DE19737216A1 - Verfahren zum Abrichten von Polierwerkzeugen mittels punktförmig angreifendem Werkzeug und zum Polieren von optischen Linsen sowie Zweispindel-Polier- und Abrichtmaschine zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Optische Linsen werden überwiegend durch schleifende Bearbeitung und nachfolgen­ des Polieren aus entsprechenden Glasrohlingen hergestellt. An das Grobschleifen schließt sich das Feinschleifen an, bei dem eine polierfähige Oberfläche erzeugt wird.

Bislang diente der Arbeitsgang Polieren ausschließlich dazu, die Rauhtiefe der Linsen­ oberfläche soweit zu verringern, daß die gewünschte Qualität der optischen Oberfläche entstand. Eine gezielte Formänderung der Linsengeometrie wurde beim Polieren nicht erzeugt.

Die Ansprüche an die Qualität der Linsen sind heute jedoch so hoch, daß letzte Fein­ heiten in der Linsengeometrie nicht mehr beim Feinschleifen berücksichtigt werden können, da der Materialabtrag selbst beim Feinschleifen noch zu groß ist. Es bietet sich aber an, sehr feine Änderungen oder Korrekturen in der Geometrie der Linsen beim Poliervorgang vorzunehmen.

Anlaß für eine solche Korrektur können z. B. die elastischen Verformungen sein, die beim Feinschleifen oder auch beim Polieren durch das Einspannen der Linsen und den Druck der Werkzeuge entstehen. Sehr kleine aber dennoch meßbare und störende Formabweichungen in der Geometrie der Linsen sind die Folge.

Mit den heute üblichen Polierwerkzeugen können solche Feinbearbeitungen bzw. Korrekturen der Linsengeometrie nicht ausgeführt werden. Dies hängt damit zusam­ men, daß entsprechend dem Stand der Technik Polierwerkzeuge, insbesondere zur Herstellung sphärischer Linsen, sozusagen ein negativer Abdruck der gewünschten Linsenoberfläche sind. Die relativ weichen Arbeitsflächen der Polierwerkzeuge werden dementsprechend mit einem Abrichtwerkzeug abgezogen, das der Linsenform entspricht und keine Korrekturen ermöglicht, da das Abziehen des Polierwerkzeuges mit einem flächig oder linienförmig arbeitenden Abrichtwerkzeug vorgenommen wird. Durch das Schrägstellen einer der beiden angetriebenen Achsen von Abrichtwerkzeug oder Polierwerkzeug kommen in an sich gewollter Weise ständig neue Flächenelemente miteinander in Berührung (Vermeiden von Riefen). Bei diesem statistischen Gesetzen folgenden Arbeitsgang ist es nicht möglich feinere Konturen oder gezielte Änderungen im Vorfeld zu erzeugen, die die späteren nicht vermeidbaren Deformationen berücksichtigen würden.

Beim späteren Polieren wird ein Poliermittel zwischen die weiche Arbeitsfläche des Polierwerkzeuges und die Linsenoberfläche gebracht und Relativbewegungen mit entsprechendem Anpreßdruck ausgeführt. Durch den Anpreßdruck kommt es zu Verbiegungen von Linse und Werkzeug im Feinbereich und damit zu den genannten unerwünschten Formabweichungen, die von den Einspannkräften an der Linse noch verstärkt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Abrichten von Polierwerkzeugen mittels punktförmig angreifendem Abrichtwerkzeug und zum Polieren von optischen Linsen sowie der zweispindeligen Polier- und Abrichtmaschine zur Durchführung des Verfah­ rens werden die genannten Nachteile vermieden, da dem Polierwerkzeug mit dem punktförmig angreifenden Abrichtwerkzeug eine Form gegeben werden kann, die feine Korrekturen in der Geometrie der Linse ermöglicht. Das Abrichtwerkzeug kann entwe­ der starr oder ein rotierendes Werkzeug sein. Dort wo beim Polieren ein verstärkter Materialabtrag erwünscht ist, wird das Polierwerkzeug etwas erhaben ausgeführt.

Zur Durchführung des Verfahrens können zwei getrennte Maschinen zum Abrichten bzw. zum Polieren eingesetzt werden. Eine Vielzahl von zusätzlichen Verfahrensvorteilen ergeben sich jedoch bei Einsatz der erfindungsgemäßen Zweispindel-Polier- und Abrichtmaschine.

In diesem Zusammenhang besteht ein besonderer Vorteil darin, daß zwischen dem Abrichten des Polierwerkzeugs und dem eigentlichen Poliervorgang kein Umspannen des Polierwerkzeugs erforderlich ist und daß die Linse auf der gleichen Maschine poliert werden kann. Dies erhöht die Präzision der hergestellten Linse ganz wesentlich da jeder Umspannvorgang mit Ungenauigkeiten verbunden ist, bedingt durch Toleran­ zen verschiedener Art. Außerdem wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch den Einsatz der zweispindeligen Maschine eine Maschine gespart (bisher üblich: eine Abrichtmaschine und eine Poliermaschine). Da das Umspannen entfällt, ergibt sich eine weitere Kostenersparnis bei der Durchführung des Verfahrens mit der erfindungsgemäßen Zweispindel-Polier- und Abrichtmaschine.

Die Schleifmaschine zur Durchführung des Verfahrens verfügt über eine angetriebene, untere, vertikale Spindel zur Aufnahme des Polierwerkzeuges (Werkzeugspindel), die an einem Z-Schlitten befestigt ist, der lineare, vertikale Bewegungen ausführen kann, und zwei obere Spindeln, deren in Normalstellung vertikale Achsen auch schräggestellt werden können. Eine dieser Spindeln dient zur Aufnahme der Linse (Werkstückspindel) und wird elektrisch angetrieben, während die zweite obere Spindel (Abrichtspindel) ein schlankes Abrichtwerkzeug trägt, dessen Schneidfläche eine quasi punktförmige Berührung mit dem Polierwerkzeug ermöglicht. Die Abrichtspindel und damit das Abrichtwerkzeug können mittels Motor in Rotation versetzt werden, sie kann jedoch auch arretiert werden. Die beiden oberen Spindeln sitzen an einem Schwenk­ kopf, der ein wahlweises Schwenken nach rechts oder nach links gestattet. Der Schwenkkopf seinerseits ist an einem X-Schlitten befestigt, der lineare Rechts-/Links-Bewegungen in einer horizontalen Ebene ermöglicht.

Alle Maschinenbewegungen einschließlich Rotation der Spindeln werden von einer NC-Steuerung überwacht und gesteuert. Insbesondere die Antriebe für das Verfahren des Z-Schlittens und des X-Schlittens sind hochdynamisch. Sie können so angesteuert werden, daß sehr schnelle und präzise Relativbewegungen zwischen der Abrichtspin­ del und der Werkzeugspindel möglich sind. Bei frei rotierendem oder im Achsbetrieb rotierendem Polierwerkzeug kann durch Verfahren des Z- und des X-Schlittens mit dem Abrichtwerkzeug die gewünschte Kontur an dem Polierwerkzeug erzeugt werden. Unter Rotation im Achsbetrieb wird in diesem Zusammenhang eine Rotation verstanden bei der sowohl die Winkelgeschwindigkeit als auch die Phasenlage der rotierenden Spindel von der NC-Steuerung gesteuert und überwacht werden.

Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dann wie folgt:

• 1. Die Werkzeugspindel wird mit einem Polierwerkzeug bestückt, an der Werkstück­ spindel wird eine Linse aufgespannt und an der Abrichtspindel wird ein geeignetes Abrichtwerkzeug befestigt.
• 2. Die NC-Steuerung wird gestartet, so daß die nachfolgenden Arbeitsgänge automa­ tisch ablaufen.
• 3. Der Schwenkkopf wird soweit aus seiner Normallage herausgeschwenkt, daß sich das Abrichtwerkzeug in einer günstigen Arbeitsposition zum Polierwerkzeug befin­ det.
• 4. Durch Verfahren des Z- und des X-Schlittens werden Abrichtwerkzeug und Polier­ werkzeug in Startposition gebracht.
• 5. Die Bearbeitung des Polierwerkzeuges wird von der NC-Steuerung gestartet, mit der dort abgespeicherten Soll-Kontur für das Polierwerkzeug. Die Werkzeugspindel be­ ginnt zu rotieren und der Z- und der X-Schlitten werden gleichzeitig und gesteuert verfahren. Dabei wird das Polierwerkzeug mit dem Abrichtwerkzeug so abgefahren, daß die gewünschte Soll-Kontur entsteht.
• 6. Nach Beendigung der Bearbeitung werden das Polierwerkzeug und das Abricht­ werkzeug durch Verfahren des Z- und des X-Schlittens wieder auseinander gefah­ ren.
• 7. Der Schwenkkopf wird zur anderen Seite hin ausgeschwenkt und die Linse mit dem Polierwerkzeug durch Verfahren des Z- und des X-Schlittens in Berührung gebracht. Bei z. B. sphärischen Linsen wird unter gleichzeitiger Oszillation des Schwenkkopfes und Rotation der schräggestellten Werkstückspindel und der rotierenden senkrechten Werkzeugspindel die Linse poliert. Der Poliervorgang kann jedoch auch ohne Rotation der Spindel(n) erfolgen (z. B. Vibration in kleinen Winkelschritten).
• 8. Nach Abschluß des Poliervorgangs werden die Linse und das Polierwerkzeug durch Verfahren des Z- und des X-Schlittens auseinander gefahren und die Maschine ge­ stoppt. Die fertig polierte Linse kann dann der Maschine entnommen und vermessen werden. Sollten sich unerwünschte Abweichungen von der Idealform zeigen, so kann der Abrichtvorgang mit anderen Parametern wiederholt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Polier- und Abrichtmaschine zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens wird in den Abb. 1 bis 3 dargestellt. Dieses Ausführungs­ beispiel bezieht sich auf eine Maschine zum Polieren sphärischer Linsen. Es sind je­ doch auch Maschinen zum Polieren von aspherischen Linsen möglich.

Abb. 1 zeigt die Zweispindel-Polier- und Abrichtmaschine bestückt mit Linse (19), Abrichtwerkzeug (17) und Polierwerkzeug (7) in Grundstellung.

Die erfindungsgemäße Zweispindel-Polier- und Abrichtmaschine zum Bearbeiten von Linsen (z. B. sphärische Linsen), besteht aus einem Grundgestell (1), an dem der Z-Schlitten (2) und der X-Schlitten (3) befestigt sind. Außerdem ist eine Wasserauf­ fangwanne (20) mit dem Grundgestell (1) verbunden, die das beim Schleifen benutzte Kühlmittel auffängt.

Der Z-Schlitten (2) ist mittels Führungsbüchsen (4) und Führungsholmen (5) so an dem Grundgestell (1) befestigt, daß er vertikale Linearbewegungen (Z-Richtung) ausführen kann. In dem Z-Schlitten (2) ist die Werkzeugspindel (6) drehbar gelagert. Für den Antrieb ist ein Elektromotor (18) vorgesehen. Die Werkzeugspindel (6) trägt an ihrem oberen Ende das Polierwerkzeug (7).

Der X-Schlitten (3) ist mittels Führungsbüchsen (8) und Führungsholmen (9) so an dem Grundgestell (1) befestigt, daß er horizontale Linearbewegungen (X-Richtung) ausfüh­ ren kann. An dem X-Schlitten (3) ist der Schwenkkopf (10) mittels Schwenklager (11) so befestigt, daß er um die horizontale Achse des Schwenklagers (11) nach beiden Seiten in einem gewissen Winkelbereich ausgeschwenkt werden kann. In dem Schwenkkopf (10) sind die Abrichtspindel (12) und die Werkstückspindel (13) drehbar gelagert und können mittels getrennter Elektromotore (14) und (15) angetrieben wer­ den. Die Abrichtspindel (12) kann außerdem arretiert werden. An ihrem unteren Ende trägt die Abrichtspindel (12) das Abrichtwerkzeug (17), während die Werkstückspin­ del (13) eine Spannvorrichtung (16) trägt, in der die Linse (19) eingespannt ist.

Abb. 2 zeigt die Zweispindel-Polier- und Abrichtmaschine, eingerichtet zur Durchführung des Arbeitsgangs Abrichten.

Der Schwenkkopf (10) ist so geneigt, daß sich das Abrichtwerkzeug (17) in Arbeits­ position an dem Polierwerkzeug (7) befindet. Bei dem Abrichtvorgang wird das an der Werkzeugspindel (6) befestigte Polierwerkzeug (7) entweder frei rotierend oder im Achsbetrieb rotierend mittels dem Elektromotor (18) in Rotation versetzt. Durch gleichzeitiges und gesteuertes Verfahren des Z-Schlittens (2) und des X-Schlittens (3) wird die Relativbewegung zwischen Abrichtspindel (12) mit dem Abrichtwerkzeug (17) und der Werkzeugspindel (6) mit dem Polierwerkzeug (7) in dem gewünschten Sinne durchgeführt. Der Arbeitsgang Abrichten kann sowohl mit arretiertem wie auch mit rotierendem Abrichtwerkzeug (17) durchgeführt werden. Falls mit rotierendem Abrichtwerkzeug (17) gearbeitet werden soll, so wird dieses über die Abrichtspindel (12) und den Elektromotor (14) angetrieben. Das Polierwerkzeug (7) und das Abrichtwerkzeug (17) werden mit dem Z-Schlitten (2) und dem X-Schlitten (3) so verfahren, daß der Materialabtrag am Polierwerkzeug (7) in dem gewünschten Feinbereich stattfindet.

An das Abrichten schließt sich das Polieren der Linse (19) an. Hierzu werden das Ab­ richtwerkzeug (17) und das Polierwerkzeug (7) durch Verfahren in der X- und Z-Richtung wieder voneinander getrennt. Anschließend wird der Schwenkwinkel am Schwenkkopf (10) zur anderen Seite hin neu eingestellt.

Der gesamte Bewegungsablauf der Zweispindel-Polier- und Abrichtmaschine wird da­ bei von einer NC-Steuerung kontrolliert und gesteuert.

Abb. 3 zeigt die Zweispindel-Polier- und Abrichtmaschine, eingerichtet zur Durchführung des Arbeitsgangs Polieren.

Die Linse (19) ist in der Spannvorrichtung (16) der Werkstückspindel (13) befestigt und wird über die Werkstückspindel (13) und den Elektromotor (15) in Rotation oder vibrierende Bewegung versetzt. Der Schwenkkopf (10) wurde so geneigt und der Z-Schlitten (2) und der X-Schlitten (3) so verfahren, daß, insbesondere bei sphärischen Linsen, die Krümmungsmittelpunkte der Linse (19) und des Polierwerkzeugs (7) zusammen fallen und die Linse (19) und das Polierwerkzeug (7) sich unter Druck berühren. Der Poliervorgang wird dann unter Beifügung von Poliermitteln mit ebenfalls rotierendem oder vibrierendem Polierwerkzeug (7) durchgeführt, wobei dieses über die Werkzeugspindel (6) und den Elektromotor (18) angetrieben wird.

Anschließend werden das Polierwerkzeug (7) und die Linse (19) durch Verfahren in der X- und Z-Richtung wieder voneinander getrennt. Die Linse (19) kann dann der Spann­ vorrichtung (16) entnommen werden. Falls sich bei der nachträglichen Kontrolle noch Abweichungen an der Linsenkontur ergeben, so kann der Abrichtvorgang wie bei Abb. 2 beschrieben wiederholt werden.

Claims (7)

1. Verfahren zum Abrichten von Polierwerkzeugen zum Polieren von optischen Linsen, dadurch gekennzeichnet, daß das frei rotierende oder im Achsbetrieb rotierende Polierwerkzeug (7) mit einem quasi punktförmig arbeitenden Abrichtwerkzeug (17) abgerichtet wird, das dabei entweder arretiert ist oder um seine eigene Achse rotiert und, daß die Relativbewegung zwischen der aktiven Schneidfläche des Abrichtwerkzeugs (17) und dem Polierwerkzeug (7) entsprechend der zu erzeugenden Kontur abläuft, was durch gemeinsames und gesteuertes Verfahren des Z-Schlittens (2) und des X-Schlittens (3) und gegebenenfalls auch durch fortlaufende Rotation oder durch gesteuerte Rotation des Polierwerkzeugs (7) erfolgt, wobei sich an den Abrichtvorgang der Poliervorgang für die Linse (19) anschließt und dabei feinste, aber gezielte Veränderungen in der Geometrie der Linse (19) durchgeführt werden und dieser Poliervorgang entweder auf einer zweiten Maschine oder vorzugsweise auf der erfindungsgemäßen Zweispindel-Polier- und Abrichtmaschine durchgeführt wird.

2. Zweispindel-Polier- und Abrichtmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Grundgestell (1) ein vertikal verfahrbarer Z-Schlitten (2) zur Aufnahme der Werkzeugspindel (6) mit dem Polierwerkzeug (7) sowie ein horizontal verfahrbarer X-Schlitten (3) beweglich befestigt sind und beide Schlitten über motorische Antriebe verfügen wobei an dem X-Schlitten (3) der Schwenkkopf (10) befestigt ist, der die Werkstückspin­ del (13) mit der Spannvorrichtung (16) und der Linse (19) und außerdem die Abrichtspindel (12), mit dem Abrichtwerkzeug (17) trägt, wobei durch gleichzeitiges und gesteuertes Verfahren des Z-Schlittens (2) und des X-Schlittens (3) und entweder mit frei rotierender oder im Achsbetrieb rotierender Werkzeugspindel (6) eine beliebige Bahnkurve als relative Bewegung zwischen Polierwerkzeug (7) und dem Abrichtwerkzeug (17) erzeugt werden kann und bei diesem Abrichtvorgang ein entsprechender Materialabtrag an dem Polierwerkzeug (7) erzeugt wird und, daß sich nach dem Abrichten der Schwenkkopf (10) zur anderen Seite hin schwenken läßt und sich der Schwenkwinkel so wählen läßt, daß durch zusätzliches Verfahren des Z- Schlittens (2) und des X-Schlittens (3) das Polieren anschließend mit rotierendem oder vibrierendem Polierwerkzeug (7) und rotierender oder vibrierender Linse (19) durchgeführt werden kann, wobei ein besonderes Merkmal der erfindungsgemäßen Maschine darin besteht, daß alle Maschinenbewegungen von einer NC-Steuerung kontrolliert und gesteuert werden und außerdem die Lage der Spindeln vertauscht werden kann d. h. die Werkzeugspindel (6) kann im oberen Bereich der Maschine am X-Schlitten befestigt werden, wobei das Polierwerkzeug (7) dann nach unten zeigt, während der Schwenkkopf (10) im unteren Bereich der Maschine so angeordnet wird, daß die Spannvorrichtung (16) für die Linse (19) an der Werkstückspindel (13) nach oben zeigt, was in gleichen Maße auch für das Abrichtwerkzeug (17) gilt, das an der Abrichtspindel (12) befestigt ist.

3. Zweispindel-Polier- und Abrichtmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Z-Schlitten (2) über Führungsbüchsen (4) verfügt, die in Füh­ rungsholmen (5) laufen, die ihrerseits an dem Grundgestell (1) befestigt sind.

4. Zweispindel-Polier- und Abrichtmaschine nach Anspruch 2 und 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der X-Schlitten (3) über Führungsbüchsen (8) verfügt, die in Führungsholmen (9) laufen, die ihrerseits an dem Grundgestell (1) befestigt sind.

5. Zweispindel-Polier- und Abrichtmaschine nach Anspruch 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Werkzeugspindel (6) über einen Elektromotor (18) ver­ fügt, der sowohl freie Rotation als auch Rotation im Achsbetrieb der Werkzeugspindel (6) erlaubt, diese aber auch in Drehschwingungen (Vibration) versetzen kann.

6. Zweispindel-Polier- und Abrichtmaschine nach Anspruch 2 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abrichtspindel (12) über einen Elektromotor (14) verfügt, der das Abrichtwerkzeug (17) in Rotation versetzen kann, das jedoch auch arretierbar ist und, daß die Werkstückspindel (13) über einen Elektromotor (15) verfügt, der die Spannvorrichtung (16) mit der Linse (19) sowohl in fortlaufende als auch in gesteuerte Rotation versetzen kann, aber auch Drehschwingungen (Vibration) erlaubt.

7. Zweispindel-Polier- und Abrichtmaschine nach Anspruch 2 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an dem Grundgestell (1) auch ein Wasserauffangbecken (20) befestigt ist.