光學加工中真空夾具設計及分析

2013-09-13 陳華男中國科學院長春光學精密機械與物理研究所

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

　　真空夾持技術無污染、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)，真空夾持技術廣泛應用于生產(chǎn)線物件搬運、機器人抓取工件、薄壁零件的機械加工等行業(yè)。尤其在高精度機械加工行業(yè)，真空夾具成為高精度機床的標配。在光學領域，真空夾具也得到了廣泛的應用，如鍍膜真空夾具等。在光學加工過程中，如何裝夾光學元件對光學加工精度有直接影響。在光學加工中，光學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，真空吸附裝夾技術在光學加工中得到越來越多的應用。

1、傳統(tǒng)裝夾方式

　　膠粘法是使用膠粘的方式將光學元件固定在工作臺上。膠粘法中，粘膠以及解膠步驟復雜，并且光學元件中心線與機床轉軸同心調整困難。所以膠粘法應用較少，主要應用在實驗室環(huán)境。三爪裝夾是用三個爪支撐或者固定光學元件。三爪裝夾對光學元件是三點支撐，勢必對光學元件造成不對稱變形，從而對光學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。光學元件表面最大變形為0.11 μm。

三爪裝夾引起的光學元件變形

圖1 三爪裝夾引起的光學元件變形

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

結論

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