精密調(diào)平工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

王新寬 黃 文 吉 方 何建國

（中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽621900）

工裝夾具是保證被加工工件在機(jī)床上獲得正確的位置，并在加工中防止由于切削力造成工件位置改變及工件變形的一種重要工藝設(shè)備［1］。工裝的性能較大程度地影響著零件和產(chǎn)品的加工質(zhì)量，高效、高可靠性的工裝可以極大地提高機(jī)械加工和檢測的效率［2］。近年來，激光核聚變工程中大量用到高精度的圓柱形棒狀光學(xué)元件，此類元件規(guī)格繁多，重量不一，在實際的加工過程中對其進(jìn)行高效、高可靠性的裝夾是一個難題，為此，必須對該類工件的夾持工裝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。滿足工件加工面的調(diào)平精度需要是對調(diào)平工裝的基本要求。當(dāng)前許多工裝主要是通過調(diào)節(jié)工裝上的調(diào)節(jié)螺釘或可調(diào)支座來實現(xiàn)調(diào)平，由于在調(diào)平過程中需要調(diào)節(jié)不同的支撐點以及存在制造誤差，將會導(dǎo)致同一平面內(nèi)不同調(diào)平方向的相互影響和干擾，即存在調(diào)平耦合，致使調(diào)整工作出現(xiàn)反復(fù)，制約了調(diào)平的效率［3－4］。本文針對圓柱形棒狀工件的夾持和調(diào)平需求，介紹了一種新型結(jié)構(gòu)的調(diào)平工裝，采用的調(diào)平方法具有良好的解耦作用，能夠快速地實現(xiàn)對工件加工表面的調(diào)平?；谠摴ぱb在實際使用中存在的不足，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的調(diào)平工裝的裝夾能力得到拓展，可靠性顯著增強(qiáng)，能夠更好地滿足光學(xué)元件的精密加工需求。

1 調(diào)平工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 調(diào)平工裝結(jié)構(gòu)

調(diào)平工裝的結(jié)構(gòu)如圖1所示，整套工裝由夾持機(jī)構(gòu)和調(diào)平機(jī)構(gòu)兩部分組成，其中夾持部分主要包括卡爪、襯套、立板、加強(qiáng)板、底板等零部件，調(diào)平部分主要包括連接板、調(diào)平臺、調(diào)平旋鈕等。卡爪通過螺栓固定在立板上，立板通過螺釘垂直固定在底板上，加強(qiáng)板同立板和底板分別緊固連接，用以保證夾持部分的強(qiáng)度和剛度。調(diào)平臺共設(shè)有兩個，上調(diào)平臺固定在下調(diào)平臺的臺面上，調(diào)平方向相互垂直。底板的尺寸同調(diào)平臺的臺面尺寸一致，夾持部分通過底板固定在上調(diào)平臺的臺面上。下調(diào)平臺通過螺釘同連接板緊密連接。整套工裝通過連接板緊固在機(jī)床工作臺上。工裝夾持部分各零部件采用硬鋁制作，調(diào)平部分各零部件采用40Cr制造，整套工裝結(jié)構(gòu)簡單，外形美觀，拆裝方便。

1.2 調(diào)平工裝夾持方案

在機(jī)械加工中，對金屬工件多采用壓板和墊塊組合的方式進(jìn)行裝夾，由于夾緊力難以控制，很容易造成工件的變形。本文設(shè)計的工裝如圖1所示，圓柱工件的兩端面為加工面，要求較高的面形精度。為了避免夾持過程中損傷加工表面，本工裝選取工件的圓柱側(cè)面為夾持面，采取對工件“抱裝”的方式夾持，這樣在滿足機(jī)床Z向行程的前提下，可以靈活地選擇裝夾方位。對工件的夾持主要由卡爪來完成，卡爪共設(shè)有上、下兩個，均通過螺栓固定在立板上，每個卡爪分為前卡和后卡兩部分，通過鉸鏈連接?？ㄗυ诹迳系奈恢每筛淖儯靡詽M足不同軸向尺寸工件的夾持需要。為了實現(xiàn)對不同徑向尺寸工件的裝夾，工裝中設(shè)計了系列化規(guī)格的襯套，每種規(guī)格的襯套中設(shè)計有相應(yīng)規(guī)格的V形槽。襯套由聚四氟乙烯材料制作，可減小工件的夾持變形。對工裝加工和裝配時，必須保證上、下卡爪中心的同軸度。工件在卡爪中的位置確定以后，通過蝶形螺母把上、下卡爪的前卡和后卡分別鎖死，則工件即被可靠夾持。

2 調(diào)平工裝調(diào)平原理

2.1 調(diào)平方法

工件在工裝中裝夾完成以后，其加工面的調(diào)平主要通過空間二維角度調(diào)平方法實現(xiàn)。二維角度調(diào)平基于升高低點調(diào)平技術(shù)，該原理易于實現(xiàn)，控制效果好，即通過不斷升高待調(diào)平面中的較低點直至所有點的高度相同，其技術(shù)關(guān)鍵是如何確定各低點應(yīng)該升高的高度，以及采取何種措施來精確控制各低點的升高量［5］。本工裝通過千分表打表測量的方法來確定加工面上各點的升高量，千分表的磁力表座固定在機(jī)床的Z軸上，表針適當(dāng)接觸工件加工面。調(diào)平過程中，機(jī)床Z軸不動，工裝隨機(jī)床工作臺沿X軸和Y軸移動，測量的基面為機(jī)床的XY平面，通過調(diào)平臺臺面的弧擺運動實現(xiàn)工件加工面上各點Z向坐標(biāo)的變化。整套工裝共設(shè)置有兩個調(diào)平臺，下調(diào)平臺用于實現(xiàn)工件加工面X向的調(diào)平，上調(diào)平臺用于實現(xiàn)加工面Y向的調(diào)平。為減少迭代次數(shù)以提高調(diào)平效率，需要解除不同調(diào)節(jié)方向的耦合。本工裝中上、下調(diào)平臺的調(diào)平方向相互垂直，較好地避免了傳統(tǒng)三點調(diào)平各支撐點之間的干擾，減少了調(diào)平的反復(fù)，具有較高的調(diào)平效率。調(diào)平臺內(nèi)部設(shè)計有精密蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)旋鈕同蝸桿固聯(lián)，調(diào)平臺面同蝸輪固聯(lián)，旋動調(diào)節(jié)旋鈕即可驅(qū)動調(diào)平臺臺面進(jìn)行弧擺運動。

調(diào)平時，先通過千分表打表找到X向的低點，旋動調(diào)節(jié)旋鈕緩慢增大該點的Z向坐標(biāo)，若過調(diào)則反向旋動調(diào)節(jié)旋鈕降低該點的Z向坐標(biāo)，直至X向的調(diào)平精度滿足要求。用同樣的方法調(diào)節(jié)另一調(diào)平臺，使Y向的調(diào)平精度也滿足加工要求。由兩條相交直線決定一個平面的幾何原理可知，若加工面內(nèi)X向和Y向都已實現(xiàn)調(diào)平，則該加工面即被調(diào)平。調(diào)平臺內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的強(qiáng)度和剛性，蝸輪、蝸桿結(jié)構(gòu)自身具有自鎖功能，用以保持運動過程中的調(diào)平精度。

2.2 調(diào)平精度分析

調(diào)平工裝主要通過調(diào)平臺臺面的弧擺實現(xiàn)工件表面的調(diào)平，為分析其調(diào)平精度，必須計算出臺面擺動最小角度（分辨率）時工件表面各點的最大高度變化。

（1）Y向調(diào)平精度分析

如圖2所示，Y向調(diào)平時，下調(diào)平臺臺面不擺動。工件隨上調(diào)平臺臺面擺動時，加工面上Y向邊緣點的Z向高度變化最大，且工件尺寸越大，加工面上各點Z向高度變化越大，也即工裝的調(diào)平精度越差（本工裝針對不同尺寸的工件具有不同的調(diào)平精度）。根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，調(diào)平臺臺面弧擺中心O距臺面的垂直高度為169 mm，調(diào)平臺Z向高度為100 mm，調(diào)節(jié)范圍為±10°，調(diào)平臺分辨率β=3〃≈0.000 833°，工裝可夾持最大工件規(guī)格為φ100 mm×500 mm。不失一般性，假定工件初始位置為OA，繞回轉(zhuǎn)中心O順時針轉(zhuǎn)動最小角度β時，工件旋轉(zhuǎn)到新位置OA'（Y向邊緣點由初始位置A旋轉(zhuǎn)到A'），設(shè)∠A'OO2= α，∠AOA'= β，AO=L，AO1=H1，A'O2=H2，則邊緣點A在Z向的高度變化為:

（2）X向調(diào)平精度分析

工裝X向調(diào)平精度的推理過程同Y向類似。如圖3所示，X向調(diào)平時，上調(diào)平臺臺面不擺動，并且和工件一起隨下調(diào)平臺臺面擺動。工件由初始位置為OA繞下調(diào)平臺臺面弧擺中心O轉(zhuǎn)動角度β后到新位置OA'，由前述推導(dǎo)過程可知，工件X向邊緣點A在Z向的高度變化為:

綜上分析，針對本工裝所能夾持的各種規(guī)格的工件，調(diào)平過程中，工件加工面上各點均能實現(xiàn)3.5 μm以內(nèi)的最小Z向變化，即該調(diào)平工裝對這類工件的調(diào)平精度優(yōu)于3.5 μm。

3 調(diào)平工裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化

工裝設(shè)計完成以后，在使用中發(fā)現(xiàn)當(dāng)裝夾徑向尺寸和軸向尺寸均較大的圓柱棒狀工件時，調(diào)平較為費力，原因主要是由于夾持部分和工件的重心偏離上調(diào)平臺弧擺中心較遠(yuǎn)（圖1），存在一個顛覆力矩。當(dāng)工件重量較大時，過大的顛覆力矩會引起調(diào)平臺內(nèi)部蝸輪、蝸桿牙側(cè)的輕微變形，從而導(dǎo)致旋動調(diào)節(jié)旋鈕費力。針對上述問題，對調(diào)平工裝的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的工裝結(jié)構(gòu)如圖4所示，改進(jìn)后的主要優(yōu)點如下:（1）對調(diào)平工裝的夾持部分特別是加強(qiáng)筋的數(shù)量、布置方式和布置方位進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，使調(diào)平過程中夾持部分和工件的重心投影始終在臺面以內(nèi)，這樣可以保證調(diào)平臺只承受較小的顛覆力矩，避免了在對大重量工件調(diào)平時調(diào)節(jié)費力的問題。而且改進(jìn)后工件軸線同調(diào)平臺弧擺中心的直線距離縮短，由前述精度推導(dǎo)過程可知工裝的調(diào)平精度得到了提高。（2）原有工裝調(diào)平后的精度保持主要依靠調(diào)平臺內(nèi)部蝸輪、蝸桿機(jī)構(gòu)的自鎖功能來實現(xiàn)，但機(jī)床工作臺在較大振動、沖擊等極端情況下，蝸輪、蝸桿摩擦副可能會產(chǎn)生松動，自鎖性被破壞，致使調(diào)平精度喪失?；谝陨峡紤]，優(yōu)化后的工裝在兩調(diào)平臺上均設(shè)置了鎖緊機(jī)構(gòu)。工件加工表面被調(diào)平以后，旋緊鎖緊機(jī)構(gòu)上的旋鈕，可以確保調(diào)平臺臺面在振動、沖擊等情況下也不會產(chǎn)生晃動，工裝的調(diào)平精度保持性和可靠性都得到了提升。（3）本工裝主要用于夾持圓柱形棒狀工件，但在實際加工過程中，難免會遇到一些薄型盤狀工件的夾持問題，原有工裝的夾持方法顯然對這類工件難以奏效。真空吸附作為機(jī)械加工中的一種常用方法，能夠平穩(wěn)地吸緊工件，又不易對被裝夾工件的表面造成損傷，非常適合于夾持厚度較薄、表面光滑的金屬和非金屬元件，為后續(xù)的工序奠定良好的基礎(chǔ)［6－8］?；诖耍瑑?yōu)化后的調(diào)平工裝設(shè)計了吸盤，吸盤上表面具有較高的平面度并設(shè)有氣路，吸盤下部開設(shè)有真空吸附接口。裝夾薄型工件時，先用上卡爪夾緊吸盤，再把工件放置在吸盤上表面，打開真空吸附，則工件即被牢固夾持。顯然，優(yōu)化后的調(diào)平工裝的裝夾功能得到了增強(qiáng)，適應(yīng)能力得到了拓展。

4 結(jié)語

設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單的調(diào)平工裝，該工裝能夠夾持多種規(guī)格的圓柱形棒狀光學(xué)元件。采用的調(diào)平方法能夠快速地實現(xiàn)對工件加工表面的調(diào)平，調(diào)平的效率和精度高。對調(diào)平工裝的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，優(yōu)化后工裝的使用性能、可靠性以及適應(yīng)能力都得到了較大的提升。

［1］楊東哲，成曄，財復(fù)之.夾具設(shè)計的并行性研究［J］.計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，1996，9（3）:31 －35.

［2］陳煥明.焊接工裝設(shè)計基礎(chǔ)［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2004:1－3.

［3］甘永立.形狀和位置誤差檢測［M］.北京:北京國防工業(yè)出版社，1995:52－63.

［4］史厚強(qiáng).基于三點支撐的儀器調(diào)平［J］.儀器儀表學(xué)報，2004，25（4）:824－826.

［5］任作新，張艷兵，姚舜才.升高低點調(diào)平技術(shù)研究［J］.華北工學(xué)院學(xué)報，2004，25（3）:201 －203.

［6］李明，吳志勤.薄板零件機(jī)加工的夾具設(shè)計［J］.電子機(jī)械工程，1999，19（7）:52 －54.

［7］陳凡，周繼.真空系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計［J］.液壓與氣動，2002，22（10）:42－44.

［8］梅飛.真空吸附夾具的有限元分析和優(yōu)化設(shè)計［D］.南京:東南大學(xué)，2005.