大口径高精度四维调整工作台设计

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Design of a large aperture high-precision four-dimensional adjustment tableZHANG Chupeng，ZHAO Zexiang，ZHAO Huiying，YU Hechun，ZHANG Guoqing，WANG Wenbo(School of Mechatronics Engineering，Zhongyuan University of Technology，Zhengzbou 450007，CHN)Abstract：A SWTZT-1400 high-precision four-dimensional adjustment table was developed to solve the aligningand leveling problem during the manufacturing and measurement process of large aperture high-precisionoptical components.Based on the coordinate transformation in four-dimensional adjustment process，thedesign and the principle explanation of the high-precision four-dimensional table are discussed in thispaper.For realizing high eficiency，high precision and high stability of table S adjustment，the doublelevel structure is adopted in the table，and eight point bearing and locking mechanism are used for level-ing and high stability，respectively.The diameter and flatness of the top table of the four-dimensionaladjustment table are 1 400 mm and 0.01 mm，respectively.The aligning and leveling ranges of the tableare±25 mm and±3。in direction and Y direction，respectively.The aligning and leveling error of thetable are 0.1 Lm and 10”in direction and Y direction.The accurate adjustment for position and angleof the installation optical components during the manufacturing，measurement and precision repairing oflarge aperture high-precision optical components may be realized for improving the manufacturing andmeasuring accuracy of the optical components。

Keywords：Four-dimensional Adjustment Table；Aligning and Leveling；Large Aperture；Optical Components；High Stability随着航天航空遥感、天文探测、IT制造业等重要产业和许多新兴的高科技领域对大 口径(≥550 mm)光学元件的需求 日益增加，大口径光学元件的精度要求越来越高 j，对光学元件的加工和测量技术提出了更高的要求 j。在传统的加工和测量方法中，四维调整工作台在汹径光学元件的加工和测量中应用比较国家 863计划资助(2008AA042503)广泛，而且多为自动调整，调整精度和效率较高，而在大口径光学元件的加工和测量中应用较少，导致大口径光学元件装夹过程中的偏心量和倾斜量无法得到剔除，从而产生新的加工和测量误差。为了去除大口径光学元件装夹中的偏心量和倾斜量，减杏工和测量过程中产生的误差，提高大口径光学元件的精度，需要· 89 ·设计与研究吣ignand Research在大口径光学元件的加工和测量过程中使用四维调整工作台进行调整。

针对上述需求，研发了-台大口径高精度四维调整工作台，具有较高的调整精度和稳定性，可以用于大口径光学元件的加工、测量、修配等过程中的精密调整以减小偏心量和倾斜量的影响。该大口径高精度四维调整工作台整体采用双层结构，调心部件采用了精密梯形丝杠和十字交叉导轨作传动机构，调平部件采用8点支撑结构，以精密梯形丝杠为传动机构，调心调平部件都设计有高精度锁紧机构，可以实现大口径高精度光学元件加工和测量过程中的工件装夹位置和角度的精确微量调整。

1 调心调平工作原理调心调平是用于调整被加工和测量工件相对于机床工作台回转轴线的偏心量和倾斜量，其中调心是调整被加工和测量工件回转中心，使其与机床工作台回转中心-致，偏心量调整到加工与测量对调心的精度要求(理论上应为零)；调平是调整被加工和测量工件回转轴线，使其与机床工作台回转轴线重合至精度要求(倾斜量理论上应为零)。

1.1 偏心量和倾斜量对大口径光学元件加工和测量的影响偏心量是指工件回转中心与转台回转中心的距离矢量，其将直接影响光学元件的加工和截面轮廓的测量。在测量方面，在用最sJ'，-乘法评定圆度时，其建模时考虑偏心量很小，将非线性问题转化为线性问题处理。其最小二乘圆半径、偏心坐标可以直接通过求解线性方程组得到，而当偏心量过大时，最小二乘圆半径、偏心坐标的求解将是非线性问题，评定费时且不易达到全局最优解，用最优化方法对最小区域法评定圆度误差也存在不易达到全局最优解的问题。在加工方面，当偏心量较大时，上-工序需要留较大的加工余量，使超精加工费时且困难。

面图1倾斜量对加工和测量的影响示意图倾斜量，是工件回转轴线与转台回转轴线之间的矢量夹角，其将直接影响光学元件的加工和截面轮廓的测量。如图 1所示，测量方面，当倾斜量为零时，测· 90 ·量截面为高度日的圆截面轮廓，当倾斜量为 时，测量截面为与底面呈口夹角的椭圆截面轮廓。在加工方面，当倾斜量较大时，上-工序需要较大的加工余量，使超精加工费时且困难。

为了验证偏心量对光学元件被加工和测量截面轮廓误差的影响，使用 Talyrond395形状测量仪对精度0.05 m的标准球同-截面进行反复多次测量，在测量过程中分别加入不同的偏心量，测得多组误差数据，利用最小二乘法分别拟合求得多个圆度误差值，得出数据如图2中所示，结果表明偏心量对圆度误差的影响显著图2 不同偏心量对圆度误差测量结果的影响1.2 四维调整工作台原理利用多轴数控光学加工中心安装的光学定心系统对大口径光学元件进行测量，机床旋转工作台控制旋转，四维调整工作台进行偏心量和倾斜量的调整，构成- 个完整的调整系统，实现大口径光学元件加工和测量过程中的调整。调整系统示意图如图3所示。

1-机床旋转工作 台；2- 四维调整 台底 台面；3-调平丝杠 ；4- 四维调整台上台面；5-大口径光学元件；6-光学定心系统；7-机床。

图3 调整系统示意图调整系统中存在 3个坐标系，数控机床进行空间定位的旋转工作台坐标系，四维调整工作台坐标系，被加工和测量的光学元件坐标系。在初始状态下旋转工作台坐标系与四维调整工作台坐标系z轴重合，两者原点的 轴坐标值存在-个常数 c的差。如图4中所示， o。Ylz 表示四维调整工作台坐标系，xoyz表示被加工和测量的光学元件坐标系， 0 。Y ，z 为中间转换坐标系。以 0 Y z 为基准坐标系，对四维调整工作间转换坐标系原点坐标为 0 ( 0 Y'I )，得出两点㈩ 对完成初步调心的光学元件进行倾斜量测量，如图 4中所示，测得光学元件回转轴线 Po(与z轴重合)与调整工作台坐标系 轴的夹角为 O/，被加工和测量的光学元件上表面中心点 P在 。O 1Y 1 ，坐标系 O Y 平面内投影点 P 坐标为( 。，Yo，0)，被加工和测量的光学元件坐标图4 调整坐标系转换示意图P'3o Y ，yarcsin(x0/ Y ) (2)xoyz坐标系z轴绕 Xtl0 Plyt1z l坐标系 1轴顺时针 ]㈩Pt20(Po -PP，2) ，0arcsin(P'2Q/P'20)0arcsin( ： 2 COS/ 2- sin )在xoyz ，CA， -：系 轴绕 10t1Y'IZ 1坐标系Z 1轴旋转角度 后，xoyz坐标系 z轴再绕 lOilY'Iz 1坐标系 1[ 。1] 0.c 0j]l(cs oy-c苫sin T争] ]等 堍. O平昂。删Designand Research设计与研究㈥ 署 二 ；](6)兰 二 兰Q， -- √ ( 0 )Yosina-z(x Y )COSa Y 02c0s2 Y( oYYo)cos -zy0sina 2COS Ot Yo √ o (7)可以得出倾斜量调整转化成基准坐标系中3个坐标轴方向的调整量为：： 三√x yo2△y： (8)Y 02c0s2 Y oYYo c0s -Zyoslno - - √ o2cos2 Y在倾斜量的调整过程中对 P点的 、Y、Z坐标分别调整 、 、 ，可以实现倾斜量 Ot的调整。但在倾斜量的调整过程中会产生偏心分量，需利用光学定心系统对光学元件重新进行偏心量测量，调整偏心量。

由于调心滚动导轨存在-定的直线度误差，在调整偏心量的过程中会产生倾斜量分量，需对倾斜量重新进行测量和调整。如此反复进行测量和调整，偏心量和倾斜量不断减小，直至达到要求的精度范围完成调整过程2 四维调整工作台的结构设计为了解决光学元件加工和测量中的调整问题，先后开展了直径 350 mm和直径 1 400 mm的高精度四维调整工作台的研制，适合用于小 口径和大口径光学元件加工和测量过程中的调整。高精度四维调整工作台 SWTZT-1400设计的主要技术指标为：直径 1 400mm，整机高度≤300 mm，承重≥1 t，X、Y向平移≥25mm，X、Y向的调心精度±0.1 m，沿 、l，向倾斜≥±3。， 、l，轴向的调平精度 10 ，自重 ≤4 t，锁紧变化量≤l0”，结构稳定性小于2 Ixm/两周。

四维调整工作台整体结构设计三维图如图5所示，为了保证工作台高精度、高稳定性的要求，从结构· 91 ·稳定性，对调心机构和调平机构分别设计了锁紧机构，其中调心锁紧机构是通过锁紧 向和Y向平移导轨实现的，而调平锁紧机构是通过丝杠螺母内侧的镶嵌铜块与丝杠之间螺纹面抱死实现锁紧的。调心调平锁紧机构的使用很大程度上保证了四维调整工作台的高稳定性和高精度。

2.4精密梯形丝杠驱动在精密机床中，梯形丝杠和滚珠丝杠副常作为驱动单元，梯形丝杠是滑动摩擦 ，而滚珠丝杠属于滚动摩擦，在使用过程中两者受力如图9所示。假设梯形丝杠牙形角为 2 ，接触面处产生的轴向分力#Fsinh，径向分力为/xFcosh，行成-个静力三角形，当 h<45。时，径向分力大于轴向分力，产生自锁；而对滚珠丝杠则不会产生静力三角形，具有非自锁性。相比较而言，梯形丝杠更适合用在对稳定性要求较高的四维调整工作台匕。

图9 梯形丝杠和滚珠丝杠受力分析比较由于丝杠在四维调整工作台中是保证调整精度的主要调整部件，所选调心调平梯形丝杠导程为 2 mm，行程误差0.3 m，材料选用高硬度、高耐磨和高接触疲劳强度的GCr15，在制造过程中实行了严格的工艺流程，另外调心丝杠所使用轴承为专用丝杠轴承，具有较高的精度，保证了四维调整工作台的高精度。

3 四维调整工作台实验数据分析为了验证大口径四维调整工作台的可靠性，对四维调整工作台进行调心调平精度、刚度和稳定性的实验。在室温20℃的恒温车间内，利用四维调整工作台和机床上安装的定心仪组成的调整系统，针对-个直径350 mm的光学元件系统进行调整，如图 1O所示，在每次调整后利用定心仪进行偏心量和倾斜量的精确测量，通过四次调整达到所需要的调整精度，调整后的测量数据如表 2所示。表2中Shift 、Shift Y、Shift To-ta1分别表示光学元件系统下表面光学中心 向偏心量、Y向偏心量和总偏心量，而Tilt 、Tilt Y、Tilt Tota1分别表示光学元件系统光轴倾斜角度 向分量、Y向分量和总量，其中 1、2、3、4组数据分别为4次调整后测量得到，调整次数为4次，最后的调整精度倾斜量调至Designand Reseorch设计与研究0.079 (<5”)，偏心量调至 1.8 m，结果验证可知四维调整工作台具有较高的调整效率和调整精度。第 5组数据为前 4次调整完成后，对光学元件系统和四维调整工作台进行静置 7天后测量，把测得结果与第 4次对比，偏心量未发生变化，倾斜量 Tilt 减小 0.002 ，倾斜量 Tilt Y增加 0.003 ，倾 斜量 Tilt Total减小0.003 ，变化量非常小，结果验证可知四维调整工作台具有较高的稳定性。

图1O 光学元件调整实验表 2 四维调整工作台调整过程测量数据RefPos Shift Shift v Shift r0tal Tilt Tilt Y Tilt TotalNo。

/ m / m / m /( ) /( ) /( )1 0.000 72.3 -29.7 78.4 -0.022 -O.459 0.4602 0.000 34.2 -8.16 35.2 0.045 -0.314 O.3183 0.000 4.8 -1.1 4.8 0.000 -0.147 0.1474 0.000 1.8 -0.3 1.8 O.011 -O.078 0.0797天后4 结语四维调整工作台解决了大口径高精度光学元件加工和测量过程中的调整问题，提高了光学元件的加工精度和制造工艺性。本文分析了四维调整工作台的调整原理，基于大口径、高精度和高稳定性的技术特点，在工作台整体设计中采用上层调平下层调心的双层结构，保证了工作台的调整精度和调整效率；在调平机构中采用了8点支撑方式，保证了结构稳定性；在调心调平机构中采用独立锁紧机构，保证了工作台调整机构的长期稳定性。实验结果表明，所研制的四维调整工作台具有调整方便、调整精度高、调整精度长期稳定性好等特点，可满足大 口径光学元件精密测量与精密加工的需要。

· 93 ·工艺与检测Techn0Iogy and TestA/C轴双摆头几何精度误差的预防与补偿方案郭宏伟 张 亮 李洪涛(沈阳机床(集团)有限责任公司，辽宁 沈阳 110142)摘 要：通过A/C轴双摆头误差预防与误差补偿工艺方案的研究，设计了A/C轴双摆头装配工艺方案以及两轴回转中心的误差检测与补偿方案～此研究方案应用于沈阳机床某 A/C轴双摆头试制，效果良好。

关键词：A/C轴双摆头 几何精度 几何误差 误差检测 误差补偿中图分类号：TH161.7 文献标识码：BResearch on the error prevention and error compensation ofA/C axis bi-rotary miling headGUO Hongwei，ZHANG Liang，LI Hongtao(SMTCL，Shenyang 110142，CHN)Abstract：By researching on error prevention and error compensation of the A/C axis Bi-Rotary miling head，thispaper presents an assembling arrangement of the A/C axis Bi-Rotary milling head and a measuring&compensating plan of the A/C axis rotary center. Applying these means on the trial manufacturingprocess of the A/C-axis Bi-Rotary miling head at SMTCL。the methods have been proved very effi-cient。

Keywords：A/C Axis Bi-rotary Milling Head；Geometric Accuracy；Geometric Eror；Error Measurement；ErrorCompensation随着对加工质量要求越来越高，五轴数控机床加工精度问题已经成为-个研究热点。而提高加工精度的方法主要有两种：-种是误差预防，另-种是误差补偿。误差预防主要是从提高机床 自身的制造和装配精度的角度来提升加工精度；误差补偿的方法是在不改变数控机床结构和控制系统的基础上，通过对机床运动误差源分析、建立数学模型和计算，将机床的空间定位误差实时地反馈到控制系统，实现误差修正，从而提高机床精度。

A/C轴双摆头，由于其结构复杂性，达到产品几何精度要求比较困难，且其涉及动态联动几何精度要求，并且制造、调试难度较大。因此，需通过误差预防、误差补偿两种途径，提高产品精度。通过对产品结构进行几何精度制造工艺性分析，突出重点项，设计合理的装配工艺方案，实现误差预防；通过设计双摆头回转中心几何误差检测与补偿方案，实现误差补偿 目的，进而提高五轴数控机床加工精度。