机械设计与制造 ｌ９６ 第１０期 ２０１２年１０月 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ 文章编号：１００１—３９９７（２０１２）１０—０１９６—０３ 基于定位面拟合的平行度修整法冰 胡明明・王晓东１，２陈勇 陈亮。 （１．大连理工大学微纳米技术及系统辽宁省重点实验室，大连１ １６０２４；２．大连理工大学精密与特种加工教育部 重点实验室，大连１１６０２４；３．中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所，西安７１００６５） Ｐａｒａｌｌｅｌｉｓｍ Ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｉｔｔｅｄ Ｌｏｃａｔｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ ＨＵ Ｍｉｎｇ－ｍｉｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｄｏｎｇ２，ＣＨＥＮ ＹｏｎｇＩ，ＣＨＥＮ Ｌｉａｎｇ （１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏ／Ｎａｎｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｄａｌｉａｎ １ １ ６０２４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ Ｎｏｎ－ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｙ ｏｆｒ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ １１６０２４，Ｃｈｉｎａ；３．Ｆｌｉｇｈｔ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ａｖｉａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｙ Ｃｏｒｐｏｒｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｘｉ’ａｎ ７ １００６５，Ｃｈｉｎａ） 【摘要】组件的安装面与内凹底面的平行度，是影响后续零件装配精度的一个重要参数，必须满 足一定的精度要求。该内凹底面不能进行再加工，且无法直接作为后续加工的定位面，为此，提出了一 种基于定位面拟合的平行度修整法。设计了一套专用夹具，利用夹具对测量计算得出的安装面的去除 量进行调节，通过精密铣床完成加工。整个加工过程中的涉及到的计算通过程序实现，并用实验验证了 该平行度修整方法的可行性，为后续实现组件的自动修整提供一定依据。 关键词：定位面拟合；平行度；精密修整；内凹底面 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ ｐａｒａｌｌｅｌｉｓｍ ｏｆ ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ ｓｕｌｆｃｌｃｅ ａｎｄ ｃｏｎｃ￣ｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｗｈｉｃｈ ａｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｃｃｕｒａａｃｙ．Ｓｏ ｉｔ ｍｕｓｔ ｂｅ ｐｒｅｃｉｓｅ ｔｏ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｄｅｇｒｅｅ．ｈｅ ｃｏｎｃａｖｅ ｓｕｒＴｆａｃｅ ａｂｏｖｅ Ｃａｎ ｎｏｔ ｂｅ ｒｅｐｒｏｃｅｓｓｅｄ，ａｎｄ ｆａｉｌｓ ｔｏ ｂｅ ｔｈｅ ｌｏｃａｔｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｉｒｅｃｔｌｙ．Ａ ｐａｒａｌｌｅｌｉｓｍ ｉｎｉｆｓｈｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎｆｉｔｔｅｄ ｌｏｃａｔｉｎｇ ｓｕｒｆｃｅａ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｃｌａｍｐ ｉｓ ｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ耐 ￡ｔｏ ｓｔｏｃｋ ｒｅｍｏｖｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ａｔｔｃｈｍａｅｎｔ ｓｕｒｆｃｅ．ａＡ ｎｄ ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｐａｒａｌｌｅｌｉｓｍ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍｉｌｌｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ．Ｃａｌｃｕｌａ— ｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｒｅ ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ．Ｔｈｅ ｐａｒａｌｌｅｌｉｓｍ ｉｎｉｆｓｈｉｎｇ ｅｔｍｈｏｄ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｖｉａｂｌｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉ—— ｅｎｔｍｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｓｏｍｅ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｉｎｉｆｓｈｉｎｇ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｆｉｔｔｅｄ Ｌｏｃａｔｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ；Ｐａｒａｌｌｅｌｉｓｍ；Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ；Ｃｏｎｃａｖｅ Ｓｕｒｆａｃｅ 中图分类号：ＴＨ１６；ＴＨ１６１文献标识码：Ａ １引言 精密机电产品通常包含多个机械零件，由于零件尺寸小，生 面中有一内凹面，且内凹面无法直接作为定位支撑面，也不能对 其进行修整，先前方法失效。为饵决此类问题，以一个特殊组件两 个表面的平行度误差修整为例，介绍了一种基于定位面拟合的修 产批量大，装配精度要求高，因此零件的装配需要靠半自动、自动 的微装配系统。在精密器件制造中，单个零件的加工精度要求很 高，同时对装配完成的组件的位置精度也提出了很高的要求，一 整方法，通过“测量一计算一调节一加工”这一过程保证组件两个面 的平行度，并对该修整方法进行了实验验证，结果表明该修整方 些组件在装配完成后两个面的平行度达不到要求，需要进行修 整，但是其中的一个表面不能进行再加工，而且也无法成为后续 加工的定位支撑面，从而为高精度的修整带来困难。 法，即先以工件的一个面定位，修整另一面，然后再以修整过的面 为基准反过来加工第一个面，必要时针对一些特殊零件需设计特 定夹具『ｌ１。这种方法原理简单，但修整效率较低，且修整后工件的 平行度误差较大，适用于平行度要求较低的情况。在一些平行度 要求较高的场合，为了方便，直接改用主轴与工作台垂直度更高 的精密机床来保证两表面的平行度。 法可行，为后续实现组件平行度的自动修整奠定了基础。 ２组件的平行度 装配完成后的精密组件，如图１所示。作为后续零件装配的 要求面２与面１的平行度在５１ｘｍ内。 传统的两个平面平行度误差的修整方法主要基于互为基准 基准，面ｌ 面３ 测点 面２ 上述方法的修整对象具有这样一类特点：两个面均为外凸表 面，且可以直接以其中的任何一个面定位来加工另一面。若两表 图１待修整组件 在机械标准中，平行度是指被测实际要素对其与基准平行 ★来稿１３期：２０１１－１２—１７－ｋ基金项目：国家部委十二五预研项目和高校基本科研业务费专项资金资助（ＤｕＴ１ＯｚＤＧｏ４） 第１０期 胡明明等：基于定位面拟合的平行度修整法 １９７ 的理想要素所允许的变动全量，按照这个定义，以二三个安装面所 面去除量为０，其余两面的去除量为ｄ一与该面到拟合平面距离 在的面２为基准，测量组件内凹底面１上的所有点，这些点的最大 所对应的差值 。值与最小值之差即为组件的平行度误差。实际中，内凹底面１的 ３．２夹具设计 平面度较好（不超过ｌｕｍ），为了测量方便，只测量直径为１３ｍｍ 为了能够准确的调出＿一个安装面的高度差，方便后续的铣 削加丁，设计了平行度修整专用夹具，如图３所示。 的圆周上均布的四点，求其高度差的最大值即可［３１。 ３误差修整方案设计 组件的面１直接与后续零件接触，已经过特殊处理，不能进 行追加工，且在后续平行度修整中无法直接作为定位支撑面。针 对组件的外形特点和加工要求，提出的修整思想如下：以面３作 为组件加＿Ｔ时的固定面，通过修整面２保证组件两个面的平行 度。修整方案流程图，如图２所示。首先以面２固定测量组件内凹 底面１上的４点，若这些点高度差的最大值＜５ｕｒｎ，则组件合格； 否则，组件两个面的平行度不满足要求，通过计算求Ｈ｛三个安装 面各自的去除量，将组件放在平行度修整夹具上固定，根据去除 量将三个安装面调ｍ对应的高度差，然后利用精密铣床完成组件 安装面的修整。修整完后，重复上面的测量、加 过程，直到组件 内凹底面与安装面的平行度误差控制在５ｕｍ 内。 图２平行度修整方案流程图 ３．１安装面的去除量求解 首先，按照上述平行度定义测量，如果安装面与内凹底面的 平行度超过５ｕｒｎ，则需要拟合一个定位面，以该定位面作为“基 准”，通过修整三个安装面实现组件两个面的平行度要求。 最小二乘法在平面拟合中应用最为普遍，它使从被测实际 表面上各点到最小二乘平面的平方和为最小，因此所得平面可看 作理想平面。以阶梯轴中心为原点，面３为ｘｙ平面，垂直于ｘｙ平 面向外为ｚ轴建立坐标系。这样，内凹表面上均布在直径为 １３ｍｍ圆周上的４点的ｘｙ坐标已知，依次记为：①（０，６．５，ｚ ），② （一６．５，０，ｚ ），③（０，一６．５，Ｚ，），④（６．５，０，Ｚ ）。＿一个安装面记为Ａ、Ｂ、 ｃ，面积较小，以安装面上圆孔中心处坐标代替，则Ａ（０，１４．２，Ｏ）， （一１４．２，０，０），Ｃ（０，一１４．２，０）。 假设拟合平面的方程为ｚ＝ａｘ＋ｂｙ＋ｃ，以面２为固定面测量内 凹表面上四点的 轴高度 ｚ ，将这４个点的坐标带人公式 （１）即可得出拟合平面的方程。 ∑ ∑ ４ 式中１ ２ｇ…Ｙ、ｚ『＿第ｉ个点的ｘ，ｙ、ｚ坐标。 求出拟合平面后，计算安装面上Ａ、Ｂ、Ｃ 一ｌ点到拟合平面的 距离 、ｄＲ、ｄ。，ｄ．￣＝ｍａｘ｛ｄＡ、ｄＢ，ｄ ｝，则到拟合平面距离最大的安装 图３平行度修整夹具示意图 专用夹具集定位、锁紧、微调功能于一体。为了适应Ｔ件外 形尺寸的微小偏差，设计了偏心垫片。将被ＪＪｎ￣．组件放在联接圆 盘上，旋转偏心垫片使其与工件接触，拧紧固定螺栓完成Ｔ件的 定位。两个六角形支柱一端连接中间联接板，另一端固定压板。铜 垫柱与压板上的孔过盈配合。拧紧 紧螺栓，螺栓的预紧力经压 板传到铜垫柱，由铜垫柱压紧ｌＴ件，实现锁紧功能。微调螺旋机构 采用３个进给丝杠，避免了４支撑、６支撑等带来的静不定问题 和“虚腿”问题Ｉ“Ｉ，进给丝杠呈等腰 角形分布于中间连接板上。 为了增加丝杠的支撑刚度，在联接板中间设计一关节轴承，旋转 ３个进给丝杠，实现组件安装面的微调。夹具底板上有４个凸台 面，已经过磨削处理。 ３．３去除量的调节 工件在夹具上固定后，运用夹具中的微调螺旋机构对各个 安装面的平均高度进行调节，下面是微调机构的示意图。图中肼、 Ｎ、Ｐ是二三个右旋进给丝杠，Ａ、Ｂ、Ｃ代表３个安装面。每次对进给 丝杠的最大调节量不超过两个毫米，调节过程不考虑关节轴承的 影响。 图４微调机构示意图 旋转三个进给丝杠，使丝杠的半圆头均与夹具底板接触。ＡＢ 连线平行于ＭＮ的连线，使得在调节丝杠尸时，Ａ与曰的相对高 度差不发生变化，这就决定了三个进给丝杠的调节顺序只能是： 先调节Ⅳ，后调节Ｐ或先调节 ，后调节Ｐｏ这里选用前者。测量 Ａ、Ｂ、Ｃ的初始平均高度ｈ ｈ ｈ 在调节Ⅳ的过程中，整个微调 机构相当于以ＭＰ连线为轴线进行偏转，偏转角度较小，故可以 认为Ａ、 、ｃ、Ⅳ升高的距离与它们到 Ｐ连线的距离为直角三角
