CN113211351B - 一种针对深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹装置及装夹方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹装置及装夹方法，所述装夹装置包括真空吸附基体、若干柔性支撑单元、双通道旋转接头、气管、顶圈、密封圈、自定心卡盘和高精度数控回转台；其中真空吸附基体通过自定心卡盘固定于高精度数控回转台上，其外侧壁均匀分布若干柔性支撑单元；真空吸附基体沿轴线方向设有通孔，通孔与柔性支撑单元之间的间隙形成真空吸附通道；通孔一端通过螺纹与双通道旋转接头的通道I连接；通孔的内壁上均匀布设有沿径向且与双通道旋转接头的通道II连接的放射性通孔。本发明通过“吸+撑”方式实现装夹，以解决现有深矢高非球面元件与装夹装置无法完全贴合、装夹精度低及存在装夹应力的问题。

Description

一种针对深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹装置及装 夹方法

技术领域

本发明属于光学超精密加工技术领域，具体涉及一种针对深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹装置及装夹方法。

背景技术

为了提高系统的空气动力学性能，使光学元件表面适应系统平台的外部形状，深矢高非球面元件应运而生。深矢高非球面元件安装于系统头部，可大幅度减小了系统在飞行过程中的空气阻力，使系统具有更优的机动性能。

深矢高非球面元件由于其大长径比、薄壁、非常规形状以及其材料为硬脆材料，给超精密加工和检测带来了极大的困难和挑战，在超精密加工中存在深度高、陡度大、工件易变形等问题，无法采用传统的表面直接装夹和中空粘结装夹。现有用于深矢高非球面元件加工的装夹装置和装夹方法，一是直接将元件内表面与装夹装置完全贴合，但元件内表面与装夹装置不可避免出现一定的面形误差，进而导致接触面为局部接触甚至电接触，产生应力集中，导致局部损伤；二是将固定元件与装夹装置用粘接胶固定后，采用低熔点石蜡和石膏填充装夹装置与元件之间的通槽和缝隙，但粘接胶导致元件取出困难，并且装夹元件和取出元件时需对低熔点石蜡和石膏进行加热融化，元件和装夹装置由于受热而变形，受热不均匀导致加工精度低。

综上，现有的针对深矢高非球面元件加工的装夹装置及装夹方法是将元件内表面与装夹装置完全贴合，采用粘结胶固定、低熔点石蜡和石膏填充装夹装置与元件之间的通槽和缝隙的方法，由于元件内表面和装夹装置不可避免具有一定的面形误差、元件受热不均匀而变形，从而导致元件取出困难和加工精度低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种针对深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹装置及装夹方法，以解决现有深矢高非球面元件与装夹装置无法完全贴合、装夹精度低及存在装夹应力的问题。

需要说明的是，本发明公开提供的技术是为解决现有的针对深矢高非球面元件加工的装夹装置因将元件内表面与装夹装置完全贴合，并采用粘结胶固定及利用低熔点石蜡和石膏填充装夹装置与元件之间的通槽与缝隙存在的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种针对深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹装置，所述装夹装置包括真空吸附基体、若干柔性支撑单元、双通道旋转接头、气管、顶圈、密封圈、自定心卡盘和高精度数控回转台；其中，

所述真空吸附基体通过所述自定心卡盘固定于所述高精度数控回转台上，且所述真空吸附基体的外侧壁均匀分布有矩阵排列的若干柔性支撑单元；所述柔性支撑单元的表面与深矢高非球面元件表面的曲面方程一致；

所述真空吸附基体沿轴线方向设有通孔，及所述通孔与所述柔性支撑单元之间的间隙形成真空吸附通道；所述通孔的一端通过螺纹I与所述双通道旋转接头的通道I连接，用于深矢高非球面元件的真空吸附；所述通孔的内壁上均匀布设有沿径向的放射性通孔，及所述放射性通孔与所述双通道旋转接头的通道II连接；

采用恒压压缩空气对所述柔性支撑单元进行充气，以保证所述柔性支撑单元的表面与所述深矢高非球面元件的表面完全贴合，并将所述密封圈放置于所述顶圈内，使所述密封圈与所述深矢高非球面元件的端面贴紧，以保证真空吸附不漏气，最终通过“吸+撑”方式来实现所述深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹。

值得说明的是，所述真空吸附基体是装夹装置的主体，在装夹装置中对柔性支撑单元起支撑作用，同时也是真空吸附和压缩空气传输的通路，很大程度上决定了元件装夹的回转精度。

所述双通道旋转接头，保证了真空吸附和压缩空气管路在元件自转过程中不会相互影响。

所述密封圈与顶圈保证了元件真空吸附的真空度，辅助提升了元件的装夹刚度。

所述柔性支撑单元有两个作用，一是采用恒压压缩空气对柔性支撑单元进行充气，使得柔性支撑单元与元件完全贴合，较小装夹应力，实现对深矢高非球面元件的辅助支撑作用；二是利用柔性支撑单元之间的间隙，对元件进行真空吸附，增加装夹刚度，较小加工过程中元件的变形，最终提高加工精度。

此外，柔性支撑单元的间隙、高度、材料等参数和压缩空气和真空吸附压力是影响装夹刚度的主要参数，几乎决定了加工过程的总变形量，通过真空吸附和柔性支撑单元支撑才得以达到固定深矢高非球面元件的目的。

优选的，所述真空吸附基体与所述自定心卡盘的接触面轮廓为圆形或3n边形(n为正整数)，且所述接触面的上部设有螺纹，以用于真空吸附基体与自定心卡盘接触，减少了深矢高非球面元件装夹的回转精度。

进一步优选的，所述真空吸附基体和所述顶圈的材料为低热膨胀系数且高硬度的金属材料，及所述金属材料的热膨胀系数小于9，硬度大于80HRB。

需要说明的是，低热膨胀系数、高硬度金属材料具有优良的加工性能，热膨胀系数小于9，硬度大于80HRB，可减少元件加工中由温度变化和元件加工力引起的装夹装置变形。

优选的，所述放射性通孔的夹角为30°～60°，且所述放射性通孔的间距为所述深矢高非球面元件高度的1/3～1/8。其中，通孔、放射性通孔和柔性支撑单元的内壁可形成压缩空气通路，以及上述规格的放射性通孔设置可保证装夹装置和装夹的刚度。

优选的，所述顶圈通过内壁圆周面上的螺纹II与所述真空吸附基体上的螺纹连接，且所述顶圈的端面设有下沉宽3mm～5mm、深3mm～5mm的沉孔，及所述顶圈的圆周面上设有3个～6个螺纹孔。

需要说明的是，沉孔可保证深矢高非球面元件与顶圈紧密接触，用于辅以密封圈可实现密封。以及圆周上设置的螺纹孔可方便于顶圈的旋转。

优选的，所述双通道旋转接头为一端固定，另一端可绕轴线自由旋转的器件，及所述双通道旋转接头具有互不影响且不漏气的两个通道。

需要说明的是，在装夹装置自转时，即可保证压缩空气和真空吸附管道互不影响，又可同时保证对元件进行真空吸附和自适应柔性支撑。

优选的，所述柔性支撑单元为中空结构，所述柔性支撑单元的材料为柔性材料，及所述柔性支撑单元的四周密封固定在所述真空吸附基体的外表面，且所述柔性支撑单元与所述放射性通孔形成通路。

上述柔性支撑单元的材料为橡胶或硅胶等柔性材料，可保证柔性支撑单元与深矢高非球面元件的柔性接触，减少装夹应力。以及柔性支撑单元的四周密封固定在真空吸附基体外表面，与放射性通孔形成通路，不仅保证压缩空气对柔性支撑单元进行充气，还使得柔性支撑单元不漏气。

优选的，所述柔性支撑单元之间的间隙为3mm～5mm，高度为所述深矢高非球面元件高度的1/3～1/8。

上述柔性支撑单元之间的间隙可用于真空吸附，即可保证柔性支撑单元有足够的刚度，又可保证真空吸附装夹刚度。

优选的，所述深矢高非球面元件为长径比大于等于0.5:1、壁厚小于等于12mm、母线方程为曲线或复合曲线的光学元件，且所述深矢高非球面元件的材料为氟化镁、硫化锌等红外光学材料。

上述针对深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹装置的工作原理如下所述：

当柔性支撑单元固定在真空吸附基体表面时，具有相同表面曲面方程的柔性支撑单元表面曲面方程与深矢高非球面元件直接贴合，使用压缩空气对柔性支撑单元充气，充气后的柔性支撑单元起辅助支撑作用，再利用柔性支撑单元之间的间隙形成真空吸附通道，使深矢高非球面元件与装夹装置完全紧密贴合，以实现深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹。

本发明还请求保护上述针对深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹装置的装夹方法，具体包括如下步骤：

步骤一、安装元件：将压缩空气气管、真空吸附气管与所述双通道旋转接头相连，将所述深矢高非球面元件扣在所述装夹装置上，使元件非加工面与所述柔性支撑单元完全贴合；

步骤二、密封：在真空吸附基体细牙螺纹上布满密封剂，螺杆通过所述绕顶圈轴线旋转使所述密封圈与所述深矢高非球面元件紧密接触；

步骤三、固定安装：采用所述自定心卡盘将所述真空吸附基体与所述高精度数控回转台连接稳固；

步骤四、自适应柔性装夹：抽走所述柔性支撑单元间隙中的空气，使所述柔性支撑单元与元件紧密贴合，通过对所述柔性支撑单元充气使其表面与元件完成贴合，从而实现深矢高非球面元件的加工装夹。

与现有技术相比，本发明公开了一种针对深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹装置及装夹方法，优点在于：

本发明公开提供的针对深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹装置既可满足深矢高非球面元件装夹时的高精度要求，又可实现元件自适应柔性低应力装夹，在保证元件与装夹装置完全精密贴合，装夹方便的同时，又能有效避免元件装夹的局部应力集中，极大减少装夹变形和有加工引起的变形，保护元件在装夹和加工不受损坏，大大提高深矢高非球面元件的装夹精度和加工精度，对实现深矢高非球面元件超高精度加工具有重要的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一种针对深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹装置的立体图。

图2为本发明一种针对深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹装置与深矢高非球面元件的安装主剖视图。

附图中：1-真空吸附基体；2-柔性支撑单元；3-双通道旋转接头；4-气管；5-深矢高非球面元件；6-顶圈；7-密封圈；8-自定心卡盘；9-高精度数控回转台；10-压缩空气气管；11-真空吸附气管；1-1通孔；1-2放射性通孔；1-3螺纹I；2-1间隙；3-1通道I；3-2通道II。

具体实施方式

下面将结合说明书附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，本发明提供了一种针对深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹装置，包括真空吸附基体1、若干柔性支撑单元2、双通道旋转接头3、气管4、顶圈6、密封圈7、自定心卡盘8和高精度数控回转台9；其中，

真空吸附基体1通过自定心卡盘8固定于高精度数控回转台9上，且真空吸附基体1的外侧壁均匀分布有矩阵排列的若干柔性支撑单元2；柔性支撑单元2的表面与深矢高非球面元件5表面的曲面方程一致；

真空吸附基体1沿轴线方向设有通孔1-1，及通孔1-1与柔性支撑单元2之间的间隙2-1形成真空吸附通道；通孔的一端通过螺纹I1-3与双通道旋转接头3的通道I3-1连接，用于深矢高非球面元件5的真空吸附；通孔1-1的内壁上均匀布设有沿径向的放射性通孔1-2，及放射性通孔1-2与双通道旋转接头的通道II 3-2连接；

上述装夹装置采用恒压压缩空气对柔性支撑单元2进行充气，以保证柔性支撑单元2的表面与深矢高非球面元件5的表面完全贴合，并将密封圈7放置于顶圈6内，使密封圈7与深矢高非球面元件5的端面贴紧，以保证真空吸附不漏气，最终通过“吸+撑”方式来实现深矢高非球面元件5自适应柔性低应力装夹。

进一步的，真空吸附基体1与自定心卡盘8的接触面轮廓为圆形或3n边形(n为正整数)，且接触面的上部设有螺纹。

更进一步的，真空吸附基体1和顶圈6的材料为低热膨胀系数且高硬度的金属材料，及所述金属材料的热膨胀系数小于9，硬度大于80HRB。

进一步的，放射性通孔1-2的夹角为30°～60°，且放射性通孔1-2的间距为深矢高非球面元件5高度的1/3～1/8。

进一步的，顶圈6通过内壁圆周面上的螺纹II 6-2与真空吸附基体1上的螺纹连接，且顶圈6的端面设有下沉宽3mm～5mm、深3mm～5mm的沉孔6-1，及顶圈6的圆周面上设有3个～6个螺纹孔。

进一步的，双通道旋转接头3为一端固定，另一端可绕轴线自由旋转的器件，及双通道旋转接头具有互不影响且不漏气的两个通道。

进一步的，柔性支撑单元2为中空结构，柔性支撑单元2的材料为柔性材料，及柔性支撑单元2的四周密封固定在真空吸附基体1的外表面，且柔性支撑单元2与放射性通孔1-2形成通路。

进一步的，柔性支撑单元2之间的间隙为3mm～5mm，高度为深矢高非球面元件5高度的1/3～1/8。

进一步的，深矢高非球面元件5为长径比大于等于0.5:1、壁厚小于等于12mm、母线方程为曲线或复合曲线的光学元件，且深矢高非球面元件5的材料为氟化镁、硫化锌等红外光学材料。

以及，上述针对深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹装置的装夹方法，具体包括如下步骤：

步骤一、安装元件：将压缩空气气管10、真空吸附气管11与双通道旋转接头3相连，将深矢高非球面元件5扣在所述装夹装置上，使元件非加工面与柔性支撑单元2完全贴合；

步骤二、密封：在真空吸附基体细牙螺纹上布满密封剂，螺杆通过绕顶圈6轴线旋转使密封圈7与深矢高非球面元件5紧密接触；

步骤三、固定安装：采用自定心卡盘8将真空吸附基体1与高精度数控回转台9连接稳固；

步骤四、自适应柔性装夹：抽走柔性支撑单元2间隙中的空气，使柔性支撑单元2与元件紧密贴合，通过对柔性支撑单元2充气使其表面与元件完成贴合，从而实现深矢高非球面元件5的加工装夹。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种针对深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹装置，其特征在于，所述装夹装置包括真空吸附基体(1)、若干柔性支撑单元(2)、双通道旋转接头(3)、气管(4)、顶圈(6)、密封圈(7)、自定心卡盘(8)和高精度数控回转台(9)；其中，

所述真空吸附基体(1)通过所述自定心卡盘(8)固定于所述高精度数控回转台(9)上，且所述真空吸附基体(1)的外侧壁均匀分布有矩阵排列的若干柔性支撑单元(2)；所述柔性支撑单元(2)的表面与深矢高非球面元件(5)表面的曲面方程一致；

所述真空吸附基体(1)沿轴线方向设有通孔(1-1)，及所述通孔(1-1)与所述柔性支撑单元(2)之间的间隙(2-1)形成真空吸附通道；所述通孔的一端通过螺纹I(1-3)与所述双通道旋转接头(3)的通道I(3-1)连接，用于深矢高非球面元件(5)的真空吸附；所述通孔(1-1)的内壁上均匀布设有沿径向的放射性通孔(1-2)，及所述放射性通孔(1-2)与所述双通道旋转接头的通道II(3-2)连接；

所述柔性支撑单元(2)为中空结构，所述柔性支撑单元(2)的材料为柔性材料，及所述柔性支撑单元(2)的四周密封固定在所述真空吸附基体(1)的外表面，且所述柔性支撑单元(2)与所述放射性通孔(1-2)形成通路；

采用恒压压缩空气对所述柔性支撑单元(2)进行充气，以保证所述柔性支撑单元(2)的表面与所述深矢高非球面元件(5)的表面完全贴合，并将所述密封圈(7)放置于所述顶圈(6)内，使所述密封圈(7)与所述深矢高非球面元件(5)的端面贴紧，以保证真空吸附不漏气，最终通过“吸+撑”方式来实现所述深矢高非球面元件(5)自适应柔性低应力装夹。

2.根据权利要求1所述的一种针对深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹装置，其特征在于，所述真空吸附基体(1)与所述自定心卡盘(8)的接触面轮廓为圆形或3n边形，n为正整数，且所述接触面的上部设有螺纹。

3.根据权利要求1或2所述的一种针对深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹装置，其特征在于，所述真空吸附基体(1)和所述顶圈(6)的材料为低热膨胀系数且高硬度的金属材料，及所述金属材料的热膨胀系数小于9，硬度大于80HRB。

4.根据权利要求1所述的一种针对深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹装置，其特征在于，所述放射性通孔(1-2)的夹角为30°～60°，且所述放射性通孔(1-2)的间距为所述深矢高非球面元件(5)高度的1/3～1/8。

5.根据权利要求1所述的一种针对深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹装置，其特征在于，所述顶圈(6)通过内壁圆周面上的螺纹II(6-2)与所述真空吸附基体(1)上的螺纹连接，且所述顶圈(6)的端面设有下沉宽3mm～5mm、深3mm～5mm的沉孔(6-1)，及所述顶圈(6)的圆周面上设有3个～6个螺纹孔。

6.根据权利要求1所述的一种针对深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹装置，其特征在于，所述双通道旋转接头(3)为一端固定，另一端可绕轴线自由旋转的器件，及所述双通道旋转接头具有互不影响且不漏气的两个通道。

7.根据权利要求1所述的一种针对深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹装置，其特征在于，所述柔性支撑单元(2)之间的间隙为3mm～5mm，高度为所述深矢高非球面元件(5)高度的1/3～1/8。

8.根据权利要求1所述的一种针对深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹装置，其特征在于，所述深矢高非球面元件(5)为长径比大于等于0.5:1、壁厚小于等于12mm、母线方程为曲线或复合曲线的光学元件，且所述深矢高非球面元件(5)的材料为氟化镁、硫化锌等红外光学材料。

9.一种如权利要求1～8中任一权利要求所述的针对深矢高非球面元件自适应柔性低应力装夹装置的装夹方法，其特征在于，所述装夹方法具体包括如下步骤：

步骤一、安装元件：将压缩空气气管(10)、真空吸附气管(11)与所述双通道旋转接头(3)相连，将所述深矢高非球面元件(5)扣在所述装夹装置上，使元件非加工面与所述柔性支撑单元(2)完全贴合；

步骤二、密封：在真空吸附基体细牙螺纹上布满密封剂，螺杆通过所述顶圈(6)轴线旋转使所述密封圈(7)与所述深矢高非球面元件(5)紧密接触；

步骤三、固定安装：采用所述自定心卡盘(8)将所述真空吸附基体(1)与所述高精度数控回转台(9)连接稳固；

步骤四、自适应柔性装夹：抽走所述柔性支撑单元(2)间隙中的空气，使所述柔性支撑单元(2)与元件紧密贴合，通过对所述柔性支撑单元(2)充气使其表面与元件完成贴合，从而实现深矢高非球面元件(5)的加工装夹。

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