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EP0685298B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen asphärischer Linsenoberflächen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen asphärischer Linsenoberflächen Download PDF

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Publication number
EP0685298B2
EP0685298B2 EP94117272A EP94117272A EP0685298B2 EP 0685298 B2 EP0685298 B2 EP 0685298B2 EP 94117272 A EP94117272 A EP 94117272A EP 94117272 A EP94117272 A EP 94117272A EP 0685298 B2 EP0685298 B2 EP 0685298B2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
axis
feeding
tool
workpiece
cup
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP94117272A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0685298B1 (de
EP0685298A1 (de
Inventor
Gunter Dipl.-Ing. Schneider
Helwig Dipl.-Ing. Buchenauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schneider GmbH and Co KG
Original Assignee
Schneider GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=6515074&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP0685298(B2) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Schneider GmbH and Co KG filed Critical Schneider GmbH and Co KG
Publication of EP0685298A1 publication Critical patent/EP0685298A1/de
Publication of EP0685298B1 publication Critical patent/EP0685298B1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0685298B2 publication Critical patent/EP0685298B2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B13/00—Machines or devices designed for grinding or polishing optical surfaces on lenses or surfaces of similar shape on other work; Accessories therefor

Definitions

  • the invention relates to a device for making aspherical lens surfaces.
  • Another manufacturing process for spherical lenses processes the mostly preformed glass compacts with a diamond cup wheel Ball loops.
  • the feed takes place either with the Tool spindle or with the workpiece spindle to which the diamond cup wheel at a defined angle stands.
  • the radius of the sphere on the lens is determined by this Setting angle determined so that within certain Limit different spherical shapes with one and the same Tool can be produced. His sanding surface but changes due to wear during the grinding process the shape by adapting to itself changing spherical radii. If with the same pot tool changing ball radii can be machined should therefore be the grinding diameter to be generated not to be determined in advance.
  • optical lenses with aspherical surfaces a number of advantages. So is the mapping performance significantly increased compared to spherical lenses. Image errors are better corrected, and in optical ones Systems can be achieved through the use of aspherical lenses the number of lenses can be reduced. These advantages left have so far only been used to a very limited extent.
  • DE-A-2 441 976 describes a suction cup for lens blanks that have an aspherical Should get surface.
  • the one sunk in the middle Negative contour is on top of one rigid glass blocks. This is centric pierced and clamped on a plate chuck, the rotatable via a hollow shaft with pump connection is driven.
  • the sucked blank can after Machining its top turned and on one similarly shaped second glass block on its bottom to be edited.
  • the process uses thin, bendable blanks ahead and exhibits the above Disadvantages.
  • EP-A2-0 453 094 describes a method and a Device for grinding toric lenses.
  • On rotating diamond pot tool is selected with one Head angle in a swivel motion a linearly fed lens blank, wherein the swivel radius of the tool during a Swivel movement can be changed.
  • the pot tool is on a swiveling cross slide arranged on a horizontal Axis pivotable and in and out in the radial direction extendable base slide is mounted.
  • Around the corner of your head and thus along the vertical curvature of the lens of the changing circular path hold the tool with the help of the cross slide readjusted according to its position.
  • DE-A1-33 19 719 discloses a machine for machining curved workpiece surfaces, especially concave or convex rug areas, as well as non-spherical rotating body surfaces of workpieces material suitable for the planned use exist, by means of one material-lifting tool.
  • one Machine frame is a first turning tool support arranged, the turning tool being a cup-shaped grinding tool. That with the one to be processed curved surface of the in relation to the Machine frame fixed, rotating drivable work stitch during the editing process bringar is.
  • the spindle of the tool is attached to a second support, the during the machining process using of a system with numerical control about one to the axis of rotation of the tool vertical axis of rotation is based on rotation, the second support from a third Support that is worn during the Machining process according to the numerical control according to the dwarf to each other and to the rotary eight perpendicular Axis is adjustable to this rotating eight of the second support according to vertical coordinates arranged to each other adjust and the curved surface to process the work hours, under simultaneous numerical control in two mutually perpendicular and / or Circular directions.
  • the workpiece is made by a head of one Revolver type rotary supports worn and can be used to make a convex non-spherical surface be rotated around its optical axis.
  • the object of the invention is to overcome the disadvantages of the prior art the technology, the inexpensive manufacture of aspherical lenses significantly improve and accelerate. Furthermore, the processing time should be short high precision can be achieved without the need for post-processing. An important goal is to assess the impact of tool wear on the To minimize lens shape as far as possible.
  • This simple and compact, modular structure of a grinding machine according to claim 1 is clear, very precisely controllable and economical, especially since conventional linear drives are used can find.
  • the integrated measuring and correction system ensures that precise and rational production of both extremely precise aspherical lens surfaces as well as so-called free-form surfaces, even in small series or Individual production.
  • the main advantages of the invention are that contour-accurate, rotationally symmetrical lens surfaces independent of the central one Planning ahead and making bills with potting tools can be different Can have diamond grit, but do not require dressing which would affect the lens geometry. That by means of the feed axes to the The pan tool brought up to the workpiece comes due to its preselected inclination only with the corresponding pre-selected location on the workpiece to the system, i.e. the peripheral edge of the pot tool only touches the workpiece in one relatively narrow point of contact.
  • the grinding machine runs the rotating driven Workpiece holder opposite to the pot tool around; it is equipped with a further feed drive along a vertical axis moved into a machining position, the workpiece spindle of the workpiece holder can be converted into a controlled rotary axis by switching axes.
  • the lead angle can always be in point contact Change the adjoining pot tool before starting the machining in such a way that a special desired grinding area diameter is set on the pot tool, at which the point of contact of the peripheral part always behind the piercing point of the Outer axis line is.
  • the grinding machine DE-A1-33 19 719 is missing an additional rotary actuator for one with respect to the workpiece holder coaxial axis, in particular in close proximity to the second Feed drive. Likewise there is a switchover device for the transition the holder operation from pure rotary motion to controlled rotary axis operation and vice versa not provided according to this prior art.
  • the device according to claim 2 is designed so that the pot tool arranged at a fixed distance from the transverse axis and by means of a linear feed drive is pivotable. According to claim 3, this can be parallel to the feed direction of the first drive, which offers structural advantages, e.g. a simplified Frame and slide design.
  • an in EP-A2-0 304 106 outlined method of a flat control surface, with selectable Axis offset is tangent to the rotating workpiece and together with a Tool is pivotable on a circular path about a common axis of rotation.
  • the extent of the axis offset determines the asphericity during machining, that happens in the dewatered state of the lens blank on a lathe. It however, every setting must be specified and not during the cutting process changeable so that precise individual adjustments are not possible.
  • a workpiece W is shown, which is in shape of a lens blank L from a pot tool T with inclined axis A along a machining contour K is processed.
  • a peripheral part U sits on the edge of the Workpiece W and touches it at point P, the Outer axis line A 'a constant lead angle ⁇ to the tangent F includes.
  • the workpiece W is rotating driven and runs counter to the pot tool um, from the edge of the workpiece W over the middle of which is led out.
  • the lead angle remains ⁇ , which is also between the outer axis line A ' and the normal N to the tangent F is recognizable (Fig. 1), the same throughout.
  • the point of contact P is always behind Piercing point of the outer axis line A ', and the contact line or - annular surface of the peripheral part U guaranteed an even and gentle Material removal.
  • the effective diameter D of the peripheral part U can tilt the pan tool T and the lead angle ⁇ for the respective Grinding or polishing task can be optimally set.
  • a preprocessing with a spherical surface O to be carried out with an adjustment angle (Fig. 2) a constant inclination of the pot tool T to Axis Z of the value spindle S is specified.
  • the structural design is illustrated in Fig. 3.
  • the CNC machine tool labeled 10 in total has a frame 12 with a table 14, on which a horizontal frame 16 is arranged. Thereon a carriage 18 with a housing 20 is displaceable arranged. With the housing 20 is a head 22 connected, which contains a reversing gear 24 and a rotatably driven tool spindle V holds.
  • a carriage 28 is on a vertical frame 26 a rotary drive 30 for a rotary spindle S, which carries a holder H for the workpiece W.
  • the carriage 18 is by means of a second feed drive I movable in the direction of an axis X.
  • a first feed drive II is provided for the carriage 28, which is a movement in the direction of an axis Z allows.
  • the head 22 is about a transverse axis B. swiveling, for which a third feed drive III is used, which is arranged parallel to the X axis.
  • a further feed drive IV available, which in relation is centered on the axis Z and after Switchover from the rotary drive of the workpiece spindle S their control by means of an additional rotary axis C enables.
  • FIG. 4 A general flow chart of the workflow can be seen from Fig. 4. First you choose the Processing type depending on whether an aspherical or spherical machining contour K (Fig. 1) specified becomes. Then the geometry type is selected, the can be convex, concave or flat. The associated Geometry parameters such as radius of curvature, outer diameter, Center thickness of the lens etc. and the tool or processing parameters as more effective Diameter of the peripheral part U, its lip radius, Lead angle b, feed speed and speed of the pot tool are then entered. This becomes the in the control unit Tool path calculated, whereupon the machining of the Lens is made along the machining contour K. in the Connection to this step of grinding and / or polishing, the surface O is scanned, what is used to obtain correction data, to correct the tool path for a Subsequent processing can be used.
  • Geometry parameters such as radius of curvature, outer diameter, Center thickness of the lens etc. and the tool or processing parameters as more effective Diameter of the peripheral part U, its lip radius, Lead angle
  • the basic structure of a suitable device is shown schematically in Fig. 5.
  • the CNC machine tool 10 has a control panel 40, preferably with Screen, and an input / output part 50 which can be designed as a keyboard. Both units stand in connection with a microprocessor computer R, the measuring systems M1 to M4 are assigned. The latter are connected to a control unit E, which the feed drives I to III directly influenced.
  • On Switching device or switch 60 is used, optionally only the rotary drive 30 for the workpiece spindle S or the fourth feed drive IV for the axis C to control.
  • the machine 10 has a modular structure and with (not shown) highly dynamic Servomotors. Interpolators, not shown ensure that the tool guide after Specification of the machining contour K in very fine steps - i.e. quasi-continuously - can be controlled and thus the manufacture of usable aspherical surfaces guaranteed. This can be compensatory movements are taken into account as well as possible Polishing allowances provided for an extremely aspherical contour can be a non-linear material removal to compensate.
  • the additional C-axis for the workpiece spindle S also allows free-form surface processing following basically the same procedure. Also here is a servo drive and a rotation measuring system provided for the controlled rotary axis, so that after Axis switching may require off-center surface machining can be executed. Are these not required, the switch 60 goes to clean Rotary drive 30 for the workpiece spindle S over.
  • a CNC machine tool with a rotating pot tool T for grinding and / or polishing a workpiece W in a bracket H is used.
  • the pot tool T is specified along a control unit E. Machining contour K performed such that between the longitudinal axis A of the pot tool T and the tangent F in its contact point P on the workpiece W an optional lead angle ⁇ of e.g. 0 ° kept constant becomes.
  • Each axis X, Z, B, C is a measuring system M1, M2, M3, M4 assigned, their measured values as well Sampling values of the processed surface in the control unit E feedable and in a microprocessor computer R by comparing the actual surface profile with the machining contour K for recalculating the Tool path can be evaluated.
  • the surface of the Lentil blank L can be pre-machined to a spherical shape, that of the given machining contour K is largely approximated.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)
  • Lenses (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen asphärischer Linsenoberflächen.
Zunächst wird auf die Herstellung optischer Linsen mit sphärischen Oberflächen Bezug genommen, die bei Glas-Rohlingen konventionell im Flächeri-Schleifverfahren mit anschließendem Polierprozeß erfolgt. Durch Flächenkontakt zwischen einem Polierwerkzeug und dem Werkstück erfolgt die Politur. Nachteilig ist aber, daß für verschiedene Kugelradien unterschiedliche Werkzeuge vorhanden sein müssen, von deren Zustand außerdem die Genauigkeit der fertigen Linse abhängt.
Ein anderes Herstellverfahren für sphärische Linsen bearbeitet die meist schon vorgeformten Glaspreßlinge mit einer Diamant-Topfscheibe durch Kugelschleifen. Der Vorschub erfolgt entweder mit der Werkzeugspindel oder mit der Werkstückspindel, zu der die Diamant-Topfscheibe unter einem definierten Winkel steht. Der Kugelradius an der Linse wird durch diesen Einstellwinkel bestimmt, so daß innerhalb gewisser Grenzen verschiedene Kugelformen mit ein und demselben Werkzeug herstellbar sind. Sein Schleifbelag verändert aber verschleißbedingt während des Schleifprozesses die Gestalt durch Anpassung an die sich ändernden Kugelradien. Wenn mit dem gleichen Topfwerkzeug wechselnde Kugelradien bearbeitet werden sollen, kann daher der zu erzeugende Schleifdurchmesser nicht im voraus festgelegt werden. Bedingt durch unterschiedliche Radien und durch Werkzeugabnutzung entstehen nicht vorhersehbare Eingriffszonen am Werkzeug, die zu ungewollten Makrogestalt-Änderungen an der Werkstück-Oberfläche führen. Solche Bearbeitungsfehler müssen durch nachfolgende Feinschleifprozesse beseitigt werden. Bei kleineren Serien mit häufig wechselnden Kugelradien ist der Anteil der Werkzeugkosten an den Gesamtkosten sowie der Fertigungsaufwand beim Schleifen sehr groß. Darüber hinaus wird häufig in zwei Stufen mit kleiner werdender Diamantkörnung geschliffen, so daß sich insgesamt die Bearbeitungszeit beim Schleifen beträchtlich verlängert.
Optische Linsen mit asphärischen Oberflächen bieten eine Reihe von Vorteilen. So ist die Abbildungsleistung gegenüber sphärischen Linsen deutlich erhöht. Bildfehler werden besser korrigiert, und in optischen Systemen kann durch den Einsatz asphärischer Linsen die Linsenanzahl verringert werden. Diese Vorteile ließen sich bisher nur in sehr geringem Umfang ausnutzen. Der fertigungstechnische Aufwand und die damit verbundenen hohen Stückkosten beschränkten herkömmlich die Verwendung asphärischer, lichtdurchlässiger Bauelemente auf Spezial- und Sonderanwendungen. Einzel- und Kleinserienfertigungen waren bislang aus Kostengründen nicht oder nur bedingt realisierbar.
Beispielsweise beschreibt die DE-A-2 441 976 einen Saughalter für Linsenrohlinge, die eine asphärische Oberfläche erhalten sollen. Deren in der Mitte eingesenkte Negativkontur ist auf der Oberseite eines steifen Glasblocks ausgebildet. Dieser ist zentrisch durchbohrt und auf einem Tellerfutter eingespannt, das über eine Hohlwelle mit Pumpenanschluß drehbar angetrieben wird. Der angesaugte Rohling kann nach Bearbeitung seiner Oberseite gewendet und auf einem ähnlich geformten zweiten Glasblock an seiner Unterseite bearbeitet werden. Das Verfahren setzt dünne, biegbare Rohlinge voraus und weist die obengenannten Nachteile auf.
EP-A2-0 453 094 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schleifen von torischen Linsen. Ein rotierendes Diamant-Topfwerkzeug wird mit einem vorgewählten Kopfwinkel in einer Schwenkbewegung über einen linear zugeführten Linsenrohling geführt, wobei der Schwenkradius des Werkzeugs während einer Schwenkbewegung verändert werden kann. Das Topfwerkzeug ist auf einem schwenkbar gelagerten Kreuzschlitten angeordnet, der auf einem um eine horizontale Achse schwenkbaren und in radialer Richtung ein- und ausfahrbaren Basisschlitten montiert ist. Um den Kopfwinkel und damit die Vertikalkrümmung der Linse entlang der sich verändernden Kreisbahn konstant zu halten, wird das Werkzeug mit Hilfe des Kreuzschlittens entsprechend seiner Position nachjustiert. Zur Berechnung der erforderlichen Ausrichtung bzw. Nachjustierung beider Schlitten entlang ihrer Bahn mit Hilfe eines Mikroprozessors, wird der Schwenkwinkel des Basisschlittens während seiner Bewegung von einem Sensor erfaßt. Nach Beendigung einer Schwenkbewegung wird der Linsenrohling mittels eines Vorschubantriebs nachgestellt. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis eine gewünschte Linsendicke erreicht ist.
Das Schleifen asphärischer Glaslinsen mit hoher Präzision erfordert einen nachfolgenden Polierprozeß, der wegen der nicht-kugelförmigen Gestalt der Linsenoberfläche allerdings nicht einfach im Flächenkontakt erfolgen kann. Vielmehr sind flexible und sehr kleine Polierwerkzeuge notwendig, um eine möglichst genaue Abbildung der Asphäre zu erreichen. Herkömmlich besteht dabei der Nachteil, daß aufgrund des mechanischen Aufbaues und der Nachgiebigkeit des Werkzeugs Bewegungen, die der Asphären-Geometrie exakt entsprechen, nicht ohne weiteres ausgeführt werden können. Die Gestaltabweichung vergrößert sich mit zunehmender Polierzeit und wachsendem Verschleiß.
DE-A1-33 19 719 offenbart eine Maschine for die Bearbeitung gekrümmtes werkstückflächen, insbesondere konkaves oder konvexer Rugflächen, sowie nicht-sphärischer Drehkörperflachen von Werkstücken die aus für die geplante verwendung geeignetem werkstoff bestehen , vermittels eines materialabhebenden werkzeugs. In einem Maschinengestell ist ein erstes Drehwerkzeug support angeordnet, wobei das Drehwerkzeug ein topfförmiges Schleifwerzen ist. Das mit der zu bearbeitenden gekrümmten oberfläche des in Bezug auf das Maschinengestell atsfesten, Drehend antreibbaren werkstiches während des Bearbeitungsvorgangs in Berührung bringar ist. Die Spindel des Werkzeugs ist an einem zwerten support befestigt, der während des Bearbeitungsvorgangs mittels eines systems mit numerisches steuerung um eine zur Drehachse des Werkzeuges senkrechte Drehachse drehbas ist, wobei der zweite Support sinerseits von einem dritten Support getragen wird, der während des Bearbeitungsvorgangs nach maßgabe der numerischen steuerung gemäß zwerer zueinander und zu der Drehachte senkrechten Achsen verstellbar ist, um diese Drehachte des zweiten Supports gemäß senkrecht zueinander angeordneter koordinaten einzustellen und die gekrümmte Oberfläche des Werkstüdes zu bearbeiten, unter gleichzeitrager numerischer steuerung in zwei zueinander senkrechten und/oder Kreisformigen Richtungen. Das werkstuch wird von einem Kopf eines Drehsupports vom Revolvertyp getragen und kann zur Herstellung eines konvexen nicht - spharischen Oberfläche um seine optische Achse gedreht weden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Überwindung der Nachteile des Standes der Technik die kostengünstige Herstellung asphärischer Linsen wesentlich zu verbessern und zu beschleunigen. Ferner soll eine geringe Dauer der Bearbeitung bei hoher Präzision erreicht werden, ohne daß eine Nachbearbeitung erforderlich würde. Ein wichtiges Ziel besteht darin, Auswirkungen des Werkzeugverschleißes auf die Linsengestalt weitestgehend herabzusetzen.
Die Erfindung ist im unabhängigen Anspruch 1 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 3. Eine Verwendung der erfgemäßen Vorrichtung ist in Anspruch 4 spezifiziert.
Dieser einfache und kompakte, modulare Aufbau einer Schleifmaschine nach Anspruch 1 ist übersichtlich, sehr genau steuerbar und wirtschaftlich, zumal herkömmliche Linearantriebe Verwendung finden können. Durch das integrierte Meß- und Korrektursystem gewährleistet er eine präzise und rationelle Herstellung sowohl von äußerst präzisen asphärischeri Linsenoberflächen als auch von sogenannten Freiform-Oberflächen, selbst in der Kleinserienoder Einzelfertigung. Wesentliche Vorteile der Erfindung beruhen darauf, daß man konturgenaue rotationssymmetrische Linsenoberflächen unabhängig von zentraler Vorausplanung und Rechnung mit Topfwerkzeugen herstellen kann, die unterschiedliche Diamantkörnung besitzen können, aber keine Abrichtvorgänge erfordern, welche die Linsengeometrie beeinflussen würden. Das mittels der Vorschubachsen an das Werkstück herangeführte Topfwerkzeug kommt aufgrund seiner vorgewählten Neigung nur mit der entsprechend vorgewählten Anlagestelle an dem Werkstück zur Anlage, d.h. der Umfangsrand des Topfwerkzeugs berührt das Werkstück lediglich in einem relativ schmalen Berührungspunkt.
Bei der Schleifmaschine nach Anspruch 1 gemäß läuft die rotierend angetriebene Werkstückhalterung entgegengesetzt zum Topfwerkzeug um; sie wird mit einem weiteren Vorschubantrieb entlang einer vertikalen Achse in eine Bearbeitungsposition bewegt, wobei die Werkstückspindel der Werkstückhalterung durch Achsumschaltung in eine gesteuerte Rundachse verwandelbar ist. Darüber hinaus kann man erfindungsgemäß den Vorhaltewinkel des stets im Punktkontakt anliegenden Topfwerkzeugs vor Beginn der Bearbeitung derart ändem, daß ein speziell gewünschter Schleifbereichs-Durchmesser am Topfwerkzeug eingestellt wird, bei welchem der Berührungspunkt des Umfangteils stets hinter dem Durchstichpunkt der Außenachslinie liegt. - Bei der Schleifmaschine DE-A1-33 19 719 fehlt ein zusätzlicher Drehantrieb für eine in bezug auf die Werkstückhalterung koaxiale Achse, insbesondere in räumlicher Nähe zu dem zweiten Vorschubantrieb. Desgleichen ist eine Umschalt-Einrichtung zum Übergang des Halterungs-Betriebs von reiner Drehbewegung auf gesteuerten Rundachsen-Betrieb und umgekehrt nach diesem Stand der Technik nicht vorgesehen.
Bevorzugt ist die Vorrichtung nach Anspruch 2 so ausgebildet, daß das Topfwerkzeug in festem Abstand zu der Querachse angeordnet und mittels eines linearen Vorschubantriebs verschwenkbar ist. Dieser kann laut Anspruch 3 parallel zu der Vorschubrichtung des ersten Antriebs angeordnet sein, was bauliche Vorteile bietet, z.B. eine vereinfachte Rahmen- und Schlittengestaltung.
Die Verwendung einer Vorrichtung der oben definierten Art zum Herstellen von asphärischen Oberflächen an Linsenrohlingen durch Schleifen und/oder Polieren mit punktförmiger Berührung des Topfwerkzeugs unter wählbarem Konstant-Vorhaltewinkel entlang der Bearbeitungskontur, wobei das Topfwerkzeug am Linsenrohling entlang der über die Steuereinheit vorgegebenen Bearbeitungskontur derart geführt wird, daß zwischen der Längsachse des Topfwerkzeugs und der Tangente in seinem Berührungspunkt am Werkstück der wählbare Vorhaltewinkel (Kopfwinkel) konstant eingehalten wird, ist nach Anspruch 4 gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • a) das mit einem Drehantrieb rotierend angetriebene Topfwerkzeug wird mit einer über den Vorhaltewinkel wählbaren Anlagestelle an das um die erste Vorschubachse rotierende Werkstück heranbewegt,
  • b) das Topfwerkzeug wird mittels der Steuereinheit durch Interpolationssteuerung der Vorschubachsen sowie der Schwenkachse vom Rand des Werkstücks zu seiner Mitte und darüber hinaus entlang der Bearbeitungskontur geführt,
  • c) während oder nach der Bearbeitung des Werkstücks werden Abtastwerte seiner Oberfläche gewonnen und bei Folgebearbeitung durch geänderte Bahnführung des Topfwerkzeugs in der Steuereinheit berücksichtigt.
    • Die erwähnte Optimierung der Schleifbearbeitung durch vorherige Wahl des Vorhaltewinkels derart, daß ein speziell gewünschter Schleifbereichs-Durchmesser am Topfwerkzeug eingestellt wird und/oder der Materialabtrag in günstigster Weise erfolgt, ist insbesondere für die zielgerichtete Asphärenbearbeitung mit dem Topfwerkzeug von großer Bedeutung.
    Speziell für weiche Kontaktlinsen mit sphärischer Rückseite bedient sich zwar ein in EP-A2-0 304 106 dargelegtes Verfahren einer ebenen Steuerfläche, die mit wählbarer Achsversetzung tangential am rotierenden Werkstück anliegt und zusammen mit einem Werkzeug auf einer Kreisbahn um eine gemeinsame Drehachse verschwenkbar ist. Das Ausmaß der Achsversetzung bestimmt die Asphärizität während der Bearbeitung, die im entwässerten Zustand des Linsenrohlings auf einer Drehbank vor sich geht. Es ist jedoch jede Einstellung vorzugeben und während des Schneidvorgangs nicht veränderlich, so daß genaue individuelle Anpassungen nicht möglich sind.
    Wesentliche Vorteile der Erfindung beruhen darauf, daß man konturgenaue rotationssymmetrische Linsenoberflächen unabhängig von zentraler Vorausplanung und Rechnung mit Topfwerkzeugen herstellen kann, die unterschiedliche Diamantkörnungen besitzen können, aber keine Abrichtvorgänge erfordem, welche die Linsengeometrie beeinflussen würden.
    Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
    Fig. 1
    eine schematische Seitenansicht einer Bearbeitungsgeometrie mit unterschiedlich geneigtem Topfwerkzeug,
    Fig. 1a
    eine vergrößerte Seitenansicht der Werkzeugstellung bei Arbeitsbeginn,
    Fig. 1b
    eine vergrößerte Seitenansicht der Werkzeugstellung bei Arbeitsende,
    Fig. 2
    eine schematische Seitenansicht eines Topfwerkzeuges bei sphärischer Linsenbearbeitung,
    Fig. 3
    eine schmematisierte Schrägansicht einer CNC-Werkzeugmaschine mit vier Achsen,
    Fig. 4
    ein Flußdiagramm eines Arbeitsablaufs und
    Fig. 5
    ein Grundschema einer CNC-Werkzeugmaschnine.
    In den schematisierten Darstellungen der Fig. 1, 1a, 1b, 2 ist ein Werkstück W dargestellt, das in Form eines Linsenrohlings L von einem Topfwerkzeug T mit geneigter Achse A entlang einer Bearbeitungkontur K bearbeitet wird. Ein Umfangsteil U setzt am Rand des Werkstücks W an und berührt es im Punkt P, wobei die Außenachslinie A' einen konstanten Vorhaltewinkel β zur Tangente F einschließt. Das Werkstück W ist rotierend angetrieben und lauft entgegengesetzt zum Topfwerkzeug um, das vom Rand des Werkstücks W über dessen Mitte hinaus geführt wird. Dabei bleibt der Vorhaltewinkel β, der auch zwischen der Außenachslinie A' und der Normalen N auf die Tangente F erkennbar ist (Fig. 1), durchgehend gleich. Er kann zu Arbeitsbeginn 0° betragen, bedarfsweise aber auch anders eingestellt werden. Man erkennt, daß im Verlaufe der Bearbeitung der Tangentenwinkel τ zur Oberfläche O immer kleiner wird. Der Berührungspunkt P liegt stets hinter dem Durchstichpunkt der Außenachslinie A', und die Berührungslinie bzw. - ringfläche des Umfangsteils U gewährleistet einen gleichmäßigen und schonenden Materialabtrag. Abhängig vom wirksamen Durchmesser D des Umfangsteils U kann die Neigung des Topfwerkzeugs T und der Vorhaltewinkel β für die jeweilige Schleif- bzw. Polieraufgabe optimal eingestellt werden. Ist eine Vorbearbeitung mit sphärischer Oberfläche O durchzuführen, so wird mit einem Einstellwinkel (Fig. 2) eine gleichbleibende Neigung des Topfwerkzeugs T zur Achse Z der Wertstückspindel S vorgegeben.
    Der konstruktive Aufbau ist in Fig. 3 veranschaulicht. Die insgesamt mit 10 bezeichnete CNC-Werkzeugmaschine hat ein Gestell 12 mit einem Tisch 14, auf dem ein Horizontalrahmen 16 angeordnet ist. Darauf ist ein Schlitten 18 mit einem Gehäuse 20 verschieblich angeordnet. Mit dem Gehäuse 20 ist ein Kopf 22 verbunden, der ein Umlenkgetriebe 24 enthält und eine drehbar angetriebene Werkzeugspindel V haltert. An einem Vertikalrahmen 26 ist ein Schlitten 28 mit einem Drehantrieb 30 für eine Rotationsspindel S angeordnet, die eine Halterung H für das Werkstück W trägt.
    Der Schlitten 18 ist mittels eines zweiten Vorschubantriebs I in Richtung einer Achse X beweglich. Für den Schlitten 28 ist ein erster Vorschubantrieb II vorgesehen, der eine Bewegung in Richtung einer Achse Z ermöglicht. Der Kopf 22 ist um eine Querachse B schwenkbar, wozu ein dritter Vorschubantrieb III dient, der parallel zur Achse X angeordnet ist. Man erkennt, daß nur durch Zusammenwirken zweier Linearantriebe in Richtung der Achsen X und Z sowie durch eine Schwenkbewegung um die Querachse B das Topfwerkzeug T mit seinem Umfangsteil U gegenüber dem (in Fig. 3 weggelassenen) Werkstück auf der Halterung H steuerbar ist. Zusätzlich ist ein weiterer Vorschubantrieb IV vorhanden, der in bezug auf die Achse Z mittig angeordnet ist und nach Umschaltung vom Drehantrieb der Werkstückspindel S deren Steuerung mittels einer zusätzlichen Rundachse C ermöglicht.
    Ein allgemeines Flußdiagramm des Arbeitsablaufes ist aus Fig. 4 ersichtlich. Man wählt zunächst die Bearbeitungsart je nachdem, ob eine asphärische oder sphärische Bearbeitungskontur K (Fig. 1) vorgegeben wird. Sodann folgt die Anwahl der Geometrieart, die konvex, konkav oder plan sein kann. Die zugehörigen Geometrie-Parameter wie Krümmungsradius, Außendurchmesser, Mittendicke der Linse usw. und die Werkzeug- bzw. Bearbeitungs-Parameter wie wirksamer Durchmesser des Umfangsteils U, sein Lippenradius, Vorhaltewinkel b, Vorschubgeschwindigkeit und Drehzahl des Topfwerkzeugs werden anschließend eingegeben. Daraus wird in der Steuereinheit die Werkzeugbahn berechnet, worauf die Bearbeitung der Linse entlang der Eearbeitungskontur K erfolgt. Im Anschluß an diesen Arbeitsgang des Schleifens und/oder Polierens wird die Oberfläche O abgetastet, was zur Gewinnung von Korrekturdaten benutzt wird, die zu einer Berichtigung der Werkzeugbahn für eine Folgebearbeitung benutzt werden können.
    Die Grundstruktur einer geeigneten Vorrichtung ist in Fig. 5 schematisch dargestellt. Die CNC-Werkzeugmaschine 10 hat eine Bedientafel 40, vorzugsweise mit Bildschirm, sowie einen Eingabe-/Ausgabeteil 50, der als Tastatur ausgebildet sein kann. Beide Einheiten stehen mit einem Mikroprozessor-Rechner R in Verbindung, dem Meßsysteme M1 bis M4 zugeordnet sind. Letzere sind mit einer Steuereinheit E verbunden, welche die Vorschubantriebe I bis III direkt beeinflußt. Ein Umschalt-Einrichtung oder Weiche 60 dient dazu, wahlweise nur den Drehantrieb 30 für die Werkstückspindel S oder den vierten Vorschubantrieb IV für die Achse C zu steuern.
    Die Maschine 10 ist modular aufgebaut und mit (nicht gezeichneten) hochdynamischen Servomotoren ausgestattet. Nicht dargestellte Interpolatoren sorgen dafür, daß die Werkzeugführung nach Vorgabe der Bearbeitungskontur K in feinsten Schritten - d.h. quasikontinuierlich - gesteuert werden kann und so die Herstellung gebrauchsfähiger Asphären-Oberflachen gewährleistet. Dabei können Ausgleichsbewegungen ebenso berücksichtigt werden wie eventuelle Polieraufmaße, die bei extrem asphärischer Kontur vorgesehen werden können, um einen nichtlinearen Materialabtrag zu kompensieren.
    Man erkennt, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit der erfindungsgemäßen CNC-Werkzeugmaschine die universelle Linsenbearbeitung mit asphärischen, aber auch sphärischen Oberflächen vorteilhaft durchführbar ist. Die Anordnung eignet sich insbesondere auch für die Kleinserien- oder Einzelfertigung.
    Die zusätzliche C-Achse für die Werkstückspindel S gestattet außerdem eine Freiform-Oberflächenbearbeitung nach grundsätzlich gleichem Verfahren. Auch hier ist ein Servoantrieb und ein Rotationsmeßsystem für die gesteuerte Rundachse vorgesehen, so daß nach Achsumschaltung bedarfsweise außermittige Flächenbearbeitungen ausgeführt werden können. Sind diese nicht erforderlich, so geht die Weiche 60 auf reinen Drehantrieb 30 für die Werkstückspindel S über.
    Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt; vielmehr sind zahlreiche Abwandlungen möglich. Man erkennt jedoch, daß bei einem Verfahren zum Herstellen von asphärischen Oberflachen an Linsenrohlingen L namentlich aus Glas erfindungsgemäß bevorzugt eine CNC-Werkzeugmaschine mit einem rotierend zustellbaren Topfwerkzeug T zum Schleifen und/oder Polieren eines Werkstücks W in einer Halterung H benutzt wird. Das Topfwerkzeug T wird entlang einer über eine Steuereinheit E vorgegebenen Bearbeitungskontur K derart geführt, daß zwischen der Längsachse A des Topfwerkzeugs T und der Tangente F in seinem Berührungspunkt P am Werkstück W ein wahlbarer Vorhaltewinkel β von z.B. 0° konstant eingehalten wird. Zumindest ein Vorschubantrieb (z.B. I) wird in bezug auf einen anderen (z.B. II) um eine Querachse B verschwenkt, vorzugsweise unter Interpolationssteuerung eines weiteren Antriebs III, um das Topfwerkzeug T vom Rand des Werkstücks W zu seiner Mitte und darüber hinweg entlang einer Meridianlinie zu führen. Ein zusätzlicher Vorschubantrieb IV ermöglicht die Steuerung der Werkstückhalterung H um eine mittige Achse C. Jeder Achse X, Z, B, C ist ein Meßsystem M1, M2, M3, M4 zugeordnet, deren Meßwerte sowie Abstastwerte der bearbeiteten Oberfläche in die Steuereinheit E einspeisbar und in einem Mikroprozessor-Rechner R durch Vergleich des Oberflächen-Istverlaufs mit der Bearbeitungskontur K zur Nachberechnung der Werkzeugbahn auswertbar sind. Die Oberfläche des Linsenrohlings L ist auf eine sphärische Gestalt vorbearbeitbar, die der vorgegebenen Bearbeitungskontur K weitestgehend angenähert ist.
    Bezugszeichen-Liste
    α
    Einstellwinkel
    β
    Vorhaltewinkel
    τ
    Tangentenwinkel
    I, II, III, IV
    Vorschubantriebe
    A
    Achse (von T)
    A'
    Außenachslinie
    B
    Querachse
    C
    mittige Achse
    D
    Durchmesser (von U)
    E
    Steuereinheit
    F
    Tangente
    H
    Halterung
    K
    Bearbeitungskontur
    L
    Linsenrohling
    M1,M2,M3,M4
    Meßsysteme
    N
    Normale (zu F)
    O
    Oberfläche (von W)
    P
    Berührungspunkt (T auf W)
    R
    Mikroprozessor-Rechner
    S
    (Rotations-)Spindel
    T
    Topfwerkzeug
    U
    Umfangsteil
    V
    Werkzeugspindel
    W
    Werkstück
    X
    Achse
    Z
    Achse
    10
    CNC-Werkzeugmachine
    12
    Gestell
    14
    Tisch
    16
    Horizonalrahmen
    18
    Schlitten
    20
    Gehäuse
    22
    Kopf
    24
    Umlenkgetriebe
    26
    Vertikalrahmen
    28
    Schlitten
    30
    Drehantrieb (für H/W)
    40
    Bedientafel
    50
    Eingabe-/Ausgabe-Einheit
    60
    Umschalt-Einrichtung / Weiche

    Claims (4)

    1. Vorrichtung zum Herstellen von asphärischen Oberflächen an Linsenrohlingen (L), namentlich aus Glas, bestehend aus einer CNC-Werkzeugmaschine mit einer Steuereinheit (E), mit einem um eine Achse (A) rotierend angetriebenen zustellbaren Topfwerkzeug (T) zum Schleifen und/oder Polieren des Linsenrohlings (L) und mit einer mittels eines ersten Vorschubantriebs (II) entlang einer ersten Vorschubachse (Z) in eine Bearbeitungsposition bewegbaren Halterung (H) zur Aufnahme des Linsenrohlings (L), wobei das Topfwerkzeug (T) um eine Schwenkachse (B) senkrecht zur ersten Vorschubachse (Z) schwenkbar und mittels eines zweiten Vorschubantriebs (I) entlang einer zweiten Vorschubachse (X) senkrecht zur Schwenkachse (B) sowie zur ersten Vorschubachse (Z) linear verstellbar ist und wobei jeder Achse (X, Z, B) ein Meßsystem (M1, M2, M3, M4) zugeordnet ist, deren Meßwerte sowie Abtastwerte der bearbeiteten Oberfläche in die Steuereinheit (E) einspeisbar und in einem Mikroprozessor-Rechner (R) durch Vergleich des Oberflächen-lstverlaufs mit einer Bearbeitungskontur (K) zur Korrektur der Werkzeugbahn auswertbar sind, wobei das Topfwerkzeug (T) an die mittels eines Drehantriebs (30) um die erste Vorschubachse (Z) rotierbare Halterung (H) mit einer über einen Vorhaltewinkel (β) wählbaren Anlagestelle (P) heranführbar und mittels der Steuereinheit (E) durch Interpolationssteuerung der Vorschubachsen (X, Z) sowie der Schwenkachse (B) vom Rand des Werkstücks (W) zu seiner Mitte und darüber hinaus mit punktförmiger Berührung am Linsenrohling (L) entlang der Bearbeitungskontur (K) führbar ist, wobei die Werkstückhalterung (H) bei eingeschaltetem Drehantrieb (30) entgegengesetzt zum Topfwerkzeug (T) umläuft und mit dem ersten Vorschubantrieb (II) entlang der vertikalen zur achse (Z) in eine Bearbeitungsposition bewegbar ist, wobei zur Rotation der Werkstücks halterung (H) um eine zuzätzliche, zu der vertikalen ersten Vorschubachse (Z) koaxiale Achse (C) ein zusätzlicher Antriebs modul (IV) vorhanden ist, insbesondere in räumlicher Nähe zu dem ersten Vorschubantrieb (II), wobei der zusätzliche Antrieb (IV) einem gesteuerten Rundachsenbetrieb dient, und wobei eine Umschalt-Einrichtung (60) zum Übergang des mittels des ersten Drehantriebs (30) durchführbaren Halterungs-Betriebs von reiner Drehbewegung auf mittels des zusätzlichen Antriebs moduls (IV) durchfürhrbaren gesteuerten Rundachsen-Betrieb und umgekehrt vorhanden ist.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Topfwerkzeug (T) in festem Abstand zu der Querachse (B) angeordnet und mittels eines linearen dritten Vorschubantriebs (III) verschwenkbar ist.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Vorschubantrieb (III) parallel zu der Vorschubrichtung des zweiten Antriebs (I) angeordnet ist.
    4. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Herstellen von asphärischen Oberflächen an Linsenrohlingen (L) durch Schleifen und/oder Polieren mit punktförmiger Berührung (P) des Topfwerkzeugs (T) unter wählbarem Konstant-Vorhaltewinkel (β) entlang der Bearbeitungskontur (K), wobei das Topfwerkzeug (T) am Linsenrohling (L) entlang der über die Steuereinheit (E) vorgegebenen Bearbeitungskontur (K) derart geführt wird, daß zwischen der Längsachse (A) des Topfwerkzeugs (T) und der Tangente (F) in seinem Berührungspunkt (P) am Werkstück (W) der wählbare Vorhaltewinkel (Kopfwinkel β) konstant eingehalten wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
      a) das mit einem Drehantrieb rotierend angetriebene Topfwerkzeug (T) wird mit einer über den Vorhaltewinkel (β) wählbaren Anlagestelle (P) an das um die erste Vorschubachse (Z) rotierende Werkstück (W) heranbewegt,
      b) das Topfwerkzeug (T) wird mittels der Steuereinheit (E) durch Interpolationssteuerung der Vorschubachsen (X) und (Z) sowie der Schwenkachse (B) vom Rand des Werkstücks (W) zu seiner Mitte und darüber hinaus entlang der Bearbeitungskontur (K) geführt,
      c) während oder nach der Bearbeitung des Werkstücks (W) werden Abtastwerte seiner Oberfläche gewonnen und bei Folgebearbeitung durch geänderte Bahnführung des Topfwerkzeugs (T) in der Steuereinheit (E) berücksichtigt
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