式固联于夹具体母体2之上，位置调节及锁紧机构9以螺纹联接方式固联于夹具体母体2之上；姿态调整联动推杆11嵌入夹具体母体2的中心孔内、周向采用定位键定位；三楔面联动推杆8嵌入姿态调整联动推杆11中心孔内，且前端三个楔面分别接触配合于工件固定基体一6a、工件固定基体二6b、工件固定基体三6c的径向受力柱、周向采用定位键定位；平行式位姿运动机构一5a、平行式位姿运动机构二5b、平行式位姿运动机构三5c主动运动部分分别以螺纹联接方式固联于夹具体母体2之前端、各平行式位姿运动机构的从动运动部分分别以螺纹联接方式固联于工件固定基体一6a、工件固定基体二6b、工件固定基体三6c之后端的固定连接槽；夹紧用之离心力飞锤一3a、离心力飞锤二3b、离心力飞锤三3c嵌入夹具体母体2上部凹槽内，夹紧板一4a、夹紧板二4b、夹紧板三4c、夹紧板四4d、夹紧板五4e、夹紧板六4f压入夹具体母体2前端弧形槽内，其一端以锥面同离心力飞锤一3a、离心力飞锤二3b、离心力飞锤三3c配合传递夹紧力、另一端与平行式位姿运动机构一5a、平行式位姿运动机构二5b、平行式位姿运动机构三5c接触夹紧；预紧锥形套12套于夹具体母体2外圆表面，预紧锥形套12前端锥形部与离心力飞锤3a、离心力飞锤二3b、离心力飞锤三3c之锥形部接触配合、采用定位键定位；预紧螺母13与夹具体母体2螺纹连接，从夹具体母体2后端旋入后直接接触预紧锥形套12，用以推动预紧锥形套12；主轴联接部1以螺纹方式联接固联于夹具体母体2尾部，定位孔7分别位于工件固定基体一6a、工件固定基体二6b、工件固定基体三6c上。

本发明的运动及精度特征通过以下方案实现：

（1）利用平行式位姿运动机构实现移动和转动，如图4中所示，当动力杆I推动铰点a沿Z向移动，由平行四边形固有性质，则杆③将转动一定角度与杆①保持平行，通过精确调整动力杆I进给量与杆①的长度配合即可实现杆③角度的任意调整，则偏转角可由公式计算；偏转角调定后将铰点a固定，则杆①位置随之固定，然后调动力杆II推动铰点d沿Y向移动即可实现杆③的Y向位置移动，移动距离可由公式计算；将待加工工件刚性固定在杆③上即能随杆③的运动实现工件的位姿调整；夹紧时，分别将杆①和杆②通过某种方式刚性固定即可实现整个平行式位姿运动机构的锁定，即完成位姿的定位；

（2）将所述的平行式位姿运动机构均布于360度圆周，具体均布个数可适当调整，在图5中以均布三个为例，将三个平行式位姿运动机构准确均布于360度圆周后用同一动力杆I同时调整三个机构铰点a的进给量，实现杆③之转角的联动，为保证三个平行式位姿运动机构a铰点的进给量的相等及精度，需用拉力弹簧连接三个平行式位姿运动机构杆①和动力杆I以保证a铰点始终与动力杆I相接触，以此实现自由曲面工件姿态的联动调整；

（3）通过一根具有三个楔平面的推杆沿Z向伸缩，三个楔平面分别与三个平行式位姿运动机构的d铰点接触，随着中心轴沿Z向的伸缩运动，三个楔平面同时驱动d铰链点的Y向移动，如图6所示，以此实现自由曲面工件的径向安装位置之联动调整；

（4）为保证位置和姿态的调整精度，动力杆I的进给运动及三楔面联动推杆的进给均通过超精密齿轮齿条驱动，其中用以转动的两个超精密齿轮以齿轮轴形式实现，两个齿轮轴调整完毕后均利用锥形弹簧套夹紧锁定防止精度漂移；

（5）为保证位姿调整精度，平行式位姿运动机构的铰接处不采用精密连杆销，因为即便是精密的连杆销也会有微米级的间隙，会对位姿精度产生误差，故使用独特设计的圆锥形轴尖销连接，可以由图14说明，圆锥形轴尖销5a4置于轴向平行板5a3的中心孔内，径向平行板5a2通过配做的锥形孔5a1与圆锥形轴尖销的锥面配合实现连接，并通过弹性片5a5向两侧膨胀，保持圆锥形轴尖销5a4始终有预紧力与锥形孔5a1面接触配合，此连接方式不仅可以大大降低转动间隙误差，还能够自动定心，保证所有计算尺寸严格通过轴尖销中心，提高理论计算与实际情况的拟合精度；

（6）夹紧时采用手动预夹紧与离心力夹紧复合机构实现，在图9及图10中，工件定位完成后，转动预紧螺母13，推动预紧锥形套12，预紧锥形套12通过锥形面将三个离心力飞锤一3a、离心力飞锤二3b、离心力飞锤三3c背向轴心撑开，离心力飞锤一3a、离心力飞锤二3b、离心力飞锤三3c通过锥形面带动夹紧板4a、4b、4c、4d、4e、4f转动恰好夹紧平行式位姿运动机构5a、5b、5c；初始对刀及试切结束后，当夹具跟随主轴做正常切削高速转动时，三个离心力飞锤3a、3b、3c受离心力作用背向轴心运动，此时离心力锤与预紧锥形套12的锥面脱离，并通过与夹紧板相接的锥形面带动夹紧板4a、4b、4c、4d、4e、4f转动，恰好夹紧平行式位姿运动机构5a、5b、5c，此时所有夹紧力由离心力飞锤3a、3b、3c的离心力提供，转速越快夹紧力越大；

（7）夹具与机床主轴采用标准的莫氏锥连接方式，在图8中，外侧的8个1c孔用于固定夹具体，内侧的8个1b孔用于连接主轴，莫氏锥体1a***主轴的锥孔内定位；

（8）工件与工件固定基体6a、6b、6c通过定位孔7以某种连接方式连接，N个定位孔沿径向以间距

均布，固定基体6a、6b、6c刚性固定在连接臂5a、5b、5c通过平行式位姿运动机构实现

的移动，则工件配合不同的定位孔7可连续实现0～N·

的离轴量调节；

（9）三楔面联动推杆8、姿态调整联动推杆11与夹具体母体的周向定位由定位键完成。

根据附图，实现本发明之功能的夹具装配具体实施方式如下：

（1）将三楔面联动推杆8首先装入姿态调整联动推杆11的中心孔内，为防止周向转动用定位键8a定位；

（2）将姿态调整联动推杆11装入夹具体母体2的中心孔内，同样用定位键11a做周向定位；

（3）依次在夹具母体2的适当部位装入位置调节及锁紧机构9和姿态调节及锁紧机构10；最后在夹具母体2前端面安装平行式位姿运动机构5a、5b、5c和离心力飞锤一3a、离心力飞锤二3b、离心力飞锤三3c及夹紧板4a、4b、4c、4d、4e、4f，位置由夹具母体2上配做的凹槽保证；特别地，平行式位姿运动机构5a、5b、5c的运动联接处采用运动及精度特征实现方案（5）中所说明的联接方式；

（4）将预紧锥形套12及预紧螺母13安装在夹具体母体2上，周向用定位键定位；

（5）将工件固定基体6a、6b、6c分别刚性联接在平行式位姿运动机构5a、5b、5c上；

（6）将夹具体与主轴联接部1相联后精确接入机床主轴；

（7）工件安装在适当的定位孔7内。

本发明夹具位姿调节具体实施方式如下：

（1）转动姿态调节及锁紧机构10的精密齿轮轴，带动姿态调整联动推杆11进行精密进给，从而同时推动平行式位姿运动机构5a、5b、5c，最终实现工件固定基体6a、6b、6c位姿的联动，调整好后压紧姿态调节及锁紧机构10中的锥形弹簧夹紧装置对精密齿轮轴进行锁定；

（2）转动位置调节及锁紧机构9的精密齿轮轴，带动三楔面联动推杆8精密进给，三楔面联动推杆8前端的三个楔面分别同时与工件固定基体6a、6b、6c后部的径向受力柱6b1接触，通过楔面挤压圆柱实现工件固定基体6a、6b、6c的范围为0～

的位置联动，调整好后压紧位置调节及锁紧机构9中的锥形弹簧夹紧装置对精密齿轮轴进行锁定；

（3）工件位姿得到精确定位后，手动转动预紧螺母13推动预紧锥形套12进行预夹紧，低速对刀及试切完成后，主轴正常切削高速旋转，此时由离心力夹紧机构进行夹紧，夹紧力F1作用在图4中的杆②上，方向为-Y，夹紧力F2作用在图4中杆①上，方向为-Z，经原理图和机构示意图可知通过夹紧力F1、F2可以将工件完全夹紧在各自的定位元件上，得到定位精度和夹紧的双重实现，即利用离心力对位姿进行再次锁定。

Claims

1.一种精密调整位姿的离轴车削夹具，其特征在于：

（3）包括手动预夹紧及离心力自夹紧复合机构，用于实现工件的固定和位姿再锁定；

上述周向均布的平行式位姿运动机构、姿态调节及锁紧机构和位置调节及锁紧机构及手动预夹紧及离心力自夹紧复合机构间的具体连接如下：以夹具体母体为基体，姿态调节及锁紧机构以螺纹联接方式固联于夹具体母体之上，位置调节及锁紧机构以螺纹联接方式固联于夹具体母体之上；姿态调整联动推杆嵌入夹具体母体的中心孔内、周向采用定位键定位；三楔面联动推杆嵌入姿态调整联动推杆中心孔内，且前端三个楔面分别接触配合于工件固定基体一、工件固定基体二、工件固定基体三的径向受力柱、周向采用定位键定位；平行式位姿运动机构一、平行式位姿运动机构二、平行式位姿运动机构三主动运动部分分别以螺纹联接方式固联于夹具体母体之前端、各平行式位姿运动机构的从动运动部分分别以螺纹联接方式固联于工件固定基体一、工件固定基体二、工件固定基体三之后端的固定连接槽；夹紧用的离心力飞锤一、离心力飞锤二、离心力飞锤三嵌入夹具体母体上部凹槽内，夹紧板一、夹紧板二、夹紧板三、夹紧板四、夹紧板五、夹紧板六压入夹具体母体前端弧形槽内，其一端以锥面同离心力飞锤一、离心力飞锤二、离心力飞锤三配合传递夹紧力、另一端与平行式位姿运动机构一、平行式位姿运动机构二、平行式位姿运动机构三接触夹紧；预紧锥形套套于夹具体母体外圆表面，预紧锥形套前端锥形部与离心力飞锤一、离心力飞锤二、离心力飞锤三之锥形部接触配合、采用定位键定位；预紧螺母与夹具体母体螺纹连接，从夹具体母体后端旋入后直接接触预紧锥形套，用以推动预紧锥形套；主轴联接部以螺纹方式联接固联于夹具体母体尾部，定位孔分别位于工件固定基体一、工件固定基体二、工件固定基体三上。