DE10164628A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Polieren von Linsen - Google Patents

Abstract

Zum Polieren vorgeschliffener Linsen sieht die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren mit einem variablen Formwerkzeug vor zur Verwendung in Poliermaschinen, die über mindestens eine Werkstückspindel und eine Werkzeugspindel verfügen, wobei man an einer nachgiebigen Arbeitsfläche (31) des Formwerkzeugs einen Negativabdruck der Oberfläche einer zu bearbeitenden Linse (61) erzeugt und fixiert, indem eine innerhalb eines Gehäuseteils (34) befindliche magnetisierbare Suspension (36) unter Druckluft-Belastung einer Gummimembran (41) das Anlegen der Arbeitsfläche (31) an die Linsenoberfläche bewirkt und indem die Suspension (36) elektromagnetisch verfestigt wird, namentlich durch das Magnetfeld einer das Gehäuseteil (34) umschließenden, mit Gleichstrom versorgbaren Spule (34), worauf man den Poliervorgang mit der so verfestigten Arbeitsfläche (31) durchführt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Polieren von Linsen gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 10.

Optische Linsen werden aus Rohlingen vorgeschliffen, worauf die optisch aktiven Flächen poliert werden. Übliche Poliermaschinen haben eine Werkstück- und eine Werkzeugspindel, beide gleichsinnig rotatorisch angetrieben. Zunächst stehen die Spindeln einander z. B. vertikal gegenüber. Zum Polieren werden durch Schrägstellung einer Spindel oder durch eine Schwabbeleinrichtung unterschiedliche Relativgeschwin­ digkeiten zwischen Formwerkzeug und Linse erzeugt, wobei die Spindelachsen so ausgerichtet werden, daß ihr Schnittpunkt im Radienmittelpunkt der zu bearbeitenden Linsenoberfläche liegt. Mit Formwerkzeugen, welche die zu polierende Linse flächig berühren, wird in kurzer Bearbeitungszeit ein großer Materialabtrag erzielt. Je nach Krümmungsradius benötigt man aber für jede Linsenform ein eigenes Werkzeug, das einen Negativabdruck der Linsenoberfläche aufweist.

Bei der Brillenherstellung müssen auch asphärische Linsen für sog. Gleitsichtgläser bearbeitet werden, die eine individuelle, z. B. torisch gekrümmte Oberflächengeometrie oder Freiformflächen besitzen. Wegen der fehlenden Rotationssymmetrie genügen die einfachen, sphärisch gekrümmten Formwerkzeuge hierfür nicht. Man stellt bei einem Verfahren der feststehenden Linse ein schwabbelndes Polierwerkzeug gegenüber, so daß jeder Punkt seiner aktiven Oberfläche kleine Kreisbewegungen ausführt, deren Radius die Polierleistung beeinflußt. Allerdings ist der Radius kritisch und nach oben begrenzt, weil die Krümmungen von Linse und Formwerkzeug bei diesen Schwabbel­ bewegungen nicht genau übereinander liegen, wodurch der Materialabtrag ungleich­ mäßig wird. Mit einer weichen Oberfläche, die sich der Linsenform anpaßt, läßt sich ein gewisser Ausgleich und damit eine gute Flächenqualität erzielen.

Da Linse und Formwerkzeug nicht rotationssymmetrisch sind, ist die genaue und konstante Zuordnung der Konturen wichtig für andere Verfahren, die sich des syn­ chronen und phasenwinkelkonstanten Antriebs von Werkstück- und Werkzeugspindel bedienen, wobei z. B. eine obere Spindel schrägstellbar ist (B-Achse), während die untere Spindel (C-Achse) mit einem Kreuzschlitten horizontal und vertikal bewegt wird (X- und Z-Achse). Weil asphärische Linsen und insbesondere Mehrsichtgläser mehrere Krümmungsradien und daher auch mehrere Radienmittelpunkte haben, werden letztere in der Praxis gemittelt, um eine genäherte Übereinstimmung mit dem Achsen­ schnittpunkt zu erlangen. Bei einer Methode setzt man daher zwischen der Werk­ zeugspindel und dem Polierwerkzeug oder zwischen der Werkstückspindel und der Linsenaufnahme ein Universalgelenkfutter ein, dessen Grundkörper am vorderen Ende ein Kugelgelenk trägt. Eine dieses umschließende Gummimanschette dichtet gegen die Poliersuspension ab und kann Mitnehmer für die Linsenaufnahme sein. Bei kom­ plexer Oberflächengeometrie ist großer Aufwand für die mechanische Bearbeitung der Formwerkzeuge erforderlich, die man in beachtlicher Zahl braucht. Man erstellt sie zur Kostenersparnis mit abgestuften Radien, doch hat dies bei der Brillenanpassung zwangsläufig Einbußen an Genauigkeit und mithin an Sehkomfort der Linsenbenutzer zur Folge.

Bei einer weiteren Methode ist an der obenliegenden Werkzeugspindel ein Polierstift befestigt, der ungesteuert rotiert und eine gewünschte Freiformfläche senkrecht zur Linsenoberfläche abfährt, die durch Ansteuern der B-, C-, X- und Z-Achsen in vorge­ gebene Positionen gebracht wird. Die Einstellung der Verweilzeiten bestimmt den Materialabtrag im Feinbereich, wobei ein möglichst kleiner Durchmesser des Polier­ stifts die Genauigkeit steigert. Für hochwertige Linsen wird die Geometrie mit einem Interferometer oder mechanisch vermessen. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit wäre allerdings ein großer Polierstift-Durchmesser vorzuziehen, womit jedoch unpräzise Linsenformen entstehen. Ähnlich gegenläufige Forderungen bestehen bei dem Material des Polierstifts, das im Hinblick auf seine Standzeit möglichst hart, zum Erreichen hoher Oberflächengüte aber weich sein soll.

In DE 44 42 181 C1 ist ein Werkzeug zur Feinbearbeitung optischer Flächen beschrie­ ben. Sein elastischer Körper besteht aus einem Halter für eine Membran, die zusam­ men mit einem Faltenbalg einen Hohlraum begrenzen, der mit einer plastisch verform­ baren Masse (memory foam oder Wood-Metall) gefüllt ist. Letztere ermöglicht in einem nachgiebigen Zustand die Druck-Abformung einer Fläche; nach dem Erstarren der Masse behält der Körper die abgeformte Gestalt bei. Als Nachteil ist anzusehen, daß ungewollte Wärme- und Druckeinflüsse Änderungen der abgeformten Gestalt bewirken können, wozu bei Schaumstoff schon eine Temperatur nahe 30°C ausreicht. Auch Wood-Metall ist weich und entsprechend eindruckempfindlich; überdies bestehen Bedenken bezüglich etwaiger Umweltbelastung.

Ein anderes Abformwerkzeug zum Linsenpolieren geht aus US 4 831 789 hervor. Es hat zwei separat pneumatisch beaufschlagbare Membranen, zwischen denen eine Füllung von "beads", z. B. Glaskügelchen oder Sand, inkompressibel sein soll. Bei Atmosphärendruck wird die äußere Membran auf eine gewölbte Fläche gesetzt; mit Unterdruck wird die Füllung starr gemacht. Überdruck hinter der inneren Membran ermöglicht die Abformung konkaver Flächen. Bei diesem recht anspruchsvollen Werk­ zeug spielen seine Abmessungen und die Korngröße des Füllmaterials eine ebenso große Rolle wie die momentanen Druckverhältnisse, so daß die Handhabung seitens des Benutzers einiges Geschick und viel Aufmerksamkeit erfordert.

Bei einer Anordnung gemäß EP 0 884 135 A2 ist ebenfalls zwischen zwei Membranen ein Paket von Stäben in einem z. B. zylindrischen Käfig gehalten. Die Druckschrift behandelt recht ausführlich Werkstoffe, verschiedene Varianten der äußeren Mecha­ nik, den pneumatischen Anschluß und die Längsverschiebung der Stäbe relativ zuein­ ander. Unklar ist, ob und wie sich die Stäbe nach dem Abtasten einer Linsenfläche in ihrer Abform-Position halten lassen. Wenn allein der auf die äußere Membran wirkende Druck maßgeblich ist, muß die Vorrichtung beim Abheben von der bearbeiteten Linse den gewonnenen Negativabdruck sogleich einbüßen, der also nicht länger konser­ vierbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einerseits die Wirtschaftlichkeit des Fertigungsvorgangs beim Linsenpolieren und andererseits die Genauigkeit der optisch aktiven Oberflächen der erzeugten Linsen zu steigern. Polierstift-Werkzeuge und ihr Einsatz sollen auf wirt­ schaftliche Weise so verbessert werden, daß die Feinbearbeitung von Linsen, insbe­ sondere auch Freiformflächen, bei erhöhter Qualität und Genauigkeit in kürzerer Zeit als herkömmlich erfolgt. Zudem sollen Werkzeugkosten und Lagerhaltung reduziert werden.

Die Erfindung umfaßt nach Anspruch 1 eine Vorrichtung mit einem variablen Form­ werkzeug zum Polieren vorgeschliffener Linsen, zur Verwendung in einer Polier­ maschine, die über mindestens eine Werkstückspindel und eine Werkzeugspindel verfügt, mit einem Gehäuseteil, das von einer Gummimembran und von einer ihr gegenüberliegenden, nachgiebigen Arbeitsfläche begrenzt ist und dazwischen eine magnetisierbare Suspension enthält, mit einem Druckluft-Anschluß zur Beauf­ schlagung der Gummimembran, um das Anlegen der Arbeitsfläche an die Oberfläche einer zu bearbeitenden Linse zu bewirken und davon einen Negativabdruck zu gewinnen, und mit einer Einrichtung zum elektromagnetischen Verfestigen der Suspension, wodurch der an der Arbeitsfläche erzeugte Negativabdruck der Linsen­ oberfläche fixierbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht gemäß Anspruch 10 zum Polieren vorge­ schliffener Linsen ein variables Formwerkzeug zur Verwendung in Poliermaschinen vor, die über mindestens eine Werkstückspindel und eine Werkzeugspindel verfügen, wobei man an einer nachgiebigen Arbeitsfläche des Formwerkzeugs einen Negativ­ abdruck der Oberfläche einer zu bearbeitenden Linse erzeugt und fixiert, indem eine innerhalb eines Gehäuseteils befindliche magnetisierbare Suspension unter Druckluft- Belastung einer Gummimembran das Anlegen der Arbeitsfläche an die Linsenober­ fläche bewirkt und indem die Suspension elektromagnetisch verfestigt wird, worauf das Polieren mittels des Formwerkzeugs erfolgt.

Damit behält die Arbeitsfläche des Polierwerkzeugs die Form des Negativabdrucks aufgrund der Suspensions-Verfestigung durch ein angelegtes Magnetfeld zuverlässig bei, die man für die Dauer der Bearbeitung in der Poliermaschine aufrechterhält. Wird danach die Fixierung der Arbeitsfläche aufgehoben, so kann diese die Gestalt einer nächsten Linse annehmen. Mit der steuerbaren Fixierung geht die Erfindung über die vorbekannte Technik hinaus, so daß die Ein- und Umstellung jedes Formwerkzeugs auf besonders wirtschaftliche Weise erfolgen kann. Es entfällt die Notwendigkeit einer Vielzahl von Formwerkzeugen und des Werkzeugwechsels, weil sich mit einem einzigen variablen Polierwerkzeug beliebige Linsenoberflächen feinbearbeiten lassen, sofern die Durchmesser zueinander passen. Man erzielt raschen Materialabtrag durch großflächige Berührung bei hoher Präzision dank der genauen Paßform der Arbeits­ fläche des Polierwerkzeugs. Im Vergleich zur Bearbeitung mit einzelnen Polierstiften ergeben sich erheblich kürzere Polierzeiten, weniger Werkzeugverschleiß und überdies bessere Oberflächenqualitäten.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Erläuterung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.

Deren einzige Figur zeigt eine Axialschnittansicht eines variablen Formwerkzeugs. Dessen Gehäuse hat ein oberes Gehäuseteil 32 mit einem Spannzapfen 33 zur Befestigung des Werkzeugs an einer (nicht dargestellten) Poliermaschine und ein unteres Gehäuseteil 34 mit einem inneren Hohlraum 35. In diesem befinden sich ein Hohlzylinder 40 und eine magnetisierbare Suspension 36. Vorzugsweise sind das untere Gehäuseteil 34 und der Hohlzylinder 40 aus einem Material, das unter der Einwirkung eines Magnetfeldes magnetisierbar, nach dessen Abschaltung aber nicht mehr magnetisch ist, z. B. aus Weicheisen.

Die Suspension 36 besteht vorzugsweise aus einem mineralischen oder synthetischen Öl, in dem feinste Partikel eines magnetisierbaren Materials suspendiert sind, z. B. Eisen, Magnetit, Nickel usw. Beschaffenheit und Mischungsverhältnis der Kompo­ nenten Öl (oder andere Flüssigkeit) und Partikel werden so gewählt, daß die Sus­ pension auch nach längerer Zeit ohne Absetzen der Partikel erhalten bleibt und sich unter Magnetfeld-Einwirkung verfestigt, ohne daß dabei Formänderungen oder Ent­ mischungseffekte auftreten.

Das untere Gehäuseteil 34 ist nach unten hin von einem Formteil 37 aus einem elastischen Material mit den Eigenschaften einer Polierfolie abgeschlossen. Es verfügt also an der Unterseite über eine Arbeitsfläche 31, die sich zusammen mit einer Poliersuspension für den Poliervorgang eignet. Ihr Material ist relativ weich, so daß geometrische Ungenauigkeiten ausgeglichen werden, wenn das Werkzeug während des Poliervorgangs relativ zur Linse kleine Kreisbewegungen ausführt.

Mit einem Bund 38 stützt sich das Formteil 37 auf einem Absatz 39 des unteren Gehäuseteils 34 ab. Der Bund 38 wird dort von dem Hohlzylinder 40 festgehalten, gegen dessen obere Begrenzung eine Gummimembran 41 drückt. Diese befindet sich zwischen den Gehäuseteilen 32 und 34, die von einer Schraubenverbindung 42 zusammengehalten werden. Wird letztere angezogen, so erfolgt gleichzeitig die Fixie­ rung des Hohlzylinders 40 im unteren Gehäuseteil 34. Die Gummimembran 41 ver­ hindert, daß die magnetisierbare Suspension 36 durch eine Bohrung 45 im Spann­ zapfen 33 austritt, wenn sich das variable Formwerkzeug nicht in der gezeichneten senkrechten Position (Spannzapfen 33 nach oben) befindet.

Am äußeren Umfang hat das untere Gehäuseteil 34 eine Ausnehmung, in die eine Spule 43 eines Elektromagneten eingelegt ist, welche aus einer Vielzahl von Windun­ gen eines isolierten Kupferdrahtes besteht und bei Beaufschlagung mit Gleichstrom ein starkes Magnetfeld erzeugt, das die Suspension 36 durchdringt. Dadurch verfestigt sie sich schlagartig, doch nimmt sie nach Stromabschaltung wieder ihre vorherige flüssige bis pastöse Konsistenz an. In dem Hohlzylinder 40 sind Metallstifte 49 eingepreßt, die eine formschlüssige Verzahnung mit der unter Magnetfeld-Einwirkung verfestigten Suspension 36 und mithin deren dann starre Verbindung mit den Gehäuseteilen 32, 34 des Formwerkzeugs bewirken.

Zur elektrischen Stromversorgung dient eine Zuleitung 44, welche die (nicht gezeich­ nete) hohlgebohrte Werkzeugspindel durchsetzt und über die Bohrung 45 im Spann­ zapfen 33, durch eine Bohrung 46 im oberen Gehäuseteil 32 sowie eine Bohrung 47 im unteren Gehäuseteil 34 zu der Spule 43 führt. In diesem Bereich hat die Gummi­ membran 41 ebenfalls eine Bohrung. Am äußeren Umfang des oberen Gehäuseteils 32 schließt ein Verschlußstück 48 die Bohrung 46 ab, damit dort keine Druckluft austreten kann. Im Gebrauch wird die Arbeitsfläche 31 des variablen Formwerkzeugs zunächst mit der Oberfläche der (nicht dargestellten) Linse in Kontakt gebracht, wozu die beiden (ebenfalls nicht gezeichneten) Spindeln einer Poliermaschine koaxial zueinander ausgerichtet werden, nämlich durch Verfahren in B- und X-Achsenrichtung, worauf eine der Spindeln in Z-Achsenrichtung zugestellt wird. Berührt die Arbeitsfläche 31 die Linse, so wird die Gummimembran 41 über die Bohrung 45 und die hohlgebohrte Werkzeugspindel mit Druckluft beaufschlagt. Dadurch wölbt sich die Gummimembran 41 nach unten und drückt die magnetisierbare Suspension 36 gegen die Arbeitsfläche 31, die sich gleichmäßig und ohne Spalt an die Linsenoberfläche anlegt. Dank der Fluidität der Suspension 36 erfolgt dieses Abbilden der Linsenobefläche mit sehr großer Genauigkeit, und es entsteht die Negativform der Linse mit kontinuierlichen Übergängen an den Radien der Arbeitsfläche 31.

Bei Stromeinschaltung an der Spule 43 erzeugt diese ein Magnetfeld, wodurch sich die magnetisierbare Suspension 36 verfestigt und ihre Form auch im Bereich der Arbeits­ fläche 31 beibehält. Diesen Vorgang bezeichnet man als Fixieren der Arbeitsfläche, die jetzt einen stabilen Negativabdruck der zu polierenden Linse aufweist. Somit ist ein ideales Formwerkzeug für das Polieren dieser speziellen Linse entstanden, während dessen die Druckluft-Zufuhr abgeschaltet werden kann.

Der Einsatz des variablen Formwerkzeugs erfolgt auf einer Poliermaschine, die je nach Linsenform verschiedenen Anforderungen unterliegt. Ihre Werkzeugspindel braucht eine (nicht gezeichnete) Drehdurchführung für die benötigte Druckluft sowie isolierte elektrische Schleifringe (nicht dargestellt), die zur Stromzuführung an die Spule 43 mit der Zuleitung 44 verbundene Kohlebürsten haben. Durch Verfahren einer Spindel in der Z-Achse werden die Arbeitsfläche 31 und die Linse in Kontakt gebracht, so daß unter Zugabe von Poliersuspension der Poliervorgang ablaufen kann, wobei die Spindeln gleichsinnig und mit gleicher Drehzahl angetrieben werden. Im Falle einer Linsengeometrie mit mehreren Radien wird der Achsenschnittpunkt so gelegt, daß er mit einem mittleren Radius zusammenfällt. Für asphärische Linsen wird die zum Polieren erforderliche Relativgeschwindigkeit zwischen der Arbeitsfläche 31 und der Linse durch Schrägstellen der Werkzeugspindel erzeugt.

Nach dem Ende des Polierens wird die Werkstückspindel in der Z-Achse nach unten gefahren. Dann kann man die Linse aus der Linsenaufnahme entnehmen und das Magnetfeld abschalten, worauf die Arbeitsfläche 31 des Formteils 37 unter dessen Eigenspannung wieder ihre ursprüngliche ebene Form annimmt. Das variable Formwerkzeug läßt sich danach an einer nächsten Linse verwenden.

Bezugszeichenliste

31

Arbeitsfläche

32

oberes Gehäuseteil

33

Spannzapfen

34

unteres Gehäuseteil

35

innerer Hohlraum

36

magnetisierbare Suspension

37

Formteil

38

Bund

39

Absatz

40

Hohlzylinder

41

Gummimembran

42

Schraubenverbindung

43

Spule

44

Zuleitung

45

Bohrung

46

Bohrungen

47

Bohrung

48

Verschlußstück

49

Metallstift

Claims (11)

1. Vorrichtung mit einem variablen Formwerkzeug zum Polieren vorgeschliffener Linsen vor, zur Verwendung in einer Poliermaschine, die über mindestens eine Werkstückspindel und eine Werkzeugspindel verfügt, mit einem Gehäuseteil (34), das von einer Gummimembran (41) und von einer ihr gegenüberliegen­ den, nachgiebigen Arbeitsfläche (31) begrenzt ist und dazwischen eine magnetisierbare Suspension (36) enthält, mit einem Druckluft-Anschluß (33, 45) zur Beaufschlagung der Gummimembran (41), um das Anlegen der Arbeits­ fläche (31) an die Oberfläche einer zu bearbeitenden Linse zu bewirken und davon einen Negativabdruck zu gewinnen, und mit einer Einrichtung (43) zum elektromagnetischen Verfestigen der Suspension (36), wodurch der an der Arbeitsfläche (31) erzeugte Negativabdruck der Linsenoberfläche fixierbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verfestigung des Negativabdrucks eine die magnetisierbare Suspension (36) umschließende Spule (43) vorhanden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (43) einen die Suspension (46) enthaltenden Hohlzylinder (40) umschließt, auf dem die Unterseite der Gummimembran (41) aufliegt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß ein die Suspension (46) enthaltender Hohlzylinder (40) sich in einem inneren Hohlraum (35) eines unteren Gehäuseteils (34) befindet, wobei letzteres und der Hohlzylinder (40) aus einem magnetisierbaren, jedoch nach Abschalten des Magnetfeldes unmagnetischen Material bestehen, z. B. aus Weicheisen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Gummimembran (41) zwischen einem oberen Gehäuseteil (32) und einem damit schraubverbundenen unteren Gehäuseteil (34) angeordnet ist, wobei ein innerer Hohlraum (35) bzw. ein Hohlzylinder (40) nach unten durch ein die Arbeitsfläche (31) aufweisendes Formteil (37) begrenzt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil (37) mit einem Bund (38) zwischen einem Absatz (39) des unteren Gehäuseteils (34) und dem Hohlzylinder (40) eingespannt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Gehäuseteil (32) einen Spannzapfen (33) mit einer Bohrung (45) aufweist, in der Zuleitungen (44) vorhanden sind, die über weitere Bohrungen (46, 47) zu der Spule (43) geführt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine im oberen Gehäuseteil (32) befindliche Bohrung (46) durch ein Verschlußstück (48) nach außen hin verschlossen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Hohlzylinder (40) an seinem inneren Umfang über mehrere Metallstifte (49) verfügt, die einen verzahnungsartigen Formschluß mit der elektromagnetisch verfestigten Suspension (46) herbeiführen.

10. Verfahren zum Polieren von fertiggeschliffenen Linsen mittels eines variablen Formwerkzeugs, zur Verwendung in Poliermaschinen, die über mindestens eine Werkstückspindel und eine Werkzeugspindel verfügen, wobei man an einer nachgiebigen Arbeitsfläche (31) des Formwerkzeugs einen Negativabdruck der Oberfläche einer zu bearbeitenden Linse (61) erzeugt und fixiert, indem eine innerhalb eines Gehäuseteils (34) befindliche magnetisierbare Suspension (36) unter Druckluft-Belastung einer Gummimembran (41) das Anlegen der Arbeits­ fläche (31) an die Linsenoberfläche bewirkt und indem die Suspension (36) elektromagnetisch verfestigt wird, worauf das Polieren mittels des Formwerk­ zeugs erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen des Magnetfeldes eine die Suspension (36) umschließende Spule (43) über Zuleitungen (44) mit Gleichstrom versorgt wird.