本发明属于光学棱镜加工技术领域，更具体地说，涉及一种棱镜屋脊棱的定位工装及其定位和加工方法。
背景技术：
棱镜是由光学材料组成的棱柱体，所有棱镜的折射面和反射面统称工作面，两工作面的交线称为棱，垂直棱的截面称为主截面。棱镜在光学中起着许多各不相同的作用，棱镜的组合可以用作分束器、起偏器等，但在大多数应用中，只是用了棱镜的色散功能，或使像的方向、光束传播方向发生改变的功能。色散功能使棱镜作为色散元件，如在分光计、摄谱仪、单色仪中的棱镜就是起着色散作用。
棱镜不仅对工作面本身的精度要求极高，而且对工作面之间的角度精度要求也非常高，此两方面直接决定棱镜好坏。目前，棱镜一般采用一次批量生产，保证棱镜各工作面参数(光洁度、平面度、角度等)达到设计精度要求，是每个工艺技术方案必须要解决的一个核心问题，因为在制造过程中的每道工序都可能影响最终成品精度，所以对加工精度的控制始终贯穿于整个制造过程，同时还要求对每道工序的影响因素都应有解决的方法。现有棱镜的生产过程中，时常会生产出产品精度达不到要求的瑕疵品，究其原因，往往是加工过程中棱镜的上盘侧垂控制不好，而侧垂控制最普遍，也是最易实现的做法是通过工装夹具实现。所以，工装夹具设计的合理性和制造的精密性是保证整个制造过程高效率生产和使产品保持高合格率的重要条件。
随着科技经济的快速发展，已然跨入高效、高精度时代，对棱镜的精度提出了更高的要求，而如何通过现有设备达到更高的生产精力，是企业一直致力钻研的方向。例如图1所示的五棱镜，其侧面五个矩形面，以及前后两个五边形大面都已经加工到位，需要在其一侧面加工出屋脊面，一般屋脊面与五边形的大面成45°，两个屋脊面交接形成屋脊棱，如图2所示，如何保证屋脊棱与其相对矩形侧面之间夹角的精度是生产的关键，以往精度要求不高时，一般在3′左右，但现在要求这两个斜面同时满足30″以内，这就极大地提高了加工难度。
本申请人先前申请并已授权的名称为：一种小棱镜上盘控制侧垂的工装，专利号为：zl201410852971.9的发明专利，就是关于小棱镜(一般指规格30*30mm以下的产品)加工角度控制的创新。该小棱镜上盘控制侧垂的工装包括基座、水平定位块、挡块、水平靠体和v型限位块，v型限位块是开口角度为90°v型槽状结构，其中：基座是方形平板状结构；水平定位块长方体块状结构，设置有方形凹槽，呈凹槽的凹口朝上竖倒设置在基座的上表面并靠近基座边线的位置；挡块也是长方体块状结构，一端配合嵌入水平定位块的凹槽内，另一端竖倒设置在v型限位块的v型槽口上；水平靠体为90℃直角三角体结构，配合设置在v型限位块的90°的v型槽中。此方案通过水平定位块、挡块和v型限位块的组合将小棱镜定位到水平靠体上，满足加工时侧垂要求，但并不是屋脊面的加工，也不涉及屋脊棱的角度控制。另外，该工装本身精度不高，v型限位块靠肉眼对准定位标记线定位，精度较差，且定位标记线本身也难以精准；水平定位块、限位块和挡块三者组合安装难度较高，很难保证它们与水平靠体上表面间的垂直精度，必然影响小棱镜的定位。同时，该工装只用于小棱镜的上盘定位，并没有具体给出后续加工中精度控制。
技术实现要素：
1、要解决的问题
本发明提供了一种棱镜屋脊棱的定位工装，其目的在于解决现有五棱镜加工加工屋脊面后，屋脊棱与其相对矩形侧面之间角度精度难以达到30″以内的问题。该定位工装专为棱镜磨削屋脊面时定位所设计，可满足后续加工两屋脊面形成的屋脊棱与其相对矩形侧面之间角度精度达到30″以内，定位简单快速。
本发明还提供了一种棱镜屋脊棱的定位方法，采用上述定位工装可高效、精确地将五棱镜光胶到靠体上，方便后续屋脊面的磨削加工。
本发明还提供了一种棱镜屋脊棱的加工方法，在不影响上述定位工装对五棱镜定位精度的前提下，在五棱镜的一侧面上加工出一对屋脊面，并形成屋脊棱，可同时保证屋脊棱与其相对矩形侧面之间角度精度在30″以内。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种棱镜屋脊棱的定位工装，包括基板、定位三棱镜和屋脊面定位块；所述定位三棱镜具有两个，相对设置在基板上，并形成v型定位槽；所述屋脊面定位块设置于定位三棱镜上方，其具有屋脊定位面，屋脊定位面垂直于定位三棱镜的端面，屋脊定位面垂直于基板的上表面。
作为进一步改进，还包括支撑块；所述支撑块位于定位三棱镜的一侧，其下端通过光学胶胶合到基板上；所述屋脊面定位块固定在支撑块上。
作为进一步改进，所述定位三棱镜为等腰直角三棱镜，屋脊面定位块和支撑块均为四棱镜。
作为进一步改进，所述基板上表面的光洁度为40～20，表面光圈为1/8λ；所述定位三棱镜的各角精度在10″以内，表面光洁度为20～10，光圈1/8λ，v型定位槽角度精度在10″以内；所述屋脊面定位块的屋脊定位面光洁度为20～10，光圈为1/8λ，屋脊定位面与基板上表面的角度精度在10″以内。
作为进一步改进，还包括校验件；所述校验件包括基准三棱镜和基准四方棱镜；所述基准三棱镜为等腰直角三棱镜，基准四方棱镜光胶于基准三棱镜的斜面上，并通过加强块加强连接；基准三棱镜的两个直角面与v型定位槽配合后，其斜面高出定位三棱镜顶部。
作为进一步改进，所述基准三棱镜的三个侧面光洁度为国标三级，表面光圈1/10λ以内，角精度在5″以内；所述基准四方棱镜的下表面与基准三棱镜的斜面贴合，其各角度精度在5″以内，光洁度为国标三级，表面光圈1/10λ以内。
一种棱镜屋脊棱的定位方法，采用上述的定位工装对五棱镜进行定位，其操作步骤为：
一、校验件准备
先将基准三棱镜的一个直角面贴合到测角仪的工作台上；然后，基准四方棱镜的一条棱与工作台接触，移动基准四方棱镜向基准三棱镜的斜面靠近，直至胶合，并产生干涉条纹；接着，通过测角仪观察，并微调基准四方棱镜，使基准四方棱镜的侧面在测角仪内观察的检测线位于零位；最后，将加强块通过光学胶安装固定即可；
二、定位工装组装
①取一个定位三棱镜，将其压在基板的上表面上，产生干涉条纹即可，并通过光学胶胶合；将校验件的基准三棱镜的一个直角面与定位三棱镜斜面光胶，形成干涉条纹，再取另一个定位三棱镜，使其同时与基板的上表面和基准三棱镜的另一直角面贴合，产生两道干涉条纹，并通过光学胶使定位三棱镜与基板胶合；两个定位三棱镜即形成v型定位槽；
②先将支撑块通过光学胶胶合在基板的上表面上；再将屋脊面定位块的屋脊定位面与校验件的基准四方棱镜的侧面光胶，产生干涉条纹，并通过光学胶将屋脊面定位块的一面胶合到支撑块上；
③取出校验件，完成定位工装的组装；
三、五棱镜定位
首先，取靠体放入两个定位三棱镜形成的v型定位槽中，靠体的两直角面与v型定位槽槽面光胶配合，形成稳定干涉条纹；然后，将待加工五棱镜放置在靠体的上表面上，五棱镜的五边形面与靠体光胶，并形成干涉条纹；然后，使待加工五棱镜的侧面与屋脊面定位块的屋脊定位面光胶配合，形成干涉条纹；最后，将待加工五棱镜连同靠体一起取出，即完成五棱镜的定位。
作为进一步改进，所述步骤三中，将待加工五棱镜连同靠体一起取出后送入烤箱，在92℃～100℃温度下加热8～8.2小时；冷却后，沿五棱镜和靠体的交界处涂抹417胶水进行固定。
一种棱镜屋脊棱的加工方法，其操作步骤为：
一、五棱镜毛坯准备
取一个五棱镜毛坯，满足两个五边形面平行度在5″以内，五边形面与侧面的垂直精度在5″以内，各面光洁度在80-50，光圈在1/10λ以内；
二、五棱镜定位
采用上述的棱镜屋脊棱的定位方法对待加工五棱镜毛坯进行定位；
三、五棱镜的一个屋脊面磨削
首先，靠体上盘，靠体的v型底部一面胶合在托盘上，使所需磨削的屋脊面处于水平状态；然后，对五棱镜进行研磨和抛光，磨削出五棱镜的一个屋脊面；研磨时，托盘在下，五棱镜在上，从上方进行砂磨；抛光时，托盘在上，五棱镜在下，从下方采用抛光粉溶液磨削；
四、五棱镜的另一个屋脊面磨削
重复步骤二和三，对五棱镜的另一个屋脊面进行磨削；两个屋脊面磨削完成后，交界处形成屋脊棱。
作为进一步改进，所述步骤三中，研磨分为粗研磨和精研磨，粗研磨时砂粒径在320～350目，磨削转速78～82转/分钟，进给速度8～10mm/min；精研磨时砂粒径在500～520目，磨削转速63～67转/分钟，进给速度6～7mm/min；抛光分为粗抛光和精抛光，粗抛光时，采用400～460目抛光粉圆周摆动磨削，磨削转速57～61转/分钟，并施加5～6kg压力；精抛光时，采用500～550目抛光粉圆周摆动磨削，磨削转速49～55转/分钟，并施加3～3.5kg压力。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明棱镜屋脊棱的定位工装，专为五棱镜加工屋脊棱定位所设计，通过两个定位三棱镜形成的v型定位槽定位靠体，屋脊面定位块的屋脊定位面对五棱镜的一个矩形侧面和一个五边形底面进行精确定位，一次定位可以磨削一个屋脊面，通过两次定位即可加工两个屋脊面，形成屋脊棱，并保证两个屋脊面交界成的屋脊棱与其相对侧面的角精度在30″以内；该工装定位简单快速，提高了生产效率。
(2)本发明棱镜屋脊棱的定位工装，专门配备一个校验件，可组装并校准定位工装，保证定位工装对五棱镜定位的精度，满足加工后的屋脊棱与其相对侧面的角精度在30″以内的要求。
(3)本发明棱镜屋脊棱的定位方法，采用定位工装可高效、精准地将五棱镜光胶到靠体上，操作简单方便，对工人技术要求低。
(4)本发明棱镜屋脊棱的定位方法，通过将待加工五棱镜连同靠体一起取出后送入烤箱，在92℃～100℃温度下加热8～8.2小时，并沿五棱镜和靠体的交界处涂抹417胶水进行固定，增加五棱镜与靠体之间光胶的粘结强度，可有效避免磨削过程中五棱镜松动或掉落，保证磨削稳定性和精度。
(5)本发明棱镜屋脊棱的加工方法，在不影响定位工装对五棱镜定位精度的前提下，在五棱镜的一侧面上加工出一对屋脊面，并形成屋脊棱，可同时保证屋脊棱与其相对矩形侧面之间角度精度在30″以内。
(6)由于磨削平面为水平面，所以磨削五棱镜的屋脊面时，需要将屋脊面调整为与水平面平行，也就是靠体下部的v型底部一面贴合在工作台上，这也是靠体的作用，此时，五棱镜和靠体结合面与水平面具有夹角，磨削进给时对五棱镜具有水平的分力，容易导致五棱镜与靠体结合的松动，甚至脱落；因此，发明人通过长期实践摸索总结，将磨削分为研磨和抛光，且两道工序都分两次磨削，即研磨分为粗研磨和精研磨，抛光也分为粗抛光和精抛光，并采用倒置研磨工序，同时严格控制研磨时的砂和抛光粉粒径，磨削转速、进给速度和压力，保证五棱镜与靠体光胶的可靠性，达到磨削速度、磨削面表面光洁度和角度精度的综合效果非常好。
附图说明
图1为五棱镜的立体结构视图；
图2为五棱镜加工出屋脊面后的立体结构视图；
图3为本发明棱镜屋脊棱的定位工装的立体结构视图；
图4为本发明中棱镜屋脊棱的定位工装组装时所用校验件的立体结构视图；
图5为采用校验件对棱镜屋脊棱的定位工装进行定位组装的状态视图；
图6为采用棱镜屋脊棱的定位工装对五棱镜进行磨削定位的状态视图。
图中：1、基板；2、定位三棱镜；3、屋脊面定位块；4、支撑块；5、基准三棱镜；6、基准四方棱镜；7、加强块；8、靠体。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。
实施例1
如图3所示，本实施例的一种棱镜屋脊棱的定位工装，专门为五棱镜的屋脊棱加工定位所设计，即将图1所示五棱镜半成品磨削成图2所示成本，具有两个屋脊面，交接形成屋脊棱。该五棱镜要求屋脊棱与其相对侧面的角度精度在30″以内，通过该定位工装进行定位，保证加工精度，下面对该定位工装结构进行说明。
本实施例的定位工装，包括基板1、定位三棱镜2、屋脊面定位块3和支撑块4。其中，定位三棱镜2和支撑块4固定在基板1上，屋脊面定位块3固定在支撑块4上；定位三棱镜2为等腰直角三棱镜，屋脊面定位块3和支撑块4均为四棱镜。
定位三棱镜2具有两个，相对设置在基板1上，直角面与基板1接触，两者的斜面形成v型定位槽；支撑块4位于定位三棱镜2的一侧，垂直设置在基板1上，且其下端面通过光学胶胶合到基板1上；而屋脊面定位块3位于定位三棱镜2上方，其具有屋脊定位面，屋脊定位面垂直于定位三棱镜2的端面，屋脊定位面垂直于基板1的上表面，且屋脊面定位块3的一面通过光学胶胶合在支撑块4上。
需要说明的是，由于定位精度要求高，才能保证后续加工后屋脊棱的精度要求，所以对定位工装各部件本身的精度要求也比较高。具体地，要求基板1上表面的光洁度为40～20，表面光圈为1/8λ以内；定位三棱镜2的各角精度在10″以内，表面光洁度为20～10，光圈1/8λ以内，v型定位槽角度精度在10″以内；屋脊面定位块3的各面，包括屋脊定位面光洁度为20～10，光圈为1/8λ以内，屋脊定位面与基板1上表面的角度精度在10″以内。
本实施例中，基板1上表面的光洁度为30，表面光圈为1/8λ；定位三棱镜2的各角精度为10″，表面光洁度为15，光圈1/8λ，v型定位槽角度精度在10″以内；屋脊面定位块3的屋脊定位面光洁度为15，光圈为1/8λ，屋脊定位面与基板1上表面的角度精度在10″以内。
本实施例棱镜屋脊棱的定位工装，专为五棱镜加工屋脊棱定位所设计，通过两个定位三棱镜2形成的v型定位槽定位靠体8，屋脊面定位块3的屋脊定位面对五棱镜的一个矩形侧面和一个五边形底面进行精确定位，一次定位可以磨削一个屋脊面，通过两次定位即可加工两个屋脊面，形成屋脊棱，并保证两个屋脊面交界成的屋脊棱与其相对侧面的角精度在30″以内；该工装定位简单快速，提高了生产效率。
由上可知，棱镜屋脊棱的定位工装精度要求非常高，这对其各部件定位组装提出了非常高的要求，为此本实施例专门设计了校验件，用于定位工装的组装，使其能够满足上述精度要求。如图4所示，校验件主要包括基准三棱镜5和基准四方棱镜6；其中，基准三棱镜5为等腰直角三棱镜，基准四方棱镜6光胶于基准三棱镜5的斜面上，基准四方棱镜6为正六方体。基准三棱镜5与两个定位三棱镜2形成的v型定位槽相配合，基准四方棱镜6的一个侧面作为检测面，检测面与屋脊面定位块3的屋脊定位面配合。基准三棱镜5的两个直角面与v型定位槽配合后，其斜面高出定位三棱镜2顶部，避免发生干涉。
因基准三棱镜5和基准四方棱镜6之间光胶结合，为了增加可靠性，在两者之间设置加强块7，增加连接强度。
该校验件作为基准件，对其精度要求更高。为此，基准三棱镜5的三个侧面光洁度为国标三级，表面光圈1/10λ以内，角精度在5″以内；基准四方棱镜6的下表面与基准三棱镜5的斜面贴合，基准四方棱镜6的各角精度在5″以内，各面光洁度为国标三级，表面光圈1/10λ以内。
该校验件可组装并校准定位工装，保证定位工装对五棱镜定位的精度，满足加工后的屋脊棱与其相对侧面的角精度在30″以内的要求。
实施例2
本实施例提供一种棱镜屋脊棱的定位方法，采用实施例1中的定位工装在五棱镜加工屋脊棱之前进行定位，其操作步骤如下：
一、校验件准备
校验件的精度直接决定定位工装的组装精度，其关键需要保证基准四方棱镜6的检测面与基准三棱镜5的斜面垂直精度在5″以内。为此，采用秒级的光学测角仪对校验件进行组装。
组装时，先将基准三棱镜5的一个直角面贴合到测角仪的工作台上；然后，基准四方棱镜6的一条棱与工作台接触，移动基准四方棱镜6向基准三棱镜5的斜面靠近，直至胶合，并产生干涉条纹；接着，通过测角仪观察，并微调基准四方棱镜6，使基准四方棱镜6的侧面在测角仪内观察的检测线位于零位；最后，将加强块7通过光学胶安装固定即可。采用此种方式，可以很快将基准三棱镜5和基准四方棱镜6定位，微调次数降到最少。
二、定位工装组装
①取一个定位三棱镜2，将其压在基板1的上表面上，产生干涉条纹即可，并通过光学胶胶合；将校验件的基准三棱镜5的一个直角面与定位三棱镜2斜面光胶，形成干涉条纹，再取另一个定位三棱镜2，使其同时与基板1的上表面和基准三棱镜5的另一直角面贴合，产生两道干涉条纹，并通过光学胶使定位三棱镜2与基板1胶合；两个定位三棱镜2即形成v型定位槽；
②先将支撑块4通过光学胶胶合在基板1的上表面上；再将屋脊面定位块3的屋脊定位面与校验件的基准四方棱镜6的侧面光胶，产生干涉条纹，并通过光学胶将屋脊面定位块3的一面胶合到支撑块4上；
③取出校验件，完成定位工装的组装。
校验件与定位工装的配合关系如图5所示。
三、五棱镜位
如图6所示，首先，取靠体8放入两个定位三棱镜2形成的v型定位槽中，靠体8的两直角面与v型定位槽槽面光胶配合，形成稳定干涉条纹；然后，将待加工五棱镜放置在靠体8的上表面上，五棱镜的五边形面与靠体8光胶，并形成干涉条纹；然后，使待加工五棱镜的侧面与屋脊面定位块3的屋脊定位面光胶配合，形成干涉条纹；最后，将待加工五棱镜连同靠体8一起取出，即完成五棱镜的定位。
需要说明的是，在上述步骤三中，将待加工五棱镜连同靠体8一起取出后送入烤箱，在92℃～100℃温度下加热8～8.2小时；冷却后，沿五棱镜和靠体8的交界处涂抹417胶水进行固定，增加五棱镜与靠体8之间光胶的粘结强度，可有效避免磨削过程中五棱镜松动或掉落，保证磨削稳定性和精度。
采用上述定位方法可高效、精准地将五棱镜光胶到靠体8上，操作简单方便，对工人技术要求低。
实施例3
本实施例提供一种棱镜屋脊棱的加工方法，用于将图1所示半成品五棱镜加工成图2所示的成品五棱镜，即磨削加工两个屋脊面，交界形成屋脊棱，并保证屋脊棱与其相对的矩形侧面之间角度精度难以达到30″以内。该方法的具体操作步骤为：
一、五棱镜毛坯准备
取一个五棱镜毛坯，满足两个五边形面平行度在5″以内，五边形面与侧面的垂直精度在5″以内，各面光洁度在80-50，光圈在1/10λ以内。
二、五棱镜行定位
采用实施例2的方法对待加工五棱镜毛坯进行定位，且待加工五棱镜连同靠体8在烤箱内加热温度为92℃，时间为8.2小时。
三、五棱镜的一个屋脊面磨削
首先，靠体上盘，靠体8的v型底部一面胶合在托盘上，使所需磨削的屋脊面处于水平状态；然后，对五棱镜进行研磨和抛光，磨削出五棱镜的一个屋脊面；研磨时，托盘在下，五棱镜在上，从上方进行砂磨；抛光时，托盘在上，五棱镜在下，从下方采用抛光粉溶液磨削。
此步骤中，粗研磨和精研磨，粗研磨时砂粒径在320目，磨削转速78转/分钟，进给速度8mm/min；精研磨时砂粒径在500目，磨削转速63转/分钟，进给速度6mm/min；抛光分为粗抛光和精抛光，粗抛光时，采用400目抛光粉圆周摆动磨削，磨削转速57转/分钟，并施加5kg压力；精抛光时，采用500目抛光粉圆周摆动磨削，磨削转速49转/分钟，并施加3kg压力。
四、五棱镜的另一个屋脊面磨削
重复步骤二和三，对五棱镜的另一个屋脊面进行磨削；两个屋脊面磨削完成后，交界处形成屋脊棱。
此方法可批量磨削，对磨削后的五棱镜的屋脊棱与其相对的侧面间夹角进行测量，结果角度精度均在30″以内，均达到设计要求。
实施例4
本实施例提供一种棱镜屋脊棱的加工方法，与实施例3基本相同，所不同的是：步骤二中，待加工五棱镜连同靠体8在烤箱内加热温度为100℃，时间为8小时；步骤三中，研磨分为粗研磨和精研磨，粗研磨时砂粒径在340目，磨削转速80转/分钟，进给速度9mm/min；精研磨时砂粒径在510目，磨削转速65转/分钟，进给速度6.5mm/min；抛光分为粗抛光和精抛光，粗抛光时，采用450目抛光粉圆周摆动磨削，磨削转速59转/分钟，并施加5.5kg压力；精抛光时，采用530目抛光粉圆周摆动磨削，磨削转速52转/分钟，并施加3.3kg压力。
对磨削后的五棱镜的屋脊棱与其相对的侧面间夹角进行测量，结果角度精度均在30″以内，均达到设计要求。
实施例5
本实施例提供一种棱镜屋脊棱的加工方法，与实施例3基本相同，所不同的是：步骤二中，待加工五棱镜连同靠体8在烤箱内加热温度为95℃，时间为8.1小时；步骤三中，研磨分为粗研磨和精研磨，粗研磨时砂粒径在350目，磨削转速82转/分钟，进给速度10mm/min；精研磨时砂粒径在520目，磨削转速67转/分钟，进给速度7mm/min；抛光分为粗抛光和精抛光，粗抛光时，采用460目抛光粉圆周摆动磨削，磨削转速61转/分钟，并施加6kg压力；精抛光时，采用550目抛光粉圆周摆动磨削，磨削转速55转/分钟，并施加3.5kg压力。
对磨削后的五棱镜的屋脊棱与其相对的侧面间夹角进行测量，结果角度精度均在30″以内，均达到设计要求。
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。