一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构的加工装置

1.本发明涉及微小构件表面加工装置的技术领域，尤其涉及一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构的加工装置。


背景技术：

2.随着现代科学技术的日益发展，在国防军事、航空航天及电子行业、生物医疗等领域，各种高精度、高表面质量的薄壁球壳类微小构件得到了广泛应用。通常这些零件表面面形要求达到亚微米量级的形状精度、纳米级的表面粗糙度和极小的亚表层损伤。例如，能源研究用薄壁球壳类微小构件球径1～5mm，壳层厚度20～120μm，需要在全表面上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，并要求轮廓误差优于0.3μm、表面粗糙度ra优于20nm，坑点间距误差达到微米量级精度。现有的面向宏观尺寸零件表面轮廓和微观形貌控制的超精密切削等单一加工装置，受制造原理、机床误差等因素限制，仅能实现100μm横向尺度的特征结构、轮廓误差0.5μm、表面粗糙度ra～40nm的制造精度，已经无法满足微空间尺度约束下的纳米精度表面均布微坑结构的超精密制造需求。
3.在微空间尺度约束下，薄壁球壳类微小构件特殊的结构特征、材质非均匀、表面非对称、细微表面缺陷及加工过程中流体力学不稳定性等一系列问题的存在，对全表面微坑结构加工装置及制造方法提出了更高的迫切需求。目前，现有的针对薄壁球壳类微小构件全表面均布微坑结构加工装置中，仅能实现半球面微坑结构的加工，微坑结构分布的均匀性、表面面形精度、表面粗糙度等关键性能指标远达不到要求。


技术实现要素：

4.针对在微空间尺度约束下，薄壁球壳类微小构件特殊的结构特征、材质非均匀、表面非对称、细微表面缺陷及加工过程中流体力学不稳定性等问题，本发明的目的在于提供一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构的加工装置。
5.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
6.一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构的加工装置，其中，包括：基座1、x轴直线单元2、y轴直线单元4、z轴直线单元24、第一高分辨率ccd相机组、第二高分辨率ccd相机组、空气静压工件轴5、回转台23、初次装夹夹具组、二次装夹夹具组和铣刀工具组，其特征在于，所述x轴直线单元2和所述z轴直线单元24均安装在基座1的上表面，所述z轴直线单元24设于x轴直线单元2的一侧，所述x轴直线单元2包括：x轴直线电机和x轴运动拖板，所述x轴直线电机驱动所述x轴运动拖板沿x轴方向运动，所述x轴方向为一个水平方向，所述z轴直线单元24包括：z轴直线电机和z轴运动拖板31，所述z轴直线电机驱动所述z轴运动拖板31沿z轴方向运动，所述z轴方向为与所述x轴方向相互垂直的一个水平方向，所述y轴直线单元4和x轴运动拖板的上表面连接，所述y轴直线单元4包括：y轴直线电机和y轴运动拖板，所述y轴直线电机驱动所述y轴运动拖板沿y轴方向运动，所述y轴方向为竖直方向；
7.所述y轴运动拖板上设有用于安装所述空气静压工件轴5的安装孔，所述y轴直线
单元4内还设有与所述空气静压工件轴5连接的第一转动电机，所述第一转动电机安装在所述y轴运动拖板上，所述初次装夹夹具组安装在所述空气静压工件轴5上，所述第一转动电机通过所述空气静压工件轴5驱动所述初次装夹夹具组沿其中心轴线转动，所述第一高分辨率ccd相机组安装在所述y轴运动拖板上；
8.所述z轴运动拖板31上安装有所述回转台23，所述z轴直线单元24内还设有与所述回转台23连接的第二转动电机，所述第二转动电机安装在所述z轴运动拖板31上，所述第二转动电机驱动所述回转台23沿其中心轴线转动，回转台23的上表面连接有过渡盘22，所述二次装夹夹具组、所述铣刀工具组和所述第二高分辨率ccd相机组均安装在所述过渡盘22上；
9.所述初次装夹夹具组包括：初次装夹零点定位装置13和初次装夹真空吸附夹具14，所述空气静压工件轴5和所述初次装夹真空吸附夹具14之间通过所述初次装夹零点定位装置13可拆卸连接，所述空气静压工件轴5、所述初次装夹零点定位装置13和所述初次装夹真空吸附夹具14的内部设有相互连通的第一真空管路，所述y轴直线单元4内还设有与第一真空管路连通的第一真空发生器，通过所述第一真空发生器控制所述初次装夹真空吸附夹具14对薄壁球壳类微小构件15可操作地进行真空吸附；
10.所述二次装夹夹具组包括：二次装夹真空吸附夹具18、二次装夹零点定位装置19和二次装夹零点定位装置安装板20，二次装夹零点定位装置安装板20的下端和过渡盘22的上表面连接，所述二次装夹零点定位装置安装板20和所述二次装夹真空吸附夹具18之间通过所述二次装夹零点定位装置19可拆卸连接，所述二次装夹真空吸附夹具18、所述二次装夹零点定位装置19和所述二次装夹零点定位装置安装板20的内部设有相互连通的第二真空管路，所述z轴直线单元24内还设有与第二真空管路连通的第二真空发生器，通过所述第二真空发生器控制所述二次装夹真空吸附夹具18对所述薄壁球壳类微小构件15可操作地进行真空吸附；
11.所述铣刀工具组包括：铣削轴支架17、铣削轴16和铣刀35，铣削轴支架17的下端和所述过渡盘22的上表面连接，所述铣削轴16安装在所述铣削轴支架17上，所述铣刀35和所述铣削轴16连接，所述铣刀35用于对薄壁球壳类微小构件15的表面加工；
12.所述第一高分辨率ccd相机组包括：第一高分辨率ccd相机12、第一精密微调位移台11和ccd快换系统10，所述ccd快换系统10和所述y轴运动拖板连接，所述第一高分辨率ccd相机12通过所述第一精密微调位移台11与所述ccd快换系统10连接，所述第一高分辨率ccd相机12设于所述初次装夹真空吸附夹具14的上方，所述第一高分辨率ccd相机12用于监测所述二次装夹真空吸附夹具18和所述薄壁球壳类微小构件15之间的位置关系；
13.所述第二高分辨率ccd相机组包括：第二高分辨率ccd相机30和第二精密微调位移台21，所述第二高分辨率ccd相机30通过所述第二精密微调位移台21与所述过渡盘22的上表面连接，所述第二高分辨率ccd相机30用于监测所述薄壁球壳类微小构件15的表面的加工位置。
14.上述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构的加工装置，其中，所述x轴直线单元2还包括：x轴箱体，x轴箱体的下表面和所述基座1的上表面连接，所述x轴直线电机安装在所述x轴箱体内，所述x轴箱体的上表面连接有第一x向风琴防护罩25、第二x向风琴防护罩27和x轴盖板28，所述第一x向风琴防护罩25、所述x轴运动拖板、所述第二x向风琴防护罩27
和所述x轴盖板28沿x轴方向依次相互连接。
15.上述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构的加工装置，其中，所述z轴直线单元24还包括：z轴箱体，z轴箱体的下表面和所述基座1的上表面连接，所述z轴直线电机、所述第二转动电机和所述第二真空发生器均安装在所述z轴箱体内，所述z轴箱体的上表面连接有z轴盖板33、第一z向风琴防护罩34和第二z向风琴防护罩36，所述z轴盖板33、所述第一z向风琴防护罩34、所述z轴运动拖板31和所述第二z向风琴防护罩36沿z轴方向依次相互连接。
16.上述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构的加工装置，其中，所述y轴直线单元4还包括：y轴箱体，y轴箱体的下表面和所述x轴运动拖板的上表面连接，所述y轴箱体随所述x轴运动拖板沿所述x轴方向移动，所述y轴直线电机、所述第一转动电机和所述第一真空发生器均安装在所述y轴箱体内，y轴箱体的两侧均安装有y轴挡板3，y轴箱体的上侧安装有防护罩9。
17.上述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构的加工装置，其中，所述第一高分辨率ccd相机组还包括：转接板7和ccd快换系统安装板8，所述转接板7和所述y轴运动拖板连接，ccd快换系统安装板8的下端和转接板7的上表面连接，所述ccd快换系统10通过所述ccd快换系统安装板8安装在所述y轴运动拖板上。
18.上述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构的加工装置，其中，所述铣刀工具组还包括：铣削轴夹持器32，所述铣削轴夹持器32和铣削轴支架17的上端连接，所述铣削轴16安装在所述铣削轴夹持器32上。
19.上述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构的加工装置，其中，所述铣削轴16倾斜设置。
20.上述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构的加工装置，其中，所述铣刀35为球头铣刀。
21.上述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构的加工装置，其中，还包括：x轴拖链26和z轴拖链29，所述x轴拖链26和所述z轴拖链29均与所述基座1的上表面连接，所述x轴拖链26设于x轴直线单元2的另一侧，所述x轴拖链26平行于所述x轴方向设置，所述z轴拖链29平行于所述z轴方向设置。
22.上述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构的加工装置，其中，所述初次装夹夹具组还包括：过渡板6，所述空气静压工件轴5和所述初次装夹零点定位装置13通过所述过渡板6连接。
23.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：
24.(1)本发明可以实现对球径1～5mm，壳层厚度20～120μm的薄壁球壳类微小构件全表面数十个至百余个均匀分布的、纵向尺寸0.5～20μm、横向尺寸50～200μm的微坑结构的高精度加工，轮廓误差优于0.3μm、表面粗糙度ra优于20nm；
25.(2)本发明中，将工件装夹系统、高分辨率ccd监测系统、零点定位系统及调头二次装夹快换系统集中到一个工作平台上，结构设计紧凑，可有效解决薄壁球壳类微小构件的装夹、调头、对刀及微坑结构的捕捉识别等技术难题；
26.(3)本发明采用高精度的直线单元和旋转单元作为该装置的主要运动部件，x/y/z直线轴直线度优于0.2μm/全行程，任意10mm直线度优于0.05μm，直线导轨定位精度优于
±
0.5μm/全行程，任意10mm内定位精度优于
±
0.3μm，回转台回转精度优于
±
1arc
‑
sec；
27.(4)本发明中，工件的回转运动采用空气静压工件轴，配置灵活，回转精度优于50nm，轴向及径向同步误差优于12nm，且采用铣削轴倾斜放置加工方式，倾角范围10
°
～15
°
，根据球面加工及结构本身特点，可达到较高的加工速度，有效避免球头铣刀的顶点速度为0而降低表面质量，进一步提高加工精度；
28.(5)本发明中，基座采用花岗岩材料来制作，可以很好的吸收振动，因而能够较大的提高装置的性能。
附图说明
29.图1是本发明的一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构的加工装置的结构示意图。
30.图2是本发明的一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构的加工装置的主视图。
31.图3是本发明的一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构的加工装置的俯视图。
32.图4是本发明的一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构的加工装置的侧视图。
33.图5是本发明的一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构的加工装置的轴侧图。
34.附图中：1、基座；2、x轴直线单元；3、y轴挡板；4、y轴直线单元；5、空气静压工件轴；6、过渡板；7、转接板；8、ccd快换系统安装板；9、防护罩；10、ccd快换系统；11、第一精密微调位移台；12、第一高分辨率ccd相机；13、初次装夹零点定位装置；14、初次装夹真空吸附夹具；15、薄壁球壳类微小构件；16、铣削轴；17、铣削轴支架；18、二次装夹真空吸附夹具；19、二次装夹零点定位装置；20、二次装夹零点定位装置安装板；21、第二精密微调位移台；22、过渡盘；23、回转台；24、z轴直线单元；25、第一x向风琴防护罩；26、x轴拖链；27、第二x向风琴防护罩；28、x轴盖板；29、z轴拖链；30、第二高分辨率ccd相机；31、z轴运动拖板；32、铣削轴夹持器；33、z轴盖板；34、第一z向风琴防护罩；35、铣刀；36、第二z向风琴防护罩。
具体实施方式
35.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。
36.请参照图1至图5所示，示出了一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构的加工装置，其中，包括：基座1、x轴直线单元2、y轴直线单元4、z轴直线单元24、第一高分辨率ccd相机组、第二高分辨率ccd相机组、空气静压工件轴5、回转台23、初次装夹夹具组、二次装夹夹具组和铣刀工具组，其特征在于，x轴直线单元2和z轴直线单元24均安装在基座1的上表面，z轴直线单元24设于x轴直线单元2的一侧，x轴直线单元2包括：x轴直线电机和x轴运动拖板，x轴直线电机驱动x轴运动拖板沿x轴方向运动，x轴方向为一个水平方向，z轴直线单元24包括：z轴直线电机和z轴运动拖板31，z轴直线电机驱动z轴运动拖板31沿z轴方向运动，z轴方向为与x轴方向相互垂直的一个水平方向，y轴直线单元4和x轴运动拖板的上表面连接，y轴直线单元4包括：y轴直线电机和y轴运动拖板，y轴直线电机驱动y轴运动拖板沿y轴方向运动，y轴方向为竖直方向；
37.y轴运动拖板上设有用于安装空气静压工件轴5的安装孔，y轴直线单元4内还设有与空气静压工件轴5连接的第一转动电机，第一转动电机安装在y轴运动拖板上，初次装夹夹具组安装在空气静压工件轴5上，第一转动电机通过空气静压工件轴5驱动初次装夹夹具
组沿其中心轴线转动，第一高分辨率ccd相机组安装在y轴运动拖板上；
38.z轴运动拖板31上安装有回转台23，z轴直线单元24内还设有与回转台23连接的第二转动电机，第二转动电机安装在z轴运动拖板31上，第二转动电机驱动回转台23沿其中心轴线转动，回转台23的上表面连接有过渡盘22，二次装夹夹具组、铣刀工具组和第二高分辨率ccd相机组均安装在过渡盘22上；
39.初次装夹夹具组包括：初次装夹零点定位装置13和初次装夹真空吸附夹具14，空气静压工件轴5和初次装夹真空吸附夹具14之间通过初次装夹零点定位装置13可拆卸连接，空气静压工件轴5、初次装夹零点定位装置13和初次装夹真空吸附夹具14的内部设有相互连通的第一真空管路，y轴直线单元4内还设有与第一真空管路连通的第一真空发生器，通过第一真空发生器控制初次装夹真空吸附夹具14对薄壁球壳类微小构件15可操作地进行真空吸附；
40.二次装夹夹具组包括：二次装夹真空吸附夹具18、二次装夹零点定位装置19和二次装夹零点定位装置安装板20，二次装夹零点定位装置安装板20的下端和过渡盘22的上表面连接，二次装夹零点定位装置安装板20和二次装夹真空吸附夹具18之间通过二次装夹零点定位装置19可拆卸连接，二次装夹真空吸附夹具18、二次装夹零点定位装置19和二次装夹零点定位装置安装板20的内部设有相互连通的第二真空管路，z轴直线单元24内还设有与第二真空管路连通的第二真空发生器，通过第二真空发生器控制二次装夹真空吸附夹具18对薄壁球壳类微小构件15可操作地进行真空吸附；
41.铣刀工具组包括：铣削轴支架17、铣削轴16和铣刀35，铣削轴支架17的下端和过渡盘22的上表面连接，铣削轴16安装在铣削轴支架17上，铣刀35和铣削轴16连接，铣刀35用于对薄壁球壳类微小构件15的表面加工；
42.第一高分辨率ccd相机组包括：第一高分辨率ccd相机12、第一精密微调位移台11和ccd快换系统10，ccd快换系统10和y轴运动拖板连接，第一高分辨率ccd相机12通过第一精密微调位移台11与ccd快换系统10连接，第一高分辨率ccd相机12设于初次装夹真空吸附夹具14的上方，第一高分辨率ccd相机12用于监测二次装夹真空吸附夹具18和薄壁球壳类微小构件15之间的位置关系；
43.第二高分辨率ccd相机组包括：第二高分辨率ccd相机30和第二精密微调位移台21，第二高分辨率ccd相机30通过第二精密微调位移台21与过渡盘22的上表面连接，第二高分辨率ccd相机30用于监测薄壁球壳类微小构件15的表面的加工位置。
44.进一步，在一种较佳实施例中，x轴直线单元2还包括：x轴箱体，x轴箱体的下表面和基座1的上表面连接，x轴直线电机安装在x轴箱体内，x轴箱体的上表面连接有第一x向风琴防护罩25、第二x向风琴防护罩27和x轴盖板28，第一x向风琴防护罩25、x轴运动拖板、第二x向风琴防护罩27和x轴盖板28沿x轴方向依次相互连接。
45.进一步，在一种较佳实施例中，z轴直线单元24还包括：z轴箱体，z轴箱体的下表面和基座1的上表面连接，z轴直线电机、第二转动电机和第二真空发生器均安装在z轴箱体内，z轴箱体的上表面连接有z轴盖板33、第一z向风琴防护罩34和第二z向风琴防护罩36，z轴盖板33、第一z向风琴防护罩34、z轴运动拖板31和第二z向风琴防护罩36沿z轴方向依次相互连接。
46.进一步，在一种较佳实施例中，y轴直线单元4还包括：y轴箱体，y轴箱体的下表面
和x轴运动拖板的上表面连接，y轴箱体随x轴运动拖板沿x轴方向移动，y轴直线电机、第一转动电机和第一真空发生器均安装在y轴箱体内，y轴箱体的两侧均安装有y轴挡板3，y轴箱体的上侧安装有防护罩9。
47.进一步，在一种较佳实施例中，第一高分辨率ccd相机组还包括：转接板7和ccd快换系统安装板8，转接板7和y轴运动拖板连接，ccd快换系统安装板8的下端和转接板7的上表面连接，ccd快换系统10通过ccd快换系统安装板8安装在y轴运动拖板上。
48.进一步，在一种较佳实施例中，铣刀工具组还包括：铣削轴夹持器32，铣削轴夹持器32和铣削轴支架17的上端连接，铣削轴16安装在铣削轴夹持器32上。
49.进一步，在一种较佳实施例中，铣削轴16倾斜设置。
50.进一步，在一种较佳实施例中，铣刀35为球头铣刀。
51.进一步，在一种较佳实施例中，还包括：x轴拖链26和z轴拖链29，x轴拖链26和z轴拖链29均与基座1的上表面连接，x轴拖链26设于x轴直线单元2的另一侧，x轴拖链26平行于x轴方向设置，z轴拖链29平行于z轴方向设置。
52.进一步，在一种较佳实施例中，初次装夹夹具组还包括：过渡板6，空气静压工件轴5和初次装夹零点定位装置13通过过渡板6连接。
53.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。
54.本发明在上述基础上还具有如下实施方式：
55.本发明的进一步实施例中，一种专用真空吸附夹具和吸附方法对薄壁球壳类微小构件15进行吸附夹紧以减小装夹变形，采用零点定位系统进行快换及调头二次装夹以实现高精度重复装夹定位，通过两个高分辨率ccd相机布置以实现微空间尺度约束下的精准对刀、二次装夹轨迹点的识别捕捉、特征微坑结构坐标的确定及加工过程的全方位监测，由于采用铣削轴16倾斜放置方式，可有效避免球头铣刀35的顶点速度为零而降低加工表面质量，特别适用于薄壁球壳类微小构件15全表面均匀分布的跨尺度特征微坑结构的精密超精密加工。
56.本发明的进一步实施例中，本发明为一种双传感器监测、高精度调头二次装夹的复杂微小构件全表面均布跨尺度微坑结构的超精密加工装置。
57.本发明的进一步实施例中，基座1是由花岗岩材料制成的一个大平台，可以很好的吸收振动，能够较大地提高装置的性能，四个角设置有安装孔，可以与其他水平平台连接。
58.本发明的进一步实施例中，x轴直线单元2通过螺钉与基座1连接，x轴直线单元2的x轴运动拖板由直线电机驱动，可以在水平方向实现高精度的往复直线移动。
59.本发明的进一步实施例中，y轴直线单元4通过螺钉固定在x轴直线单元2的拖板上，y轴直线单元4的y轴运动拖板由直线电机驱动，可以实现竖直方向高精度的往复直线运动，并与x轴直线单元2有着较高的垂直度要求以满足所需的加工精度。
60.本发明的进一步实施例中，x轴运动拖板沿x轴方向移动，移动轨迹的直线度优于0.2μm/全行程，移动轨迹的全行程为200mm，任意10mm的直线度优于0.05μm。
61.本发明的进一步实施例中，y轴运动拖板沿y轴方向移动，移动轨迹的直线度优于0.2μm/全行程，移动轨迹的全行程为100mm，任意10mm的直线度优于0.05μm。
62.本发明的进一步实施例中，空气静压工件轴5通过螺钉固接在y轴直线单元4的y轴运动拖板的安装孔内，随y轴运动拖板一起移动，并实现高精度的回转运动。
63.本发明的进一步实施例中，空气静压主轴回转精度优于50nm，轴向及径向同步误差优于12nm。
64.本发明的进一步实施例中，过渡板6通过内六角螺钉与空气静压工件轴5的端部相连，初次装夹零点定位装置13通过内六角螺钉连接在过渡板6上。
65.本发明的进一步实施例中，初次装夹真空吸附夹具14通过内六角螺钉与初次装夹零点定位装置13相连，可随初次装夹零点定位装置13快换拆卸。
66.本发明的进一步实施例中，初次装夹真空吸附夹具14内部开设有真空管道，薄壁球壳类微小构件15在真空负压吸附下紧密连接在初次装夹真空吸附夹具14的吸头上，实现薄壁球壳类微小构件15的装夹。
67.本发明的进一步实施例中，转接板7通过螺钉连接在y轴直线单元4的y轴运动拖板上，ccd快换系统安装板8通过内六角螺钉连接在转接板7上，ccd快换系统10通过内六角螺钉连接在ccd快换系统安装板8上。
68.本发明的进一步实施例中，第一精密微调位移台11的一端通过内六角螺钉连接在ccd快换系统10上，第一精密微调位移台11的另一端通过锁紧装置连接着第一高分辨率ccd相机12，第一精密微调位移台11由两个粗微调测微头驱动，可以分别沿着两个垂直方向作直线位移的调整，测微头粗调的最小读数为10μm，微调的最小读数为0.5μm，以保证位移调整的精度，同时其线性导轨还配有锁紧旋钮，方便对调整后的平台进行位置锁定。
69.本发明的进一步实施例中，第一高分辨率ccd相机12可以实现微尺度约束下精准对刀及加工过程的监测，并可随ccd快换系统10快换拆除，用于拓展装置的其他用途。
70.本发明的进一步实施例中，z轴直线单元24的z轴运动拖板由直线电机驱动沿z轴方向移动，移动轨迹的直线度优于0.2μm/全行程，移动轨迹的全行程为200mm，任意10mm的直线度优于0.05μm，z轴直线单元24通过螺钉与基座1连接，z轴运动拖板可以在z轴方向实现高精度的往复直线移动。
71.本发明的进一步实施例中，回转台23通过内六角螺钉安装在z轴移动拖板31上，可随着z轴移动拖板31沿z轴方向一起移动，回转台23的回转精度优于
±
1are
‑
sec。
72.本发明的进一步实施例中，过渡盘22通过内六角螺钉与回转台23连接。
73.本发明的进一步实施例中，在过渡盘22上安装有铣削轴支架17、第二精密微调位移台21及二次装夹零点定位装置安装板20。
74.本发明的进一步实施例中，铣削轴支架17底部四周设置有四个安装孔与过渡盘22连接。
75.本发明的进一步实施例中，铣削轴支架17上用螺钉连接着铣削轴夹持器32，铣削轴16安装在铣削轴夹持器32内孔中，通过旋紧螺钉可以调整铣削轴夹持器32的内孔与铣削轴16外圆柱面的间隙，利用摩擦力压紧铣削轴16。
76.本发明的进一步实施例中，在安装过程中，必须严格控制压紧力的大小，以防止铣削轴16损坏。
77.本发明的进一步实施例中，铣削轴16带动球头铣刀35进行高速回转运动，其回转轴线在空间上与水平面呈10
°
至15
°
夹角，构成斜轴加工方式，由于球面加工及结构本身特点，可达到较高的加工速度，有效避免加工过程中球头铣刀35的顶点速度为0而降低表面加工质量，进一步提高加工精度。
78.本发明的进一步实施例中，第二高分辨率ccd相机30通过内六角螺钉连接在第二精密微调位移台21上，用以实现二次装夹时轨迹点的识别捕捉及微坑结构位置的监测及坐标的确定。
79.本发明的进一步实施例中，第二精密微调位移台21通过螺钉连接在过渡盘22上，第二精密微调位移台21由两个粗微调测微头驱动，可以分别沿着两个垂直方向作直线位移的调整，测微头粗调的最小读数为10μm，微调的最小读数为0.5μm，以保证位移调整的精度，同时其线性导轨还配有锁紧旋钮，方便对调整后的平台进行位置锁定。
80.本发明的进一步实施例中，二次装夹零点定位装置安装板20底部开设有安装孔，可通过螺钉与过渡盘22相连。
81.本发明的进一步实施例中，二次装夹零点定位装置19通过螺钉与二次装夹零点定位装置安装板20连接。
82.本发明的进一步实施例中，二次装夹真空吸附夹具18通过螺钉连接在二次装夹零点定位装置19上，供调头二次装夹用。
83.本发明的进一步实施例中，在初次加工、调头装夹之前，二次装夹真空吸附夹具18可随二次装夹零点定位装置19一同拆卸，避免了加工过程中的干涉。
84.本发明的进一步实施例中，y轴挡板3、第一x向风琴防护罩25、第二x向风琴防护罩27、第一z向风琴防护罩34、第二z向风琴防护罩36、x轴盖板28、z轴盖板33及防护罩9均用于对位于其下面的直线电机运动部件起到防尘作用，同时也可以防护一些加工液的飞溅，由此对高精度直线电机的使用性能与使用寿命起到很好的保护作用。
85.本发明的进一步实施例中，一种薄壁球壳类微小构件全表面均布微坑结构的加工装置包括三根直线轴、两个回转轴、一个铣削轴以及两个可拆卸高分辨率ccd相机，薄壁球壳类微小构件15表面均布微坑结构，加工装置的直线轴、旋转轴分别由独立的驱动器及反馈信号线，并通过一个多轴控制器进行联动控制或单独控制，可以在球径1～5mm，壳层厚度20～120μm的薄壁球壳类微小构件全表面上实现数十个至百余个均匀分布的、纵向尺寸0.5～20μm、横向尺寸50～200μm的微坑结构的高精度加工，轮廓误差优于0.3μm、表面粗糙度ra优于20nm。
86.本发明的进一步实施例中，具体操作流程如下：
87.(1)在半球面微坑结构初次加工前，施加真空负压环境，利用真空负压通过初次装夹真空吸附夹具14对薄壁球壳类微小构件15进行吸附加紧，加工过程中保持真空吸附状态；
88.(2)进行薄壁球壳类微小构件15精准对刀操作，根据这种斜轴加工方式的加工条件要求，需要将球头铣刀35的球心调整到与空气静压工件轴5的回转轴线重合，便于满足各种加工轨迹的要求，通过两个高分辨率ccd相机对球头铣刀35和薄壁球壳类微小构件15的接触区域及对刀过程进行全方位监测，可实现微小尺度约束下高精度对刀操作；
89.(3)在高精度对刀结束之后，进行表面微坑结构的初次微铣削加工，采用样条运动模式，通过多轴插补联动控制，按照预定轨迹完成半球面微坑结构的加工；
90.(4)在半球面微坑结构加工完成之后，进入二次调头装夹准备阶段，通过多轴联动使得二次装夹真空吸附夹具18与空气静压工件轴5同轴，并移动z轴运动拖板31使得二次装夹用真空吸附夹具18的吸头接触薄壁球壳类微小构件15已加工表面，开启二次装夹真空吸
附，吸附住薄壁球壳类微小构件15；
91.(5)初次装夹真空吸附夹具14解除真空吸附，薄壁球壳类微小构件15由初次装夹真空吸附夹具14转移到二次装夹真空吸附夹具18上；
92.(6)接着利用零点定位系统的高重复定位精度，取下工件轴上初次装夹零点定位装置13，将二次装夹零点定位装置19移接到空气静压工件轴5上，实现高精度快速二次调头装夹；
93.(7)利用两个高分辨率ccd相机捕捉初次加工微坑结构的坐标，按照预定的轨迹，多轴联动完成剩余半球面微坑结构的加工，以实现薄壁球壳类微小构件15全表面微坑结构的高精度微铣削加工。
94.本发明的进一步实施例中，装置的加工精度与误差分析：在实际进行薄壁球壳类微小构件全表面均布微坑结构的高精度加工过程中，由于安装误差和运动误差的存在，加工轨迹会出现位置偏差。将装置建模为两条由刚体组成的运动链，每条运动链都有各自的局部笛卡尔坐标系。一条运动链从装置的基座到球头铣刀，并建立刀具坐标系；另一条运动链由基座到工件，并建立工件坐标系。任何一个轴系误差均可分为线性误差δ
mn
、角度误差θ
mn
及位置误差β
mn
。
95.由齐次坐标变换原理将刀具坐标系下刀尖点坐标及工件坐标系下待加工点坐标转化到全局坐标系下，装置任意相邻组件间变换矩阵可分为：
96.(1)理想静止变化矩阵：
[0097][0098]
(2)实际静止变换误差矩阵：
[0099][0100]
(3)理想运动变化矩阵：
[0101][0102]
(4)实际运动变换误差矩阵：
[0103][0104]
理想变换矩阵：
[0105]
ji
t＝
ji
t
pji
t
s
[0106]
实际变换矩阵：
[0107]
ji
t
e
＝
ji
t
pji
t
peji
t
sji
t
se
[0108]
在理想条件下，在理想条件下，刀尖点与工件上待加工点重合，即刀具坐标系下的刀尖点在全局坐标系下的位置与工件坐标系下的待加工点在全局坐标系下的位置重合，即
[0109][0110]
其中，p
(w)
＝[p
wx
,p
wy
,p
wz
,1]
t
工件坐标系下切削点位置，p
t
＝[p
tx
,p
ty
,p
tz
,1]
t
刀具坐标系下切削点坐标，取p
t
＝[0，0，0，1]
t
[0111]
(1)工件坐标系中理想的刀具轨迹为：
[0112][0113]
(2)工件坐标系中实际的刀具轨迹为：
[0114][0115]
进一步的，当x/y/z导轨直线度50nm/10mm，定位精度0.3μm/10mm，b轴回转精度
±
1arc
‑
sec，c轴回转精度
±
1arc
‑
sec时，计算得到10mm行程内的实际加工误差：
[0116]
e＝p
w_actual
‑
p
w_ideal
＝0.48μm
[0117]
可见，该双高分辨率ccd相机监测、高精度调头二次装夹超精密加工装置可在薄壁球壳类微小构件全表面均布跨尺度微坑结构，且加工精度满足要求。
[0118]
本发明的进一步实施例中，该装置可以实现对球径1～5mm，壳层厚度20～120μm的薄壁球壳类微小构件全表面数十个至百余个均匀分布的、纵向尺寸0.5～20μm、横向尺寸50～200μm的微坑结构的高精度加工，轮廓误差优于0.3μm、表面粗糙度ra优于20nm。
[0119]
本发明的进一步实施例中，将工件装夹系统、高分辨率ccd监测系统、零点定位系统及调头二次装夹快换系统集中到一个工作平台上，结构设计紧凑，可有效解决薄壁球壳类微小构件的装夹、调头、对刀及微坑结构的捕捉识别等技术难题。
[0120]
本发明的进一步实施例中，采用高精度的直线单元和旋转单元作为该装置的主要运动部件，x/y/z直线轴直线度优于0.2μm/全行程，任意10mm直线度优于0.05μm，直线导轨定位精度优于
±
0.5μm/全行程，任意10mm内定位精度优于
±
0.3μm；回转台23回转精度优于
±
1arc
‑
sec。
[0121]
本发明的进一步实施例中，工件的回转运动采用空气静压工件轴5，配置灵活，回转精度优于50nm，轴向及径向同步误差优于12nm，且采用铣削轴16倾斜放置加工方式，倾角范围10
°
～15
°
，根据球面加工及结构本身特点，可达到较高的加工速度，有效避免球头铣刀35的顶点速度为0而降低表面质量，进一步提高加工精度。
[0122]
本发明的进一步实施例中，基座采用花岗岩材料来制作，可以很好的吸收振动，因而能够较大的提高装置的性能。
[0123]
本发明的进一步实施例中，空气静压工件轴5通过螺钉固接在y轴直线单元4的y轴运动拖板的安装孔内，随y轴运动拖板一起移动，并实现高精度的回转运动，空气静压工件轴5回转精度优于50nm，轴向及径向同步误差优于12nm。
[0124]
本发明的进一步实施例中，过渡板6通过内六角螺钉与空气静压工件轴5的端部相连。
[0125]
本发明的进一步实施例中，初次装夹零点定位装置13通过内六角螺钉连接在过渡板6上。
[0126]
本发明的进一步实施例中，初次装夹真空吸附夹具14通过内六角螺钉与初次装夹零点定位装置13相连，可随初次装夹零点定位装置13快换拆卸。
[0127]
本发明的进一步实施例中，初次装夹真空吸附夹具14内部开设有真空管道，在初次装夹时，由安装在y轴箱体内部，位于空气静压工件轴5末端的真空发生器产生真空负压，依次通过空气静压工件轴5内部专用真空气路输送到空气静压工件轴5末端，并由真空管路经过过渡板6、初次装夹零点定位装置13内部的通道传输至初次装夹真空吸附夹具14腔体内部，初次装夹真空吸附夹具14与基准片的连接处由密封圈密封，可保证良好的气密性，薄壁球壳类微小构件15在真空负压吸附下紧密连接在初次装夹真空吸附夹具14的吸头上，实现薄壁球壳类微小构件15的装夹。
[0128]
本发明的进一步实施例中，整个装置的运动控制器采用umac多轴运动控制器，实现对x轴运动拖板、y轴运动拖板、z轴运动拖板31、回转台23、空气静压工件轴5的联动控制，由专用控制柜实现对铣削轴16的控制。
[0129]
本发明的进一步实施例中，x轴直线电机及z轴直线电机选用parker公司的高精度i
‑
force系列无铁芯直线电机，型号位410
‑
6n
‑
lc，配合trust公司线性放大器ta333实现驱动x轴运动拖板沿x轴方向的移动及轴运动拖板31沿z轴方向的移动。
[0130]
本发明的进一步实施例中，x轴直线电机、y轴直线电机、z轴直线电机均采用的液体静压导轨直线电机，直线电机由定子、动子组成，定子和导轨安装在基座1上，动子用于连接移动的工作台。
[0131]
本发明的进一步实施例中，基座1是由花岗岩材料制成的一个大平台，可以很好的吸收振动，能够较大地提高装置的性能，四个角设置有安装孔，可以与其他水平平台连接。
[0132]
本发明的进一步实施例中，x轴直线单元2通过下方的内六角螺钉联接在基座1上，通过其内部直线电机的电磁推力驱动，可以实现x轴运动拖板在水平方向实现高精度的往复直线运动，y轴直线单元4通过内六角螺钉固定在x轴直线单元2的拖板上，通过其内部直线电机的电磁图推力驱动，实现y轴运动拖板在竖直方向高精度的往复直线运动，并与x轴直线单元2有着较高的垂直度要求以满足所需的加工精度。
[0133]
本发明的进一步实施例中，z轴直线单元24通过内六角螺钉与基座1联接，由内部直线电机的电磁推力驱动，直线度优于0.2μm/全行程，全行程200mm，任意10mm直线度优于0.05μm，实现z轴运动拖板31可以在水平方向实现高精度的往复直线移动。
[0134]
本发明的进一步实施例中，y轴直线电机选用parker公司的高精度i
‑
force系列无铁芯高精度直线电机，型号310
‑
3m
‑
lc，配合trust公司的线性放大器ta333实现驱动y轴运
动拖板沿y轴方向的移动。
[0135]
本发明的进一步实施例中，ccd相机选型为14.5
×
14，16.5；镜头：lm1138tc，放大倍率2倍，市场范围6.4
×
4.8mm，日本kowa公司；相机：me2p
‑
2621
‑
15u3m，分辨率5120
×
5120，中国大恒。
[0136]
本发明的进一步实施例中，空气静压工件轴为德国professional instruments company，型号iso 5.5pg。
[0137]
本发明的进一步实施例中，采用日本smc公司的zp3型真空发生器，真空发生装置原理如下：利用喷管高速喷射压缩空气，在喷管出口形成射流，产生卷吸流动，使喷管周围空气不断被抽吸，吸腔内压力降至大气以下，形成真空。
[0138]
对于不可压缩气体的连续性方程为：
[0139]
a1ν1＝a2ν2[0140]
式中，a1、a2为管道面积，v1、v2为气体流速，当截面增大，流速减小；截面减小，流速增大；
[0141]
气体理想能量方程为：
[0142][0143]
p1、p2为截面a1、a2处相应的压力，v1、v2为截面a1、a2处相应的流速，γ为流体重度，g为重力加速度，可知流速增大，压力降低，当v2≥v1时，p1≥p2，当v2增加到一定值时，p2将小于一个大气压力，即产生负压，故用增大流速获得负压，产生吸力。
[0144]
本发明的进一步实施例中，加工时，整个装置的移动过程：在数控系统中导入预先生成的均布点集坐标，由工控机发送指令给运动控制器，采用样条运动模式进行机床五轴联动插补计算，控制多轴联动按照预定轨迹运动到相应坑点微结构上方，具体的步骤如下，通过多轴运动控制器实现多轴联动，通过x轴运动拖板和z轴运动拖板31的插补运动，使得球头铣刀35移动至待加工微坑点附近，控制y轴运动拖板移动，调整薄壁球壳类微小构件15的高度，使得薄壁球壳类微小构件15的球心与球头铣刀15球心位于同一平面，进一步的，控制回转台23转动一定角度，使得球头铣刀15到达待加工微坑结构上方，开启对刀流程。
[0145]
本发明的进一步实施例中，对刀过程：通过两个高分辨率ccd相机分别获取球头铣刀球心在空间内相对于薄壁球壳类微小构件15的位置图像，并传输到数控系统中，经过图像处理，得到球头铣刀35的球心在空间内相对于薄壁球壳类微小构件15的距离，通过多轴运动控制器控制高精度的直线单元和旋转单元运动，调整间隙，实现精准对刀。
[0146]
本发明的进一步实施例中，对刀结束，开始表面微坑结构加工流程，对于特定微坑结构的加工，精准对刀之后，通过控制x轴运动拖板和z轴运动拖板31联动，实现刀具沿着薄壁球壳径向的进给运动，由铣削轴16的高速旋转实现该处微坑结构多余材料的去除，完成微坑加工，进一步的，按照预定规划轨迹，控制x轴运动拖板和z轴运动拖板31联动，铣刀35退回至安全位置，控制空气静压工件轴5转动，使得下一个待加工微坑转动到近刀具侧，控制x轴运动拖板和z轴运动拖板31联动，按照预定轨迹，实现该处微坑结构的加工。后续的，按照预先生成的轨迹，完成剩余微坑结构的加工。
[0147]
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。