本发明属于光学棱镜加工技术领域，更具体地说，涉及一种光学棱镜侧垂控制的定位、校验工装和加工方法。
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所示的四方棱镜，其侧面四个大面已经加工到位，需要在其两端加工出两个斜面，一般斜面与底面成45°，如图2所示，如何保证这两个斜面与侧面垂直角度精度是生产的关键，以往垂直精度要求不高时，一般垂直精度在30″到50″，但现在要求这两个斜面同时满足20″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)上盘的侧垂控制。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，但是其只能保证侧垂精度不超过30″，且是一个加工面。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
本发明提供了一种光学棱镜侧垂控制的定位工装，其目的在于解决现有棱镜加工中侧垂定位精度难以达到20″以内的问题。该定位工装专为附图所示四方棱镜磨削两端斜面，使得两端斜面与侧面的垂直精度在20″以内所设计，定位简单快速。
本发明还提供了一种光学棱镜侧垂控制的校验工装，专为上述定位工装设计，配套使用，可提高定位工装的定位精度，满足侧垂20″定位精度要求。
本发明还提供了一种光学棱镜侧垂控制的加工方法，在不影响定位精度的前提下，对上述定位工装定位后的四方棱镜两端的斜面进行加工，可同时保证加工后两个斜面满足侧垂20″精度。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种光学棱镜侧垂控制的定位工装，包括基板、定位三棱镜、端面定位块和侧面定位块；所述定位三棱镜具有两个，相对设置在基板，形成v形定位槽；所述端面定位块设置于定位三棱镜一侧的基板上，其具有端定位面，端定位面垂直基板上表面，端定位面垂直于v形定位槽槽面在基板上的投影面；所述侧面定位块设置于v形定位槽上方，其具有侧定位面，侧定位面垂直于v形定位槽槽面和端面定位块的端定位面。
作为进一步改进，还包括连接块和支撑块；所述支撑块垂直设置于基板上，侧面定位块的一端通过连接块连接支撑块。
作为进一步改进，所述定位三棱镜和侧面定位块均为等腰直角三棱镜，端面定位块和支撑块均为长方体棱镜。
作为进一步改进，所述基板上表面的面型精度在1/10λ；定位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；v形定位槽成90°角，角精度在10″以内；侧面定位块的侧定位面和端面定位块的端定位面光洁度均为国标三级，表面光圈1/10λ以内；侧面定位块的侧定位面与v形定位槽槽面、侧面定位块的侧定位面与端面定位块的端定位面垂直精度均在10″以内。
一种光学棱镜侧垂控制的校验工装，用于上述光学棱镜侧垂控制的定位工装的定位安装，它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，基准四方棱镜固定于基准三棱镜的斜面上。
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，其相邻两个侧面为检测面，两个检测面和下表面彼此垂直，精度在5″以内，各面光洁度为国标三级，表面光圈1/10λ以内。
一种光学棱镜侧垂控制的加工方法，其操作步骤为：
一、定位工装的组装
采用上述的光学棱镜侧垂控制的校验工装组装上述的光学棱镜侧垂控制的定位工装；
二、棱镜侧垂定位
首先，取靠体放入两个定位三棱镜形成的v形定位槽中，靠体的v型底部与v形定位槽槽面光胶配合，形成稳定干涉条纹；然后，将待加工四方棱镜放置在靠体的上表面上，并形成稳定干涉条纹；然后，使待加工四方棱镜的端面与端面定位块的端定位面光胶配合，形成稳定干涉条纹，使其后侧面与侧面定位块的侧定位面光胶配合，形成稳定干涉条纹；最后，将待加工四方棱镜随靠体一起取出；
三、棱镜磨削加工
首先，靠体上盘，靠体的v型底部一面胶合在托盘上，使所需磨削面处于水平状态；然后，对四方棱镜进行研磨和抛光，磨削出四方棱镜一端的斜面；研磨时，托盘在下，四方棱镜在上，从上方进行砂磨；抛光时，托盘在上，四方棱镜在下，从下方采用抛光粉溶液磨削；最后，将靠体的v型底部另一面胶合在托盘上，对四方棱镜的另一端斜面进行磨削，完成四方棱镜两端斜面的加工。
作为进一步改进，所述步骤一中定位工装的组装步骤为：
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；将校验工装的基准三棱镜的v型底部一面与定位三棱镜表面光胶，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v型底部另一面贴合，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形定位槽；
②将端面定位块放置在基板的上表面上，端面定位块的端定位面与校验工装的基准四方棱镜一个检测面贴合，使两个接触面均产生干涉条纹，并通过光学胶将端面定位块胶合到基板上；
③先将支撑块通过光学胶胶合在基板的上表面上；再将连接块通过光学胶胶合在支撑块上；最后，将侧面定位块的侧定位面与校验工装的基准四方棱镜另一个检测面光胶，产生干涉条纹，并通过光学胶将侧面定位块的一端胶合到连接块；
④取出校验工装，完成定位工装的组装。
作为进一步改进，所述步骤二中，将待加工四方棱镜随靠体一起取出后送入烤箱，在92℃～100℃温度下加热8～8.2小时。
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76～80转/分钟，进给速度7～9mm/min；精研磨时砂粒径在500～520目，磨削转速60～65转/分钟，进给速度5～6mm/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55～60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47～51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)本发明光学棱镜侧垂控制的定位工装，专为四方棱镜两端斜面磨削所设计，通过两个定位三棱镜形成的v形定位槽定位靠体，并配合端面定位块的端定位面和侧面定位块的侧定位面对四方棱镜的端面、后侧面和底面三个面进行精确定位，保证靠体上盘后磨削两端斜面同时与其前后侧面的垂直精度在20″以内，以及斜面与底面的角度精度，该工装定位简单快速，提高了生产效率。
(2)本发明光学棱镜侧垂控制的校验工装，专为光学棱镜侧垂控制的定位工装设计，配套使用，可组装并校准定位工装，保证定位工装对四方棱镜定位的精度，满足侧垂20″定位精度要求。
(3)本发明光学棱镜侧垂控制的加工方法，采用定位工装将四方棱镜光胶到靠体上，并对此优化磨削工艺，在不影响定位精度的前提下，磨削四方棱镜两端的斜面，可同时保证加工后两个斜面满足侧垂20″精度。
(4)本发明光学棱镜侧垂控制的加工方法，通过将待加工四方棱镜随靠体一起取出后送入烤箱，在92℃～100℃温度下加热8～8.2小时，可增加四方棱镜与靠体之间光胶的粘结强度，可有效避免磨削过程中四方棱镜松动或掉落，保证磨削稳定性和精度。
(5)由于磨削平面为水平面，所以在四方棱镜两端斜面磨削时，需要将斜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，四方棱镜底面和靠体结合面与水平面具有夹角，磨削进给时对四方棱镜具有水平的分力，容易导致四方棱镜与靠体结合松动，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，且两道研磨工序都分两次磨削，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，同时严格控制磨削时的砂和抛光粉粒径，磨削转速、进给速度和压力，保证四方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侧垂精度的综合效果非常好。
附图说明
图1为四方棱镜的立体结构视图；
图2为四方棱镜两端加工出斜面后的立体结构视图；
图3为本发明光学棱镜侧垂控制的定位工装的立体结构视图；
图4为本发明光学棱镜侧垂控制的校验工装的立体结构视图；
图5为采用光学棱镜侧垂控制的校验工装对定位工装进行校准定位的状态视图；
图6为采用光学棱镜侧垂控制的定位工装对四方棱镜进行侧垂定位的状态视图。
图中：1、基板；2、定位三棱镜；3、端面定位块；4、侧面定位块；5、连接块；6、支撑块；7、基准三棱镜；8、基准四方棱镜；9、加强块；10、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，本实施例的一种光学棱镜侧垂控制的定位工装，专为四方棱镜两端斜面磨削所设计，即将图1所示四方棱镜半成品磨削成图2所示成品。该四方棱镜要求其两端斜面与上下底面夹角为45°，与前后两侧面的垂直度精度，也就是侧垂精度在20″以内。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、端面定位块3、侧面定位块4、连接块5和支撑块6。其中，定位三棱镜2、端面定位块3和支撑块6放置在基板1上；定位三棱镜2和侧面定位块4均为等腰直角三棱镜，端面定位块3和支撑块6均为长方体棱镜，连接块5则为等腰梯形棱镜。
定位三棱镜2具有两个，相对设置在基板1，直角面与基板1接触，两者的斜面之间形成v形定位槽。端面定位块3设置于定位三棱镜2一侧的基板1上，其具有端定位面，端定位面垂直基板1上表面，端定位面垂直于v形定位槽槽面在基板1上的投影面。支撑块6垂直设置于基板1，连接块5胶合在支撑块6上；而侧面定位块4设置于v形定位槽上方，其具有侧定位面，该侧定位面为一个直角面，侧定位面垂直于v形定位槽槽面和端面定位块3的端定位面，且侧面定位块4一端的斜面胶合到连接块5上，对其进行支撑。
需要说明的是，由于定位精度要求高，侧垂在20″以内，所以对定位工装各部件本身的精度要求也比较高。本实施例中，基板1上表面的面型精度在1/10λ；定位三棱镜2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；v形定位槽成90°角，角精度在10″以内；侧面定位块4的各面，包括侧定位面，端面定位块3的各面，包括端定位面，支撑块6的各面，它们的光洁度均为国标三级，表面光圈1/10λ以内；侧面定位块4的侧定位面与v形定位槽槽面、侧面定位块4的侧定位面与端面定位块3的端定位面垂直精度均在10″以内。
本实施例光学棱镜侧垂控制的定位工装，专为四方棱镜两端斜面磨削所设计，通过两个定位三棱镜2形成的v形定位槽定位靠体10，并配合端面定位块3的端定位面和侧面定位块4的侧定位面对四方棱镜的端面、后侧面和底面三个面进行精确定位，保证靠体上盘后磨削两端斜面同时与其前后侧面的垂直精度在20″以内，以及斜面与底面的角度精度，该工装定位简单快速，提高了生产效率。
实施例2
如图4所示，本实施例的一种光学棱镜侧垂控制的校验工装，其专门为实施例1的光学棱镜侧垂控制的定位工装的定位安装所设计。它主要包括基准三棱镜7和基准四方棱镜8；其中，基准三棱镜7为等腰直角三棱镜，基准四方棱镜8固定于基准三棱镜7的斜面上，基准四方棱镜8为正六方体。基准三棱镜7与两个定位三棱镜2形成的v形定位槽相配合，基准四方棱镜8的其中两个相邻侧面作为检测面，分别与端面定位块3的端定位面配合和侧面定位块4的侧定位面配合。
基准三棱镜7和基准四方棱镜8之间光胶结合，为了增加可靠性，在两者之间设置加强块9，增加连接强度。
该校验工装作为基准件，对其精度要求更高。为此，基准三棱镜7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8的下表面与基准三棱镜7的斜面贴合，其相邻两个侧面为检测面，两个检测面和下表面彼此垂直，精度在5″以内，各面光洁度为国标三级，表面光圈1/10λ以内。
本实施例光学棱镜侧垂控制的校验工装，专为实施例1的光学棱镜侧垂控制的定位工装设计，配套使用，可组装并校准定位工装，保证定位工装对四方棱镜定位的精度，满足侧垂20″定位精度要求。
实施例3
本实施例的一种光学棱镜侧垂控制的加工方法，用于将图1所示半成品四方棱镜加工成图2所示的成品四方棱镜，即磨削加工两端斜面，保证斜面与四方棱镜前后两侧面侧垂精度在20″以内。
光学棱镜侧垂控制的加工方法的操作步骤如下：
一、定位工装的组装
采用实施例2的光学棱镜侧垂控制的校验工装组装实施例1中的光学棱镜侧垂控制的定位工装；如图5所示，具体组装步骤为：
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；将校验工装的基准三棱镜7的v型底部一面与定位三棱镜2表面光胶，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7的v型底部另一面贴合，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形定位槽；
②将端面定位块3放置在基板1的上表面上，端面定位块3的端定位面与校验工装的基准四方棱镜8一个检测面贴合，使两个接触面均产生干涉条纹，并通过光学胶将端面定位块3胶合到基板1上；
③先将支撑块6通过光学胶胶合在基板1的上表面上；再将连接块5通过光学胶胶合在支撑块6上；最后，将侧面定位块4的侧定位面与校验工装的基准四方棱镜8另一个检测面光胶，产生干涉条纹，并通过光学胶将侧面定位块4的一端胶合到连接块5；
④取出校验工装，完成定位工装的组装。
此步骤中，光学棱镜侧垂控制的校验工装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8的检测面与基准三棱镜7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工装进行组装，组装时，先将基准三棱镜7的一个直角面放置到测角仪的工作台上；然后，基准四方棱镜8的一条棱与工作台接触，移动基准四方棱镜8向基准三棱镜7的斜面靠近，直至贴合，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8，使基准四方棱镜8的检测面在测角仪内观察的反射线位于零位，校验工装定位组装完毕；最后，将加强块9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7和基准四方棱镜8定位，微调次数降到最少。
二、棱镜侧垂定位
如图6所示，首先，取靠体10放入两个定位三棱镜2形成的v形定位槽中，靠体10的v型底部与v形定位槽槽面光胶配合，形成稳定干涉条纹；然后，将待加工四方棱镜放置在靠体10的上表面上，并形成稳定干涉条纹；然后，使待加工四方棱镜的端面与端面定位块3的端定位面光胶配合，形成稳定干涉条纹，使其后侧面与侧面定位块4的侧定位面光胶配合，形成稳定干涉条纹；最后，将待加工四方棱镜随靠体10一起取出，送入烤箱，在92℃温度下加热8.2小时。
三、棱镜磨削加工
首先，靠体上盘，靠体10的v型底部一面胶合在托盘上，使所需磨削面处于水平状态；然后，对四方棱镜进行研磨和抛光，磨削出四方棱镜一端的斜面；研磨时，托盘在下，四方棱镜在上，从上方进行砂磨；抛光时，托盘在上，四方棱镜在下，从下方采用抛光粉溶液磨削；最后，将靠体10的v型底部另一面胶合在托盘上，对四方棱镜的另一端斜面进行磨削，完成四方棱镜两端斜面的加工。
此第三步中，研磨分为粗研磨和精研磨，粗研磨时砂粒径在320目，磨削转速76转/分钟，进给速度7mm/min；精研磨时砂粒径在500目，磨削转速60转/分钟，进给速度5mm/min；抛光分为粗抛光和精抛光，粗抛光时，采用400目抛光粉溶液圆周摆动磨削，磨削转速55转/分钟，并施加5kg压力；精抛光时，采用500目抛光粉溶液圆周摆动磨削，磨削转速47转/分钟，并施加3kg压力。
对磨削加工后的四方棱镜两端斜面进行检测，斜面侧垂精度均在20″以内，100％合格，且斜面与底面夹角精度在30″内，均达到设计要求。
实施例4
本实施例的一种光学棱镜侧垂控制的加工方法，与实施例3基本相同，所不同的是：步骤二中，将待加工四方棱镜随靠体10一起取出后送入烤箱，在95℃温度下加热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340目，磨削转速78转/分钟，进给速度8mm/min；精研磨时砂粒径在510目，磨削转速63转/分钟，进给速度5.5mm/min；抛光分为粗抛光和精抛光，粗抛光时，采用450目抛光粉溶液圆周摆动磨削，磨削转速58转/分钟，并施加5.5kg压力；精抛光时，采用530目抛光粉溶液圆周摆动磨削，磨削转速49转/分钟，并施加3.4kg压力。
对磨削加工后的四方棱镜两端斜面进行检测，斜面侧垂精度均在20″以内，100％合格，且斜面与底面夹角精度在30″内，均达到设计要求。
实施例5
本实施例的一种光学棱镜侧垂控制的加工方法，与实施例3基本相同，所不同的是：步骤二中，将待加工四方棱镜随靠体10一起取出后送入烤箱，在100℃温度下加热8小时；步骤三中，研磨分为粗研磨和精研磨，粗研磨时时砂粒径在350目，磨削转速80转/分钟，进给速度9mm/min；精研磨时砂粒径在520目，磨削转速65转/分钟，进给速度6mm/min；抛光分为粗抛光和细精，粗抛光时，采用460目抛光粉溶液圆周摆动磨削，磨削转速60转/分钟，并施加6kg压力；精抛光时，采用550目抛光粉溶液圆周摆动磨削，磨削转速51转/分钟，并施加3.5kg压力。
对磨削加工后的四方棱镜两端斜面进行检测，斜面侧垂精度均在20″以内，100％合格，且斜面与底面夹角精度在30″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。