一种基于多点的大曲率面板超精密加工柔性夹持系统的制作方法

本发明涉及一种基于多点的大曲率面板超精密加工柔性夹持系统，尤其是一种基于多点的大曲率夹层结构高精度面板超精密加工柔性夹持系统，采用若干离散的高度可调钉柱及真空吸附系统实现大曲率夹层结构面板超精密加工的精确定位和稳定约束。属于机械工程技术领域。

背景技术：

太赫兹(thz)波频率高于微波，低于红外线，能量大小则介于电子和光子之间，表现出分辨率高、散射小、方向性好、传输速率高等优点，被广泛应用于雷达探测及通讯传输等领域。为了更好地发展太赫兹技术，用于发射和接收太赫兹波的高增益天线是必不可少的部件，然而这种高频率的天线设计极其困难，其挑战性不仅在于制造技术，也在于测量技术。紧缩场(ctr，compacttestrange)能在相对小(紧缩)的空间里将球面波转换成高质量的平面波，能够在室内实现测量所需的远场测试条件，具有干扰因素少、测量精度高、保密性强、可全天候测量等优点，是电磁波测量最有效的方法。其中，高精度反射面的设计制造是建造紧缩场的基础，其型面精度和稳定性会直接影响天线的增益。随着紧缩场工作频率的不断提高，对反射面型面精度的要求越来越高，而反射面曲率的不断增大，使高精度面板的制造越来越困难。因此，研究突破高比刚度、大曲率高精度反射面板制造技术，对建造大曲率、高性能紧缩场系统具有重要的现实意义。

太赫兹紧缩场反射面最突出的特点就是曲率大而面积小，所要求的反射面型面精度要达到10微米左右，这显著增大了面板精密成形的困难程度。常见的面板精密成形方法主要包括：(1)对铸件直接进行精密加工，该方法成形精度高但加工余量大，生产效率低，且铸件内部易产生缺陷，成形后的面板质量太大，重力引起的型面精度变化大，难以控制；(2)蜂窝夹层结构面板柔性成形，该技术应用离散钉模和真空负压系统对开缝硬铝板和蜂窝进行压贴和胶结固化，最终得到组成的“三明治”结构的蜂窝夹层结构面板。该方法生产周期短，成形精度高，面板比刚度大，并且随着面板曲率的增大，逐渐引入了“拉形+负压成形”的复合柔性成形技术，即铝板压贴前，对其进行拉形处理，使其内部应力均匀化，这显著提高了可成形的面板曲率水平。

然而，对于太赫兹夹层结构面板而言，曲率更大、要求精度更高，即使采用上述拉形再负压成形的方法依然无法获得满足使用条件的高精度面板。研究表明，超精密加工技术可以有效降低工件表面粗糙度、去除损伤层，获得高型面精度和表面完整性的工件。因此，为了获得比刚度高且型面精度高的面板，结合上述两种面板精密成形方法，提出了一种夹层结构面板超精密成形与加工组合制造技术，即首先利用真空负压成形方法得到型面精度较高的夹层结构面板，然后对其进行进一步超精密加工，为解决大曲率高精度面板的成形制造提供新方法。而面板超精密加工过程中，最大的问题就是曲面工件难以实现充分定位和稳定约束，由于“负压成形”后的夹层结构面板是带有一定曲率的，故无法通过压板或粘结固定在铣床平台上，并且即使胶结后的夹层结构面板具有较大的刚度，但是在z向加工力的作用下，依然有可能因定位不足产生较大变形，导致加工不足或过量。因此，必须在准确定位的同时尽量减小面板因夹持产生的变形，才能保证加工后的夹层结构具有理想的型面精度。

因此，为解决大曲率面板加工时装夹困难、定位不准等问题，发明一种可用于大曲率夹层结构高精度面板超精密加工定位的柔性夹持工装，主要实现大曲率夹层结构高精度面板超精密加工时面板的准确定位和稳定约束，并使加工力引起的面板变形量最小。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于多点的大曲率面板超精密加工柔性夹持系统。该工装能够在大曲率夹层结构高精度面板超精密加工时对面板进行准确定位和稳定约束，并尽量减小其在加工时的变形，以获得具有理想型面精度的夹层结构面板。

本发明一种基于多点的大曲率面板超精密加工柔性夹持系统，其结构主要包括底座b、高度可调钉柱c、万向真空吸盘d、过渡连接件e，如图1所示为太赫兹大曲率夹层结构反射面板在该柔性夹持工装上安装定位后的结构示意图。高度可调钉柱和万向真空吸盘安装在底座上，并通过调整高度构成内凹的离散曲面，大曲率夹层结构面板(以下简称面板)放置在该离散曲面模上，并通过该面板成形时预留的两个定位孔进行定位。各部分结构设计如下：

1.底座结构设计

为了实现面板的充分定位和稳定约束，底座的刚度和稳定性至关重要。此外，对于不同大小紧缩场反射面板的超精密加工，底座结构需满足可方便组合和拆卸的特点。因此，以横截面相同、长度不同的不锈钢离散钉条作为底座的基础，通过对其进行合理的组合及机械连接形成如图3所示的底座。其中，排列好的离散钉条两端利用另外两个钉条及连接销钉连成一体；离散钉条横截面均为50mm×50mm的正方形，且每根离散钉条上相隔50mm的距离均布有直径12mm的钉孔，用于安装高度可调钉柱和万向真空吸盘，离散钉条长度及重复数量由待加工面板尺寸及数控机床加工平台台面尺寸决定，组合后的底座必须保证面积略大于面板，且置于加工台面上时不与机床侧壁发生干涉。整个底座刚性很大、不易变形，可以很稳定地安装在铣床平台上。

2.万向真空吸盘结构设计

真空吸盘是广泛应用于各种真空吸持设备上的气动元件。工作时，吸盘唇口和工件表面接触后形成一个密封空间，通过连接的真空发生装置抽走密封空间里面的空气，从而产生内外压力差，实现对工件的夹紧。反之，若平稳地向真空吸盘内充气，使真空吸盘内由负气压变成零气压或稍为正的气压，即可以松开工件。通过对真空度的调整来控制夹紧力的大小。

真空吸盘不仅要起到稳定吸附面板的作用，还需适应面板曲率的变化以防发生过度变形，故设计了一种可在45°角范围内沿任意方向转动的万向真空吸盘，如图4所示。所述万向真空吸盘主要包括：吸盘唇口6、上球壳7、下球壳8、支撑螺杆9、真空管路接口定位器10、万向球头11、定位螺母12、真空管路接口13。上球壳上表面固定有吸盘唇口，下表面通过螺钉与下球壳相连，上、下球壳之间留有一可安装万向球头的球形空间，该空间既可使万向球头不发生晃动，又可以实现其45°角范围内的万向转动。万向球头另一端与一留有真空管路的支撑螺杆进行连接，支撑螺杆从上到下依次分布有定位螺母和真空管路接口定位器，通过调整定位螺母12的位置可以将真空管路接口定位器10固定在确定的位置，此外，在真空管路接口定位器侧壁安装真空管路接口，以便与真空泵进行连接。安装完成的万向真空吸盘内部会形成始于吸盘中心，依次经过万向球头球心、支撑螺杆，止于真空管路接口的真空管路。

万向真空吸盘的直径、数量、位置的确定原则如下：离散钉床中高度可调钉柱的间距为50mm，为了保证真空吸盘不与高度可调钉柱发生空间干涉，吸盘唇口直径须小于100mm。此外，万向真空吸盘数量必须确保其提供的总摩擦力大于加工力，且位置要保证面板在其吸附下实现稳定约束。对于大曲率夹层结构面板的超精密加工而言，必须保证在面板四角和中心至少各设置一个万向真空吸盘，才能保证面板的充分定位。

3.高度可调钉柱结构设计

所述的高度可调钉柱，其底端带有外螺纹，以安装在底座的钉孔内，并按照面板外形进行高度调整即可得到随形曲面离散钉床，用于稳定支撑夹层结构面板；夹层结构面板带有一定曲率，与钉头接触时为相切状态，由于平头钉与面板接触时容易因局部压力过大造成面板较大变形，故该高度可调钉柱与面板接触端设计为球头结构。

4.过渡连接件结构设计

为了将万向真空吸盘稳定地安装在底座上，并实现高度可调节的目的，需要将万向真空吸盘与高度可调钉柱进行连接，因此，设计了一可用于连接万向真空吸盘和高度可调钉柱的过渡连接件。该过渡连接件主要由两部分构成，一部分为吸盘螺纹套，设计有与真空吸盘支撑螺杆相配合的内螺纹孔，便于与吸盘连接，并通过松紧螺纹可实现吸盘高度的调节；另一部分为钉柱孔套，其中心留有可与高度可调钉柱进行间隙配合的孔。此外，在钉柱孔套的侧壁预留两个顶丝孔，用于顶丝的安装，以达到高度可调钉柱的紧固和定位。此外，通过调节钉柱的高度还可进一步对吸盘高度进行调节。

本发明一种基于多点的大曲率面板超精密加工柔性夹持系统，其优点及功效在于：该柔性夹持装置通过对真空度的调整来控制夹紧力的大小，此外，多个万向真空吸盘的使用保证了面板充分定位，而通过调整吸盘的分布位置及吸附顺序可实现面板在很小变形条件下的稳定约束。针对不同面积的零件，可以通过不同尺寸钉条的组合获得了不同尺寸的底座，并且根据加工力的大小及加工零件的尺寸确定适当的吸盘直径、吸盘数量及位置；而针对不同曲率的面板，又可通过调节高度可调钉柱与真空吸盘的高度得到不同曲率的凹形离散钉模，为曲面零件的充分定位、稳定约束、微小变形、柔性装夹提供了有效方法。

附图说明

图1为安装有夹层结构反射面板的柔性夹持工装结构示意图。

图2为大曲率夹层结构面板示意图。

图3为底座结构示意图。

图4a、b为万向真空吸盘结构示意图。

图5为高度可调钉柱结构示意图。

图6a、b、c为过渡连接件结构示意图。

图7a、b、c、d为不同约束方式下平面板超精密加工平面度拟合图。

图中标号及符号说明如下：

1-面板2-背板3-定位耳片4-钉条5-连接销钉

6-吸盘唇口7-上球壳8-下球壳9-支撑螺杆

10-真空管路接口定位器11-万向球头12-定位螺母

13-真空管路接口14-吸盘螺纹套15-钉柱孔套

a-大曲率反射面板b-底座c-高度可调钉柱

d-万向真空吸盘e-过渡连接件

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明涉及的大曲率夹层结构高精度面板超精密加工定位的柔性夹持系统主要包括大曲率反射面板a、底座b、高度可调钉柱c、万向真空吸盘d、过渡连接件e，如图1所示为安装有夹层结构反射面板的柔性夹持工装结构示意图。各部分具体结构如下：

为了提高大曲率夹层结构高精度反射面板的型面精度，需要对真空负压成形后的高精度面板进行进一步超精密加工，而实现超精密加工的前提是将面板进行充分定位和稳定约束，由于大曲率夹层结构面板无法通过压板或粘接直接安装在铣床上，故设计了一种用于大曲率夹层结构高精度面板超精密加工定位的柔性夹持系统，整体结构如图1所示。

如图3，该柔性夹持系统的底座由若干横截面50×50mm的不锈钢长方体钉条4组合而成，钉条长度及重复数量根据待加工加工面板的尺寸及数控加工平台台面尺寸决定，必须保证组合后的底座面积略大于面板，且置于加工台面上时不与机床侧壁发生干涉，排列好的离散钉条两端利用另外两个钉条和连接销钉5连成一体。该底座刚度大、稳定性好，可直接固定在铣床平台上。钉条4上相隔50mm的距离均布有直径12mm的钉孔，用于安装高度可调钉柱c。由于夹层结构面板带有一定曲率，与钉头接触时为相切状态，而平头钉与面板接触时容易因局部压力过大造成面板较大变形，故将高度可调钉柱c与面板接触的一端设计为球头结构，如图5所示。高度可调钉柱c底端需带有一定长度外螺纹，便于通过拧紧螺母固定在钉孔中，且根据夹层结构背板2的外形数模可调整高度可调钉柱c的高度，从而形成凹形离散钉床，用于大曲率反射面板a的安装。此外，面板放置在该离散钉床上时，依靠其负压成形时预留的定位孔3进行定位(如图2所示)。

对面板进行装夹时必须在夹层结构变形量最小的条件下，达到充分定位和稳定约束，设计了如图4a、b所示的万向真空吸盘d。该万向真空吸盘主要由吸盘唇口6、上球壳7、下球壳8、支撑螺杆9、真空管路接口定位器10、万向球头11、定位螺母12、真空管路接口13组成。上球壳7上表面固定有吸盘唇口6，下表面通过螺钉与下球壳8相连，上、下球壳之间留有一可安装万向球头11的球形空间，该空间既可使万向球头11不发生晃动，又可以实现其45°角范围内的万向转动。万向球头另一端与一留有真空管路的支撑螺杆9进行连接，支撑螺杆从上到下依次分布有定位螺母12和真空管路接口定位器10，通过调整定位螺母12的位置可以将真空管路接口定位器10固定在确定的位置，此外，在真空管路接口定位器10的侧壁安装有真空管路接口13，以便与真空泵进行连接。安装完成的万向真空吸盘内部会形成始于吸盘唇口6中心，依次经过万向球心11、支撑螺杆9，止于真空管路接口13的真空管路。

万向吸盘无法直接安装在底座上，必须依靠过渡连接件e将其与高度可调钉柱c进行连接，才能实现其吸附夹持作用。如图6a、b、c所示，过渡连接件e主要由两部分构成，一部分为吸盘螺纹套14，设计有与真空吸盘支撑螺杆相配合的内螺纹孔，便于与万向真空吸盘d连接，并通过松紧支撑螺杆9的螺纹便可实现吸盘高度的调节；另一部分为钉柱孔套15，其中心留有可与高度可调钉柱进行间隙配合的孔。此外，在连接件侧壁预留两个顶丝孔，用于顶丝的安装，以达到高度可调钉柱c的紧固和定位。此外，通过调节钉柱的高度还可进一步对吸盘高度进行调节。连接完成后真空管路接口13通过橡胶管与真空泵连接，真空泵抽走密封空间里面的空气，从而产生内外压力差，实现对工件的夹紧。反之，若平稳地向真空吸盘内充气，使真空吸盘内由负气压变成零气压或稍为正的气压，即可以松开工件。

其中，万向真空吸盘直径、数量、位置的具体确定原则如下：

(1)吸盘直径的确定

离散钉床中的高度可调钉柱可旋入于底座上相隔50mm钉孔中，为了保证高度可调钉柱与万向真空吸盘之间不发生空间干涉，吸盘唇口直径必须小于100mm。

(2)吸盘布局的确定

夹层结构面板超精密加工的一次加工量很小，因此产生的加工力也非常小，只需1～2个吸盘即可完全抵消。然而，要实现超精密铣削不仅要使吸盘提供的摩擦力大于铣削力，还必须实现面板的稳定吸附，保证铣削过程中面板的变形足够小。

对一尺寸400mm×400mm夹层结构平面板分别采用四点吸附(面板四角分别设置一万向真空吸盘)和五点吸附(面板四角及中心分别设置一万向真空吸盘)的约束方式进行定位时的超精密数控加工情况进行研究(吸盘唇口直径为60mm)。加工完成后拟合得到的两种约束方式下夹层结构板的平面度情况如图7所示。根据拟合结果可以得出：如图7a、b当对夹层结构采用五点吸附方式约束时，加工后的面板平面度分布均匀，边缘和中心区域没有明显的纵向位移差。如图7c、d当对面板进行四点吸附(面板中心无支撑)约束时，从边缘区域至中心位置，其纵向位移差逐渐增大，这是由于采用四点吸附方式约束时，面板中心区域约束不足，其在z向铣削力的作用下产生了较大位移，从而发生中心区域欠切现象，当卸载真空压力后，就形成了中间高边缘低的分布情况。

根据上述分析可知：实际加工过程中对面板进行约束时，必须保证面板中心及四角至少设置一个万向真空吸盘对其进行吸附，才能保证面板充分定位和稳定约束，从而实现微量超精密加工。当对大面积面板进行超精密加工定位时，只需利用该柔性夹持系统在大面积底座上将上述五点吸附约束方式作为最小单元进行重复使用即可。