一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法

摘要

本发明公开了一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法，涉及微小构件表面加工方法的技术领域，解决了目前对薄壁球壳类微小构件的加工时间长，加工效率低，加工精度低，加工位置不准确，加工误差较大等问题，加工后的批量部件无法满足实际应用的标准的问题，依次通过真空吸附装夹、高分辨率CCD对刀、多轴联动数控加工、零点快换掉头装夹、特征坑点捕捉及坐标确定、剩余坑点微结构加工等步骤，采用初次装夹真空吸附夹具、二次装夹真空吸附夹具、第一高分辨率CCD相机、第二高分辨率CCD相机和球头铣刀等部件实现对薄壁球壳类微小构件全表面加工，满足实际加工需求，通过多轴联动进行微铣削加工，提高了加工效率，实现了微小构件高精度加工。

权利要求

1.一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法，其特征在于，所述薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法采用初次装夹真空吸附夹具(14)、二次装夹真空吸附夹具(18)、第一高分辨率CCD相机(12)、第二高分辨率CCD相机(30)和球头铣刀(35)，所述初次装夹真空吸附夹具(14)安装在空气静压工件轴(5)上，所述二次装夹真空吸附夹具(18)和所述球头铣刀(35)安装在过渡盘(22)上，所述第一高分辨率CCD相机(12)用于监测水平平面内薄壁球壳类微小构件(15)与所述初次装夹真空吸附夹具(14)、所述二次装夹真空吸附夹具(18)和所述球头铣刀(35)的位置关系，所述第二高分辨率CCD相机(30)用于监测竖直平面内薄壁球壳类微小构件(15)与所述初次装夹真空吸附夹具(14)、所述二次装夹真空吸附夹具(18)和所述球头铣刀(35)的位置关系，初次装夹真空吸附夹具(14)、二次装夹真空吸附夹具(18)，所述初次装夹真空吸附夹具(14)、所述二次装夹真空吸附夹具(18)、所述球头铣刀(35)的运行轨迹均通过数控系统控制，所述初次装夹真空吸附夹具(14)和所述二次装夹真空吸附夹具(18)内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全表面微坑结构加工的工艺方法包括：

S1：通过所述数控系统控制所述初次装夹真空吸附夹具(14)、所述二次装夹真空吸附夹具(18)和所述球头铣刀(35)均位于初始位置，通过所述真空发生系统控制所述初次装夹真空吸附夹具(14)对所述薄壁球壳类微小构件(15)进行吸附装夹；

S2：通过所述数控系统控制所述初次装夹真空吸附夹具(14)移动，通过所述初次装夹真空吸附夹具(14)将所述薄壁球壳类微小构件(15)移送至工件加工位置后，通过所述数控系统控制所述初次装夹真空吸附夹具(14)停止移动，通过所述数控系统控制所述铣刀(35)移动至刀具加工位置，通过所述第一高分辨率CCD相机(12)和所述第二高分辨率CCD相机(30)对所述薄壁球壳类微小构件(15)和所述球头铣刀(35)的位置进行监测，此时所述球壳类微小构件(15)的球心与所述铣刀(35)的切削刃的球心均位于初次装夹真空吸附夹具(14)的中心轴线上；

S3：在所述数控系统中导入预先生成的薄壁球壳类微小构件(15)的微坑结构的均布点集坐标及加工顺序，通过所述数控系统控制所述初次装夹真空吸附夹具(14)和所述球头铣刀(35)按照预先生成的运行轨迹运行，实现控制所述球头铣刀(35)对薄壁球壳类微小构件(15)的一个半球面加工；

S4：所述薄壁球壳类微小构件(15)的一个半球面加工完成后，通过所述数控系统控制所述初次装夹真空吸附夹具(14)、所述二次装夹真空吸附夹具(18)和所述球头铣刀(35) 均回到初始位置，通过所述数控系统控制所述初次装夹真空吸附夹具(14)移动，通过所述初次装夹真空吸附夹具(14)将所述薄壁球壳类微小构件(15)移送至工件二次装夹位置，通过所述数控系统控制所述二次装夹真空吸附夹具(18)移动至夹具二次装夹位置，通过所述真空发生系统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)进行吸附装夹，通过所述第一高分辨率CCD相机(12)和所述第二高分辨率CCD相机(30)对所述薄壁球壳类微小构件(15)、所述初次装夹真空吸附夹具(14)和所述二次装夹真空吸附夹具(18)之间的位置进行监测，此时所述薄壁球壳类微小构件(15)的球心、初次装夹真空吸附夹具(14)的中心轴线和二次装夹真空吸附夹具(18)的中心轴线位于同一直线，二次装夹完成后通过所述真空发生系统控制所述初次装夹真空吸附夹具(14)解除对所述薄壁球壳类微小构件(15)的吸附装夹，通过所述数控系统控制所述初次装夹真空吸附夹具(14)、所述二次装夹真空吸附夹具(18)和所述球头铣刀(35)均再次回到初始位置，将所述薄壁球壳类微小构件(15)和所述二次装夹真空吸附夹具(18)进行粘合，粘合完成后通过所述真空发生系统控制所述二次装夹真空吸附夹具(18)解除对所述薄壁球壳类微小构件(15)的吸附装夹，将所述初次装夹真空吸附夹具(14)和所述二次装夹真空吸附夹具(18)拆卸下来并将所述二次装夹真空吸附夹具(18)安装在所述初次装夹真空吸附夹具(14)的初始位置，通过所述真空发生系统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)再次进行吸附装夹；

S5：通过所述数控系统控制所述二次装夹真空吸附夹具(18)移动，通过所述二次装夹真空吸附夹具(18)将所述薄壁球壳类微小构件(15)移送至工件加工位置后，通过所述数控系统控制所述二次装夹真空吸附夹具(18)停止移动，通过所述数控系统控制所述铣刀(35)移动至刀具加工位置，通过所述第一高分辨率CCD相机(12)和所述第二高分辨率CCD相机(30)对所述薄壁球壳类微小构件(15)和所述球头铣刀(35)的位置进行监测，此时所述球壳类微小构件(15)的球心与所述铣刀(35)的切削刃的球心均位于所述二次装夹真空吸附夹具(18)的中心轴线上；

S6：通过所述第一高分辨率CCD相机(12)和所述第二高分辨率CCD相机(30)对薄壁球壳类微小构件(15)的已加工微坑结构进行捕捉，通过所述数控系统控制所述二次装夹真空吸附夹具(18)和所述球头铣刀(35)按照预先生成的运行轨迹运行，实现控制所述球头铣刀(35)对薄壁球壳类微小构件(15)的另一个半球面加工。

2.根据权利要求1所述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法，其特征在于，所述第一高分辨率CCD相机(12)为2600万像素的高分辨率相机，所述第一高分辨率CCD相机(12)的视场范围可达6.4mm×4.8mm。

3.根据权利要求1所述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法，其特征在于，所述第二高分辨率CCD相机(30)为2600万像素的高分辨率相机，所述第二高分辨率CCD相机(30)的视场范围可达6.4mm×4.8mm。

4.根据权利要求1所述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法，其特征在于，所述空气静压工件轴(5)内设有真空管路，所述真空管路和所述真空发生系统连通。

5.根据权利要求1所述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法，其特征在于，所述真空发生系统为真空发生器。

6.根据权利要求4所述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法，其特征在于，初次装夹真空吸附夹具(14)的腔体通过所述真空管路和所述真空发生系统连通。

7.根据权利要求4所述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法，其特征在于，二次装夹真空吸附夹具(18)的腔体通过所述真空管路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全表面微坑结构加工的工艺方法，其特征在于，所述数控系统通过X轴驱动电机驱动所述空气静压工件轴(5)沿X轴方向运动，所述数控系统通过Y轴驱动电机驱动所述空气静压工件轴(5)沿Y轴方向运动，所述数控系统通过C轴转动电机驱动所述空气静压工件轴(5)沿其中心轴线自转。

9.根据权利要求8所述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法，其特征在于，所述数控系统通过Z轴驱动电机驱动所述过渡盘(22)沿Z轴方向运动，所述数控系统通过B轴转动电机驱动所述过渡盘(22)沿其中心轴线自转。

10.根据权利要求9所述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法，其特征在于，所述X轴方向为水平方向，所述Y轴方向为竖直方向，所述Z轴方向为与所述X轴方向相互垂直的水平方向。

说明书

一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法

技术领域

[0001] 本发明涉及微小构件表面加工方法的技术领域，尤其涉及一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法。

背景技术

[0002] 新时期，国防军事、航空航天、电子信息、生物医疗等领域快速发展，对各种精密化、小型化、一体化的薄壁球壳类微小构件提出了迫切需求。作为很多精密超精密装置中的核心关键，薄壁球壳类微小构件制造实现性及精度直接决定了装置的实施效果及设备更新换代的成败。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，并需要在全表面加工出数十个至百余个微坑结构，这些微坑结构纵向尺寸为0.5～20μm，横向尺寸为50～200μm，要求坑点表面轮廓误差优于0.3μm、表面粗糙度Ra优于20nm，坑点分布均匀，间距误差达到微米量级。

[0003] 当前，超精密切削、电加工、塑性成形、MEMS等超精密制造技术方法受制造原理、机床精度等方面限制，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，无法满足薄壁球壳类微小构件及其全表面微坑结构的制造要求。例如，受限于流体力学微球的制造能力，能源研究实验三维流体力学不稳定性难以精确控制与解析；在惯性导航、太赫兹雷达等领域中，受限于薄壁球壳类微小构件的高精度制造能力，高精度陀螺零件、太赫兹零件等核心器件性能不高，甚至部分器件无法制造，导致我国的导航精度相对于美国低两个数量级，工作频率1THz以上的太赫兹雷达还未达到实际应用要求，相关领域对薄壁球壳类微小构件高精度制造方法提出了迫切需求，目前对薄壁球壳类微小构件的加工时间长，加工效率低，加工精度低，加工位置不准确，加工误差较大等问题，加工后的批量部件无法满足实际应用的标准。

发明内容

[0004] 针对目前对薄壁球壳类微小构件的加工时间长，加工效率低，加工精度低，加工位置不准确，加工误差较大等问题，加工后的批量部件无法满足实际应用的标准的问题，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加工的工艺方法。

[0005] 为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

[0006] 一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法，其中，所述薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法采用初次装夹真空吸附夹具14、二次装夹真空吸附夹具18、第一高分辨率CCD相机12、第二高分辨率CCD相机30和球头铣刀35，所述初次装夹真空吸附夹具14安装在空气静压工件轴5上，所述二次装夹真空吸附夹具18和所述球头铣刀35安装在过渡盘22上，所述第一高分辨率CCD相机12用于监测水平平面内薄壁球壳类微小构件15与所述初次装夹真空吸附夹具14、所述二次装夹真空吸附夹具18和所述球头铣刀35的位置关系，所述第二高分辨率CCD相机30用于监测竖直平面内薄壁球壳类微小构件15与所述初次装夹真空吸附夹具14、所述二次装夹真空吸附夹具18和所述球头铣刀35的位置关系，初次装夹真空吸附夹具14、二次装夹真空吸附夹具18，所述初次装夹真空吸附夹具
14、所述二次装夹真空吸附夹具18、所述球头铣刀35的运行轨迹均通过数控系统控制，所述初次装夹真空吸附夹具14和所述二次装夹真空吸附夹具18内的腔体内部压力均通过真空发生系统控制；

[0007] 所述薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法包括：

[0008] S1：通过所述数控系统控制所述初次装夹真空吸附夹具14、所述二次装夹真空吸附夹具18和所述球头铣刀35均位于初始位置，通过所述真空发生系统控制所述初次装夹真空吸附夹具14对所述薄壁球壳类微小构件15进行吸附装夹；

[0009] S2：通过所述数控系统控制所述初次装夹真空吸附夹具14移动，通过所述初次装夹真空吸附夹具14将所述薄壁球壳类微小构件15移送至工件加工位置后，通过所述数控系统控制所述初次装夹真空吸附夹具14停止移动，通过所述数控系统控制所述球头铣刀35移动至刀具加工位置，通过所述第一高分辨率CCD相机12和所述第二高分辨率CCD相机30对所述薄壁球壳类微小构件15和所述球头铣刀35的位置进行监测，此时所述球壳类微小构件15的球心与所述球头铣刀35的切削刃的球心均位于初次装夹真空吸附夹具14的中心轴线上；

[0010] S3：在所述数控系统中导入预先生成的薄壁球壳类微小构件15的微坑结构的均布点集坐标及加工顺序，通过所述数控系统控制所述初次装夹真空吸附夹具14和所述球头铣刀35按照预先生成的运行轨迹运行，实现控制所述球头铣刀35对薄壁球壳类微小构件15的一个半球面加工；

[0011] S4：所述薄壁球壳类微小构件15的一个半球面加工完成后，通过所述数控系统控制所述初次装夹真空吸附夹具14、所述二次装夹真空吸附夹具18和所述球头铣刀35均回到初始位置，通过所述数控系统控制所述初次装夹真空吸附夹具14移动，通过所述初次装夹真空吸附夹具14将所述薄壁球壳类微小构件15移送至工件二次装夹位置，通过所述数控系统控制所述二次装夹真空吸附夹具18移动至夹具二次装夹位置，通过所述真空发生系统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进行吸附装夹，通过所述第一高分辨率CCD相机12和所述第二高分辨率CCD相机30对所述薄壁球壳类微小构件15、所述初次装夹真空吸附夹具14和所述二次装夹真空吸附夹具18之间的位置进行监测，此时所述薄壁球壳类微小构件15的球心、初次装夹真空吸附夹具14的中心轴线和二次装夹真空吸附夹具18的中心轴线位于同一直线，二次装夹完成后通过所述真空发生系统控制所述初次装夹真空吸附夹具14解除对所述薄壁球壳类微小构件15的吸附装夹，通过所述数控系统控制所述初次装夹真空吸附夹具14、所述二次装夹真空吸附夹具18和所述球头铣刀35均再次回到初始位置，将所述薄壁球壳类微小构件15和所述二次装夹真空吸附夹具18进行粘合，粘合完成后通过所述真空发生系统控制所述二次装夹真空吸附夹具18解除对所述薄壁球壳类微小构件15的吸附装夹，将所述初次装夹真空吸附夹具14和所述二次装夹真空吸附夹具18拆卸下来并将所述二次装夹真空吸附夹具18安装在所述初次装夹真空吸附夹具14的初始位置，通过所述真空发生系统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再次进行吸附装夹；

[0012] S5：通过所述数控系统控制所述二次装夹真空吸附夹具18移动，通过所述二次装夹真空吸附夹具18将所述薄壁球壳类微小构件15移送至工件加工位置后，通过所述数控系统控制所述二次装夹真空吸附夹具18停止移动，通过所述数控系统控制所述球头铣刀35移动至刀具加工位置，通过所述第一高分辨率CCD相机12和所述第二高分辨率CCD相机30对所述薄壁球壳类微小构件15和所述球头铣刀35的位置进行监测，此时所述球壳类微小构件15的球心与所述球头铣刀35的切削刃的球心均位于所述二次装夹真空吸附夹具18的中心轴线上；

[0013] S6：通过所述第一高分辨率CCD相机12和所述第二高分辨率CCD相机30对薄壁球壳类微小构件15的已加工微坑结构进行捕捉，通过所述数控系统控制所述二次装夹真空吸附夹具18和所述球头铣刀35按照预先生成的运行轨迹运行，实现控制所述球头铣刀35对薄壁球壳类微小构件15的另一个半球面加工。

[0014] 上述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法，其中，所述第一高分辨率CCD相机12为2600万像素的高分辨率相机，所述第一高分辨率CCD相机12的视场范围可达6.4mm×4.8mm。

[0015] 上述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法，其中，所述第二高分辨率CCD相机30为2600万像素的高分辨率相机，所述第二高分辨率CCD相机30的视场范围可达6.4mm×4.8mm。

[0016] 上述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法，其中，所述空气静压工件轴5内设有真空管路，所述真空管路和所述真空发生系统连通。

[0017] 上述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法，其中，所述真空发生系统为真空发生器。

[0018] 上述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法，其中，初次装夹真空吸附夹具14的腔体通过所述真空管路和所述真空发生系统连通。

[0019] 上述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法，其中，二次装夹真空吸附夹具18的腔体通过所述真空管路和所述真空发生系统连通。

[0020] 上述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法，其中，所述数控系统通过X轴驱动电机驱动所述空气静压工件轴5沿X轴方向运动，所述数控系统通过Y轴驱动电机驱动所述空气静压工件轴5沿Y轴方向运动，所述数控系统通过C轴转动电机驱动所述空气静压工件轴5沿其中心轴线自转。

[0021] 上述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法，其中，所述数控系统通过Z轴驱动电机驱动所述过渡盘22沿Z轴方向运动，所述数控系统通过B轴转动电机驱动所述过渡盘22沿其中心轴线自转。

[0022] 上述的薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法，其中，所述X轴方向为水平方向，所述Y轴方向为竖直方向，所述Z轴方向为与所述X轴方向相互垂直的水平方向。

[0023] 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：

[0024] (1)本发明实现工件装夹系统、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成于一体，采用零点定位系统进行快换及调头二次装夹，重复定位精度高，保证了调头二次装夹具有较高的同轴度，在铣削加工时，二次装夹真空吸附夹具可随零点定位系统一同拆卸，有效避免了干涉问题，满足实际加工需求，提高了薄壁球壳类微小构件表面微结构加工的效率；

[0025] (2)本发明通过空气静压工件轴自带的真空管路连通真空负压，利用专用真空吸附夹具和吸附方法对复杂微小构件进行吸附，通过多轴联动进行微铣削加工，可以实现薄壁球壳类微小构件全表面的微坑结构的高精度加工；

[0026] (3)本发明采用两个高分辨率CCD摄像机布置，获取对刀区域及二次装夹球面微观图像，对刀具和工件的加工状态、刀具的磨损及加工位置进行有效的监控，提高对刀精度，有效提高了薄壁球壳类微小构件全表面的加工精度。

附图说明

[0027] 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加工的工艺方法的加工流程图。

[0028] 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加工的工艺方法的薄壁球壳类微小构件全表面均布微坑结构加工装置结构示意图。

[0029] 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加工的工艺方法的真空吸附装夹装置结构示意图。

[0030] 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加工的工艺方法的高分辨率CCD对刀的位置示意图。

[0031] 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加工的工艺方法的调头装夹的位置示意图。

[0032] 图6是本发明的一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法的实施装置的结构示意图。

[0033] 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、球头铣刀；36、第二Z向风琴防护罩。

具体实施方式

[0034] 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。

[0035] 请参照图1至图6所示，示出了一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法，其中，薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法采用初次装夹真空吸附夹具14、二次装夹真空吸附夹具18、第一高分辨率CCD相机12、第二高分辨率CCD相机30和球头铣刀35，初次装夹真空吸附夹具14安装在空气静压工件轴5上，二次装夹真空吸附夹具18和球头铣刀35安装在过渡盘22上，第一高分辨率CCD相机12用于监测水平平面内薄壁球壳类微小构件15与初次装夹真空吸附夹具14、二次装夹真空吸附夹具18和球头铣刀35的位置关系，第二高分辨率CCD相机30用于监测竖直平面内薄壁球壳类微小构件15与初次装夹真空吸附夹具14、二次装夹真空吸附夹具18和球头铣刀35的位置关系，初次装夹真空吸附夹具14、二次装夹真空吸附夹具18，初次装夹真空吸附夹具14、二次装夹真空吸附夹具18、球头铣刀35的运行轨迹均通过数控系统控制，初次装夹真空吸附夹具14和二次装夹真空吸附夹具18内的腔体内部压力均通过真空发生系统控制；

[0036] 薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法包括：

[0037] S1：通过数控系统控制初次装夹真空吸附夹具14、二次装夹真空吸附夹具18和球头铣刀35均位于初始位置，通过真空发生系统控制初次装夹真空吸附夹具14对薄壁球壳类微小构件15进行吸附装夹；

[0038] S2：通过数控系统控制初次装夹真空吸附夹具14移动，通过初次装夹真空吸附夹具14将薄壁球壳类微小构件15移送至工件加工位置后，通过数控系统控制初次装夹真空吸附夹具14停止移动，通过数控系统控制球头铣刀35移动至刀具加工位置，通过第一高分辨率CCD相机12和第二高分辨率CCD相机30对薄壁球壳类微小构件15和球头铣刀35的位置进行监测，此时球壳类微小构件15的球心与球头铣刀35的切削刃的球心均位于初次装夹真空吸附夹具14的中心轴线上；

[0039] S3：在数控系统中导入预先生成的薄壁球壳类微小构件15的微坑结构的均布点集坐标及加工顺序，通过数控系统控制初次装夹真空吸附夹具14和球头铣刀35按照预先生成的运行轨迹运行，实现控制球头铣刀35对薄壁球壳类微小构件15的一个半球面加工；

[0040] S4：薄壁球壳类微小构件15的一个半球面加工完成后，通过数控系统控制初次装夹真空吸附夹具14、二次装夹真空吸附夹具18和球头铣刀35均回到初始位置，通过数控系统控制初次装夹真空吸附夹具14移动，通过初次装夹真空吸附夹具14将薄壁球壳类微小构件15移送至工件二次装夹位置，通过数控系统控制二次装夹真空吸附夹具18移动至夹具二次装夹位置，通过真空发生系统控制二次装夹真空吸附夹具18对薄壁球壳类微小构件15进行吸附装夹，通过第一高分辨率CCD相机12和第二高分辨率CCD相机30对薄壁球壳类微小构件15、初次装夹真空吸附夹具14和二次装夹真空吸附夹具18之间的位置进行监测，此时薄壁球壳类微小构件15的球心、初次装夹真空吸附夹具14的中心轴线和二次装夹真空吸附夹具18的中心轴线位于同一直线，二次装夹完成后通过真空发生系统控制初次装夹真空吸附夹具14解除对薄壁球壳类微小构件15的吸附装夹，通过数控系统控制初次装夹真空吸附夹具14、二次装夹真空吸附夹具18和球头铣刀35均再次回到初始位置，将薄壁球壳类微小构件15和二次装夹真空吸附夹具18进行粘合，粘合完成后通过真空发生系统控制二次装夹真空吸附夹具18解除对薄壁球壳类微小构件15的吸附装夹，将初次装夹真空吸附夹具14和二次装夹真空吸附夹具18拆卸下来并将二次装夹真空吸附夹具18安装在初次装夹真空吸附夹具14的初始位置，通过真空发生系统控制二次装夹真空吸附夹具18对薄壁球壳类微小构件15再次进行吸附装夹；

[0041] S5：通过数控系统控制二次装夹真空吸附夹具18移动，通过二次装夹真空吸附夹具18将薄壁球壳类微小构件15移送至工件加工位置后，通过数控系统控制二次装夹真空吸附夹具18停止移动，通过数控系统控制球头铣刀35移动至刀具加工位置，通过第一高分辨率CCD相机12和第二高分辨率CCD相机30对薄壁球壳类微小构件15和球头铣刀35的位置进行监测，此时球壳类微小构件15的球心与球头铣刀35的切削刃的球心均位于二次装夹真空吸附夹具18的中心轴线上；

[0042] S6：通过第一高分辨率CCD相机12和第二高分辨率CCD相机30对薄壁球壳类微小构件15的已加工微坑结构进行捕捉，通过数控系统控制二次装夹真空吸附夹具18和球头铣刀35按照预先生成的运行轨迹运行，实现控制球头铣刀35对薄壁球壳类微小构件15的另一个半球面加工。

[0043] 进一步，在一种较佳实施例中，第一高分辨率CCD相机12为2600万像素的高分辨率相机，第一高分辨率CCD相机12的视场范围可达6.4mm×4.8mm。

[0044] 进一步，在一种较佳实施例中，第二高分辨率CCD相机30为2600万像素的高分辨率相机，第二高分辨率CCD相机30的视场范围可达6.4mm×4.8mm。

[0045] 进一步，在一种较佳实施例中，空气静压工件轴5内设有真空管路，真空管路和真空发生系统连通。

[0046] 进一步，在一种较佳实施例中，真空发生系统为真空发生器。

[0047] 进一步，在一种较佳实施例中，初次装夹真空吸附夹具14的腔体通过真空管路和真空发生系统连通。

[0048] 进一步，在一种较佳实施例中，二次装夹真空吸附夹具18的腔体通过真空管路和真空发生系统连通。

[0049] 进一步，在一种较佳实施例中，数控系统通过X轴驱动电机驱动空气静压工件轴5沿X轴方向运动，数控系统通过Y轴驱动电机驱动空气静压工件轴5沿Y轴方向运动，数控系统通过C轴转动电机驱动空气静压工件轴5沿其中心轴线自转。

[0050] 进一步，在一种较佳实施例中，数控系统通过Z轴驱动电机驱动过渡盘22沿Z轴方向运动，数控系统通过B轴转动电机驱动过渡盘22沿其中心轴线自转。

[0051] 进一步，在一种较佳实施例中，X轴方向为水平方向，Y轴方向为竖直方向，Z轴方向为与X轴方向相互垂直的水平方向。

[0052] 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。

[0053] 本发明在上述基础上还具有如下实施方式：

[0054] 本发明的进一步实施例中，薄壁球壳类微小构件全表面微坑的微铣削加工流程为：

[0055] 真空吸附装夹：通过工件装夹系统对薄壁球壳类微小构件吸附装夹定位。在初次装夹时，空气静压工件轴5内部开设有真空气路，外部气源系统由空气静压主轴内部真空气路连接到主轴末端真空多孔滤芯，进一步的，通过过渡板6中部的气体通道、零点定位系统13内部的管道连接到真空吸附夹具末端的气路接头上，真空气源经过真空腔体37输送到真空吸附吸头38，产生真空负压，吸附薄壁球壳类微小构件15，从而进行装夹定位，且真空负压可调，装夹变形优于10nm，减小装夹变形，提高装夹精度。

[0056] 高分辨率CCD对刀：启动数控系统，进行回零操作，建立机床系统的坐标系，即绝对坐标系。在绝对坐标系下，数控系统发出指令，通过运动控制器样条运动模式实现多轴联动，使得铣削轴16轴线与初次装夹真空吸附夹具14轴线在同一平面内；进一步地，移动初次装夹真空吸附夹具14，使得球头铣刀35球心达到机床系统坐标系原点，薄壁球壳类微小构件15球心与球头铣刀35球头在等高平面内。在数控系统中启动CCD监测模块，以增量模式小位移形式移动球头铣刀35，通过竖直设置的第一高分辨率CCD相机12观测X‑Y平面对刀区域，通过水平第二高分辨率CCD相机30观测X‑Z平面对刀区域，通过相应的图像处理方法获得刀具‑工件实时接触情况并显示在屏幕，调整相机焦距使得工件轮廓与工具头轮廓同时在CCD图像中达到最清晰，通过观测刀具‑工件接触情况确定对刀完成与否。工具头相对铣削轴的对中精度优于1μm，两个CCD相机分辨率可达2600万，视场范围可达6.4×4.8mm，可对刀具和工件的加工接触状态、刀具的磨损及加工位置进行有效的监控。

[0057] 多轴联动数控加工：在数控系统中导入预先生成的均布点集坐标及加工顺序，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微坑结构上方，进一步地，通过X/Y/Z三轴插补运动，实现薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构的加工。X/Y/Z直线轴直线度优于0.2μm/全行程(X:200mm；Y:100mm；Z:200mm)，任意10mm优于0.05μm；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；B轴回转台回转精度优于±1arc‑sec，可实现较高的运动精度，保证加工表面质量。

[0058] 零点快换调头装夹：半球面微坑结构加工完毕之后，通过程序控制，实现系统自动初始化，回到机床零点，进入二次装夹准备阶段。由运动控制器控制移动初次装夹真空吸附夹具14使得二次装夹真空吸附夹具18轴线与初次装夹真空吸附夹具14轴线在同一个平面内，进一步的，移动初次装夹真空吸附夹具14使得二次装夹真空吸附夹具18与初次装夹真空吸附夹具14的轴线同轴，以确保二次装夹能精准接触。其次，采用增量模式大进给移动二次装夹真空吸附夹具18，使得二次装夹真空吸附夹具18吸头靠近薄壁球壳类微小构件15，在目测距离较小时，更改进给量，缓慢进给，并启动CCD监测系统，通过竖直设置的第一高分辨率CCD相机12观察X‑Y平面内二次装夹真空吸附夹具18吸头与薄壁球壳类微小构件15的接触情况。在吸头与薄壁球壳类微小构件15完全接触时，停止Z向进给，启动二次装夹真空吸附夹具供气系统，二次装夹真空吸附夹具18产生负压，对微小尺度薄壁件15已加工表面进行吸附；同时，解除空气静压主轴5真空负压环境及初次装夹真空吸附夹具14对薄壁球壳类微小构件15的吸附，薄壁球壳类微小构件15由初次装夹真空吸附夹具14吸头转接到二次装夹真空吸附夹具18吸头上，未加工半球面暴露在外侧，实现薄壁球壳类微小构件的二次装夹。

[0059] 进一步地，通过多轴联动，各轴回到零点位置。初次装夹真空吸附夹具14随初次装夹零点定位系统13基准片一同拆卸，将二次装夹真空吸附夹具18随零点定位系统19基准片一同连接在初次装夹零点定位系统13上，由于零点定位系统重复定位精度较高，可达0.5μm，可实现薄壁球壳类微小构件15的高精度装夹调头。薄壁球壳类微小构件尺寸小，结构复杂，易脆裂，要实现高精度调头装夹并保证不对其造成损坏和带入表面污染，是较为复杂的过程，普通的调头装夹方式至少耗时30min。相比较而言，通过真空吸附夹具吸附，由零点快换系统实现调头装夹，可以将调头时间缩短至10min以内，提高了薄壁球壳类微小构件表面微坑结构的加工效率。

[0060] 特征微结构捕捉及坐标确定：调头二次装夹完成之后，在数控系统中启动CCD监测模块，利用竖直设置的第一高分辨率CCD相机12监测二次装夹薄壁球壳类微小构件球面微观形貌，调整相机焦距使工具头轮廓与工件轮廓在CCD图像中达到最清晰，通过缓慢转动空气静压主轴，识别薄壁球壳类微小构件表面特征微坑结构，并通过相应的图像识别方法，获取特征标识微结构的空间坐标，写入控制系统。进一步的，通过多轴联动，使得球头铣刀35球心达到工件坐标系原点，薄壁球壳类微小构件15球心与球头铣刀球头35在等高平面内。以增量模式小位移形式移动球头铣刀35，通过第一高分辨率CCD相机12观测X‑Y平面对刀区域，通过第二高分辨率CCD相机30观测X‑Z平面对刀区域，通过相应的图像处理方法获得刀具‑工件实时接触情况并显示在屏幕，通过观察刀具‑工件接触情况确定对刀完成与否。

[0061] 剩余微坑结构加工：以捕捉识别的特征微结构坐标为起点，采用样条运动模式进行机床多轴联动插补计算，按照轨迹规划生成的加工轨迹，由上位机发送指令，通过运动控制器对X/Y/Z三根直线轴及B/C两根回转轴进行联动控制，并通过X/Y/Z轴联合插补运动，由独立控制器调整铣削轴的转速，实现薄壁球壳类微小构件全球面剩余微坑结构的加工。

[0062] 本发明的进一步实施例中，该方法实现工件装夹系统、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成于一体，可以将调头时间缩短至10min以内，提高了薄壁球壳类微小构件15表面微结构加工的效率。

[0063] 本发明的进一步实施例中，通过空气静压工件轴5自带的真空管路连通真空负压，利用专用真空吸附夹具和吸附方法对复杂微小构件进行吸附，装夹变形优于10nm，通过多轴联动进行微铣削加工，可以实现球径1～5μm，壳层厚度20～120μm的薄壁球壳类微小构件15全表面纵向尺寸为0.5～20μm，横向尺寸50～200μm的微坑结构的高精度加工。

[0064] 本发明的进一步实施例中，采用两个2600万像素高分辨率、视场范围可达6.4×4.8mm的CCD摄像机布置，获取对刀区域及二次装夹球面微观图像，对刀具和工件的加工状态、刀具的磨损及加工位置进行有效的监控，结合定位精度优于±0.5μm/10mm的高精度直线导轨及回转精度优于50nm、轴向及径向同步误差优于12nm的回转平台进行对刀调整及特征微结构捕捉识别，可精确调整薄壁球壳类微小构件15球心与球头铣刀球头35等高且在同一个平面内，工具头相对工件回转轴的对中精度优于5μm，提高对刀精度，且CCD相机系统可随零点定位快换系统一同拆卸，进一步拓展了装置的其他用途。

[0065] 本发明的进一步实施例中，采用零点定位系统进行快换及调头二次装夹，重复定位精度优于±0.5μm，保证了调头二次装夹具有较高的同轴度，在铣削加工时，二次装夹真空吸附夹具可随零点定位系统一同拆卸，有效避免了干涉问题，满足实际加工需求；

[0066] 本发明的进一步实施例中，该方法具有一定普适性，可推广用于在0.5～10mm薄壁球壳表面加工高表面质量要求的微结构。

[0067] 本发明的进一步实施例中，初次装夹真空吸附夹具14通过零点定位系统13连接在空气静压工件轴5上，通过真空负压对薄壁球壳类微小构件15吸附夹紧。

[0068] 本发明的进一步实施例中，两个高分辨率CCD相机用于观测工件和刀具的接触区域，用于加工前的精准对刀以及二次装夹后特征微坑结构的识别捕捉。

[0069] 本发明的进一步实施例中，两个精密微调位移台用于分别对两个高分辨率CCD相机的监测区域进行微调。

[0070] 本发明的进一步实施例中，二次装夹真空吸附夹具18通过零点定位系统19连接在安装板20上，通过施加真空负压，吸附工件，由零点定位系统19实现调头装夹。

[0071] 本发明的进一步实施例中，由多轴联动数控系统可实现球径1～5μm，壳层厚度20～120μm的薄壁球壳类微小构件15的全表面纵向尺寸为0.5～20μm，横向尺寸50～200μm的微坑的高精度加工，轮廓误差优于0.5μm，表面粗糙度Ra优于20nm。

[0072] 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微坑结构的加工装置，适用于一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工的工艺方法，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、二次装夹夹具组和球头铣刀工具组，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；

[0073] 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；

[0074] 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、球头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；

[0075] 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；

[0076] 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；

[0077] 球头铣刀工具组包括：铣削轴支架17、铣削轴16和球头铣刀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，球头铣刀35和铣削轴16连接，球头铣刀35用于对薄壁球壳类微小构件15的表面加工；

[0078] 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；

[0079] 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。

[0080] 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。

[0081] 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。

[0082] 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。

[0083] 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。

[0084] 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。

[0085] 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。

[0086] 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。

[0087] 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。

[0088] 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。

[0089] 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。

[0090] 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。

[0091] 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。

[0092] 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。

[0093] 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。

[0094] 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。

[0095] 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。

[0096] 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。

[0097] 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。

[0098] 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δmn、角度误差θmn及位置误差βmn。

[0099] 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：

[0100] (1)理想静止变化矩阵：

[0101]

[0102] (2)实际静止变换误差矩阵：

[0103]

[0104] (3)理想运动变化矩阵：

[0105]

[0106] (4)实际运动变换误差矩阵：

[0107]

[0108] 理想变换矩阵：

[0109]

[0110] 实际变换矩阵：

[0111]

[0112] 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[0113]

[0114] 其中，P(w)＝[Pwx,Pwy,Pwz,1]T工件坐标系下切削点位置，Pt＝[Ptx,Pty,Ptz,1]T刀具T坐标系下切削点坐标，取Pt＝[0，0，0，1]

[0115] (1)工件坐标系中理想的刀具轨迹为：

[0116]

[0117] (2)工件坐标系中实际的刀具轨迹为：

[0118]

[0119] 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：

[0120] E＝Pw_actual‑Pw_ideal＝0.48μm

[0121] 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。

[0122] 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。

[0123] 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。

[0124] 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。

[0125] 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。

[0126] 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。

[0127] 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。

[0128] 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。

[0129] 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。

[0130] 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。

[0131] 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。

[0132] 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。

[0133] 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。

[0134] 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。

[0135] 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。

[0136] 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。

[0137] 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。

[0138] 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。

[0139] 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 5.5 PG。

[0140] 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。

[0141] 对于不可压缩气体的连续性方程为：

[0142] A1ν1＝A2ν2

[0143] 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；

[0144] 气体理想能量方程为：

[0145]

[0146] 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。

[0147] 本发明的进一步实施例中，在实际加工过程中，第二高分辨率CCD相机30对球头铣刀35头部进行监控，第一高分辨率CCD相机12对薄壁球壳类微小构件15进行监控，设定CCD相机采用较小的放大倍数以增大视野范围，使得加工过程中各轴联动时，球头铣刀35及薄壁球壳类微小构件15能一直保持在CCD相机的成像范围内，调整CCD相机的焦距使得球头铣刀35和薄壁球壳类微小构件15的接触区域清晰地显示在控制计算机的屏幕上，同时增大相机的放大倍数，使得接触区域尽量充满视野范围。

[0148] 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。