光學(xué)加工中真空夾具設(shè)計及分析

2013-09-13 陳華男中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所

　　為了在光學(xué)加工中快速、可靠地裝夾光學(xué)元件，設(shè)計了真空夾具，對該真空夾具引起光學(xué)元件變形量進(jìn)行了分析。首先，根據(jù)光學(xué)加工對夾具的要求，應(yīng)用手動靜壓快速夾頭以及傳統(tǒng)真空吸盤結(jié)構(gòu)，設(shè)計了真空夾具；接著，對真空夾具引起光學(xué)元件變形量進(jìn)行了仿真分析，并根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)了真空夾具結(jié)構(gòu)；最后，針對改進(jìn)后的真空夾具進(jìn)行了仿真驗證。仿真結(jié)果表明：有防護(hù)層的真空夾具引起光學(xué)元件表面最大變形量在0.1 μm~0.32 μm 之間，是沒有防護(hù)層的真空夾具引起光學(xué)元件表面最大變形量的1/14。該種真空夾具可以應(yīng)用于高精度光學(xué)加工中。

　　真空夾持技術(shù)無污染、可靠、便捷的特點使其成為夾持表面光滑物件的最優(yōu)選擇。隨著各式各樣真空夾具的開發(fā)，真空夾持技術(shù)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)線物件搬運(yùn)、機(jī)器人抓取工件、薄壁零件的機(jī)械加工等行業(yè)。尤其在高精度機(jī)械加工行業(yè)，真空夾具成為高精度機(jī)床的標(biāo)配。在光學(xué)領(lǐng)域，真空夾具也得到了廣泛的應(yīng)用，如鍍膜真空夾具等。在光學(xué)加工過程中，如何裝夾光學(xué)元件對光學(xué)加工精度有直接影響。在光學(xué)加工中，光學(xué)元件裝夾方式主要有膠粘法、三爪夾緊法以及真空吸附法等。近年來，真空吸附裝夾技術(shù)在光學(xué)加工中得到越來越多的應(yīng)用。

1、傳統(tǒng)裝夾方式

　　膠粘法是使用膠粘的方式將光學(xué)元件固定在工作臺上。膠粘法中，粘膠以及解膠步驟復(fù)雜，并且光學(xué)元件中心線與機(jī)床轉(zhuǎn)軸同心調(diào)整困難。所以膠粘法應(yīng)用較少，主要應(yīng)用在實驗室環(huán)境。三爪裝夾是用三個爪支撐或者固定光學(xué)元件。三爪裝夾對光學(xué)元件是三點支撐，勢必對光學(xué)元件造成不對稱變形，從而對光學(xué)元件的最終加工精度造成難以消除的影響[8]。如圖1 所示，在三個夾緊點施加4.5 N 的夾緊力，光學(xué)元件表面三個夾緊點附近變形量大，其它位置變形量小。光學(xué)元件表面最大變形為0.11 μm。

三爪裝夾引起的光學(xué)元件變形

圖1 三爪裝夾引起的光學(xué)元件變形

　　三爪裝夾針對底面為非平面的光學(xué)元件的裝夾變得困難，需要復(fù)雜工裝，因此，三爪裝夾主要用于大口徑平面鏡的光學(xué)加工中，正在逐漸被真空吸附裝夾方式替代。

結(jié)論

　　本文設(shè)計了能應(yīng)用于光學(xué)加工的真空夾具，對真空夾具所需的真空度進(jìn)行了校核，并對該真空夾具引起光學(xué)元件變形量大小進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，有防護(hù)層的真空夾具，在真空度為0.24 bar～0.75 bar 時，對應(yīng)引起的光學(xué)元件表面最大變形量為0.1 μm～0.32 μm，是沒有防護(hù)層的真空夾具引起光學(xué)元件表面變形量的約1/14。該種真空夾具可以應(yīng)用于高精度光學(xué)加工中。