CN113857973A - 一种用于光学元件加工的工艺装置及装调方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于光学元件加工的工艺装置及装调方法，此装置通过在光学元件内外径圆周均布侧向限位、定位，通过热补偿功能计算使装置安装在准确位置定位，同时装置具有调节功能，可通过微量调节，使加工过程中不同种材料在同一环境温度梯度变化下、避免因热胀冷缩导致热变化装夹力过大，导致产品表面产生挤压裂纹、甚至崩边、破损情况，确保加工的安全性和可靠性。此装置适用于光学元件在有温控环境操作空间的数控机床、机器人自动化设备下安全高效使用。

Description

一种用于光学元件加工的工艺装置及装调方法

技术领域

本发明涉及一种用于光学元件加工的工艺装置及装调方法，属于先进光学制造技术领域。

背景技术

在航天领域，用于制作光学元件的材料主要有微晶玻璃、ULE、碳化硅陶瓷等，均属于脆性材料。上述材料用于制作光学元件时，需进行大量的机械加工，去除毛坯余量，加工过程除了要避免加工应力导致的崩边、裂纹等灾难性质量问题，还需要采用工艺装置对光学元件进行稳定可靠的夹紧定位。

为保证光学元件在加工过程中处于稳定的状态、确保加工全过程的加工精度，一般需要设计有针对性的工艺装备，并进行准确、可靠的定位。光学元件由于其材料特性，为保证面形精度和表面粗糙度、加工周期都较长；而与一般的金属件加工只需关注装夹的有效固定性、往往忽视考虑环境温度变化的影响不同，光学元件的工装设计必须考虑环境变化温度对光学元件及工装整体加工系统的影响，尤其要考虑长时间的温度稳定控制。

物体在环境温度变化时，其外形尺寸都会因温度改变而发生“热胀冷缩”，这种变化对装夹固定过程中的脆性材料光学元件有严重的影响：当光学元件与工艺装置尺寸变化不匹配，装夹力变大时，会导致光学元件与工艺装置相互挤压，极易造成光学元件产生挤压裂纹，甚至损坏的灾难性后果；当光学元件与工艺装置尺寸变化不匹配，装夹力变小时，会导致光学元件与工艺装置接触部位分离，造成加工过程装夹松动，影响加工精度，一旦光学元件加工过程发生窜动、与工艺装置发生磕碰或冲撞，会造成光学元件的边缘破损，甚至损坏。航天用光学元件，特别是对大口径、轻质、薄型空间光学元件，材质易碎，价格昂贵，生产难度大，产量低，一旦损坏，将造成极大的经济损失和项目推迟，因此在工装设计时需考虑工艺装置的安全性和可靠性，尤其要考虑到温度对整个装置的影响，采取有效的解决措施及安全有效的装调方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对脆性材料光学元件特性及加工风险分析,本发明设计一种光学元件加工的具备热补偿功能的工艺装置，并提供合理的装调方法，根据光学元件本身的成分，材料特性，结构形状和性能，尤其考虑到环境温度变化对整个加工系统的影响。

本发明的技术方案是：一种用于光学元件加工的工艺装置，包括工艺装置垫板、立柱、螺柱、固定螺母、外径侧向支撑、调节块、调节螺钉、衬板、内径侧向支撑、固定螺钉、中心螺杆和中心支撑；

工艺装置垫板在工作台上固定，工艺装置垫板上相对应光学元件镜坯最大外径的位置处加工安装点螺孔；通过螺柱、螺母将外径侧向支撑和立柱安装并固定在工艺装置垫板上，所述的调节块通过调节螺钉与外径侧向支撑接触，并通过调整螺钉的松紧将外径侧向支撑与光学元件镜坯外径接触；工艺装置垫板和光学元件镜坯之间设置底部的衬板；定位后，在中心位置通过安装中心支撑、中心螺杆定位，并通过内径侧向支撑、固定螺钉与光学元件镜坯内径定位。

工艺装置垫板小于或等于工作台外形，且有与工作台台面螺孔或T型槽连接的孔位，材料选择密度小的金属材料。

所述外径侧向支撑、衬板、内径侧向支撑，装置结构材料选用具有较好的弹性、塑性、韧性、具有一定强度且耐腐蚀的非金属材料。

所述外径侧向支撑、衬板、内径侧向支撑材料选用聚酰亚胺或聚四氟乙烯。

各部件安装位置根据材料选择，除考虑强度、刚度性能指标外，还需考虑各材料线膨胀系数与光学元件线膨胀系数的匹配性。

工艺装置的安装位置，根据光学元件外形尺寸、以及所在工作环境日常温度变化，按线膨胀系数变化量计算出光学元件与工艺装置相应的匹配关系为：

Δ₂-Δ₁₁＝2Δ₃、Δ₅-Δ₁₂＝2Δ₄；

Δ₂为工艺装置垫板随环境温度变化的温度变化差值的外形尺寸变化值，简称温差尺寸变化值；所述环境温度变化即光学元件加工周期内从起始温度到末温度，Δ₁₁、Δ₁₂分别为光学元件最大外形和最小内形温差尺寸变化值，光学元件最大外形和最小内形温差尺寸变化值的差值为外径侧向支撑Δ₃；Δ₄为内径侧向支撑外形尺寸温差尺寸变化值。

所述立柱、外径侧向支撑、内径侧向支撑安装孔尺寸具有调节功能，立柱与螺柱之间的间隙大于2Δ₃、2Δ₄的最大值，外径侧向支撑、内径侧向支撑安装孔位为长腰通孔，装配时安装在长腰孔对称中心位置，螺钉连接以垂直方向固定为主，水平方向通过克服摩擦力实现。

所述立柱、中心支撑具有吊装孔，用于吊装、插装、手工搬运。

一种用于光学元件加工的工艺装置装调方法，步骤如下：

1)将工艺装置垫板固定到工作台上，利用螺钉或侧向压板将工艺装置垫板与工作台连接；

2)在工艺装置垫板与光学元件间放置衬板，用于装置在光学元件装调和加工过程中的减振、缓冲和精度保证；衬板安装到位后，在衬板上安装光学元件；

3)按光学元件外形，根据光学元件与工艺装置相应的匹配关系，围绕光学元件均布安装立柱、螺柱；立柱与螺柱按照孔轴连接方式设计，螺柱只与工艺装置垫板连接，不与立柱直接连接；

4)安装外径侧向支撑到螺柱上，外径侧向支撑调整到距离光学元件有Δ₃距离间隙量，并在间隙间垫硅胶垫材料做热补偿间隙控制的缓冲衬垫做热补偿缓冲；安装完成后，用固定螺母紧固，利用人工手拧固定螺母使外径侧向支撑在垂直方向定位紧固；

5)安装调节块、调节螺钉，通过侧面调节螺钉顶紧外径侧向支撑的端面、使光学元件侧面限位，缓冲衬垫处于与光学元件贴合状态，用0.02mm塞尺不能通过，均匀调节圆周各处，使光学元件圆周均匀受力，均匀受力位置固定后，再使用力矩扳手拧紧固定螺母，垂直方向拧紧；

6)加工位置确定后，在中心通光孔位置安装中心支撑，并通过中心螺杆固定，利用固定螺钉调节内径侧向支撑固定光学元件中心位置，内径侧向支撑在中心支撑位置上均匀分布，内径侧向支撑调整到距离光学元件有Δ₄距离间隙量，并在间隙间垫硅胶垫材料做热补偿间隙控制的缓冲衬垫做热补偿缓冲；

7)记录外径侧向支撑、内径侧向支撑与光机元件接触面的接触位置及间隙情况，在日常工作的早中晚进行温度测量，根据加工过程从起始温度到末温度的温度变化差值ΔT，按公式Δ＝α×ΔT×L以及Δ₂-Δ₁₁＝2Δ₃、Δ₅-Δ₁₂＝2Δ₄公式，校核与光学元件接触的外径侧向支撑Δ₃、内径侧向支撑Δ₄，保证工作过程因环境温度变化热胀冷缩引起的工艺装置零件外形尺寸变化量小于公式计算值。

步骤3)中匹配关系为：

Δ₂-Δ₁₁＝2Δ₃、Δ₅-Δ₁₂＝2Δ₄；

Δ₂为工艺装置垫板随环境温度变化的温度变化差值的外形尺寸变化值，简称温差尺寸变化值；所述环境温度变化即光学元件加工周期内从起始温度到末温度，Δ₁₁、Δ₁₂分别为光学元件最大外形和最小内形温差尺寸变化值，光学元件最大外形和最小内形温差尺寸变化值的差值为外径侧向支撑Δ₃；Δ₄为内径侧向支撑外形尺寸温差尺寸变化值。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明设计一种光学元件加工的装置，此装置在保证产品定位准确的前提下，还能够降低或消除环境温度变化对装夹状态的影响，装置具有热补偿功能，可以使加工过程中不同种材料在同一环境温度梯度变化下、避免因热胀冷缩导致热变化装夹力过大，导致产品表面产生挤压裂纹、甚至崩边、破损情况，同时考虑断续加工会对产品频繁产生冲击，装夹固定要考虑减振，加工过程不产生松动，有合适的热补偿和匹配，确保加工的安全性和可靠性。

此外利用本发明的光学元件加工的热补偿装置，针对光学元件结构特性，根据热补偿原理及计算公式，选用满足要求的热补偿装置材料进行匹配，并通过适当的装调工艺方法，保证加工全过程安全可靠。

附图说明

图1为本发明工艺装置。

图2为热补偿装置中心位置固定示意图。

具体实施方式

一种用于光学元件加工的工艺装置设计及使用方法

如图1所示，该装置包括支撑光学元件用的工艺装置垫板1、立柱2、螺栓3、固定螺母4、外径侧向支撑5、调节块6、调节螺钉7、衬板8、内径侧向支撑9、固定螺钉10、中心螺杆11、中心支撑12组成，保证光学元件在加工过程中定位准确后，位置不动。

根据材料硬脆特性，以及加工阶段精度要求，该装置主要以光学元件径向多为圆周方向限位、底面定位为主，同时控制加工过程中由于环境温度变化，不同材料线膨胀系数因热胀冷缩造成零件热应力释放产生的尺寸变化，防止由于温差变化，各零件径向尺寸变化量不匹配造成间隙消失或间距过大，使光学元件受装夹力挤压损伤或松动磕碰等情况发生，通过热补偿进行加工过程中的热匹配。

该装置为适应多种规格、不同大小的光学元件加工，工艺装置均采用分体设计，多零件连接，方便拆装，且结构便于观察。

一种用于光学元件加工的热补偿装置设计及使用方法，使用该装置的主要方法步骤包括：

1)将工艺装置垫板1固定到工作台上(固定工作平台或回转工作台)，利用螺钉或侧向压板将工艺装置垫板1与工作台连接。工艺装置垫板小于或等于工作台外形，且有可与工作台台面螺孔或T型槽连接的孔位，材料选择密度小的金属材料。

2)在工艺装置垫板1与光学元件间放置衬板8，用于装置在光学元件装调和加工过程中的减振、缓冲和精度保证。衬板8安装到位后，在衬板8上安装光学元件。

3)根据光学元件外形及热匹配计算，在工艺装置垫板上设计连接位置，位置围绕光学元件镜坯均布按设计均布位置安装立柱2、螺柱3、位置，如图1所示，立柱2为方便拆装和搬运，选用轻质金属材料，并设计吊装孔，方便使用吊装、插装、手工搬运方式组装，立柱2与螺柱件按照孔轴连接方式设计，螺柱只与工艺装置垫板1连接，不与立柱直接连接，这样有利于环境热变形装调过程中立柱2的调节，避免螺纹段过长和咬合。

4)如图1所示，安装外径侧向支撑5到螺柱3上，外径侧向支撑5调整到理论位置，圆弧段一端与光学元件接触，安装完成后，用固定螺母4紧固，可以利用人工手拧固定螺母4使外径侧向支撑5在垂直方向定位紧固。

5)如图1所示，安装调节块6、调节螺钉7，通过侧面调节螺钉顶紧外径侧向支撑5的端面、使光学元件侧面限位，根据热补偿计算留有一定间隙，并在间隙间垫硅胶垫材料做热补偿间隙控制的缓冲衬垫做热补偿缓冲。均匀调节圆周各处，使光学元件圆周均匀受力，均匀受力位置固定后，再使用力矩扳手拧紧固定螺母4，垂直方向拧紧。

6)加工位置确定后，如图1和图2所示，在中心通光孔位置安装中心支撑12、并通过中心螺杆11固定，利用固定螺钉10调节内径侧向支撑9固定光学元件中心位置，内径侧向支撑9在中心支撑12位置上均匀分布，根据热补偿计算留有一定间隙，并在间隙间垫硅胶垫材料做热补偿间隙控制的缓冲衬垫做热补偿缓冲。

7)记录外径侧向支撑5、内径侧向支撑9与光机元件接触面的接触位置及间隙情况，在日常工作的早中晚进行温度测量，并根据温度变化造成的线膨胀系数变化量，进行间隙微调。

8)按线膨胀系数变化量公式：

工艺装置的材料选择除考虑强度、刚度等性能指标外，还需考虑各材料线膨胀系数与光学元件线膨胀系数的匹配性。

线膨胀系数变化量计算公式如下：

Δ＝α×ΔT×L

Δ——变化量 单位mm

α——固体线膨胀系数 单位×10^-6/℃

ΔT——从起始温度到末温度的温度变化差值 单位℃

L——起始温度时的长度 单位mm。

其中ΔT＝T₂-T₁

T₁——起始温度 单位℃

T₂——末温度 单位℃

设光学元件的变化量为Δ₁(按简图分为光学元件最大外形变化量Δ₁₁、光学元件最小内形变化量Δ₁₂)，工艺装置中受温度变化影响最大的装置零件分别为工艺装置垫板Δ₂、工艺装置外径侧向支撑Δ₃、工艺装置内径侧向支撑Δ₄、中心支撑Δ₅。

按热补偿计算，光学元件与工艺装置相应的匹配关系计算公式为：

Δ₂-Δ₁₁＝2Δ₃

Δ₅-Δ₁₂＝2Δ₄

Δ₂——工艺装置垫板变化量 单位mm

Δ₁₁——光学元件最大外形变化量 单位mm

Δ₁₂——光学元件最小内形变化量 单位mm

Δ₃——工艺装置外径侧向支撑变化量 单位mm

Δ₄——工艺装置内径侧向支撑变化量 单位mm

Δ₅——中心支撑变化量 单位mm。

通过环境温度变化对光学元件、工艺装置变化量的计算，精确选择合适工装材料，确保热胀冷缩过程尺寸的匹配性。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

一种光学元件加工的热补偿装置，该装置包括工艺装置垫板、底部衬垫、内外侧向支撑、侧向调节、中心支撑等。

实施例

一种光学元件加工的热补偿装置设计及使用方法，使用该装置的方法、步骤包括：

1)实验材料：φ600mm口径的碳化硅(SiC)材料镜坯。

2)使用热补偿装置参见图1。如图1所示，专用工艺装置包括工艺装置垫板1、立柱2、螺柱3、固定螺母4、外径侧向支撑5、调节块6、调节螺钉7、衬板8、内径侧向支撑9、固定螺钉10、中心螺杆11、中心支撑12；

3)将工艺装置垫板1在工作台上固定，利用螺钉或侧向压板将工艺装置垫板与工作台连接。

4)确定光学元件镜坯在工作台的摆放位置，在工艺装置垫板上放置底部衬板8，注意为防止加工过程造成底部衬板8与光学元件中心部位积水，在底部衬垫8上加工导水槽，衬垫选用有缓冲性能的非金属材料。

5)将光学元件镜坯通过手工搬运、吊装、插装等方式将设备放置到工艺装置衬板8上。

6)按工艺装置垫板1与光学元件镜坯通过热补偿计算出的固定位置，通过螺柱4、固定螺母5将外径侧向支撑立柱安装到工艺装置垫板1上，在径向将光学元件外径限位，注意在环境控制温度范围内，按线膨胀系数变化量公式计算出的各种材料，各零件的长度方向的温度变化尺寸，按尺寸变化量间隙进行装调定位，可通过调节螺钉7、调节块6通过调节外径侧向支撑位置，并在间隙间垫硅胶垫材料做热补偿间隙控制的缓冲衬垫做热补偿缓冲。

7)位置确定后，在中心通光孔位置安装中心支撑12、并通过中心螺杆11固定，利用固定螺钉10调节内径侧向支撑9固定光学元件中心内径位置，注意禁止中心位置支撑与光学元件产生磕碰。

为增加装置的安全性，在侧向定位支撑非金属材料与光学元件直接接触部位，采用具有弹性的硅胶垫材料或沥青填充，做热补偿间隙控制的缓冲调节衬垫。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于光学元件加工的工艺装置，其特征在于：包括工艺装置垫板(1)、立柱(2)、螺柱(3)、固定螺母(4)、外径侧向支撑(5)、调节块(6)、调节螺钉(7)、衬板(8)、内径侧向支撑(9)、固定螺钉(10)、中心螺杆(11)和中心支撑(12)；

工艺装置垫板(1)在工作台上固定，工艺装置垫板(1)上相对应光学元件镜坯最大外径的位置处加工安装点螺孔；通过螺柱(3)、螺母(4)将外径侧向支撑(5)和立柱(2)安装并固定在工艺装置垫板(1)上，所述的调节块(6)通过调节螺钉(7)与外径侧向支撑(5)接触，并通过调整螺钉(7)的松紧将外径侧向支撑(5)与光学元件镜坯外径接触；工艺装置垫板(1)和光学元件镜坯之间设置底部的衬板(8)；定位后，在中心位置通过安装中心支撑(12)、中心螺杆(1)定位，并通过内径侧向支撑(9)、固定螺钉(10)与光学元件镜坯内径定位。

2.根据权利要求1所述的一种用于光学元件加工的工艺装置，其特征在于：工艺装置垫板(1)小于或等于工作台外形，且有与工作台台面螺孔或T型槽连接的孔位，材料选择密度小的金属材料。

3.根据权利要求1所述的一种用于光学元件加工的工艺装置，其特征在于：所述外径侧向支撑(5)、衬板(8)、内径侧向支撑(9)，装置结构材料选用具有较好的弹性、塑性、韧性、具有一定强度且耐腐蚀的非金属材料。

4.根据权利要求3所述的一种用于光学元件加工的工艺装置，其特征在于：所述外径侧向支撑(5)、衬板(8)、内径侧向支撑(9)材料选用聚酰亚胺或聚四氟乙烯。

5.根据权利要求1所述的一种用于光学元件加工的工艺装置，其特征在于：各部件安装位置根据材料选择，除考虑强度、刚度性能指标外，还需考虑各材料线膨胀系数与光学元件线膨胀系数的匹配性。

6.根据权利要求5所述的一种用于光学元件加工的工艺装置，其特征在于：工艺装置的安装位置，根据光学元件外形尺寸、以及所在工作环境日常温度变化，按线膨胀系数变化量计算出光学元件与工艺装置相应的匹配关系为：

Δ₂-Δ₁₁＝2Δ₃、Δ₅-Δ₁₂＝2Δ₄；

Δ₂为工艺装置垫板(1)随环境温度变化的温度变化差值的外形尺寸变化值，简称温差尺寸变化值；所述环境温度变化即光学元件加工周期内从起始温度到末温度，Δ₁₁、Δ₁₂分别为光学元件最大外形和最小内形温差尺寸变化值，光学元件最大外形和最小内形温差尺寸变化值的差值为外径侧向支撑(5)Δ₃；Δ₄为内径侧向支撑(9)外形尺寸温差尺寸变化值。

7.根据权利要求6所述的一种用于光学元件加工的工艺装置，其特征在于：所述立柱(2)、外径侧向支撑(5)、内径侧向支撑(9)安装孔尺寸具有调节功能，立柱(2)与螺柱(3)之间的间隙大于2Δ₃、2Δ₄的最大值，外径侧向支撑(5)、内径侧向支撑(9)安装孔位为长腰通孔，装配时安装在长腰孔对称中心位置，螺钉连接以垂直方向固定为主，水平方向通过克服摩擦力实现。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种用于光学元件加工的工艺装置，其特征在于：所述立柱(2)、中心支撑(12)具有吊装孔，用于吊装、插装、手工搬运。

9.一种用于光学元件加工的工艺装置装调方法，其特征在于步骤如下：

1)将工艺装置垫板(1)固定到工作台上，利用螺钉或侧向压板将工艺装置垫板(1)与工作台连接；

2)在工艺装置垫板(1)与光学元件间放置衬板(8)，用于装置在光学元件装调和加工过程中的减振、缓冲和精度保证；衬板(8)安装到位后，在衬板(8)上安装光学元件；

3)按光学元件外形，根据光学元件与工艺装置相应的匹配关系，围绕光学元件均布安装立柱(2)、螺柱(3)；立柱(2)与螺柱(3)按照孔轴连接方式设计，螺柱只与工艺装置垫板(1)连接，不与立柱(2)直接连接；

步骤3)中匹配关系为：

Δ₂-Δ₁₁＝2Δ₃、Δ₅-Δ₁₂＝2Δ₄；

Δ₂为工艺装置垫板(1)随环境温度变化的温度变化差值的外形尺寸变化值，简称温差尺寸变化值；所述环境温度变化即光学元件加工周期内从起始温度到末温度，Δ₁₁、Δ₁₂分别为光学元件最大外形和最小内形温差尺寸变化值，光学元件最大外形和最小内形温差尺寸变化值的差值为外径侧向支撑(5)Δ₃；Δ₄为内径侧向支撑(9)外形尺寸温差尺寸变化值；

4)安装外径侧向支撑(5)到螺柱(3)上，外径侧向支撑(5)调整到距离光学元件有Δ₃距离间隙量，并在间隙间垫硅胶垫材料做热补偿间隙控制的缓冲衬垫做热补偿缓冲；安装完成后，用固定螺母(4)紧固，利用人工手拧固定螺母(4)使外径侧向支撑(5)在垂直方向定位紧固；

5)安装调节块(6)、调节螺钉(7)，通过侧面调节螺钉顶紧外径侧向支撑(5)的端面、使光学元件侧面限位，缓冲衬垫处于与光学元件贴合状态，用0.02mm塞尺不能通过，均匀调节圆周各处，使光学元件圆周均匀受力，均匀受力位置固定后，再使用力矩扳手拧紧固定螺母(4)，垂直方向拧紧；

6)加工位置确定后，在中心通光孔位置安装中心支撑(12)，并通过中心螺杆(11)固定，利用固定螺钉(10)调节内径侧向支撑(9)固定光学元件中心位置，内径侧向支撑(9)在中心支撑(12)位置上均匀分布，内径侧向支撑(9)调整到距离光学元件有Δ₄距离间隙量，并在间隙间垫硅胶垫材料做热补偿间隙控制的缓冲衬垫做热补偿缓冲；

7)记录外径侧向支撑(5)、内径侧向支撑(9)与光机元件接触面的接触位置及间隙情况，在日常工作的早中晚进行温度测量，根据加工过程从起始温度到末温度的温度变化差值ΔT，校核与光学元件接触的外径侧向支撑(5)Δ₃、内径侧向支撑(9)Δ₄，保证工作过程因环境温度变化热胀冷缩引起的工艺装置零件外形尺寸变化量小于公式计算值。

10.根据权利要求9所述的一种用于光学元件加工的工艺装置装调方法，其特征在于：按公式Δ＝α×ΔT×L以及Δ₂-Δ₁₁＝2Δ₃、Δ₅-Δ₁₂＝2Δ₄公式，校核与光学元件接触的外径侧向支撑(5)Δ₃、内径侧向支撑(9)Δ₄，保证工作过程因环境温度变化热胀冷缩引起的工艺装置零件外形尺寸变化量小于公式计算值。

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