CN113695936A - 一种薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法，涉及装夹工艺的技术领域，解决了目前二次装夹的可靠性低，重复定位精度低，导致微坑结构加工精度低、表面质量差且加工效率低的问题，本发明通过由高精度的驱动装置组成的五轴联动超精密加工装置对薄壁球壳类微小构件进行表面加工和二次装夹，初次装夹真空吸附夹具和二次装夹真空吸附夹具内均设有零点快换定位系统，通过高分辨率CCD相机对二次装夹真空吸附夹具和薄壁球壳类微小构件的接触区域进行监测，通过计算机对二次装夹真空吸附夹具和薄壁球壳类微小构件的位置进行分析，保证二次装夹过程中的准确度，零点定位系统重复定位精度高，保证了薄壁球壳类微小构件的高重复定位精度调头装夹。

Description

一种薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法

技术领域

本发明涉及装夹工艺的技术领域，尤其涉及一种薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法。

背景技术

薄壁球壳类微小构件具有的重量轻、可靠性高以及结构效率高等诸多优点，广泛应用于各大航空航天、国防军事、电子信息、生物医疗等行业。通常这些零件表面面形要求达到亚微米级的形状精度、纳米级的表面粗糙度和极小的亚表面损伤，并要求在曲面等复杂型面基础上，在全表面制造出微米至亚毫米跨尺度特征结构。例如，能源研究用微小尺度薄壁球壳球径1～5mm，壳层厚度20～120μm，为了进一步提高产出能源增益，需要在全表面加工出数十个至百余个纵向尺寸0.5～20μm、横向尺寸50～200μm的微坑结构，要求轮廓误差优于0.3μm、表面粗糙度Ra优于20nm，微坑结构分布均匀，间距误差达到微米量级精度。需要采用专用的装夹方法，结合超精密加工装置，才能实现全表面微坑结构的加工。

微小尺度薄壁球壳空间尺度较小，相对刚度较弱，壁厚较小，并由于特殊的表面结构特征，非均匀的材质、细微表面缺陷以及加工过程中流体力学不稳定性等一系列问题的存在，对全表面均布微坑结构的加工工艺提出了更高的迫切需求。鉴于微坑结构全表面分布的特殊性，加工过程中需要通过两道工序，先加工半球面微坑结构，接着调头装夹加工完剩余半球面微坑结构。因此，半球面微坑结构加工完成之后的调头二次装夹是球壳全表面微坑结构加工工艺中的一个重要组成部分，其可靠性及重复定位精度高低直接决定着球壳表面微坑结构的加工精度和表面质量。当前，现有的调头二次装夹方法中，主要以机械式手动操作为主，通过手动拆卸、取件，进行二次装夹，实现工件的调头。装夹可靠性、重复定位精度远达不到相应要求，进而导致微坑结构加工精度低、表面质量差，且加工效率低。在薄壁球壳全表面微坑结构加工工艺中，如何实现半球面微坑结构加工完成之后的高精度调头装夹，已经成为各国学者研究的热点和亟待解决的瓶颈难题，需要在这方面开展相应的研究，以填补技术空白。

发明内容

针对上述产生的目前二次装夹的可靠性低，重复定位精度低，导致微坑结构加工精度低、表面质量差且加工效率低的问题，本发明的目的在于提供一种薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法，其中，所述薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法采用一个初次装夹真空吸附夹具1、一个二次装夹真空吸附夹具2、一个高分辨率CCD相机4和一个薄壁球壳类微小构件3，所述初次装夹真空吸附夹具1上安装有用于吸附所述薄壁球壳类微小构件3的初次真空吸附吸头5，所述二次装夹真空吸附夹具2上安装有用于吸附所述薄壁球壳类微小构件3的二次真空吸附吸头6，初次装夹真空吸附夹具1和二次装夹真空吸附夹具2的中心轴线相互平行，初次装夹真空吸附夹具1和二次装夹真空吸附夹具2的运行轨迹均通过控制系统控制，所述高分辨率CCD相机4用于监测所述初次装夹真空吸附夹具1、所述二次装夹真空吸附夹具2和所述薄壁球壳类微小构件3之间的位置信息，初次真空吸附吸头5和二次真空吸附吸头6的腔体内部压力均通过真空发生系统控制；

所述薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法包括：

S1：所述真空发生系统控制所述初次真空吸附吸头5处于真空负压状态，所述薄壁球壳类微小构件3吸附在所述初次真空吸附吸头5上，通过所述控制系统控制所述初次装夹真空吸附夹具1沿X轴方向移动，所述X轴方向为一个水平方向，使初次装夹真空吸附夹具1的中心轴线与二次装夹真空吸附夹具的中心轴线位于同一竖直平面内；

S2：通过所述控制系统控制所述二次装夹真空吸附夹具2沿Z轴方向以较高的进给速度朝所述初次装夹真空吸附夹具1所在的方向移动，所述Z轴方向为与所述X轴方向相互垂直的另一个水平方向，在所述二次真空吸附吸头6进入高分辨率CCD相机4的监测范围时，通过所述控制系统控制所述二次装夹真空吸附夹具2由较高的进给速度转为以较低的进给速度移动并在接触所述薄壁球壳类微小构件3前停止移动，所述高分辨率CCD相机4同时对所述初次装夹真空吸附夹具1、所述二次装夹真空吸附夹具2和所述薄壁球壳类微小构件3的位置进行监测；

S3：通过所述控制系统控制所述初次装夹真空吸附夹具1沿Y轴方向移动，所述Y轴方向为竖直方向，使所述初次装夹真空吸附夹具1的中心轴线与所述二次装夹真空吸附夹具2的中心轴线位于同一直线上，通过所述控制系统控制所述二次装夹真空吸附夹具2沿Z轴方向以较低的进给速度移动，所述高分辨率CCD相机4监测到所述二次真空吸附吸头6抵于所述薄壁球壳类微小构件3时，所述二次装夹真空吸附夹具2停止移动；

S4：所述真空发生系统控制所述二次真空吸附吸头6处于真空负压状态，所述薄壁球壳类微小构件3吸附在所述二次真空吸附吸头6上，实现所述初次装夹真空吸附夹具1和所述二次装夹真空吸附夹具2的同轴吸附，所述真空发生系统控制所述初次真空吸附吸头5解除真空负压状态，所述薄壁球壳类微小构件3由所述初次装夹真空吸附夹具1移送至所述二次装夹真空吸附夹具2上；

S5：在所述薄壁球壳类微小构件3和所述二次真空吸附吸头6的接触区域滴加水溶胶，待水溶胶凝固之后，所述真空发生系统控制所述二次真空吸附吸头6解除真空负压状态，所述薄壁球壳类微小构件3粘接在所述二次真空吸附吸头6上，通过所述控制系统控制所述二次装夹真空吸附夹具2沿Z轴方向朝远离所述初次装夹真空吸附夹具1的方向移动一段距离后停止，便于所述初次真空吸附吸头5和所述二次真空吸附吸头6的拆卸及再次安装；

S6：将所述初次真空吸附吸头5从所述初次装夹真空吸附夹具1上拆下，将所述二次真空吸附吸头6从所述二次装夹真空吸附夹具2上拆下，将所述二次真空吸附吸头6安装到所述初次装夹真空吸附夹具1上，所述真空发生系统控制所述二次真空吸附吸头6处于对所述薄壁球壳类微小构件3真空吸附的真空负压状态，实现了薄壁球壳类微小构件3的二次装夹。

上述的薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法，其中，所述初次装夹真空吸附夹具1包括：初次装夹零点定位装置夹具体7和初次装夹零点定位装置基准片8，所述初次装夹零点定位装置夹具体7和所述初次装夹零点定位装置基准片8通过拉钉实现较高重复定位精度地可拆卸连接，初次装夹零点定位装置夹具体7的内部设有真空管路，所述初次装夹零点定位装置基准片8和所述初次真空吸附吸头5连接。

上述的薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法，其中，所述二次装夹真空吸附夹具2包括：二次装夹零点定位装置夹具体9和二次装夹零点定位装置基准片10，所述二次装夹零点定位装置夹具体9和所述二次装夹零点定位装置基准片10通过拉钉实现较高重复定位精度地可拆卸连接，二次装夹零点定位装置夹具体9的内部设有真空管路，所述二次装夹零点定位装置基准片10和所述二次真空吸附吸头6连接。

上述的薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法，其中，所述初次装夹真空吸附夹具1还包括：初次装夹长拉杆11，所述初次装夹长拉杆11设于所述初次装夹零点定位装置夹具体7内，所述初次装夹长拉杆11呈筒状，初次装夹长拉杆11的一端和所述初次装夹零点定位装置夹具体7的真空管路连通，初次装夹长拉杆11的另一端和所述初次装夹零点定位装置基准片8连接，所述初次装夹长拉杆11的另一端和初次真空吸附吸头5的初次真空吸附夹具腔体15连通，所述初次装夹长拉杆11和所述初次装夹零点定位装置夹具体7的重复定位精度为0.5微米。

上述的薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法，其中，所述二次装夹真空吸附夹具2还包括：二次装夹长拉杆12，所述二次装夹长拉杆12设于所述二次装夹零点定位装置夹具体9内，所述二次装夹长拉杆12呈筒状，二次装夹长拉杆12的一端和所述二次装夹零点定位装置夹具体9的真空管路连通，二次装夹长拉杆12的另一端和所述二次装夹零点定位装置基准片10连接，所述二次装夹长拉杆12的另一端和二次真空吸附吸头6的二次真空吸附夹具腔体16连通，所述二次装夹长拉杆12和所述二次装夹零点定位装置夹具体9的重复定位精度为0.5微米。

上述的薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法，其中，初次真空吸附吸头5和二次真空吸附吸头6的结构尺寸相一致，初次装夹零点定位装置基准片8和二次装夹零点定位装置基准片10的结构尺寸相一致，初次装夹长拉杆11和二次装夹长拉杆12的结构尺寸相一致。

上述的薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法，其中，所述初次装夹零点定位装置夹具体7的真空管路远离所述初次真空吸附吸头5的一端和所述真空发生系统连通，所述二次装夹零点定位装置夹具体9的真空管路远离所述二次真空吸附吸头6的一端和所述真空发生系统连通。

上述的薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法，其中，所述高分辨率CCD相机4为2600万像素的高分辨率相机，所述高分辨率CCD相机4的视场范围可达6.4mm×4.8mm。

上述的薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法，其中，所述高分辨率CCD相机4将监测到的图像信号发送至计算机中，通过计算机对图像信号进行处理并监测所述二次真空吸附吸头6和所述薄壁球壳类微小构件3之间的位置信息，所述图像信号的最小像素分辨率为1.25微米。

上述的薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法，其中，所述控制系统通过控制X轴电机驱动所述初次装夹真空吸附夹具1沿X轴方向移动，所述控制系统通过控制Y轴电机驱动所述初次装夹真空吸附夹具1沿Y轴方向移动，所述控制系统通过控制Z轴电机驱动所述二次装夹真空吸附夹具2沿Z轴方向移动。

本发明由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具有的积极效果是：

(1)本发明中，通过由高精度的驱动装置组成的五轴联动超精密加工装置对薄壁球壳类微小构件的表面进行加工和二次装夹，初次装夹真空吸附夹具沿X轴方向任意10mm内位移的定位精度优于0.05μm，初次装夹真空吸附夹具沿Y轴方向任意10mm内位移的定位精度优于0.05μm，二次装夹真空吸附夹具沿Z轴方向任意10mm内位移的定位精度优于0.05μm，初次装夹真空吸附夹具和二次装夹真空吸附夹具的加工精度高，表面加工质量稳定，二次调头装夹的准确度高，避免对薄壁球壳类微小构件的表面产生装夹变形，有效降低对薄壁球壳类微小构件的二次调头装夹的位置误差；

(2)本发明中，采用高分辨率CCD相机对二次装夹真空吸附夹具和薄壁球壳类微小构件的接触区域进行监测，可有效监测二次装夹真空吸附夹和薄壁球壳类微小构件的接触情况，利用计算机对高分辨率CCD相机获取的图像进行处理，由获取的图像中二次装夹真空吸附夹具和薄壁球壳类微小构件的位置信息，确认吸附接触情况，提高二次调头装夹效率；

(3)本发明中，采用零点定位快换系统实现薄壁球壳类微小构件的调头二次装夹，重复定位精度高，满足了二次装夹时高精度要求，在二次装夹过程中，采用水溶胶和真空吸附两种方式交替作用，减小对薄壁球壳类微小构件的表面产生装夹变形，同时保证了二次装夹的高精度；

(4)本发明中，初次装夹真空吸附夹具和二次装夹真空吸附夹具内均设有零点快换定位系统，零点快换定位系统由夹具体、长拉杆、基准片及基准规组成，利用零点快换系统的可拆卸性，将吸附有薄壁球壳类微小构件的二次装夹真空吸附夹具转接到空气静压工件轴的零点定位系统上，零点定位系统重复定位精度高，实现了薄壁球壳类微小构件的高重复定位精度调头装夹。

附图说明

图1是本发明的一种薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法的实施例示意图。

图2是本发明的一种薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法的初次装夹真空吸附夹具在二次装夹前的使用状态示意图。

图3是本发明的一种薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法的初次装夹真空吸附夹具在二次装夹后的使用状态示意图。

附图中：1、初次装夹真空吸附夹具；2、二次装夹真空吸附夹具；3、薄壁球壳类微小构件；4、高分辨率CCD相机；5、初次真空吸附吸头；6、二次真空吸附吸头；7、初次装夹零点定位装置夹具体；8、初次装夹零点定位装置基准片；9、二次装夹零点定位装置夹具体；10、二次装夹零点定位装置基准片；11、初次装夹长拉杆；12、二次装夹长拉杆；13、过渡板；14、空气静压工件轴；15、初次真空吸附夹具腔体；16、二次真空吸附夹具腔体；17、二次装夹零点定位快换系统安装板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

请参照图1至图3所示，示出了一种薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法，其中，薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法采用一个初次装夹真空吸附夹具1、一个二次装夹真空吸附夹具2、一个高分辨率CCD相机4和一个薄壁球壳类微小构件3，初次装夹真空吸附夹具1上安装有用于吸附薄壁球壳类微小构件3的初次真空吸附吸头5，二次装夹真空吸附夹具2上安装有用于吸附薄壁球壳类微小构件3的二次真空吸附吸头6，初次装夹真空吸附夹具1和二次装夹真空吸附夹具2的中心轴线相互平行，初次装夹真空吸附夹具1和二次装夹真空吸附夹具2的运行轨迹均通过控制系统控制，高分辨率CCD相机4用于监测初次装夹真空吸附夹具1、二次装夹真空吸附夹具2和薄壁球壳类微小构件3之间的位置信息，初次真空吸附吸头5和二次真空吸附吸头6的腔体内部压力均通过真空发生系统控制；

薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法包括：

S1：真空发生系统控制初次真空吸附吸头5处于真空负压状态，薄壁球壳类微小构件3吸附在初次真空吸附吸头5上，通过控制系统控制初次装夹真空吸附夹具1沿X轴方向移动，X轴方向为一个水平方向，使初次装夹真空吸附夹具1的中心轴线与二次装夹真空吸附夹具的中心轴线位于同一竖直平面内；

S2：通过控制系统控制二次装夹真空吸附夹具2沿Z轴方向以较高的进给速度朝初次装夹真空吸附夹具1所在的方向移动，Z轴方向为与X轴方向相互垂直的另一个水平方向，在二次真空吸附吸头6进入高分辨率CCD相机4的监测范围时，通过控制系统控制二次装夹真空吸附夹具2由较高的进给速度转为以较低的进给速度移动并在接触薄壁球壳类微小构件3前停止移动，高分辨率CCD相机4同时对初次装夹真空吸附夹具1、二次装夹真空吸附夹具2和薄壁球壳类微小构件3的位置进行监测；

S3：通过控制系统控制初次装夹真空吸附夹具1沿Y轴方向移动，Y轴方向为竖直方向，使初次装夹真空吸附夹具1的中心轴线与二次装夹真空吸附夹具2的中心轴线位于同一直线上，通过控制系统控制二次装夹真空吸附夹具2沿Z轴方向以较低的进给速度移动，高分辨率CCD相机4监测到二次真空吸附吸头6抵于薄壁球壳类微小构件3时，二次装夹真空吸附夹具2停止移动；

S4：真空发生系统控制二次真空吸附吸头6处于真空负压状态，薄壁球壳类微小构件3吸附在二次真空吸附吸头6上，实现初次装夹真空吸附夹具1和二次装夹真空吸附夹具2的同轴吸附，真空发生系统控制初次真空吸附吸头5解除真空负压状态，薄壁球壳类微小构件3由初次装夹真空吸附夹具1移送至二次装夹真空吸附夹具2上；

S5：在薄壁球壳类微小构件3和二次真空吸附吸头6的接触区域滴加水溶胶，待水溶胶凝固之后，真空发生系统控制二次真空吸附吸头6解除真空负压状态，薄壁球壳类微小构件3粘接在二次真空吸附吸头6上，通过控制系统控制二次装夹真空吸附夹具2沿Z轴方向朝远离初次装夹真空吸附夹具1的方向移动一段距离后停止，便于初次真空吸附吸头5和二次真空吸附吸头6的拆卸及再次安装；

S6：将初次真空吸附吸头5从初次装夹真空吸附夹具1上拆下，将二次真空吸附吸头6从二次装夹真空吸附夹具2上拆下，将二次真空吸附吸头6安装到初次装夹真空吸附夹具1上，真空发生系统控制二次真空吸附吸头6处于对薄壁球壳类微小构件3真空吸附的真空负压状态，实现了薄壁球壳类微小构件3的二次装夹。

进一步，在一种较佳实施例中，初次装夹真空吸附夹具1包括：初次装夹零点定位装置夹具体7和初次装夹零点定位装置基准片8，初次装夹零点定位装置夹具体7和初次装夹零点定位装置基准片8通过拉钉实现较高重复定位精度地可拆卸连接，初次装夹零点定位装置夹具体7的内部设有真空管路，初次装夹零点定位装置基准片8和初次真空吸附吸头5连接。

进一步，在一种较佳实施例中，二次装夹真空吸附夹具2包括：二次装夹零点定位装置夹具体9和二次装夹零点定位装置基准片10，二次装夹零点定位装置夹具体9和二次装夹零点定位装置基准片10通过拉钉实现较高重复定位精度地可拆卸连接，二次装夹零点定位装置夹具体9的内部设有真空管路，二次装夹零点定位装置基准片10和二次真空吸附吸头6连接。

进一步，在一种较佳实施例中，初次装夹真空吸附夹具1还包括：初次装夹长拉杆11，初次装夹长拉杆11设于初次装夹零点定位装置夹具体7内，初次装夹长拉杆11呈筒状，初次装夹长拉杆11的一端和初次装夹零点定位装置夹具体7的真空管路连通，初次装夹长拉杆11的另一端和初次装夹零点定位装置基准片8连接，初次装夹长拉杆11的另一端和初次真空吸附吸头5的初次真空吸附夹具腔体15连通，初次装夹长拉杆11和初次装夹零点定位装置夹具体7的重复定位精度为0.5微米。

进一步，在一种较佳实施例中，二次装夹真空吸附夹具2还包括：二次装夹长拉杆12，二次装夹长拉杆12设于二次装夹零点定位装置夹具体9内，二次装夹长拉杆12呈筒状，二次装夹长拉杆12的一端和二次装夹零点定位装置夹具体9的真空管路连通，二次装夹长拉杆12的另一端和二次装夹零点定位装置基准片10连接，二次装夹长拉杆12的另一端和二次真空吸附吸头6的二次真空吸附夹具腔体16连通，二次装夹长拉杆12和二次装夹零点定位装置夹具体9的重复定位精度为0.5微米。

进一步，在一种较佳实施例中，初次真空吸附吸头5和二次真空吸附吸头6的结构尺寸相一致，初次装夹零点定位装置基准片8和二次装夹零点定位装置基准片10的结构尺寸相一致，初次装夹长拉杆11和二次装夹长拉杆12的结构尺寸相一致。

进一步，在一种较佳实施例中，初次装夹零点定位装置夹具体7的真空管路远离初次真空吸附吸头5的一端和真空发生系统连通，二次装夹零点定位装置夹具体9的真空管路远离二次真空吸附吸头6的一端和真空发生系统连通。

进一步，在一种较佳实施例中，高分辨率CCD相机4为2600万像素的高分辨率相机，高分辨率CCD相机4的视场范围可达6.4mm×4.8mm。

进一步，在一种较佳实施例中，高分辨率CCD相机4将监测到的图像信号发送至计算机中，通过计算机对图像信号进行处理并监测二次真空吸附吸头6和薄壁球壳类微小构件3之间的位置信息，图像信号的最小像素分辨率为1.25微米。

进一步，在一种较佳实施例中，控制系统通过控制X轴电机驱动初次装夹真空吸附夹具1沿X轴方向移动，控制系统通过控制Y轴电机驱动初次装夹真空吸附夹具1沿Y轴方向移动，控制系统通过控制Z轴电机驱动二次装夹真空吸附夹具2沿Z轴方向移动。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围。

本发明在上述基础上还具有如下实施方式：

本发明的进一步实施例中，初次装夹零点定位装置夹具体7和空气静压工件轴14通过过渡板13连接，初次装夹零点定位装置夹具体7可操作地随空气静压工件轴14绕轴线转动，二次装夹零点定位装置夹具体9和二次装夹零点定位快换系统安装板17固定连接，二次装夹零点定位快换系统安装板17能够绕竖直方向可操作地自转，通过X轴直线驱动电机驱动空气静压工件轴14沿X轴方向可操作地进行往复移动，通过Y轴直线驱动电机驱动空气静压工件轴14沿Y轴方向可操作地进行往复移动，通过Z轴直线驱动电机驱动二次装夹零点定位快换系统安装板17沿Z轴方向可操作地进行往复移动。

本发明的进一步实施例中，真空发生系统包括两个真空发生器，初次装夹真空吸附夹具1的真空管路和一个真空发生器连接，二次装夹真空吸附夹具2的真空管路和另一个真空发生器连接。

本发明的进一步实施例中，通过由X轴直线驱动电机、Y轴直线驱动电机、Z轴直线驱动电机、空气静压工件轴14和二次装夹零点定位快换系统安装板17连接的自转转轴组成的五轴联动超精密加工装置对薄壁球壳类微小构件3按照预定轨迹进行加工及二次装夹。

本发明的进一步实施例中，空气静压工件轴14和二次装夹零点定位快换系统安装板17连接的自转转轴均与高精度的转轴旋转驱动装置连接，如驱动电机。

本发明的进一步实施例中，通过控制系统控制五轴联动超精密加工装置按照预定轨迹，通过多轴插补运动对薄壁球壳类微小构件3的微小尺度薄壁球壳半球面微坑结构加工完成之后，再通过高精度的直线位移驱动装置和转轴旋转驱动装置，调整二次装夹真空吸附夹具2的位姿，实现初次装夹真空吸附夹具1和二次装夹真空吸附夹具2同轴。

本发明的进一步实施例中，由竖直设置的高分辨率CCD相机4对二次装夹真空吸附夹具2和薄壁球壳类微小构件3的接触区域进行监测，观测二次装夹真空吸附夹具2与薄壁球壳类微小构件3的接触情况。

本发明的进一步实施例中，在二次装夹真空吸附夹具2和薄壁球壳类微小构件3接触上之后，二次装夹真空吸附夹具2连通外围真空发生系统，产生真空负压对薄壁球壳类微小构件3进行吸附，同时撤除初次装夹真空吸附夹具1的气源系统，实现薄壁球壳类微小构件3由初次装夹真空吸附夹具1转接到二次装夹真空吸附夹具2上。

本发明的进一步实施例中，利用零点快换系统的可拆卸性，将吸附有薄壁球壳类微小构件3的二次装夹真空吸附夹具2转接到空气静压工件轴14的零点定位系统上，零点定位系统重复定位精度0.5μm，可实现薄壁球壳类微小构件3的高重复定位精度调头装夹。

本发明的进一步实施例中，通过高分辨率CCD相机4监测，基于零点快换系统的二次装夹工艺方法可以实现薄壁球壳类微小构件3在表面微坑结构加工过程中高可靠性、高精度、高效率的调头二次装夹。

本发明的进一步实施例中，一种薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法为一种针对微空间尺度约束下微小尺度薄壁球壳全表面微坑结构加工时的二次装夹工艺方法。

本发明的进一步实施例中，初次装夹真空吸附夹具1通过过渡板13连接在空气静压主轴14的端部，初次真空吸附吸头5通过内六角螺钉连接在初次装夹零点定位装置基准片8上并可实现随零点快换系统快速拆卸，初次真空吸附吸头5采用密封管螺纹与真空腔体37连接，以保证良好的气密性。

本发明的进一步实施例中，真空气源经空气静压工件轴14内部的真空管道，经初次装夹真空吸附夹具1的内部通道连接到初次真空吸附夹具腔体15，并由初次真空吸附吸头5对薄壁球壳类微小构件3产生吸附。

本发明的进一步实施例中，二次装夹真空吸附夹具2由外围真空发生装置产生真空，二次真空吸附吸头6由内六角螺钉连接在二次装夹零点定位装置基准片10上，并可实现随零点快换系统快速拆卸。

本发明的进一步实施例中，二次装夹真空吸附夹具2由内六角螺钉连接在二次装夹零点定位快换系统安装板17上。

本发明的进一步实施例中，外围气源经过二次真空吸附夹具腔体15上的副气源接口连通到二次真空吸附吸头6上，利用真空负压实现对薄壁球壳类微小构件3的吸附。

本发明的进一步实施例中，高分辨率CCD相机4用于调头吸附时监测薄壁球壳类微小构件3与二次装夹真空吸附夹具2的接触情况。

本发明的进一步实施例中，初次装夹真空吸附夹具1和二次装夹真空吸附夹具2内均设有零点快换定位系统，零点快换定位系统由夹具体、长拉杆、基准片及基准规组成，真空吸附夹具通过内六角螺钉连接在基准片上。

本发明的进一步实施例中，初次装夹零点定位装置夹具体7通过内六角螺钉连接在过渡板13上，初次装夹零点定位装置夹具体7通过内六角螺钉连接在初次装夹零点定位装置基准片8上。

本发明的进一步实施例中，初次装夹零点定位装置基准片8通过高精度内六角螺钉连接在初次装夹长拉杆11上，并可随初次装夹长拉杆11一同拆卸。

本发明的进一步实施例中，零点定位快换系统采用气动倍增夹紧模式，自带自动开关，在6±1bar压力作用下，夹具体内部弹簧锁紧装置打开，真空吸附夹具通过基准片连接在长拉杆上，长拉杆插入到夹具体中，撤除外围高压，夹具体弹簧锁紧，实现拉杆及真空吸附夹具的快换装夹。

本发明的进一步实施例中，拉杆和夹具体的重复定位精度为0.5μm，可实现真空吸附夹具的高精度重复装夹定位。

本发明的进一步实施例中，具体操作方法：五轴联动超精密加工装置按照规划加工轨迹与路径，由多轴插补运动对薄壁球壳类微小构件3的半球面微坑结构加工完成之后，进入调头二次装夹准备阶段。

本发明的进一步实施例中，步骤一：系统进行回零操作，通过多轴运动控制器，沿X轴方向移动初次装夹真空吸附夹具1，使得二次装夹真空吸附夹具2和初次装夹真空吸附夹具1的轴线位于同一平面内；进一步地，沿Z轴方向采用大增量模式移动二次装夹真空吸附夹具2，使得二次装夹真空吸附夹具2移向薄壁球壳类微小构件3；在接近薄壁球壳类微小构件3时，二次装夹真空吸附夹具2改用增量式小位移进给；在数控系统中开启高分辨率CCD监测模块，通过高分辨率CCD相机4观测二次装夹真空吸附夹具2和薄壁球壳类微小构件3的接触区域；进一步地，沿Y轴方向采用增量式小位移模式移动初次装夹真空吸附夹具1，使得初次装夹真空吸附夹具1和二次装夹真空吸附夹具2同轴；并进一步沿Z轴方向移动二次装夹真空吸附夹具2，通过竖直设置的高分辨率CCD相机4观测二次装夹真空吸附夹具2和薄壁球壳类微小构件3的接触情况。

本发明的进一步实施例中，步骤二：在二次装夹真空吸附夹具2的二次真空吸附吸头6接触上薄壁球壳类微小构件3之后，进行真空吸附调头操作。由外围真空发生系统产生真空负压，经二次装夹真空吸附夹具2的副气源通道，由气源导通塞连通二次真空吸附吸头6产生真空负压，对薄壁球壳类微小构件3产生吸附。同时，撤除空气静压工件轴14末端的气源系统，解除初次装夹真空吸附夹具1的内部真空环境。在二次装夹真空吸附夹具2的真空负压吸附下，薄壁球壳类微小构件3由初次装夹真空吸附夹具1转移到二次装夹真空吸附夹具2上，进而实现薄壁球壳类微小构件3的二次装夹。

本发明的进一步实施例中，步骤三：在薄壁球壳类微小构件3转移到二次装夹真空吸附夹具2上之后，在薄壁球壳类微小构件3和二次真空吸附吸头6的接触区域滴加水溶胶，进一步确保薄壁球壳类微小构件3和二次真空吸附吸头6结合的紧密性。待水溶胶凝固之后，撤除二次装夹真空吸附夹具2外围真空发生装置，薄壁球壳类微小构件3依靠水溶胶的粘结作用附着在二次真空吸附吸头6上。依靠零点定位系统的快速装夹性，将二次装夹真空吸附夹具2连同零点定位快换系统的二次装夹零点定位装置基准片10、二次装夹长拉杆12一同拆卸下来，转接到初次装夹真空吸附夹具1上，实现薄壁球壳类微小构件3的调头。

本发明的进一步实施例中，步骤四：在调头装夹完成之后，初次装夹真空吸附夹具1连通空气静压工件轴14的末端真空管路，使二次真空吸附吸头6进入真空负压状态，利用真空负压对薄壁球壳类微小构件3进行吸附，确保在加工过程中，装夹的可靠性。

本发明的进一步实施例中，副气源导通塞为一位一通塞，将二次真空吸附吸头6的内部环境与真空腔体很好的隔绝开来，保证良好的气密性。

本发明的进一步实施例中，水溶胶粘贴力强，粘度8000-15000mpa*s，其固含量8％，固化时间在30分钟内。

本发明的进一步实施例中，零点定位系统重复定位精度优于0.5μm，可实现微小尺度薄壁球壳的高重复定位精度调头装夹。

本发明的进一步实施例中，采用零点定位快换系统实现薄壁球壳类微小构件3的调头二次装夹，重复定位精度为0.5μm，很好地满足了二次装夹时高精度要求。

本发明的进一步实施例中，采用两套真空发生系统用于调头装夹过程中产生真空负压，由专用真空吸附夹具辅助以高粘性、易去除水溶胶对薄壁球壳类微小构件3进行吸附夹紧，有利于减小装夹变形，很好地适应了调头二次装夹真空吸附要求。

本发明的进一步实施例中，通过高精度的直线运动单元和旋转运动单元，调整调头装夹时二次装夹真空吸附夹具2的相对位姿，实现初次装夹真空吸附夹具1和二次装夹真空吸附夹具2的同轴吸附，X/Y/Z的直线轴直线度优于0.2μm/全行程(X：200mm；Y：100mm；Z：200mm)，任意10mm内定位精度优于0.05μm；X/Y/Z的直线导轨定位精度优于±0.5μm/全行程(X：200mm；Y：100mm；Z：200mm)，任意10mm内定位精度优于±0.3μm；与二次装夹零点定位快换系统安装板连接的回转台的回转精度优于±1arc-sec。

本发明的进一步实施例中，初次装夹真空吸附夹具1沿X轴方向的全行程为200mm，沿Y轴方向的全行程为100mm，二次装夹真空吸附夹具2沿Z轴方向的全行程为200mm，二次装夹真空吸附夹具2的回转精度优于±1arc-sec。

本发明的进一步实施例中，初次装夹真空吸附夹具1沿X轴方向任意10mm内位移的定位精度优于0.05μm，初次装夹真空吸附夹具1沿Y轴方向任意10mm内位移的定位精度优于0.05μm，二次装夹真空吸附夹具2沿Z轴方向任意10mm内位移的定位精度优于0.05μm。

本发明的进一步实施例中，采用2600万像素高分辨率相机对二次装夹真空吸附夹具2和薄壁球壳类微小构件3的接触区域进行监测，相机视场范围可达6.4×4.8mm，可有效监测二次装夹真空吸附夹具2和薄壁球壳类微小构件3的接触情况。

本发明的进一步实施例中，利用计算机对图像进行处理，图像最小像素分辨率1.25μm，由获取图像中二次装夹真空吸附夹具2和薄壁球壳类微小构件3的位置信息，确认吸附接触情况，提高二次调头装夹效率。

本发明的进一步实施例中，该方法具有一定普适性，可推广用于各类微小尺度球壳类零件调头装夹工艺中。

本发明的进一步实施例中，通过由高精度的驱动装置组成的五轴联动超精密加工装置对薄壁球壳类微小构件3的进行表面加工和二次装夹，初次装夹真空吸附夹具1和二次装夹真空吸附夹具2内均设有零点快换定位系统，通过高分辨率CCD相机4对二次装夹真空吸附夹具2和薄壁球壳类微小构件3的接触区域进行监测，通过计算机对二次装夹真空吸附夹具2和薄壁球壳类微小构件3的位置进行分析，保证二次装夹过程中的准确度，零点定位系统重复定位精度高，保证了薄壁球壳类微小构件3的高重复定位精度调头装夹。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法，其特征在于，所述薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法采用一个初次装夹真空吸附夹具(1)、一个二次装夹真空吸附夹具(2)、一个高分辨率CCD相机(4)和一个薄壁球壳类微小构件(3)，所述初次装夹真空吸附夹具(1)上安装有用于吸附所述薄壁球壳类微小构件(3)的初次真空吸附吸头(5)，所述二次装夹真空吸附夹具(2)上安装有用于吸附所述薄壁球壳类微小构件(3)的二次真空吸附吸头(6)，初次装夹真空吸附夹具(1)和二次装夹真空吸附夹具(2)的中心轴线相互平行，初次装夹真空吸附夹具(1)和二次装夹真空吸附夹具(2)的运行轨迹均通过控制系统控制，所述高分辨率CCD相机(4)用于监测所述初次装夹真空吸附夹具(1)、所述二次装夹真空吸附夹具(2)和所述薄壁球壳类微小构件(3)之间的位置信息，初次真空吸附吸头(5)和二次真空吸附吸头(6)的腔体内部压力均通过真空发生系统控制；

所述薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法包括：

S1：所述真空发生系统控制所述初次真空吸附吸头(5)处于真空负压状态，所述薄壁球壳类微小构件(3)吸附在所述初次真空吸附吸头(5)上，通过所述控制系统控制所述初次装夹真空吸附夹具(1)沿X轴方向移动，所述X轴方向为一个水平方向，使初次装夹真空吸附夹具(1)的中心轴线与二次装夹真空吸附夹具的中心轴线位于同一竖直平面内；

S2：通过所述控制系统控制所述二次装夹真空吸附夹具(2)沿Z轴方向以较高的进给速度朝所述初次装夹真空吸附夹具(1)所在的方向移动，所述Z轴方向为与所述X轴方向相互垂直的另一个水平方向，在所述二次真空吸附吸头(6)进入高分辨率CCD相机(4)的监测范围时，通过所述控制系统控制所述二次装夹真空吸附夹具(2)由较高的进给速度转为以较低的进给速度移动并在接触所述薄壁球壳类微小构件(3)前停止移动，所述高分辨率CCD相机(4)同时对所述初次装夹真空吸附夹具(1)、所述二次装夹真空吸附夹具(2)和所述薄壁球壳类微小构件(3)的位置进行监测；

S3：通过所述控制系统控制所述初次装夹真空吸附夹具(1)沿Y轴方向移动，所述Y轴方向为竖直方向，使所述初次装夹真空吸附夹具(1)的中心轴线与所述二次装夹真空吸附夹具(2)的中心轴线位于同一直线上，通过所述控制系统控制所述二次装夹真空吸附夹具(2)沿Z轴方向以较低的进给速度移动，所述高分辨率CCD相机(4)监测到所述二次真空吸附吸头(6)抵于所述薄壁球壳类微小构件(3)时，所述二次装夹真空吸附夹具(2)停止移动；

S4：所述真空发生系统控制所述二次真空吸附吸头(6)处于真空负压状态，所述薄壁球壳类微小构件(3)吸附在所述二次真空吸附吸头(6)上，实现所述初次装夹真空吸附夹具(1)和所述二次装夹真空吸附夹具(2)的同轴吸附，所述真空发生系统控制所述初次真空吸附吸头(5)解除真空负压状态，所述薄壁球壳类微小构件(3)由所述初次装夹真空吸附夹具(1)移送至所述二次装夹真空吸附夹具(2)上；

S5：在所述薄壁球壳类微小构件(3)和所述二次真空吸附吸头(6)的接触区域滴加水溶胶，待水溶胶凝固之后，所述真空发生系统控制所述二次真空吸附吸头(6)解除真空负压状态，所述薄壁球壳类微小构件(3)粘接在所述二次真空吸附吸头(6)上，通过所述控制系统控制所述二次装夹真空吸附夹具(2)沿Z轴方向朝远离所述初次装夹真空吸附夹具(1)的方向移动一段距离后停止，便于所述初次真空吸附吸头(5)和所述二次真空吸附吸头(6)的拆卸及再次安装；

S6：将所述初次真空吸附吸头(5)从所述初次装夹真空吸附夹具(1)上拆下，将所述二次真空吸附吸头(6)从所述二次装夹真空吸附夹具(2)上拆下，将所述二次真空吸附吸头(6)安装到所述初次装夹真空吸附夹具(1)上，所述真空发生系统控制所述二次真空吸附吸头(6)处于对所述薄壁球壳类微小构件(3)真空吸附的真空负压状态，实现了薄壁球壳类微小构件(3)的二次装夹。

2.根据权利要求1所述的薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法，其特征在于，所述初次装夹真空吸附夹具(1)包括：初次装夹零点定位装置夹具体(7)和初次装夹零点定位装置基准片(8)，所述初次装夹零点定位装置夹具体(7)和所述初次装夹零点定位装置基准片(8)通过拉钉实现较高重复定位精度地可拆卸连接，初次装夹零点定位装置夹具体(7)的内部设有真空管路，所述初次装夹零点定位装置基准片(8)和所述初次真空吸附吸头(5)连接。

3.根据权利要求2所述的薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法，其特征在于，所述二次装夹真空吸附夹具(2)包括：二次装夹零点定位装置夹具体(9)和二次装夹零点定位装置基准片(10)，所述二次装夹零点定位装置夹具体(9)和所述二次装夹零点定位装置基准片(10)通过拉钉实现较高重复定位精度地可拆卸连接，二次装夹零点定位装置夹具体(9)的内部设有真空管路，所述二次装夹零点定位装置基准片(10)和所述二次真空吸附吸头(6)连接。

4.根据权利要求3所述的薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法，其特征在于，所述初次装夹真空吸附夹具(1)还包括：初次装夹长拉杆(11)，所述初次装夹长拉杆(11)设于所述初次装夹零点定位装置夹具体(7)内，所述初次装夹长拉杆(11)呈筒状，初次装夹长拉杆(11)的一端和所述初次装夹零点定位装置夹具体(7)的真空管路连通，初次装夹长拉杆(11)的另一端和所述初次装夹零点定位装置基准片(8)连接，所述初次装夹长拉杆(11)的另一端和初次真空吸附吸头(5)的初次真空吸附夹具腔体(15)连通，所述初次装夹长拉杆(11)和所述初次装夹零点定位装置夹具体(7)的重复定位精度为0.5微米。

5.根据权利要求4所述的薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法，其特征在于，所述二次装夹真空吸附夹具(2)还包括：二次装夹长拉杆(12)，所述二次装夹长拉杆(12)设于所述二次装夹零点定位装置夹具体(9)内，所述二次装夹长拉杆(12)呈筒状，二次装夹长拉杆(12)的一端和所述二次装夹零点定位装置夹具体(9)的真空管路连通，二次装夹长拉杆(12)的另一端和所述二次装夹零点定位装置基准片(10)连接，所述二次装夹长拉杆(12)的另一端和二次真空吸附吸头(6)的二次真空吸附夹具腔体(16)连通，所述二次装夹长拉杆(12)和所述二次装夹零点定位装置夹具体(9)的重复定位精度为0.5微米。

6.根据权利要求5所述的薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法，其特征在于，初次真空吸附吸头(5)和二次真空吸附吸头(6)的结构尺寸相一致，初次装夹零点定位装置基准片(8)和二次装夹零点定位装置基准片(10)的结构尺寸相一致，初次装夹长拉杆(11)和二次装夹长拉杆(12)的结构尺寸相一致。

7.根据权利要求6所述的薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法，其特征在于，所述初次装夹零点定位装置夹具体(7)的真空管路远离所述初次真空吸附吸头(5)的一端和所述真空发生系统连通，所述二次装夹零点定位装置夹具体(9)的真空管路远离所述二次真空吸附吸头(6)的一端和所述真空发生系统连通。

8.根据权利要求1所述的薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法，其特征在于，所述高分辨率CCD相机(4)为2600万像素的高分辨率相机，所述高分辨率CCD相机(4)的视场范围可达6.4mm×4.8mm。

9.根据权利要求8所述的薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法，其特征在于，所述高分辨率CCD相机(4)将监测到的图像信号发送至计算机中，通过计算机对图像信号进行处理并监测所述二次真空吸附吸头(6)和所述薄壁球壳类微小构件(3)之间的位置信息，所述图像信号的最小像素分辨率为1.25微米。

10.根据权利要求1所述的薄壁球壳类微小构件二次装夹工艺方法，其特征在于，所述控制系统通过控制X轴电机驱动所述初次装夹真空吸附夹具(1)沿X轴方向移动，所述控制系统通过控制Y轴电机驱动所述初次装夹真空吸附夹具(1)沿Y轴方向移动，所述控制系统通过控制Z轴电机驱动所述二次装夹真空吸附夹具(2)沿Z轴方向移动。

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