1 夹具设计的意义
为了保证光学系统的光学性能和成像质量,反射棱镜依次由反射面展开成平板玻璃后,入射和出射的两个表面必须相互平行。但是由于在加工中存在着多种误差,使棱镜的几何形状与标准形状有差异,所以展开后平板玻璃的入射面和出射面就不再平行。这样的棱镜在光学系统中就会影响到光学性能和成像质量。因此,对棱镜的几何形状必须加以控制。在实际生产中,通常用光学平行差θⅠ,θⅡ来检查棱镜的几何形状误差。为了保证θⅠ,θⅡ的精度要求,以及为了满足生产效率和产品合格率的要求,需要设计出与之相适应的工装夹具。
2 棱镜加工方法的选择原则
制造棱镜的方法有多种多样,除了文中所介绍的玻璃夹具(靠体)加工方法和金属夹具加工方法外,还有弹性上盘加工方法、石膏盘加工方法等。
对一个特定的棱镜来说,其加工方法的选择原则不仅取决于棱镜的角度精度和光学平行差等要求,而且还要考虑到批量的大小、价格的高低和生产效率的高低等问题。选择棱镜加工方法的根本目的是要满足棱镜的各项技术指标的要求,且通过高效率的加工方法来追求获取最佳的经济效益。
3 夹具上盘方法简介
夹具上盘的方法可分为玻璃夹具(或称玻璃靠体)和金属夹具两种。这两种夹具既可独立使用,也可对某一棱镜交叉使用。
3.1 靠体上盘方法
靠体上盘的方法适用于光轴截面为单一平面的棱镜加工。
如直角棱镜、半五角棱镜、五角棱镜、道威棱镜、斯米特棱镜等。靠体上盘方法的工作原理是以棱镜的一个面(一般为弦面,这个面必须保证侧垂要求)作为胶合定位的基准面,通过靠体翻转来
完成其它两个面的加工。靠体上盘方法的最大优点是能用靠体的角度精度和光学平行差来保证棱镜的角度精度和光学平行差,而且适合高效生产线的加工,具有较高的生产效率。
靠体多数是用玻璃材料制成的,因为用玻璃材料不仅可以把靠体的精度做的很高,而且能很方便、很准确的用光测量的方法检验其精度。
采用玻璃材料的靠体上盘的加工方法,配以不同的棱镜胶合方式和上盘胶盘时所用的胶,可以达到不同的精度要求。如以光胶法上盘可使精度达到2″～10″;以假光胶法上盘可使精度达到30″～1′;以冷胶法上盘可使精度达到1′～2′;以热胶法上盘可使精度达到2′～5′。当然,角度精度要求不同,靠体的要求也会不同。靠体上盘法的特点是:
(1)具有对棱镜的角度精度和光学平行差要求的可保证性。
(2)具有棱镜一次胶合,完成多面加工的功能。
(3)工序通用性强,对有些非基准面的加工,可在铣磨、精磨至抛光结束的整个加工过程当中不需要两次胶合或其它辅助工序,就可以连续完成全部加工,且加工效率高。
靠体上盘法因有上述多种特点,所以应用范围十分广泛。
3.2 金属夹具上盘法
金属夹具是指对各种屋脊棱镜和具有四个抛光面的棱镜进行加工的工装。如斯米特屋脊棱镜、90°屋脊棱镜、屋脊半五角棱镜、阿贝棱镜及五角棱镜等。这类棱镜的特点是:(1)角度精度要求高;(2)具有四个抛光面,其光学平行差θⅠ,θⅡ在加工中难以保证。如图1所示的斯米特屋脊棱镜,该棱镜具有两个折射面和两个屋脊面,是一个复合棱镜。加工这类棱镜的夹具的工作原理是用一组工作面(用两个折射面或两个屋脊面)作为棱镜与夹具胶合时的定位基准,采用夹具翻转的方法来完成另一组工作面的加工,用夹具的角度精度和光学平行差来保证与棱镜相对应的要求。
金属夹具一盘加工方法的特点是:
(1)因棱镜是用一组工作面来作为胶合基准的,所以,只要夹具的精度有保证,那么,棱镜相应的精度就能得到保证。
(2)可做到一次胶合,靠夹具的翻转来完成另一组面的加工。
(3)这类夹具多数是用金属材料制作的,其角度精度和θⅠ,θⅡ一般取棱镜精度的1/4～1/5。这对金属夹具来说,精度要求是很高的,制造起来比较困难。
值得提醒的是,在设计这类夹具时,要努力实现做到一次胶合来完成两个面的加工。如果在完成这两个面的加工过程中还要重新胶合的话,那么肯定会对棱镜的角度精度及光学平行差造成极大的影响。
4 对夹具设计的要求
棱镜在不同的加工阶段是靠若干种工装夹具来保障的,而工装夹具设计的合理性和制造的精度是保证棱镜的角度精度和光学平行差及高效率生产的重要条件。所以,对夹具的设计要求是:
(1)具有对棱镜技术要求(角精度、光学平行差)的可保证性。
(2)具有高效率生产的特点,即成盘率高,工序通用性强、工序流畅等特点。
(3)应具有一次胶合就可完成两个面以上的加工功能。
(4)操作简便、可靠、易掌握;测量方便、准确。
5 夹具设计实例
5.1 玻璃夹具(靠体)设计实例
由于在玻璃材料上开槽很困难,且不易保证槽的面形和第二光学平行差θⅡ,所以,以玻璃为材料的夹具一般适合于具有三个加工面的棱镜,也就是光轴截面为单一平面的棱镜。如半五角棱镜、直角棱镜、道威棱镜等。下面以半五角棱镜为例来进行说明。
5.1.1 分析棱镜的精度要求,找出相关因素
图2所示是半五角棱镜,半五角棱镜的第一光学平行差θⅠ与角度误差之间的关系式为
从(1)式可以看出,θⅠ与48°和24°角的误差有关,而与108°角无关。48°角的误差属一般精度,比较容易保证棱镜和靠体的精度。而24°角的误差对θⅠ的影响较大,是2倍的关系。由(1)式可得出24°角的误差为
将θⅠ= 8′代入(2)式,可得Δ24°= 1.5′。可看出24°角的精度比48°角的精度要高,不容易保证。而对靠体的相应精度则要求更高。
半五角棱镜的第二光学平行差与棱差的关系式为
将θⅡ= 8′代入(4)式可得出rA= 4.37′,这种精度要求对棱镜的精度保证和靠体的制作是比较容易的。
5.1.2 根据棱镜的精度要求设计靠体
(1)靠体外形的设计。夹具应具有一次胶合和经靠体翻转完成其它两个面的加工功能。根据夹具设计的这一要求,靠体的外形应设计成与棱镜外形一致才能满足这一要求。图3所示为半五角棱镜靠体,棱镜的第3面与靠体的第3′面胶合后,由靠体的第1′面冷胶上盘,即可完成对棱镜第1面的加工;经靠体翻转和靠体的第2′面冷胶上盘后,即可完成对棱镜第2面的加工。靠靠体的精度可保证棱镜的48°角和24°角的角度精度;依靠棱镜与靠体胶合的夹具的精确性(本文未给出胶合所用的夹具)能保证棱镜的第二光学平行差θⅡ。
靠体的矢高H一般比棱镜相应的尺寸h大3～5 mm。
(2)确定靠体的角精度和棱差。根据棱镜的角精度和棱差的要求,靠体相应精度的选取一般是棱镜精度的1/3～1/5。棱镜精度要求越高,靠体的精度也越高。
在实际加工中,因存在着多种误差,如棱镜胶合误差、上盘胶合误差、加工的平行差等都对棱镜的角度精度和棱差有直接的影响,所以,靠体精度的选取应在可能的条件下做的高一点,或者说,可以控制的因素尽可能做的高一些,尽可能地减少一些不易控制的因素(如胶合误差)对精度的影响。
根据这两项原则,半五角棱镜靠体的角度精度及棱差可确定为:Δ48°= 30″,Δ24°= 30″,塔差Π= 1′,面形N= 2～4。用这样的精度靠体配以特殊比例的粘结剂,在大批量(20万件/月)的生产中,棱镜的48°角和θⅠ,θⅡ等指标的合格率为97%,而且十分稳定。
为了提高生产效率和保证棱差要求,棱镜应胶成条状(6件/条)后与靠体胶合,这是因为采用单件胶合棱镜定位面积小,不易准确定位,很容易造成棱差超差的缘故。单件胶合加工的第二光学平行差θⅡ超差率一般为20%～30%。
对半五角棱镜的大批量生产来说,用玻璃材料制成的靠体因具有较高的精度,并以特殊比例的粘结剂胶合和上盘,同时又采用靠体翻转加工,所以这是一种既能保证棱镜的精度要求,又具有高效率生产的加工方法。这种方法对光轴截面为单一平面的棱镜加工来说具有普遍的意义。
5.2 金属夹具设计实例
金属夹具适应于光轴截面不是单一平面的棱镜和虽是单一光轴截面但有四个抛光面的棱镜的加工。如斯米特屋脊棱镜和五角棱镜。本例以图1所示的斯米特屋脊棱镜为例来加以说明。
5.2.1 分析棱镜精度要求,找出相关因素
由图1中对棱镜的技术要求可知,该棱镜不仅对两个折射面有一般性的要求,对屋脊角和面也有较高的要求,即Δ90°=5″和N= 0.5,ΔN= 0.2,是中等精度和高精度于一体的棱镜。对于这类棱镜,要保证Δ90°和Δ48°角精度是比较容易的,对加工过程中的影响因素也是比较容易判断和控制的,而难以保证的是θⅠ和θⅡ。用棱镜的空间轴侧图来分析θⅠ和θⅡ的形成和相互关系,见图4。
当假设两个折射面ABCDE和ABHGF在空间位置固定不动,而两个屋脊面EFGD和CHGD作为一个刚体绕X轴转动时,将会使屋脊偏移,产生不对称;当两屋脊面绕Y轴转动时,使得两屋脊面相对两折射面的夹角(73°13′)产生误差,也就是屋脊棱的位置相对屋脊棱的标准位置产生了偏角,一般用棱差rc来表示。当两屋脊面绕Z轴转动时,两折射面与屋脊棱线的夹角(66°角)产生误差,既第一光学平行差θⅠ。
通过对轴测图的分析可知,斯米特屋脊棱镜的第一光学平行差θⅠ与66°角有关,第二光学平行差θⅡ与73°13′角(或棱差rc)有关。
5.2.2 根据棱镜的特点,设计夹具
知道了θⅠ、θⅡ的形成及其影响因素之后,就为夹具的设计提供了清晰的思路,也就是说,设计什么形式的夹具才能做到在加工折射面和屋脊面的过程中保证θⅠ、θⅡ的要求,同时还要考虑如何尽可能减少工序,加快生产节奏,提高生产效率。这两点是夹具设计的核心问题,这是因为它关系到整体方案技术的可保证性和高效率生产指标能否实现的关键。所设计的夹具不仅要保证66°角的精度误差,同时还要保证73°13′角的(或棱差rc)角度精度误差。为此只有以一组工作面(两折面或两屋脊面)为棱镜胶合的定位基准才能保证。为了保证这一点,设计了如下夹具。
图5所示的夹具是用来加工两个屋脊面的。它的工作原理是以棱镜48°角的两个折射面为胶合定位基准的,经夹具的翻转来完成对两个屋脊面的加工。图6所示是用来加工48°角的二个折射面的夹具。它的工作原理是以加工完毕的两个屋脊面为胶合定位基准的,经夹具的翻转来完成对48°角的两个折射面的加工。这副夹具能以自身的精度保证棱镜的66°角、73°13′角和48°角的角度精度。这副夹具的另一个优点是:在图5所示的夹具中,在加工90°角的两个屋脊面时,即使66°角和73°13′角具有较大的误差,这副夹具也可以给予纠正。其原因是:夹具自身的角度精度较高;两个屋脊面为胶合定位基准。这里需要注意的是,棱镜胶合时的定位正确性和夹具上盘时所用的粘结剂对66°角和73°13′角的精度有很大的影响。
对屋脊角Δ90°=±5″的精度要求来说,用玻璃制成的立方体采用的是光胶法。
该棱镜的主要工艺路线如图7所示。
由图5、图6和图7可看出,由于使用了这两副夹具,使整体工艺方案成为加工工序少、生产节奏快、效率高、棱镜的技术要求可保证的先进方案。
6 结束语
以上对所述的光轴截面为单一平面的棱镜和复合棱镜的夹具设计思想,对类似其它不同品种棱镜的夹具设计来说具有普遍的指导意义。笔者对其它棱镜的夹具设计正是遵循这一思想进行的。但因各厂的设备不同、操作技能和习惯的不同,也会在夹具设计上有所不同,所以本文仅供同行参考。
参考文献:
[1]沈海龙.光学测量(下册)[M].南京:华东工学院出版社,1982.
[2]蔡立,田守信.光学零件加工技术[M].武汉:华中工学院出版社,1981.
[3]刘树民.高精度棱镜的高效制造技术[J].光学技术,1999,(4).
作者简介:刘树民(1955-),男,河北省人,南京理工大学华苑光电公司工程师,主要从事光学冷加工方面的研究。
