高精密装夹调整一体化自动定心技术

樊林翰程军梅那佳胡丙阳

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1.研究背景

光学镜组的光轴位置精度是影响高精密光学定心装调数控单元加工精度的重要因素，将光学镜组光轴与高精密光学定心装调数控单元加工主轴自动调节同轴是光学镜组加工过程中重要难题，现有的常用调节技术手段是手动边调边测方式，一边通过光学中心偏测试系统检测光学镜组光轴偏离方向，一边通过手动调节四维调整卡盘将光轴调节与主轴一致，调整过程中发现四维卡盘受自身重力影响，难以调节至最佳状态，极大依靠操作技术人员调节经验，耗时久，加工效率低，光学镜组加工不稳定，一致性差，极大影响了精密光学系统装配质量。

2.技术路线

针对光学镜组光轴位置调节精度难题，完成了高精密光学定心装调数控单元高精密装夹调整一体化自动定心技术研究，通过开展四维调节系统技术研究实现了光学镜组光轴平移、倾斜调整及锁紧，通过开展中心偏检测系统技术研究实现了光学镜组光轴在线实时检测，通过开展闭环控制系统技术研究实现了光学镜组光轴自动化调整，降低了操作技术人员操作难度，提高了光学镜组加工一致性，为产品批量化生产夯实了基础。

3.研究内容完成情况

3.1高精密装夹调整一体化自动定心技术硬件系统构建

3.1.1四维调节卡盘

在定心加工过程中，自动定心的加工调节系统用于夹紧镜筒，并进行四个自由度（2轴平移和2轴倾斜）微调，使镜筒光轴与机床主轴同轴。保证车削加工过程中加工调节系统具有足够的夹紧力，以避免主轴高速旋转和切削时镜筒产生相对位移。由于是卧式机床，四维调整卡盘在微调时也必须始终克服重力的影响，为了防止在微调时，重力引起卡盘位置改变，四维调整机构必须是稳定可靠的并且带有自锁功能。

针对光学镜组需要实现四个自由度（2轴平移和2轴倾斜）调节功能，开展了四维调节卡盘结构设计，将电机、位移传感器移到卡盘之外，降低了卡盘的电气需求。为了减少电机数量。在卡盘的正上和正下方布置驱动电机，两个电机对顶进行位置调节并抵消重力的影响。当某一个方向的位置调整到位后，锁定导轨，使这个方向不能发生位移。再让主轴旋转90°，这样电机对准卡盘的另一个运动自由度导轨，继续进行调整，调整到位后，锁定导轨。

此调整方法仍然采用分层结构，每个调整自由度单独划分为一层，实现各个自由度运动的解耦。平移运动通过线性导轨实现，旋转自由度通过弧形导轨实现。调整完毕后，利用导轨钳制器锁定。优点是将电气部分移出卡盘，使得卡盘的结构清晰简洁，重量和体积都更容易控制。同时，利用了车床主轴位置控制的优势，仅保留正上方和正下方的调整电机，让正交方向的运动共用调整电机，减少了电机数量。缺点是导轨的锁定困难。首先导轨钳制器体积比较大，不利于降低卡盘的体积，无法应用在空间较小的高精密光学定心装调数控单元样机上；其次，保持力的可靠性问题。随着使用时间增加，在长期离心力的影响下，钳制器的夹紧力是否可靠需要进一步研究。所以在此基础上，提出了优化改进，

为了解决上述问题，四维卡盘采用了外置致动器+螺纹调节方法。为了保证车削过程中卡盘的可靠锁止，对上述方案行改进。取消了导轨钳制器，改用螺纹顶丝实现锁止。同时考虑到四维卡盘每个自由度的运动范围非常有限，在±5mm运动范围内没有必要使用导轨传动，还增加了装配难度。所以需要进一步优化，使用平面副替换两对直线导轨，使用球面副替换两对弧形导轨。四维卡盘的结构更加简单，平移和旋转都各有一层，而且层与层之间是面接触，卡盘更加轻薄可靠。

主轴连接盘与主轴固连，固定框架通过螺钉连接在主轴连接盘上。固定框架径向均布四个调整螺钉，调整螺钉向下倾角为10°。调整螺钉的作用有两个，一是通过四个调整螺钉将平移台紧紧固定在主轴连接盘上；二是，通过调整螺钉可以驱动平移台在主轴连接盘表面平动。平移台的顶端为球面，旋转台与平移台通过球副接触。同样，平移框架上也均布四个调整螺钉，实现旋转台的固定和调整。这种方案通过螺纹锁止四维卡盘的运动，固定可靠，能够满足加工的需要。

3.1.2伺服调节机械设计

定心加工调节系统的机械部分。系统包括四维卡盘、调整模块和二维导轨等三个模块。其中四维卡盘提供四个调整自由度，由8个细牙螺钉进行调整。

调整模块由电机、滚珠花键和套筒等部分构成，电机通过谐波减速器将动力输出到驱动轴。驱动轴与套筒通过滚珠花键连接，滚珠花键轴可以传递扭矩，同时可以进行轴向伸缩运动。轴向的伸缩运动可以为套筒提供一定的轴向运动空间。当套筒与螺钉头未对准时，调整模块轴向前移，会使弹簧压缩，弹簧将套筒压紧在螺钉头上。此时旋转电机，当套筒与调整螺钉头对准后，在弹簧力的作用下，套筒套入螺钉头。

二维导轨的作用是移动调整模块，使调整模块移动动工作位置。当调整模块不工作时，二维导轨将调整模块收缩到机床主轴隔板处。防止调整模块与车刀发生干涉。为了不发生干涉，调整模块的可用空间非常有限，项目通过两个措施解决了空间问题。（1）集成化设计，大幅减少器件体积。将电机、谐波减速器、传感器、控制器集成。同时改变导轨安装方式，使用悬挂式安装减少空间占用。（2）将器件向隔板后方扩展，主轴前端空间受限，但后方空间相对充裕，项目打通了隔板，将器件向机床后部扩展，解决了空间矛盾。

3.1.2伺服调节控制系统

控制系统由工控机、PLC、电机驱动器、电源等部分构成。工控机通过modbus tcp协议与PLC通信，将上位机运动指令发送给PLC。PLC将用户指令转换为电机指令（如脉冲+方向等），驱动电机按照用户需要运动。

控制系统的三层结构是为了提高系统的可靠性。首先，PLC的可靠性高于运行在工控机内的上位机。由PLC对电机进行控制，可靠性要高于上位机直接控制电机。其次，PLC程序进行了保护，上位机与PLC之间有心跳信号，确保上位机断开后所有设备停机。第三，项目从PLC处引出了急停按钮，用户可通过急停按钮随时停止设备运行。

3.2定心车上位机软件

上位机软件的开发目的是实现机床、检测系统以及调心系统的集成，使之协同工作。机床主轴按照预定速度转动一圈，检测系统测出光学镜偏心和倾斜，调心系统调整卡盘，直至光轴与机床主轴重合。上位机软件需要解决的问题包括，上位机对机床的通信控制、上位机对检测系统的通信控制以及上位机对调心装置的通信控制。

3.2.1 软件架构

上位机软件采用分层架构，通信层负责对硬件设备进行管理，调用硬件功能，反馈硬件信息数据。数据层基于面向对象思想，创建定心加工过程中的对象，例如光学元件、镜座结构件、加工工艺和测量工艺。这些对象封装了用户输入或设备的测量数据，并提供了功能函数。最高层为应用层，分为多个模块，对应了用户在定心车过程中的功能需求。

模型构建：用户创建将要进行定心车加工的对象模型，这个模型来自设计。模型记录了设计师对结构件和光学件的设计数据。这些数据存储在结构件和光学件对象中。测量完成后，这些设计数据将会更新为实际测量数据。

工艺规划：工艺规划模块提供工艺设定接口，用户在此模块中定义加工工艺和测量工艺。加工工艺制定完毕后，工艺参数会发送给机床，并存储到机床宏参数内，然后加载相应的加工G代码。测量工艺制定完毕后，测量参数发送给机床，存储为机床测量G代码的宏参数，并为机床加载相应的测量G代码。测量由机床安装的接触式测量头实现，其测量结果存储在机床宏变量中，上位机会从宏变量中提取测量结果。

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