CN103148826A - 一种可旋转的大口径光学元件夹具 - Google Patents

Abstract

一种可旋转的大口径光学元件夹具，涉及一种检测平台用夹具。设X轴与Y轴进给部分和倾斜可调机构；X轴进给部分设夹具底座、手轮、丝杠、滚动直线导轨和滑块；Y轴进给部分设Y轴进给底座、Y轴进给块和千分尺；倾斜可调机构设旋转体、底座、弹簧、楔形块、支撑架、夹具顶层、夹紧件、双向蜗杆和小手轮。可沿X轴，Y轴进给，并绕Y轴实现一定角度旋转，倾斜可调机构灵活度大。用以定位、夹紧待测光学元件。选用双坐标手轮驱动X方向进给，精度为1μm的千分尺推动Y轴进给。倾斜可调机构采用楔形槽与楔形块配合，并辅以螺钉锁紧，稳度大，螺钉孔开为月牙形。通过手轮驱动丝杠转动，带动Y轴进给底座沿滚动直线导轨实现X轴进给。

Description

一种可旋转的大口径光学元件夹具

技术领域

本发明涉及一种检测平台用夹具，尤其是涉及具有横向（X轴）和纵向（Y轴）进给及测量平面倾斜可调功能，用以定位、和夹紧元件的一种可旋转的大口径光学元件夹具。

背景技术

作为精密元件之一的光学元件被广泛地应用于光学系统中，且光学元件正在向大型高精度和小型高精度方向发展。非球面光学元件因其具有可以获得良好的成像质量，矫正多种像差，改善成像质量等优势已被广泛应用于电视机摄像管、变焦镜头、卫星红外望远镜等设备中。非球面广泛应用在航天航空、国防、天文、医疗以及光电等高技术领域，其中大口径光学非球面元件（Φ400mm以上）在激光核聚变装置、高能激光、红外热成像、卫星用光学系统、大型天文望远镜、医疗影像设备等国家重大光学工程及国防尖端技术中需求急速增长。

在光学元件的制造及应用过程中，对其表面进行精确的检测是至关重要的。各国已投入了大量的人力、物力研究光学元件的精密加工和检测，但目前国内的研究技术主要是针对小尺寸元件的检测，对大尺寸元件的检测技术仍然十分薄弱。

当前对于未抛光大口径非球面轮廓测量的主要方法主要有三坐标测量机(CMM)和单坐标测量轮廓仪，其中三坐标测量机在测量中由于三轴联动运动而引入测量误差，所以在超精密测量中极难保证精度。而相比三坐标测量机，单坐标测量轮廓仪结构简单，更具开放性，精度较高。测量中，其始终只有X轴单轴运动，而高度测量由传感器完成，这保证了其相对于多轴运动测量系统可获得更高测量精度。目前，非球面轮廓测量设备主要由国外垄断，大口径轮廓测量设备或价格高昂或对中国禁运。

国外有许多发展较为成熟的小口径光学元件精密检测设备，如日本松下公司开发的UA3P超精密测量机、德国FRT公司开发的Micro Prof600纳米表面测量仪等，其测量精度高，但仅适用于小口径光学元件检测。因此综合测量仪器的成本、精度、效率以及对环境控制的需求等方面来考虑，可以利用已有的小口径测量设备，通过扩大单坐标设备测量范围，完成大尺寸非球面光学元件的面型重构，这就涉及到对大尺寸光学元件夹具的设计开发，以定位、夹紧大尺寸光学元件。

发明内容

本发明的目的是针对现有光学元件测量设备量程受限的问题，为满足大口径非球面工件测量范围及精度要求，提供结构简单、操作方便、使用灵活，可扩大单坐标设备测量范围的一种可旋转的大口径光学元件夹具。

本发明设有X轴进给部分、Y轴进给部分和倾斜可调机构；所述X轴进给部分设有夹具底座、手轮、丝杠、滚动直线导轨和滑块；所述Y轴进给部分设有Y轴进给底座、Y轴进给块和千分尺；所述倾斜可调机构设有旋转体、底座、弹簧、楔形块、支撑架、夹具顶层、夹紧件、双向蜗杆和小手轮；所述手轮驱动丝杠转动，带动Y轴进给底座沿实现X轴进给，滚动直线导轨设在夹具底座上，滑块设滚动直线导轨上；所述千分尺固定在Y轴进给底座上，千分尺端部与Y轴进给块相连，通过千分尺的伸缩带动Y轴进给块沿Y轴进给；双向蜗杆安装在夹具顶层中间，通过旋转小手轮驱动双向蜗杆转动，带动两个夹具夹紧件分别从两侧同时靠近或离开元件，定位待测光学元件；待测光学元件设在夹具顶层上；楔形块通过四个间距相等的弹簧与底座上表面相连；支撑架分别位于旋转体两侧，支撑架的轴承孔与旋转体的旋转中心同轴，支撑架和旋转体二者之间通过轴承连接，旋转体可绕着轴承自由转动。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1)功能完善。可沿X轴，Y轴进给，并绕Y轴实现一定角度旋转，并且倾斜可调机构的灵活度大。2)用以定位、夹紧待测光学元件，操作简便、灵活、精度高。选用双坐标手轮驱动X方向进给，精度为1μm的千分尺推动Y轴进给。倾斜可调机构采用楔形槽与楔形块配合，并辅以螺钉锁紧，稳度大，螺钉孔开为月牙形，灵活性大。3)本发明通过手轮驱动丝杠转动，带动Y轴进给底座沿滚动直线导轨实现X轴进给。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意图。

图2为大尺寸光学元件的测量过程图。

图3为高陡度光学元件测量过程图。

图4为旋转体及底座剖视图。

图5为倾斜可调机构结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步阐述。

如图1所示，本发明实施例设有X轴进给部分、Y轴进给部分和倾斜可调机构；所述X轴进给部分设有夹具底座1、手轮2、丝杠3、滚动直线导轨4和滑块5；所述Y轴进给部分设有Y轴进给底座6、Y轴进给块7和千分尺8；所述倾斜可调机构设有旋转体9、底座10、弹簧11、楔形块12、支撑架13、夹具顶层14、夹紧件15、双向蜗杆16和小手轮17；所述手轮2驱动丝杠3转动，带动Y轴进给底座6沿实现X轴进给，滚动直线导轨4设在夹具底座1上，滑块5设滚动直线导轨4上；所述千分尺8固定在Y轴进给底座6上，千分尺8端部与Y轴进给块7相连，通过千分尺8的伸缩带动Y轴进给块7沿Y轴进给；双向蜗杆16安装在夹具顶层14中间，通过旋转小手轮17驱动双向蜗杆16转动，带动两个夹具夹紧件15分别从两侧同时靠近或离开元件，定位待测光学元件；待测光学元件设在夹具顶层14上；楔形块12通过四个间距相等的弹簧11与底座10上表面相连；支撑架13分别位于旋转体9两侧，支撑架13的轴承孔与旋转体9的旋转中心同轴，支撑架13和旋转体9二者之间通过轴承连接，旋转体9可绕着轴承自由转动。

以Taylor Hobson PGI1240超精密轮廓检测仪为例，该测量仪具有目前世界上性能最好的传感器，带有先进的非球面分析软件，极高的水平直线度精度，但是水平方向200mm行程，仪器测量范围为200mm×200mm，无法满足大尺寸光学元件的测量。考虑到仪器现有平台尺寸及探针移动范围，开发可旋转大口径光学元件旋转夹具尺寸为500mm×250mm×170mm，该夹具可定位工件的最大尺寸为400mm×400mm。

一、大量程测量

如图1所示，工作时通过手轮2驱动丝杠3转动，带动Y轴进给底座6沿滚动直线导轨4实现X轴进给，进给量为0～200mm。千分尺8固定在Y轴进给底座6上，千分尺8端部与Y轴进给块7相连，通过千分尺8的伸缩带动Y轴进给块7沿Y轴进给，进给量为0-100mm。夹具顶层14中间安装双向蜗杆16，通过旋转小手轮17驱动双向蜗杆16转动，带动两个夹具夹紧件15分别从两侧同时靠近或离开元件，定位待测光学元件。

对于X向尺寸大于200mm的工件，即大尺寸而非高陡度的光学元件，其测量过程如图2所示，为分段测量。工作时，将夹具放在Taylor Hobson PGI1240的检测平台上，工件放置在夹具顶层14上，转动小手轮17，利用夹紧件15夹紧光学元件后，无需调整旋转体角度即可开始测量。测量第一条轮廓时，探针沿X方向进给，走完其量程后，调整探针至初始位置，用手轮2驱动Y轴进给底座6沿X轴方向运动到一定的位置后，再次启动探针进行测量，两条轮廓线具有一定的重叠部分，可通过手轮示数给予调节和控制重叠部分长度，将两次测量结果进行拼接，以此完成一条完整轮廓线的测量。为测量多条轮廓，在测量完第一条轮廓后，用千分尺8调节Y轴进给块7，使工件沿Y轴进给到所需位置，令光学元件位于新的位置后，开始第二条轮廓的测量，分段测量过程同上所述。

二、测量矢高超程测量

为满足不同形状光学元件的定位和夹紧，尤其对于某些高陡度光学元件，应令其适当倾斜，因此旋转部件的灵活、便捷对于夹具整体性能有着重要影响。夹具顶层与旋转体相连，可带动夹具顶层绕Y轴实现一定角度的旋转，从而令待测件适当倾斜，方便工件位置调整及高陡度光学元件的定位及测量。本夹具中的倾斜可调机构是本发明重点，下面结合图形重点介绍倾斜可调机构工作方式。

高陡度光学元件矢高超过探针量程，故需要适当倾斜以调整测量角度和位置，图3为高陡度光学元件测量过程。工作时，对于高陡度光学元件，为缩小测量过程中探针的纵向移动，需调整工件至一定的角度。将工件22放在夹具顶层，通过旋转夹具顶层的小型手轮驱动蜗杆转动，带动夹紧部件分别从两侧同时靠近或离开元件，定位待测光学元件。具体步骤如下：调节旋转体至合适角度，使用探针21测量元件第一段分段轮廓，测量完成后，探针21回到初始位置；再次调节旋转体角度，并调节手轮，使工件沿X轴产生一定偏移，进行第二段分段轮廓的测量，并保证两次测量中探针高度变化较小；调整探针至初始位置，进一步调节旋转体角度，且转动手轮使工件沿X轴产生一定偏移，进行第三段分段轮廓的测量，三次测量中，每相邻两段间有一部分重叠区域，且三次测量结果拼接起来构成一条完整的工件轮廓。需要测量第二条轮廓线时，调节千分尺使工件沿Y轴偏移至合适位置，再进行分段测量，分段轮廓测量过程同上所述。在图3中，标记19为立柱，20为位移传感器。如图4、5所示是夹具的倾斜可调机构，是一种可调整夹具角度的倾斜装置，包括旋转体9、配合底座10、弹簧11、楔形块12、支撑架13。如图4所示，所述底座10上开槽，用以安置弹簧11与楔形块12。在旋转体9边沿相隔一定距离开设楔形槽，所述楔形槽与楔形块12配合。楔形槽的设计既可以增加两槽间距又可加强与楔形块的配合紧密度。楔形块12通过4个间距相等的弹簧11与底座10上表面相连，在无外力作用下，楔形块12与旋转体9边沿的楔形槽紧密配合。旋转体9与支撑架13通过螺钉紧固调节旋转体倾斜角度的原理如图4所示，需要调整角度时，只需手动按压与楔形块12连接的突起，在弹力作用下，楔形块位置下降，脱离与楔形槽的配合。此时调动旋转体至所需角度，放开突起，在弹簧回复力作用下，楔形块12回到初始位置，与旋转后的楔形槽相配合，实现角度旋转。如图5所示，在楔形槽与楔形块紧密配合固定后，用螺钉锁紧支撑架和旋转体，进一步固定旋转体。支撑架上的螺钉定位孔设计为月牙形，提高螺钉的配合灵活度。楔形块12与楔形槽之间通过压缩弹簧连接，可确保楔形块与梯形槽的紧密配合，在一定程度上避免因使用磨损而带来的配合误差。根据小批量零件的斜度种类和要求，可在旋转体9上设置不同数量的楔形槽，只需调节旋转体即可达到要求，避免了调整夹具整体的麻烦。本机构稳定性强，精度高，整体结构紧凑，制造成本低。

Claims (1)

1.一种可旋转的大口径光学元件夹具，其特征在于设有X轴进给部分、Y轴进给部分和倾斜可调机构；所述X轴进给部分设有夹具底座、手轮、丝杠、滚动直线导轨和滑块；所述Y轴进给部分设有Y轴进给底座、Y轴进给块和千分尺；所述倾斜可调机构设有旋转体、底座、弹簧、楔形块、支撑架、夹具顶层、夹紧件、双向蜗杆和小手轮；

所述手轮驱动丝杠转动，带动Y轴进给底座沿实现X轴进给，滚动直线导轨设在夹具底座上，滑块设滚动直线导轨上；所述千分尺固定在Y轴进给底座上，千分尺端部与Y轴进给块相连，通过千分尺的伸缩带动Y轴进给块沿Y轴进给；双向蜗杆安装在夹具顶层中间，通过旋转小手轮驱动双向蜗杆转动，带动两个夹具夹紧件分别从两侧同时靠近或离开元件，定位待测光学元件；待测光学元件设在夹具顶层上；楔形块通过四个间距相等的弹簧与底座上表面相连；支撑架分别位于旋转体两侧，支撑架的轴承孔与旋转体的旋转中心同轴，支撑架和旋转体二者之间通过轴承连接，旋转体可绕着轴承自由转动。

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