光学加工中真空夹具设计及分析

2013-09-13 陈华男中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

　　为了在光学加工中快速、可靠地装夹光学元件，设计了真空夹具，对该真空夹具引起光学元件变形量进行了分析。首先，根据光学加工对夹具的要求，应用手动静压快速夹头以及传统真空吸盘结构，设计了真空夹具；接着，对真空夹具引起光学元件变形量进行了仿真分析，并根据分析结果改进了真空夹具结构；最后，针对改进后的真空夹具进行了仿真验证。仿真结果表明：有防护层的真空夹具引起光学元件表面最大变形量在0.1 μm~0.32 μm 之间，是没有防护层的真空夹具引起光学元件表面最大变形量的1/14。该种真空夹具可以应用于高精度光学加工中。

　　真空夹持技术无污染、可靠、便捷的特点使其成为夹持表面光滑物件的最优选择。随着各式各样真空夹具的开发，真空夹持技术广泛应用于生产线物件搬运、机器人抓取工件、薄壁零件的机械加工等行业。尤其在高精度机械加工行业，真空夹具成为高精度机床的标配。在光学领域，真空夹具也得到了广泛的应用，如镀膜真空夹具等。在光学加工过程中，如何装夹光学元件对光学加工精度有直接影响。在光学加工中，光学元件装夹方式主要有胶粘法、三爪夹紧法以及真空吸附法等。近年来，真空吸附装夹技术在光学加工中得到越来越多的应用。

1、传统装夹方式

　　胶粘法是使用胶粘的方式将光学元件固定在工作台上。胶粘法中，粘胶以及解胶步骤复杂，并且光学元件中心线与机床转轴同心调整困难。所以胶粘法应用较少，主要应用在实验室环境。三爪装夹是用三个爪支撑或者固定光学元件。三爪装夹对光学元件是三点支撑，势必对光学元件造成不对称变形，从而对光学元件的最终加工精度造成难以消除的影响[8]。如图1 所示，在三个夹紧点施加4.5 N 的夹紧力，光学元件表面三个夹紧点附近变形量大，其它位置变形量小。光学元件表面最大变形为0.11 μm。

三爪装夹引起的光学元件变形

图1 三爪装夹引起的光学元件变形

　　三爪装夹针对底面为非平面的光学元件的装夹变得困难，需要复杂工装，因此，三爪装夹主要用于大口径平面镜的光学加工中，正在逐渐被真空吸附装夹方式替代。

结论

　　本文设计了能应用于光学加工的真空夹具，对真空夹具所需的真空度进行了校核，并对该真空夹具引起光学元件变形量大小进行了分析。分析结果表明，有防护层的真空夹具，在真空度为0.24 bar～0.75 bar 时，对应引起的光学元件表面最大变形量为0.1 μm～0.32 μm，是没有防护层的真空夹具引起光学元件表面变形量的约1/14。该种真空夹具可以应用于高精度光学加工中。