CN114800056A - 一种高形位精度零件的加工与安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高形位精度零件的加工与安装方法，该方法通过将定位夹具与安装框架一同加工的方式建立起两者精准的定位面位置关系，并让定位夹具作为高形位精度零件的后续加工以及测量基准，以解决高形位精度零件因自身无法加工高精度的定位面而在拆卸与移动中丢失基准进而不能进行多工序加工的问题；本发明创新地利用定位夹具与安装框架一同加工的方法实现了基准的传递，使得上述零件拥有高精度的定位面，且即使经历多工序的拆卸与移动依然拥有定位基准，可以直接安装使用，同时利用重复性实现一般精度安装面之间的准确定位，降低了加工难度，定位夹具定位面的从有到无为保形面的加工与零件安装提供了新思路，有利于上述零件的大批量生产。

Description

一种高形位精度零件的加工与安装方法

技术领域

本发明属于精密加工与安装技术领域，具体涉及一种高形位精度零件的加工与安装方法。

背景技术

零件的精度高低往往与一个设备性能的强弱直接相关，尤其对光学仪器而言光学零件精度的高低直接决定了该光学仪器性能指标的强弱，因此伴随着对高性能光学仪器需求的不断增加高精度光学零件的使用也日益增多。对于一个零件尤其是光学零件，高精度不仅指零件本身的形状精度高，还应同时实现高位置精度的装配结果，即只有同时满足高的形状和位置精度才能在设备的正确位置发挥高精度形状的预期效果。对于光学元件，特别是截面不为圆形的非常规玻璃类光学元件，例如玻璃类光学侧窗，其虽可以通过打磨、抛光等工艺获得高形状精度的表面，但因其扁平形状和硬脆材质等限制很难在四周加工出高精度的定位面，也就是说即便零件加工出了高精度的面形，但当其移出机床要进行测量和装配时却不知其面形与测量设备以及安装框架的相对位置关系，也就无法直接进行测量和安装，而往往只能借助工人的经验对其进行反复装调直至达到设计要求，但该方法十分耗时费力，很难满足光学仪器的大批量生产。与此同时，高精度的加工机床具备加工出满足包括光学零件在内的高精度零件定位所需精度的定位基准面的能力，例如单点金刚石车削机床能加工出精度极高的平面以及圆面。因此，一方面在受材料和形状限制的情况下具有上述特征的零件虽能获得高的形状精度但难以直接加工出高精度的定位基准面；另一方面，高精度的加工机床又具备加工出满足要求的定位基准面的能力。故如何突破零件在材料和形状上的限制，并利用已有的加工手段使被加工件在获得高形状精度的同时还能拥有能够表征其高精度形状空间位置的定位基准就成了高形位精度零件大批量生产迫切需要解决的问题。

发明内容

为了针对性地克服现有受材料和形状限制的高精度零件自身不能加工出高精度定位基准面，而需人工经验性反复装调所造成的耗时费力等问题，本发明提出了将定位夹具与安装框架一同加工从而实现两者基准的传递，并使定位夹具作为毛坯态高形位精度零件的后续加工基准，以解决高形位精度零件因进行其他加工工序需拆卸移动而造成的基准丢失等问题；本发明提出的加工与安装方法使得高形位精度零件在加工过程中即使经历拆卸与移动依然拥有定位基准，可以在经历多道不同的加工工序后直接安装使用，大大降低了零件的装配难度并节省了装配时间，对高形位精度零部件的大批量生产和使用有着促进作用；同时提出了利用重复性实现安装面间的准确定位，大大降低了安装面的加工难度；通过高形位精度零件与安装框架准确定位安装后去除定位夹具定位面的方式使定位夹具上的定位面从有到无，在实现定位基准传递的同时又不破坏安装框架原始的设计形状，为定位夹具的设计和使用打开了新的思路；并且为了应对复杂条件下高形位精度零件的安装，本发明还补充了多种不同的安装方法，可以在不同装配条件下完成高形位精度零件的安装，也可为原安装方法提供检验手段。

本发明是采用以下技术方案实现的：

一种高形位精度零件的加工与安装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、对所需零件进行备料并加工出大致形状，留足后续工序的加工余量；

步骤二、根据定位夹具的设计参数或已加工出的高形位精度零件的毛坯尺寸加工定位夹具，并粗加工出定位夹具的定位面，留足定位夹具定位面的后续加工余量；其中，在加工质量可控的情况下，可根据定位夹具的设计参数直接加工定位夹具，而加工质量不可控时，就需根据已加工出的高形位精度零件毛坯的实际尺寸加工定位夹具；

步骤三、根据安装框架的设计参数或已加工出的定位夹具的实际尺寸以及定位夹具的设计安装位置在安装框架上加工出用于安装定位夹具的安装面；其中，在加工质量可控的情况下，可根据安装框架的设计参数直接加工出用于安装定位夹具的安装面，而加工质量不可控时，就需根据步骤二中加工出的定位夹具的实际尺寸加工用于安装定位夹具的安装面；

步骤四、将步骤二中加工出的定位夹具安装到步骤三中安装框架被加工出的安装面上；

步骤五、用高精度机床加工步骤四中安装完毕并成为整体的定位夹具和安装框架，使定位夹具的定位面以及安装框架的定位面和其与其他零部件进行安装的安装面达到所需的精度要求；此时定位夹具的定位面与安装框架的定位面以及其与其他零部件进行安装的安装面之间便建立起了高精度的相对位置关系，即实现了定位基准的传递；

步骤六、将步骤五中加工好的定位夹具从安装框架上取下；

步骤七、将已加工好的毛坯状态的高形位精度零件安装在步骤六中从安装框架上取下的定位夹具上；因毛坯状态的高形位精度零件留有足够的加工余量，因此上述安装对精度要求较低，只要偏差不超过加工余量的包络范围即可；

步骤八、根据加工夹具的设计参数或步骤七中安装完毕的毛坯态高形位精度零件与定位夹具的整体尺寸加工出加工夹具，并将该加工夹具的定位面加工至所需精度，使该加工夹具具备装夹毛坯态高形位精度零件进行后续加工的能力；其中，在加工质量可控的情况下，可根据加工夹具的设计参数直接加工出加工夹具，而加工质量不可控时，就需根据步骤七中安装完毕的高形位精度零件与定位夹具的实际整体尺寸加工加工夹具；

步骤九、将步骤七中安装有毛坯态高形位精度零件的定位夹具预固定在步骤八中加工好的加工夹具上，并通过定位夹具的定位面与加工夹具相应定位面确定两者的空间位置，确定好两者的空间位置后进行固定；此时安装框架的定位基准便通过定位框架传递给了加工夹具；

步骤十、对步骤九中安装在定位夹具与加工夹具上的毛坯态高形位精度零件进行加工至满足设计要求，并通过加工夹具进行对刀；因安装框架的定位基准已通过定位夹具传递给了加工夹具，故可通过加工夹具上的定位面进行对刀便可使加工出的高形位精度零件的高精度形状相对于安装框架处于正确的高精度位置中；

步骤十一、将步骤十中加工完成后的高形位精度零件连同定位夹具从加工夹具上取下，完成对高形位精度零件的测量；若测量不合格，则重复步骤九、步骤十以及步骤十一，直至测量合格；

步骤十二、将步骤十一中测量合格的高形位精度零件连同定位夹具一起重新安装在步骤三中安装框架被加工出的安装面上，完成整个加工与安装过程；

如果定位夹具、加工夹具以及安装框架是根据自身设计参数进行加工，则步骤二与步骤三的顺序可交换，步骤八中的加工内容可提前进行；即在定位夹具、加工夹具以及安装框架不需要根据已有的零件作为参考时，其加工的顺序便不受参考零件的限制；

如果毛坯状态的高形位精度零件需要同定位夹具以及安装框架一同加工，则步骤七中的将毛坯态高形位精度零件安装在定位夹具上的操作需提前至紧邻步骤四的前面或后面进行，后续加工与测量过程中高形位精度零件与定位夹具均作为一整体不再分离；

如果高形位精度零件的测量需要定位基准，则在步骤十一中以定位夹具为基准完成对高形位精度零件的测量；

根据测量需要，例如夹持或定位等需要，步骤十一中加工完成后的高形位精度零件以及定位夹具可不从加工夹具上取下，而以加工夹具或定位夹具为基准完成对高形位精度零件的测量；在不具备测量条件或加工质量可控可信的情况下可取消测量步骤，而可以装置的实际性能效果检验加工结果；

加工夹具在高形位精度零件加工过程中发挥与机床进行固定以及对刀等作用，如果定位夹具可以满足高形位精度零件加工过程与所用机床进行固定以及对刀等要求，则可不加工、不使用加工夹具，而借助定位夹具完成高形位精度零件的加工，对于测量也同样如此。

进一步地，因毛坯状态的高形位精度零件留有足够的加工余量，并且定位夹具安装在安装框架以及加工夹具上时也不需要精度很高的安装面，所以允许定位夹具存在一定的公差，故在步骤二中加工定位夹具除定位面以外的各面时采用一般精度的机床加工至一般精度即可；而在步骤二中加工定位夹具的定位面时也只需加工至毛坯状态即可，所以在步骤二中采用一般精度的机床对定位夹具进行加工即可，由此便降低了对机床性能的要求。

进一步地，因要实现定位夹具在安装框架上的准确安装除利用两者高精度安装面之间的准确配合外，还可利用两者低精度安装面之间的重复性，所以定位夹具安装在安装框架上时不需要精度很高的安装面，故在步骤三中加工安装框架上用于安装定位夹具的安装面时采用一般精度的机床加工至一般精度即可，故同样降低了对机床性能的要求。

进一步地，步骤四中在定位夹具安装到安装框架上的安装面时要紧靠安装面，并确保定位夹具与各紧靠的安装面不存在晃动后再固定，并可记录或标记出定位夹具与安装框架结合的安装面，以便重复安装；步骤十二中安装定位夹具与步骤四中安装定位夹具需紧靠安装框架相同的安装面，并确保定位夹具与各紧靠的安装面不存在晃动后再固定，以确保每次安装后定位夹具均位于安装框架的同一位置。

进一步地，步骤五中定位夹具的定位面与安装框架的相应安装面和定位面在高精度机床上一次装夹完成加工；一次装夹可避免多次装夹造成的误差引入，使机床的高加工精度完全复刻到被加工件上，进而使定位夹具与安装框架相应定位面之间实现更精准的定位基准传递。

进一步地，在步骤九中确定定位夹具与加工夹具的空间位置关系时可通过测量仪器测量定位夹具定位面与加工夹具相应定位面的相对位置来完成定位，或者通过定位夹具定位面与加工夹具相应定位面之间的接触约束来直接完成定位；定位夹具与加工夹具定位面的位置与形状是以上两种方式选择的主要制约因素。

进一步地，当安装框架的表面需要平滑处理，例如安装框架为保形头罩时，便需去除安装框架上的不平整部分，故在步骤十二后增加步骤十三，步骤十三的内容为使用高精度机床对步骤十二中安装在安装框架上的定位夹具进行加工，去除定位夹具上的定位面，使定位夹具与安装框架融为一体。

进一步地，为了应对复杂条件下高形位精度零件的安装，也为了给原有安装方式提供检验方法，在步骤十二中，通过测量仪器测量定位夹具上定位面与安装框架上相应定位面或安装面之间的空间位置参数来确定高形位精度零件与安装框架的相对位置，并在测量过程中通过适当调整的方式达到高形位精度零件与安装框架之间的位置精度要求。

进一步地，为了应对复杂条件下高形位精度零件的安装，也为了给原有安装方式提供检验方法，在步骤十二中，在整个装置安装完毕后通过调整定位夹具相对于安装框架的位置并同时观察整个装置所呈现的实际功能效果的方式对高形位精度零件进行在线装调，以达到高形位精度零件与安装框架之间的位置精度要求。

进一步地，为了应对复杂条件下高形位精度零件的安装，也为了给原有安装方式提供检验方法，在步骤十二中，通过测量仪器直接测量高形位精度零件的高精度形状相对于安装框架的空间位置并调整定位夹具相对于安装框架的位置的方式对高形位精度零件进行装调，以达到高形位精度零件与安装框架之间的位置精度要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

一种高形位精度零件的加工与安装方法，该方法将定位夹具与安装框架一同加工从而实现两者定位基准的传递，并使定位夹具与高形位精度零件作为整体进行后续加工，以让定位夹具作为高形位精度零件的后续加工基准。其克服了现有技术中因受材料和形状等限制不能在高精度零件上加工出高精度定位基准面，因而在后续加工过程中丢失基准，并使得零件在测量和安装时没有参考基准，而需人工经验性地反复装调，进而造成产品制造难度大、周期长等问题。本发明提出的加工与安装方法使得高形位精度零件在加工过程中即使经历拆卸与移动依然拥有定位基准，可以在经历多道不同的加工工序后直接安装使用，大大降低了零件的检测和装配难度并节省了装配时间；并且在加工与安装过程中采用依靠一般精度安装面之间的重复性而非高精度安装面之间的直接定位性实现多次安装的准确定位，也极大降低了加工难度；而定位夹具定位面的从有到无，在实现定位基准传递并达到定位要求的同时又不破坏安装框架原始的设计形状，为定位夹具的设计和使用打开了新的思路；同时多种高精度零件的辅助装调方法也为高形位精度零件的安装提供了更多保证，使本高形位精度零件的加工与安装方法更具实用性和适用性。

附图说明

图1为本发明中高精度光学装置的整体结构示意图；

图2为本发明中定位框与头罩定位面的加工示意图；

图3为本发明中定位框与光学侧窗的结构示意图；

图4为本发明中光学侧窗与定位框安装后的结构示意图；

图5为本发明中头罩的结构示意图；

图6为本发明中光学侧窗与定位框安装在凸面夹具后的示意图；

图7为本发明中光学侧窗与定位框安装在凸面夹具后的仰视示意图；

图8为本发明中光学侧窗与定位框安装在凹面夹具后的示意图；

图9为本发明中内部光学元件与底板的结构示意图；

图10为本发明中定位框与头罩的再加工示意图；

图11为本发明中光学侧窗与定位框以及头罩一同加工的示意图；

图12为本发明中定位框与凸面夹具接触定位的示意图。

图例说明：1：定位框，2：光学侧窗， 3：A定位面，4：B定位面， 5：头罩， 6：C定位面， 7：转接盘， 8：主轴， 9：前定位面， 10：右定位面， 11：凸面夹具， 12：下定位面，13：轴向安装面，14：周向安装面，15：径向安装面，16：A安装面，17：B安装面，18：C安装面，19：头罩轴向定位面，20：头罩圆周定位面，21：内部光学元件，22：底板，23：底板轴向定位面，24：底板圆周定位面，25：凹面夹具。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如附图1-12所示，为清楚地展示本发明的原理及工作过程，本实施例通过光学侧窗2的加工与安装过程给出了较为典型的实施方案，但以下案并不能代表本发明的全部方案。

如图3所示的光学侧窗2，其材料为玻璃，厚度较薄，通过打磨和抛光等工序可以获得高精度的面形，但因其材料的硬脆性质和较薄的厚度很难在其四周加工出高精度的定位面。同时如图1所示的高精度光学装置，光学侧窗2相当于一块透镜，因此其需要和内部光学元件21有很好的位置关系，否则将影响整个高精度光学装置的成像质量。结合图1、图2以及图9可以看出，当内部光学元件21安装在底板22上并确定好与底板22的相对位置后，通过底板圆周定位面24与头罩圆周定位面20的配合、底板轴向定位面23与头罩轴向定位面19之间的配合以及通过测量或定位销孔等方式确定两者的相对轴向旋转位置便可确定内部光学元件21与头罩5的相对位置关系。因此要想最终获得光学侧窗2与内部光学元件21之间高精度的相对位置，就必须先使光学侧窗2与头罩5之间建立起高精度的相对位置关系。而当头罩5上需安装多个光学侧窗2，且多个光学侧窗2之间也有很高的相对位置精度要求时，也适用于本发明提出的加工与安装方法。

经过上述分析可以发现，光学侧窗2便符合上述的因自身非常规形状和硬脆材质的限制很难在四周加工出高精度的定位面，而又需要满足高形状和位置精度的高形位精度零件。而头罩5便起到上述安装框架的作用，其与底板22共同搭建起内部光学元件21与光学侧窗2之间定位基准的传递桥梁。同时若想不通过耗时费力的经验性反复装调来获得光学侧窗2与头罩5之间的高精度位置关系，则可借助金属等易加工材质的定位框11来实现光学侧窗2与头罩5之间的准确定位，此时定位框11便起到上述定位夹具的作用。而光学侧窗2因需经历多道加工工序才能获得高精度的面形，同时定位框11因形状受限，并不能满足在后续加工中零件的夹持和对刀等要求，因此还需使用凸面夹具11和凹面夹具25为光学侧窗2正反两面的后续加工提供机床夹持面和对刀基准，此时凸面夹具11和凹面夹具25便起到上述加工夹具的作用。

对光学侧窗2的加工可按照如下方法进行：

步骤一、对所需零件进行备料并加工出大致形状，留足后续工序的加工余量。如图例所示，头罩5呈一端封闭的圆柱形，光学侧窗2的形状为瓦形，而定位框11因要安装光学侧窗2且需固定在头罩5上，故整体呈与光学侧窗2相适应的中部镂空的瓦形，因光学侧窗2有两个面参与到系统的成像，因此需要对其凸、凹两面进行精加工至所需精度，故需要凸面夹具11和凹面夹具25两种适应光学侧窗2以及定位框1瓦状外形的加工夹具。

步骤二、根据定位框1的设计参数或已加工出的侧窗的毛坯尺寸加工定位框1，粗加工出可确定定位框1空间位置的A定位面3、B定位面4以及C定位面6，并为后续加工留足余量。其中，在加工质量可控的情况下，可根据定位框1的设计参数直接加工出定位框1，该种加工方式更加适用于大批量生产中；而加工质量不可控时，就需根据已加工出的光学侧窗2的毛坯的实际尺寸加工定位框1。

步骤三、根据头罩5的设计参数或步骤二中加工出的定位框1的尺寸以及定位框1的设计安装位置在头罩5上加工出用于安装定位框1的轴向安装面13、周向安装面14以及径向安装面15。同样的，在加工质量可控的情况下，可根据头罩5的设计参数直接加工出用于安装定位框1的轴向安装面13、周向安装面14以及径向安装面15，该种加工方式也更加适用于大批量生产中；而加工质量不可控时，就需根据步骤二中加工出的定位框1的实际尺寸加工用于安装定位框1的上述各安装面。

步骤四、将步骤二中加工出的定位框1安装到步骤三中被加工出的头罩5上，并采用方便拆卸的方法进行固定，使定位框1的A安装面16、B安装面17以及C安装面18分别与头罩5的轴向安装面13、周向安装面14以及径向安装面15相接触，从而固定两者的相对空间位置。

步骤五、考虑到头罩5呈回转对称的圆柱形，可用加工精度极高的单点金刚石车削机床进行加工，其加工精度足够满足光学仪器对零件定位精度的要求。用单点金刚石车床加工步骤四中安装完毕并成为整体的定位框1和安头罩5，使定位框1的A定位面3、B定位面4以及C定位面6，以及头罩5的头罩轴向定位面19与头罩圆周定位面20加工至所需精度，同时头罩轴向定位面19与头罩圆周定位面20也是底板22与头罩5进行安装的安装面；此时定位框1的A定位面3、B定位面4以及C定位面6与头罩5的头罩轴向定位面19与头罩圆周定位面20之间已经建立了高精度的相对位置关系，即实现了定位基准的传递。

步骤六、将步骤五中加工好的定位框1从头罩5上取下。

步骤七、将已加工好的毛坯状态的光学侧窗2安装在步骤六中从头罩5上取下的定位框1上，此后光学侧窗2与定位框1便作为一个整体不再分离。

步骤八、根据凸面夹具11与凹面夹具25的设计参数或步骤七中安装完毕并成为一体的光学侧窗2与定位框1的整体尺寸加工出凸面夹具11与凹面夹具25，并将凸面夹具11与凹面夹具25的前定位面9、右定位面10以及下定位面12加工至所需精度，使凸面夹具11与凹面夹具25具备装夹毛坯态光学侧窗2进行后续加工的能力。其中，在加工质量可控的情况下，可根据设计参数直接加工出凸面夹具11与凹面夹具25，该种加工方式同样更加适用于大批量生产中；而在加工质量不可控时，就需根据步骤七中安装完毕并成为一体的光学侧窗2与定位框1的实际尺寸加工凸面夹具11与凹面夹具25。

步骤九、将步骤七中安装有毛坯态光学侧窗2的定位框1预固定在凸面夹具11或凹面夹具25上，并通过在步骤五中被加工出的定位框1的A定位面3、B定位面4以及C定位面6与凸面夹具11或凹面夹具25上的前定位面9、右定位面10以及下定位面12的相对位置确定两者的空间位置关系，确定好两者的空间位置后进行固定，此时头罩5的定位基准便通过定位框1传递给了凸面夹具11或凹面夹具25。

步骤十、对步骤九中借助定位框1固定在凸面夹具11或凹面夹具25上的毛坯态光学侧窗2进行精加工至两光学面满足精度要求，并在加工过程中通过凸面夹具11或凹面夹具25上的定位面进行对刀。因头罩5的定位基准已通过定位框1传递给了凸面夹具11或凹面夹具25，故通过凸面夹具11或凹面夹具25进行对刀便可使加工出的光学侧窗2的高精度形状相对于头罩5处于正确的高精度位置中。

步骤十一、将步骤十中加工完成后的光学侧窗2连同定位框1从凸面夹具11或凹面夹具25上取下，以定位框1为基准完成对光学侧窗2面形精度的测量；若测量不合格，则重复步骤九、步骤十以及步骤十一，直至测量合格。

步骤十二、将步骤十一中测量合格的光学侧窗2连同定位框1一起重新安装在步骤三中头罩5被加工出的轴向安装面13、周向安装面14以及径向安装面15上，完成整个加工与安装过程。

在上述加工与安装过程中，如果定位框1、凸面夹具11、凹面夹具25以及头罩5是根据自身设计参数进行的加工，则步骤二与步骤三的顺序可交换，步骤八中的加工内容可提前进行。即在定位框1、凸面夹具11、凹面夹具25以及头罩5不需要根据已有的零件作为参考时，其加工的顺序便不受参考零件的限制，也同上所述，该种加工方式更加适用于大批量生产中。

如果毛坯状态的光学侧窗2需要同定位框1以及头罩5一同加工以获得相同的面形，例如当光学侧窗2使用的是可切削的光学材料且需与头罩5融为一体构成保形头罩时，则步骤七中的将毛坯态光学侧窗2安装在定位框1上的操作需提前至紧邻步骤四的前面或后面进行，后续加工与测量过程中光学侧窗2与定位框1均作为一整体不再分离。而在特定条件下，可通过这种一同加工的方式获得光学侧窗2与头罩5之间准确的相对位置关系，但无法将光学侧窗2拆下进行其他工序的加工，否则在其他工序中将因没有夹持和对刀的基准而无法确定光学侧窗2的面形应在哪个位置被加工，故其将造成工序受限进而限制零件精度的提升，同时一同加工的方法也限制了光学侧窗2的材料可使用范围，因此该种方法一般只应用于对零件精度要求不是非常高且材料合适等特定条件下。

根据测量需要，例如夹持或定位等需要，步骤十一中加工完成后的光学侧窗2与定位框1可不从凸面夹具11或凹面夹具25上取下，而以凸面夹具11或凹面夹具25或定位框1为基准完成对光学侧窗2加工精度的测量；而在不具备测量条件或加工质量可控可信的情况下可取消测量步骤，则可通过检验整个高精度光学装置总装完成后所呈现的性能效果等方式间接验证光学侧窗2的加工质量，取消测量步骤也更加适用于大批量生产中。

如上所述，凸面夹具11与凹面夹具25在光学侧窗2的加工过程中发挥与机床进行固定以及对刀的作用，如果定位框1可以满足光学侧窗2加工过程中与所用机床进行固定以及对刀的需求，例如当本高精度光学装置无严格的体积与重量限制，而使定位框1的外形可兼具加工夹具的功能，因此便可不加工、不使用凸面夹具11与凹面夹具25，而借助定位框1完成对光学侧窗2的加工，对于测量需求也同样如此。

因毛坯状态的光学侧窗2留有足够的加工余量，并且定位框1安装在头罩5以及凸面夹具11或凹面夹具25上时也不需要精度很高的安装面，所以允许定位框1存在一定的公差，故在步骤二中加工定位框1除A定位面3、B定位面4以及C定位面6以外的各面时采用一般精度的机床加工至一般精度即可；而在步骤二中加工定位框1的A定位面3、B定位面4以及C定位面6时也只需加工至毛坯状态即可，所以在步骤二中采用一般精度的机床对定位框1进行加工即可，故降低了对机床性能的要求。

因定位框1在头罩5上的准确安装除利用两者高精度安装面之间的准确配合外，还可利用两者低精度安装面之间的重复性，所以定位框1安装在头罩5上时并不一定需要精度很高的安装面，故在步骤三中加工头罩5上用于安装定位框1的轴向安装面13、周向安装面14以及径向安装面15时采用一般精度的机床加工至一般精度即可，故同样降低了对机床性能的要求。

步骤四中在定位框1安装到头罩5上的安装面时要紧靠安装面，确保定位框1与各紧靠的安装面不存在晃动后再固定，并记录或标记出定位框1与头罩5结合的安装面，以便重复安装；在步骤十二中安装定位夹具与步骤四中安装定位夹具需紧靠头罩5上相同的安装面，并使定位框1与各紧靠的安装面不存在晃动后再固定，以确保每次安装后定位框1均位于头罩5的同一位置。

结合图4与图5中的标注，当即使精度并不是很高的定位框1的A安装面16、B安装面17以及C安装面18分别与精度同样并不是很高的头罩5的轴向安装面13、周向安装面14以及径向安装面15紧密接触时，定位框1与头罩5的相对位置也能被完全确定下来；当光学侧窗2完成后续加工而与头罩5进行分离再安装时，只要定位框1的A安装面16、B安装面17以及C安装面18没有发生磨损，那么其与同样没有发生磨损的头罩5的A安装面16、B安装面17以及C安装面18再次紧密接触时，便能够保证两次安装中定位框1均位于头罩5的同一位置，且因光机结构允许一定的公差存在，因此即使定位框1与头罩5相结合的安装面发生轻微磨损与变形也能够满足定位框1与头罩5的定位精度要求。以此便可依靠重复性实现多次拆装后定位框1与头罩5之间的精准定位，而不需要将两个零件相接触的安装面加工到很高精度，这便是上述提及的利用一般精度安装面之间的重复性而非高精度安装面之间的直接定位性实现多次安装的准确定位。同时发现由于头罩5的A安装面16、B安装面17以及C安装面18是内部封闭结构，一般只能通过铣削加工出精度不高的安装面，因此上述利用重复性实现多次拆装后零件精准定位的方法具有显著优点，且该方法具有普适性，极大降低了高形位精度零件的加工与安装难度。

步骤五中定位框1的各定位面以及头罩5的相应定位面可在单点金刚石车床上一次装夹完成加工。如图2所示，定位框1安装于头罩5上并与头罩5成为一体后通过转接盘7装夹在单点金刚石车床的主轴8上，定位框1的A定位面3、B定位面4以及C定位面6与头罩5的头罩轴向定位面19以及头罩圆周定位面20均可由车刀一次加工完成，中间无需二次装夹。一次装夹可避免多次装夹造成的误差引入，使单点金刚石车床的高加工精度完全复刻到被加工件上，进而使得定位框1的定位面与头罩5的相应定位面之间建立起高精度的相对位置关系，从而实现基准的精准传递。但要想实现上述一次装夹的加工，必须合理设计定位夹具与安装框架的定位面。

在步骤九中确定定位框1与凸面夹具11以及凹面夹具25的空间位置关系时可通过测量仪器例如三坐标测量仪测量定位框1定位面与凸面夹具11或凹面夹具25相应定位面的相对位置参数来完成定位。如图6、图7以及图8所示，通过测量定位框1的B定位面4与凸面夹具11或凹面夹具25的前定位面9之间的空间位置参数，即可确定定位框1与凸面夹具11或凹面夹具25y轴方向以及绕z轴旋转的自由度；通过测量定位框1的A定位面3与C定位面6相对于凸面夹具11或凹面夹具25的下定位面12之间的空间位置参数，即可确定定位框1与凸面夹具11或凹面夹具25z轴方向以及绕x轴旋转的自由度；而通过测量定位框1的A定位面3或C定位面6来确定定位框1横截面圆心的位置，再根据圆心相对于凸面夹具11或凹面夹具25右定位面10的空间位置参数，即可确定定位框1与凸面夹具11或凹面夹具25x轴方向以及绕y轴旋转的自由度。由此便完全确定了定位框1相对于凸面夹具11或凹面夹具25的相对位置。

上述通过测量实现定位的方法能够满足绝大多数的零件定位需求，但测量过程较为耗时，在零件结构允许的情况下还可通过定位夹具定位面与加工夹具相应定位面之间的接触约束来直接完成定位。如图12所示，可将凸面夹具11的前定位面9延伸至与定位框1的B定位面4相接触，则可在安装过程中直接将定位框1的B定位面4靠紧延伸后的前定位面9即可确定定位框1与凸面夹具11y轴方向以及绕z轴旋转的自由度，而其余自由度可通过上述测量方法确定，也可通过对其余定位面进行延伸进而直接接触确定。该种以直接接触确定零件相对位置的方法尤其适用于大批量生产；而定位夹具与加工夹具定位面的位置与形状是以上两种方式选择的主要制约因素。

当头罩5的表面需要平滑处理，例如头罩5为保形头罩时，便需去除头罩5上的不平整部分，故在步骤十二后增加步骤十三，步骤十三的内容为使用单点金刚石车床对步骤十二中安装在头罩5上的定位框1进行加工，去除定位框1上的A定位面3、B定位面4以及C定位面6，使定位框1与头罩5融为一体，如图10所示。因保形头罩5大都只对外表面有要求，因此可根据需要只去除定位框1外表面的A定位面3、B定位面4以及C定位面6。

为了应对复杂条件下光学侧窗2的安装，在步骤十二中，当定位框1安装在头罩5上后，通过测量仪器例如三坐标测量仪测量定位框1上A定位面3、C定位面6与头罩圆周定位面20，以及B定位面4与头罩轴向定位面19的空间位置参数来确定光学侧窗2与头罩5的相对位置，并在测量过程中通过微调的方式达到光学侧窗2与头罩5之间的位置精度要求。上述安装方法可以用于当利用高精度定位面的直接定位安装或是利用一般精度定位面的重复性直接安装的效果不佳的情况下，也可用上述测量方法检验光学侧窗2与头罩5的相对位置是否达到设计要求。

同样为了应对复杂条件下高形位精度零件的安装，在步骤十二中，在整个高精度光学装置安装完毕后可通过调整定位框1相对于头罩5的位置并同时观察整个高精度光学装置所呈现的实际性能效果的方式对光学侧窗2进行在线装调，以达到光学侧窗2与头罩5之间的位置精度要求。上述安装方法同样可以用于当利用高精度定位面直接定位安装或是利用一般精度定位面的重复性直接安装的效果不理想的情况下，也可用上述测量方法检验光学侧窗2与头罩5的相对位置是否达到设计要求。

同样为了应对复杂条件下高形位精度零件的安装，在步骤十二中，在整个高精度光学装置安装完毕后还可通过测量仪器例如三坐标测量仪直接测量光学侧窗2面形的空间位置并调整定位框1相对于头罩5的位置的方式对光学侧窗2进行装调，以达到光学侧窗2与头罩5之间的位置精度要求。上述安装方法同样可以用于当利用高精度定位面直接定位安装或是利用一般精度定位面的重复性直接安装的效果不理想时，也可用上述测量方法检验光学侧窗2与头罩5的相对位置是否达到设计要求。

综上，本发明提出的加工与安装方法适用于对形位精度要求高而自身又不便加工出高精度定位面的零件，尤其是形状受限又使用硬脆材料的光学零件。从上述实施例可以看出，本发明所提出的安装方法不仅指加工好后的高形位精度零件与安装框架的安装，还包括加工过程中零件的安装。

总之，本发明所提出的加工与安装方法通过将定位夹具与安装框架一同加工从而实现两者基准的传递，并使定位夹具作为毛坯态高形位精度零件的后续加工基准，解决了自身无法加工高精度基准面的高形位精度零件因进行其他加工工序需拆卸移动而造成的基准丢失问题，使得高形位精度零件在加工过程中即使经历拆卸与移动依然拥有定位基准，可以在经历多道不同的加工工序后直接安装使用，并在零件测量过程中提供测量基准，大大降低了零件的装配难度并节省了装配和测量时间，对高形位精度零件的大批量生产和使用有着促进作用；

同时提出了利用一般精度安装面之间的重复性而非高精度安装面之间的直接定位性实现多次安装的准确定位，大大降低了定位面的加工难度；

通过高形位精度零件与安装框架准确定位后去除定位框架的定位面的方式使定位夹具上的定位面从有到无，在实现定位基准传递并达到定位要求的同时又不破坏安装框架原始的设计形状，为定位夹具的设计和使用打开了新的思路，这也从一方面说明了定位框架在作为一个夹具的同时其实也可看作安装框架的一部分，这种将安装框架的一部分作为夹具使用的方式也是本发明的一大亮点；

高形位精度零件与安装框架绑定加工的方式虽然有着众多限制，但仍可解决上述基准丢失的问题，对特定条件下高形位精度零件的加工和使用有着一定积极意义；

通过定位夹具与安装框架一次装夹加工出所需的定位面和安装面，从而实现机床加工精度的准确复刻，使得基准的传递更加准确；

通过将定位面延伸从而与其他零件的定位面直接接触，在实现准确定位的同时还节省了大量装调时间；

并且为了应对复杂条件下高形位精度零件的安装，本发明还提出了多种不同的安装方法，可以在不同装配条件下完成高形位精度零件的定位安装，也可为上述利用重复性实现安装的方式提供检验方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高形位精度零件的加工与安装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、对所需零件进行备料并加工出大致形状，留足后续工序的加工余量；

步骤二、根据定位夹具的设计参数或已加工出的高形位精度零件的毛坯尺寸加工定位夹具，并粗加工出定位夹具的定位面，留足定位夹具定位面的后续加工余量；

步骤三、根据安装框架的设计参数或已加工出的定位夹具的实际尺寸以及定位夹具的设计安装位置在安装框架上加工出用于安装定位夹具的安装面；

步骤四、将步骤二中加工出的定位夹具安装到步骤三中安装框架被加工出的安装面上；

步骤五、用高精度机床加工步骤四中安装完毕并成为整体的定位夹具和安装框架，使定位夹具的定位面以及安装框架的定位面和其与其他零部件进行安装的安装面达到精度要求；

步骤六、将步骤五中加工好的定位夹具从安装框架上取下；

步骤七、将已加工好的毛坯状态的高形位精度零件安装在步骤六中从安装框架上取下的定位夹具上；

步骤八、根据加工夹具的设计参数或步骤七中安装完毕的毛坯态高形位精度零件与定位夹具的整体尺寸加工出加工夹具，并将该加工夹具的定位面加工至所需精度；

步骤九、将步骤七中安装有毛坯态高形位精度零件的定位夹具预固定在步骤八中加工好的加工夹具上，并通过定位夹具的定位面与加工夹具的相应定位面确定两者的空间位置，确定好两者的空间位置后进行固定；

步骤十、对步骤九中安装在定位夹具与加工夹具上的毛坯态高形位精度零件进行加工至满足设计要求，并通过加工夹具进行对刀；

步骤十一、将步骤十中加工完成后的高形位精度零件连同定位夹具从加工夹具上取下，完成对高形位精度零件的测量；若测量不合格，则重复步骤九、步骤十以及步骤十一，直至测量合格；

步骤十二、将步骤十一中测量合格的高形位精度零件连同定位夹具一起重新安装在步骤三中安装框架被加工出的安装面上；

如果定位夹具、加工夹具以及安装框架是根据自身设计参数进行加工，则步骤二与步骤三的顺序可交换，步骤八中的加工内容可提前进行；

如果毛坯状态的高形位精度零件需要同定位夹具以及安装框架一同加工，则步骤七中将毛坯态高形位精度零件安装在定位夹具上的操作需提前至紧邻步骤四的前面或后面进行，后续加工与测量过程中高形位精度零件与定位夹具均作为整体不再分离；

如果高形位精度零件的测量需要定位基准，则在步骤十一中以定位夹具为基准完成对高形位精度零件的测量；

根据测量需要，步骤十一中加工完成后的高形位精度零件以及定位夹具可不从加工夹具上取下，而以加工夹具或定位夹具为基准完成对高形位精度零件的测量；在不具备测量条件或加工质量可控可信的情况下可取消测量步骤；

如果定位夹具可以发挥加工夹具相同的作用，则可不加工、不使用加工夹具。

2.根据权利要求1所述的一种高形位精度零件的加工与安装方法，其特征在于：在步骤二中加工定位夹具除定位面以外的各面时加工至一般精度即可。

3.根据权利要求1所述的一种高形位精度零件的加工与安装方法，其特征在于：在步骤三中加工安装框架上用于安装定位夹具的安装面时加工至一般精度即可。

4.根据权利要求1所述的一种高形位精度零件的加工与安装方法，其特征在于：步骤四中在定位夹具安装到安装框架上的安装面时要紧靠安装面，并确保定位夹具与各紧靠的安装面不存在晃动后再固定；步骤十二中安装定位夹具需与步骤四中安装定位夹具紧靠相同的安装面，并确保定位夹具与各紧靠的安装面不存在晃动后再固定，以确保每次安装后定位夹具均位于安装框架的同一位置。

5.根据权利要求1所述的一种高形位精度零件的加工与安装方法，其特征在于：步骤五中定位夹具的定位面与安装框架的相应定位面、安装面在高精度机床上一次装夹完成加工。

6.根据权利要求1所述的一种高形位精度零件的加工与安装方法，其特征在于：在步骤九中确定定位夹具与加工夹具的空间位置关系时可通过测量仪器测量定位夹具定位面与加工夹具相应定位面的相对位置参数来完成定位，或者通过定位夹具定位面与加工夹具相应定位面之间的接触约束来直接完成定位。

7.根据权利要求1所述的一种高形位精度零件的加工与安装方法，其特征在于：在步骤十二后增加步骤十三，步骤十三的内容为使用高精度机床对步骤十二中安装在安装框架上的定位夹具进行加工，去除定位夹具上的定位面，使定位夹具与安装框架融为一体。

8.根据权利要求1所述的一种高形位精度零件的加工与安装方法，其特征在于：在步骤十二中，通过测量仪器测量定位夹具上定位面与安装框架上相应定位面或安装面之间的空间位置参数来确定高形位精度零件与安装框架的相对位置，并在测量过程中通过适当调整定位夹具位置的方式达到高形位精度零件与安装框架之间的位置精度要求。

9.根据权利要求1所述的一种高形位精度零件的加工与安装方法，其特征在于：在步骤十二中，在整个装置装配完毕后通过调整定位夹具相对于安装框架的位置并同时观察整个装置所呈现的实际功能效果的方式对高形位精度零件进行在线装调，以达到高形位精度零件与安装框架之间的位置精度要求。

10.根据权利要求1所述的一种高形位精度零件的加工与安装方法，其特征在于：在步骤十二中，通过测量仪器直接测量高形位精度零件的高精度形状相对于安装框架的空间位置来确定其位置，并同时调整定位夹具相对于安装框架的位置的方式对高形位精度零件进行装调，以达到高形位精度零件与安装框架之间的位置精度要求。

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