楔形非球面加工数控夹具的设计与实现

摘要

随着楔形非球面光学元件广泛地应用于不同领域中，对于楔形非球面的加工效率及精度提出了更高的要求。传统的楔形非球面加工要对工件进行二次装夹，且加工数据需要进行矩阵变换，导致加工效率较低，加工精度得不到保证。为了减少加工过程中由二次装夹所导致的误差，避免对加工数据的变换，提出了楔形非球面加工夹具的设计方案。本文根据楔形非球面加工夹具的几种方案设计，选择三轴式倾角可调夹具作为实施案，详细研究了其机械、数控系统的设计与实现，完成了夹具的运动学分析，重建了包含误差参数的运动学模型，编写摆动控制、误差检测及补偿软件，完成夹具精度测量及调试实验。主要工作如下：
　　 1．根据楔形非球面加工夹具的设计要求，提出四种设计方案：楔块式倾角可调夹具、气动式倾角可调夹具、球面接触式倾角可调夹具以及三轴式倾角可调夹具，分析各个方案的优劣，选择三轴式倾角可调夹具作为实施方案。
　　 2．完成夹具的机械结构主要部件的选型或设计，对关键部件进行静态和模态分析，验证设计合理性；根据电气原理图完成夹具的数控系统主要部件的选型，搭建数控系统和电气控制柜，设置数控系统相关参数。
　　 3．根据机器人学的相关理论，建立夹具的运动学模型，推导夹具的正向运动学方程，完成夹具的逆向运动学分析和雅可比矩阵的求解；利用ADAMS仿真验证运动学分析和雅可比矩阵求解的正确性；分析夹具的误差来源，建立包含结构性误差参数的运动学模型，为误差补偿提供理论基础。
　　 4．以VisualC++作为开发平台，开发了夹具摆动控制软件、误差检测及补偿软件，完成软件模块设计，实现了对夹具的摆动控制、误差检测、补偿等功能。
　　 5．利用激光位移传感器完成夹具各个轴的回转精度的测量，对测量数据进行处理和分析；利用电子水平仪完成夹具工作台面调零、平面度测量实验；结合数控系统完成夹具的模拟工作实验。本文的研究成果将会提高楔形非球面工件的加工精度和效率，为楔形非球面的广泛应用提供有利的技术支持。