PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10031057A1 17.01.2002
Titel Verfahren zum korrigierenden Feinstpolieren von optischen Linsen oder Spiegeln und Vorrichtung zur Durchführeung des Verfahrens
Anmelder OptoTech Optikmaschinen GmbH, 35435 Wettenberg, DE
Erfinder Mandler, Roland Dipl.-Ing., 35452 Heuchelheim, DE
DE-Anmeldedatum 26.06.2000
DE-Aktenzeichen 10031057
Offenlegungstag 17.01.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.01.2002
IPC-Hauptklasse B24B 13/00
IPC-Nebenklasse B24B 13/005   B24B 13/01   
Zusammenfassung Bei dem Verfahren zum korrigierenden Feinstpolieren von optischen Linsen oder Spiegeln werden diese zunächst vorpoliert und dann interferometrisch vermessen. Weitere Poliervorgänge folgen zur Verbesserung von Oberflächengeometrie und Oberflächengüte. Die Drehbewegung der Linse (5) wird dabei durch Ansteuern der C-Achse so variiert, daß sich die benötigten Verweilzeiten des Polierwerkzeugs (10) an den vorgegebenen Stellen der Linsenoberfläche zur Fehlerkorrektur ergeben. Dabei sind das radförmige Polierwerkzeug (10) und die Linse (5) mit entsprechenden Spindeln einer Poliermaschine (1) verbunden. Der Reifen (13) des Polierwerkzeugs (10) berührt die Linse mit seinem Umfang und wird während des Polierens durch Beaufschlagung mit verschiedenen Überdrücken verschieden hart eingestellt. Der Anpreßdruck zwischen Linse (5) und Polierwerkzeug (10) wird durch Verfahren der Werkstückspindel (3) in der Z-Achse fortlaufend geändert. Das Polierwerkzeug (10) führt relativ zur Linse (5) während des Poliervorgangs kleine Kreisbewegungen aus, durch Verfahren einer Spindel in der X-Achse und einer anderen Spindel in der Y-Achse.

Beschreibung[de]

Bei der vorgeschlagenen Erfindung handelt es sich um ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ziel der Erfindung ist es, die Genauigkeit der optisch aktiven Oberflächen von Linsen und Spiegeln zu verbessern, bei gleichzeitiger Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Poliervorgangs. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 6 gelöst.

Im nachfolgenden Text wird zur sprachlichen Vereinfachung nur von Linsen gesprochen, gemeint sind jedoch auch immer optische Spiegel mit abbildender Funktion.

Optische Linsen werden aus Rohlingen in mehreren Arbeitsgängen hergestellt. Auf das Schleifen folgt das Polieren, bei dem die Oberfläche geglättet wird. Bei Linsen mit hohen Genauigkeitsansprüchen kann die gewünschte Präzision der Oberflächengeometrie mit den Schleifvorgängen alleine nicht erzeugt werden, da hier die erzeugte Rauhtiefe zu groß ist. Mit gestiegenen Anforderungen genügten auch die Korrekturen während des Polierens mit z. B. Formwerkzeugen nicht mehr. Inzwischen entspricht es dem Stand der Technik, Linsen mit höchsten Präzisionsansprüchen, wie sie z. B. für die Chip-Herstellung benötigt werden, nach dem üblichen Polieren interferometrisch zu vermessen, um anschließend mit geeigneten Polierverfahren gezielte Korrekturen anbringen zu können.

In diesem Zusammenhang sind insbesondere zwei Verfahren bekannt geworden:

  • 1. Eines dieser Verfahren wird als topographisches Polieren bezeichnet, bei dem ein stiftförmiges Polierwerkzeug (typischer Durchmesser 5 bis 15 mm) Verwendung findet, dessen Stirnfläche für den Poliervorgang benutzt wird und hierzu mit einer PU-Folie oder einem Filz versehen ist. Möglich sind auch aufblasbare Membranen in diesem Bereich. Das um seine Achse rotierende Polierwerkzeug hängt an einem Roboterarm und wird von diesem über die Linsenoberfläche geführt oder ist in eine vierachsige CNC-Poliermaschine eingebaut (Korrekturmaschinen).

    Der Poliervorgang läuft unter Zugabe von Poliersuspension ab, während das Polierwerkzeug über die Linsenoberfläche geführt wird und dabei z. B. eine spiralförmige Bahn beschreibt. Zur erwünschten Korrektur der Linsengeometrie werden unterschiedliche Materialmengen von der Linsenoberfläche abpoliert. Hierzu werden der Roboterarm bzw. die Korrekturmaschine so programmiert, daß sich unterschiedliche Verweilzeiten des Polierwerkzeuges an den verschiedenen Positionen auf der Linsenoberfläche ergeben. Dort, wo zur Korrektur ein verstärkter Materialabtrag erforderlich ist, wird die Verweilzeit vergrößert und umgekehrt. Während des Poliervorgangs kann die Linse um ihre Achse rotieren oder sich auch in Ruhe befinden, wenn der Roboterarm bzw. die Korrekturmaschine über die entsprechende Beweglichkeit verfügt.

    Bei diesem Verfahren nach dem Stand der Technik ergeben sich einige erhebliche Nachteile wie folgt:
    • - Das Polierwerkzeug erfährt eine sehr starke Abnutzung, da sein Durchmesser nur klein ist, und die gesamte Polierleistung von der entsprechend kleinen Stirnfläche aufgebracht werden muß. Die Folgen sind hohe Kosten durch lange Bearbeitungszeiten und Ungenauigkeiten, da während der Bearbeitung unerwünschte Abnutzungen an dem Werkzeug entstehen, die nicht erfaßt werden können.
    • - Ebenfalls im Zusammenhang mit den kleinen Werkzeugabmessungen steht die sehr geringe Polierleistung, da beim Polieren die Leistung direkt proportional zur Größe der Flächen ist, die miteinander in Kontakt sind.
    • - Bei diesem Verfahren wird eine relativ rauhe Struktur beim Polieren erzeugt, da mit höheren Anpreßdrücken gearbeitet werden muß, damit die Polierleistung nicht noch geringer ist. Außerdem führt die reine Rotation des Polierwerkzeugs, wie hier vorgesehen, grundsätzlich zu keinem gutem Polierergebnis. Es entstehen relativ rauhe Oberflächenmikrostrukturen.
    • - Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß bei diesem Verfahren, die Berührungsfläche zwischen Polierwerkzeug und Linse in ihrer Größe praktisch nicht veränderbar ist. Dieses wäre jedoch sehr wichtig, damit auch kleinere Korrekturen vorgenommen werden könnten.
  • 2. Das zweite bekanntgewordene korrigierende Polierverfahren ist das sogenannte MRF-Verfahren (Magnetorheological Finishing). Mit diesem Verfahren lassen sich zwar bessere Ergebnisse als mit dem topographischen Polieren erzielen (die Linsenoberfläche wird glatter), es weist dennoch einige ganz gravierende andere Nachteile auf.

    Bei dem MRF-Verfahren wird eine Poliersuspension benutzt, die magnetisierbare Partikel enthält und daher unter der Einwirkung von starken Elektromagneten verfestigt werden kann. Zum Polieren der Linsen wird die Poliersuspension fortlaufend auf den äußeren Umfang eines um seine horizontale Achse rotierenden Zylinders aufgebracht.

    Durch die Rotation wird die an der Mantelfläche des Zylinders in Folge von Oberflächenkräften anhaftende Poliersuspension mitgenommen und gerät im oberen Scheitelpunkt in den Wirkungsbereich eines starken Elektromagneten, der feststeht und in das Innere des Zylinders hinein greift. Unter dem Einfluß des Magnetfeldes verfestigt sich die Poliersuspension und bildet so einen Polierkörper, der zusammen mit dem genannten Zylinder das Polierwerkzeug darstellt. Damit wird die in diesem Bereich d. h., im oberen Scheitelpunkt des Polierwerkzeugs, angeordnete Linse poliert. Wenn die Poliersuspension durch die Rotation des Zylinders den Kontaktbereich mit der Linse und das Magnetfeld wieder verlassen hat, so wird sie kontinuierlich von der Zylinderoberfläche abgestreift und regeneriert. Anschließend wird sie wieder auf die Zylinderoberfläche vor der Linse aufgebracht.

    Während des Poliervorgangs rotiert die Linse. Der Linsenhalter mit der Linse kann mittels einer Schwenkvorrichtung und einer zugeordneten Achssteuerung gegenüber der vertikalen Achse schräg gestellt werden. Bei großem Neigungswinkel berührt der Linsenrand das Polierwerkzeug, während bei kleinem Neigungswinkel das Zentrum der Linse in Kontakt mit dem Polierwerkzeug kommt. Der Linsenhalter ist außerdem so geführt, daß er auch vertikale Bewegungen ausführen kann.

    Wenn bei rotierender Linse der Neigungswinkel kontinuierlich verändert wird und die Linse mit dem Linsenhalter gleichzeitig vertikal so verfahren wird, daß sie in ständigem Kontakt mit dem Polierwerkzeug bleibt, so entsteht als Bahnkurve des Berührungspunkts zwischen der verfestigten Poliersuspension einerseits und der Linse andererseits auf der Linsenoberfläche eine Spirale.

    Der zur Korrektur der Linsengeometrie erforderliche unterschiedliche Materialabtrag kann wie folgt realisiert werden:
    • - Die Verweilzeit des Berührungspunktes an einer bestimmten Stelle der Linsenoberfläche kann durch entsprechende Steuerung der Bewegungsabläufe variiert werden. Da der Materialabtrag zur Verweilzeit proportional ist, lassen sich damit die gewünschten Korrekturen erreichen.
    • - Durch Variation der magnetischen Feldstärke kann die Poliersuspension in ihrer Festigkeit beeinflußt werden. Auch hieraus ergeben sich Möglichkeiten zu unterschiedlichem Materialabtrag.
    • - Eine weitere Korrekturmöglichkeit ergibt sich aus den unterschiedlichen Eintauchtiefen der Linse in die Poliersuspension.

Das MRF-Verfahren hat trotz vorteilhaften Eigenschaften folgende, ganz erhebliche Nachteile:

  • - Das wirtschaftliche Beseitigen von Polierabweichungen ist nur bei Fehlern < 200 nm möglich. Dies hängt mit der Geometrie und der geringen Härte der magnetisch verfestigten Poliersuspension zusammen.
  • - Zwischen dem Polierwerkzeug und der Linse findet nur der vorbeschriebene Bewegungsablauf statt. Eine überlagerte Oszillation in der Ebene des Berührungspunktes wird nicht ausgeführt. Oszillationen dieser Art sind jedoch zur Verbesserung des Polierergebnisses sehr wichtig, da sich damit die Glätte (Rauhtiefe) der Linsenoberfläche noch wesentlich verbessern läßt.
  • - Das Verfahren hat darüber hinaus den weiteren Nachteil, daß es sehr aufwendig ist und dementsprechend hohe Kosten verursacht. Insbesondere das erforderliche, kontinuierliche Regenerieren der Poliersuspension ist sehr teuer, da es aufwendige Verfahrensschritte erforderlich macht.

Mit dem hier vorgeschlagenen, erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens lassen sich die bei dem Stand der Technik gegebenen Nachteile vermeiden.

Benutzt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein neuartiges, radförmiges Polierwerkzeug, das aus einer zentralen Scheibe festen Materials besteht, die an ihrem äußeren Umfang einen hohlen Reifen aus weichem, elastischem Material trägt. (Der Aufbau ist ähnlich dem eines Fahrzeugrades mit Luftbereifung). Dieser Reifen hat vorzugsweise einen halbkreisförmigen Querschnitt, kann jedoch auch andere Querschnitte haben. Er hat die Funktion einer Polierfolie und kann mit verschiedenen Überdrücken beaufschlagt werden, woraus sich erhebliche Vorteile ergeben. Grundsätzlich gilt bei der Fehlerkorrektur, daß zum wirtschaftlichen Abtragen größerer Materialmengen von der Linsenoberfläche ein hartes Polierwerkzeug erforderlich ist, während sehr hohe Oberflächengüten (geringe Rauhtiefen) nur mit sehr weichen Polierwerkzeugen erreicht werden können. Beides ist bei dem erfindungsgemäßen Polierwerkzeug durch unterschiedliche Druckbeaufschlagung möglich.

Die genannte zentrale Scheibe verfügt über einen Spannzapfen, mit dem sie im Spannfutter der Werkzeugspindel festgespannt und in Rotation versetzt werden kann. Der hohle Reifen besteht aus einem Material, das die Eigenschaften einer Polierfolie hat (z. B. Polyurethan) und ist in seinem Innenraum mit einem im wesentlichen inkompressiblen Fluid gefüllt. Vorzugsweise wird hierfür ein handelsübliches Schmierfett benutzt. Der Innenraum des Reifens steht über Bohrungen in der zentralen Scheibe mit einer Axialbohrung in dem Spannzapfen in Verbindung. Die genannten Bohrungen sind ebenfalls mit dem inkompressiblen Fluid gefüllt. In der Axialbohrung ist ein Kolben angeordnet, der über Dichtelemente verfügt und auf der einen Seite an dem inkompressiblen Fluid anliegt, während seine andere Seite mit einem Druckmedium beaufschlagt werden kann. Hiermit läßt sich, durch Anlegen verschiedener Drücke, die Härte des Reifens d. h., der Polierfolie an dem Polierwerkzeug einstellen, da sich dieser Druck über den Kolben auf das Fluid in dem Reifen überträgt.

Bei dem Druckmedium kann es sich um Druckluft oder auch um ein inkomressibles Druckmedium (z. B. Hydrauliköl) handeln. Das Druckmedium wird über eine axiale Bohrung in dem Spannfutter der Poliermaschine zugeführt. Hierzu ist die zugehörige Antriebsspindel, die das Spannfutter trägt, ebenfalls hohl gebohrt und verfügt an ihrem anderen Ende, das dem Spannfutter gegenüber liegt, über eine Drehdurchführung für die Zufuhr des Druckmediums.

Es ist jedoch auch vorgesehen, den erforderlichen Überdruck in dem Druckmedium mit Hilfe eines Druckerzeugungszylinders zu erzeugen, dessen Kolben von einem elektrischen Linearantrieb bewegt wird. Dabei kann es sich um einen Linearmotor handeln. Vorteilhafterweise wird dieser Druckerzeugungszylinder in die Werkzeugspindel integriert. Eine Drehdurchführung kann dann entfallen. Außerdem sind durch die kurzen Wege zwischen Druckerzeugungszylinder und dem Polierwerkzeug sehr schnelle Druckwechsel möglich, ohne daß es zu unerwünschten Schwingungen kommt. Aus dem gleichen Grund sind die Querschnitte aller Kanäle, die der Druckweiterleitung dienen, klein gehalten. Die Restkompressibilität der in diesem Fall flüssigen Druckmedien fällt wegen dem kleinen Volumen dann nicht ins Gewicht.

Das Polierwerkzeug ist an einer Werkzeugspindel befestigt, die ungesteuerte Rotationsbewegungen um die B-Achse ausführt und in der Y-Achse translatorisch und gesteuert verschoben werden kann. Die Werkstückaufnahme mit der Linse steht mit einer Werkstückspindel in Verbindung, die gesteuerte Rotationsbewegungen um die C-Achse ausführen kann und außerdem translatorische und gesteuerte Bewegungen in der X-Achse und der Z-Achse ausführen kann. Die Zuordnung der verschiedenen Maschinenkomponenten zu den Achsen kann jedoch auch eine andere sein. So könnte z. B. die Werkzeugspindel außer mit der Y-Achse auch mit der X-Achse verbunden sein.

Der Poliervorgang läuft unter Zufuhr von Poliersuspension ab, wobei die Werkstückspindel in der X-Achse verschoben wird (Vorschubbewegung), während durch Ansteuern der Z-Achse die Kontur der Linse abgefahren wird. Durch Ansteuern der C-Achse werden die für die Korrektur der Linsengeometrie erforderlichen Verweilzeiten erzeugt.

Beim Polieren wird die Härte des Reifens, d. h. der Polierfolie, durch Variation des Überdrucks mittels des Druckmediums eingestellt. Mit der Veränderung der Härte können sowohl die Abtragsleistung als auch das Abtragsprofil beeinflußt werden. Unter dem Abtragsprofil versteht man dabei die abgetragene Materialmenge, die sich längs eines Durchmessers, der im wesentlichen runden Berührungsfläche zwischen Linse und Werkzeug ergibt. Damit eignet sich dieses Polierwerkzeug für alle vorkommenden Polieraufgaben wie z. B.:

  • - Abtragen großer Materialmengen: Gearbeitet wird mit großem Druck d. h. großer Härte der Polierfolie und großer Anpreßkraft zwischen Linse und Polierwerkzeug durch Verfahren der Werkstückspindel in der Z-Achse.
  • - Korrigieren kleiner Fehler in der Linsengeometrie: Gearbeitet wird mit großem Druck d. h. großer Härte der Polierfolie und kleiner Anpreßkraft zwischen Linse und Polierwerkzeug durch Verfahren der Werkstückspindel in der Z-Achse. Damit wird eine kleine Berührungsfläche erreicht, die zum Beheben kleiner Fehler nötig ist.
  • - Erzeugen feinster Oberflächen: Gearbeitet wird mit kleinem Druck d. h. weicher Polierfolie und kleiner Anpreßkraft durch Verfahren der Werkstückspindel in der Z-Achse, wobei kleine Kreisbewegungen als Relativbewegungen zwischen Polierwerkzeug und Linse durch Verfahren der X-Achse und Y-Achse überlagert werden. Damit lassen sich sehr glatte Oberflächen mit geringsten Rauhtiefen erzeugen.

Das hier beschriebene, neuartige Polierwerkzeug wird an einer speziell hierfür konzipierten Poliermaschine eingesetzt. Diese Poliermaschine verfügt über insgesamt vier gesteuerte Achsen und eine ungesteuerte Rotationsachse. Alle Funktionen der Poliermaschine werden von einer CNC-Steuerung angesteuert und kontrolliert. Der Aufbau der Maschine ist wie folgt:

Eine vertikal angeordnete Werkstückspindel trägt an ihrem oberen Ende die Werkstückaufnahme zur Aufnahme der Linse. Diese Werkstückspindel kann in ihrer Achsrichtung d. h., in der Z-Achse vertikal auf und ab bewegt werden. Zusätzlich kann sie in der X-Achse horizontale, translatorische Bewegungen ausführen, die damit senkrecht zur Z-Achse verlaufen. Diese Bewegungen in der X-Achse und der Z-Achse erfolgen gesteuert, so daß beliebige, vorgegebene Oszillationen in diesen Achsen ausgeführt werden können.

Außerdem kann die Rotation der Werkstückspindel gesteuert werden d. h., ihre Drehzahl und ihre Phasenlage werden kontrolliert. Diese Rotationsbewegungen der Werkstückspindel werden als C-Achse bezeichnet. So ist es z. B. möglich, ihre Phasenlage mit der Bewegung der Z-Achse so zu koppeln, daß die Oberflächenpunkte der Linse vorgegebene, räumlich gekrümmte Bahnkurven beschreiben, wie dies zum Abfahren der Linsenkontur erforderlich ist (z. B. bei nicht rotationssymetrischen Linsen). Bei sehr geringen Hüben in der Z-Achse und in Abhängigkeit von der Rotation in der C-Achse, dem Verfahrweg in der X-Achse und den interferometrischen Meßergebnissen ergibt sich außerdem die sehr wichtige Möglichkeit, die Anpreßkraft der Linse gegen das Polierwerkzeug für jeden beliebigen Oberflächenpunkt der Linse zu variieren. Damit kann der Materialabtrag an der Linse während des Poliervorgangs punktuell geändert werden, woraus sich eine der Möglichkeiten zur Korrektur der Linsengeometrie ergibt.

Durch die Kopplung der Z-Achse mit der C-Achse ist z. B. auch die Bearbeitung von nicht rotationssymetrischen Linsen möglich. In diesem Fall werden die Achsen so gesteuert, daß das im Eingriff befindliche Polierwerkzeug einerseits die Linsengeometrie abfährt und andererseits Oszillationen mit geringen Amplituden erzeugt werden, welche zu den erwünschten Korrekturen an der Linsengeometrie führen.

Außer der vertikalen Werkstückspindel ist auch eine horizontale Werkzeugspindel an der Poliermaschine vorhanden, die über einen Antrieb verfügt und das mit ihr verbundene Spannwerkzeug mit dem Polierwerkzeug in Rotation versetzt. Die vorgegebene Drehzahl wird während des betreffenden Poliervorgangs konstant gehalten. Die Werkzeugspindel kann in ihrer Achsrichtung, d. h. in der Y-Achse translatorisch und gesteuert bewegt werden. Die X-Achse der Werkstückspindel und die Y-Achse der Werkzeugspindel sind senkrecht zu einander angeordnet und liegen in parallelen horizontalen Bewegungsebenen. Die Z-Achse verläuft senkrecht dazu.

Es ist auch möglich, die X-Achse und die Y-Achse so anzusteuern, daß sich als Relativbewegung zwischen Polierwerkzeug und Linse kleine Kreisbewegungen in der horizontalen Bewegungsebene ergeben. Mit diesen Kreisbewegungen läßt sich die Oberflächenqualität (Rauhtiefe) der so polierten Linsen erheblich verbessern.

Grundsätzlich kann die Zuordnung der drei translatorischen Achsen (X-, Y- und Z-Achse) zu den beiden Spindeln, jedoch auch anders gewählt werden.

Wie bereits erwähnt, verfügen die Werkzeugspindel und das mit ihr verbundene Spannwerkzeug jeweils über eine zentrale Bohrung, die mit dem Druckmedium beaufschlagt werden kann. Die Werkzeugspindel hat in diesem Zusammenhang eine Drehdurchführung, die an dem Ende angebracht ist, das dem Spannwerkzeug gegenüber liegt. Alternativ kann ein Druckerzeugungszylinder in der Werkzeugspindel integriert werden.

Aus den genannten konstruktiven Merkmalen und Eigenschaften, sowohl des Polierwerkzeugs als auch der Poliermaschine, ergibt sich folgender Arbeitsablauf, wobei daß korrigierende Polieren einer Linse mehrere Poliervorgänge einschließen kann:

Die vorpolierte Linse wird interferrometrisch vermessen und das Ergebnis dieser Messung, mit den dabei gegebenenfalls gefundenen unzulässigen Fehlern in der Linsengeometrie, mit einer geeigneten Software ausgewertet. Diese Auswertung führt direkt zu einem Datensatz, der in die Steuerung der Poliermaschine eingelesen wird. Gemeinsam mit den zusätzlich eingegebenen Technologiedaten wird damit der Poliervorgang gesteuert.

Das Polierwerkzeug wird an der Werkzeugspindel festgespannt und der die Polierfolie bildende Reifen mit dem gewünschten Überdruck beaufschlagt. Anschließend wird die Linse zum korrigierenden Polieren in die Werkstückaufnahme der Werkstückspindel eingelegt und diese so justiert, daß der Nullpunkt ihrer Polarkoordinaten mit demjenigen des zur Messung benutzten Interferometers übereinstimmt. Die Rotation der Werkzeugspindel wird gestartet und diese durch Ansteuern der X- und Y-Achsen in die genannten kleinen Kreisbewegungen versetzt, soweit dies erforderlich ist.

Nachdem durch überlagertes Verfahren der beiden Spindeln in den X-, Y- und Z-Achsen Linse und Werkzeug zur Berührung gebracht wurden, startet das Bewegungsprogramm der Werkstückspindel in der Z- und der C-Achse zur Fehlerkorrektur. Gleichzeitig wird der Berührungspunkt zwischen Linse und Polierwerkzeug durch Verfahren der Linse in der X-Achse (Vorschubbewegung) vom Linsenrand zu deren Mittelpunkt bewegt, wobei die Linse durch Verfahren der Z-Achse so bewegt wird, daß sie trotz ihrer Krümmung mit dem Polierwerkzeug in Kontakt bleibt.

Während des Poliervorgangs entsteht als Spur des Polierwerkzeugs auf der Linse eine "eng gewickelte" Spirale, die von den Berührungspunkten von Linse und Polierwerkzeug gebildet wird. Durch die gegebenenfalls überlagerte, relative, kleine Kreisbewegung zwischen Polierwerkzeug und Linse, durch Verfahren der X- und Y-Achsen, bilden diese Berührungspunkte kleine Kreise, die durch die Bewegung entlang der Spiralbahn entsprechend verzogen werden.

Zur Fehlerkorrektur gibt es mehrere Möglichkeiten:

  • 1. Durch Steuern der C-Achse kann die Umfangsgeschwindigkeit der Linse im Berührungspunkt mit dem Polierwerkzeug phasengenau dann reduziert werden, wenn zur Fehlerbeseitigung ein erhöhter Materialabtrag an dieser Stelle der Linse erforderlich ist. Wenn größerer Materialabtrag erforderlich ist, kann die Rotation der Linse für kurze Zeit auch gestoppt werden. Durch die sich ergebende größere Verweilzeit wird mehr Material abgetragen als an den benachbarten Stellen der Linsenoberfläche. Diese Ansteuerung der C-Achse zur Erzeugung unterschiedlicher Verweilzeiten, erfolgt in Abhängigkeit von der Stellung der C-Achse und der X-Achse.
  • 2. Die Härte des Reifens kann durch entsprechende Beaufschlagung mit dem Druckmedium so vorgewählt werden, daß sie dem geplanten Materialabtrag entspricht. Soll viel Material abgetragen werden, so wird man einen höheren Druck und eine höhere Anpreßkraft zwischen Linse und Polierwerkzeug wählen. Sollen dagegen kleinere Fehler beseitigt werden, so wird man bei hohem Druck nur mit kleiner Anpreßkraft arbeiten. Der Druck und die Anpreßkraft können während eines Poliervorgangs konstant gehalten werden, um eine bestimmte Art von Fehlern zu beseitigen. Daran können sich weitere Poliervorgänge anschließen, um die restlichen Fehler mit anderen Druckeinstellungen und Anpreßkräften zu beseitigen.
  • 3. Bei Verwendung eines inkompressiblen Druckmediums besteht die Möglichkeit, die Härte des Reifens während eines Bearbeitungsgangs fortlaufend zu ändern, um einen optimalen Materialabtrag zu erzielen. Hierzu wird der Druck des Druckmediums mit dem entsprechend angesteuerten Druckerzeugungszylinder moduliert (d. h. fortlaufend verändert). Der Druckerzeugungszylinder wird entsprechend angesteuert, in Abhängigkeit von der Stellung der C-Achse und der X-Achse. Zur Druckmodulation kommt jedoch auch eine andere geeignete Pumpe in Frage. Auch hier gelten die unter 2. genannten Zusammenhänge.
  • 4. Durch moduliertes Verfahren in der Z-Achse können die Größe der Berührungsfläche und der Anpreßkraft während eines Poliervorgangs fortlaufend verändert werden, da sich der Reifen mehr oder weniger stark flachdrücken läßt. Auch hieraus ergibt sich wegen der unterschiedlich großen Berührungsfläche und entsprechender Anpreßkräfte ein gezielter Materialabtrag in Abhängigkeit von der C-Achse und X-Achse.
  • 5. Der Radius der kleinen, relativen Kreisbewegungen zwischen Polierwerkzeug und Linse, die durch gleichzeitiges Verfahren der X- und Y-Achse erzeugt werden, läßt sich durch entsprechendes Ansteuern dieser Achsen und in Abhängigkeit von der C-Achse und X-Achse variieren. Auch hierdurch wird die Berührungsfläche zwischen Linse und Polierwerkzeug größer oder kleiner, woraus sich ein entsprechender Materialabtrag ergibt. Bei sehr kleinen Korrekturen wird auch auf die Kreisbewegung des Polierwerkzeugs verzichtet, damit die Berührungsfläche zwischen Linse und Polierwerkzeug möglichst klein ist.
  • 6. Durch die beliebige Kombination der unter 1. bis 5. genannten Maschinenfunktionen kann der Abtragungs- und Poliereffekt an der Linsenoberfläche noch weiter verbessert werden. Es ergibt sich so ein optimaler Betrieb der Poliermaschine mit dem größtmöglichen, gezielten Materialabtrag, bei gleichzeitiger Schonung der Linsenstruktur d. h., des Linsenmaterials in Oberflächennähe.

Nach erfolgter Korrektur der Linsengeometrie kann die Oberfläche der Linse mit dem gleichen Polierwerkzeug nochmals nachbearbeitet werden, um die Oberfläche optimal zu glätten (kleinstmögliche Rauhtiefe). Hierzu wird der Druck des Druckmediums entsprechend abgesenkt, was zu einem sehr weichen Polierwerkzeug führt und die Anpreßkraft zwischen Linse und Polierwerkzeug klein gewählt, wie dies für Feinstbearbeitungen erforderlich ist. Durch Ansteuern der X-Achse und der Y-Achse werden die genannten kleinen Kreisbewegungen zwischen Polierwerkzeug und Linse erzeugt, womit sich das Polierergebnis noch weiter verbessern läßt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich demnach die folgenden erheblichen Vorteile:

  • 1. Der Materialabtrag zur Korrektur der Linsengeometrie kann, wie vorbeschrieben, sehr einfach über den Überdruck in dem als Polierfolie dienenden Reifen beeinflußt werden. Da sich die Druckänderung sehr leicht durchführen läßt, ist diese Methode zur Fehlerkorrektur besonders funktionell.

    Es kann zwischen hoher Abtragsleistung und feinsten Korrekturen gewählt werden, ohne daß das Werkzeug gewechselt werden muß. Sollen z. B. zunächst Tiefenschädigungen oder andere "größere" Fehler beseitigt werden, so wird der Reifen mit höherem Druck beaufschlagt und die Anpreßkraft zwischen Linse und Polierwerkzeug erhöht. Zur anschließenden Beseitigung der kleineren Fehler wird umgekehrt verfahren.
  • 2. Die Größe der Berührungsfläche und der Anpreßkraft zwischen Linse und Polierwerkzeug ist variabel und kann so mit großer Genauigkeit an den zu behebenden Fehler auf der Linsenoberfläche angepaßt werden. Die Korrektur der Linsengeometrie läßt sich damit optimal durchführen. Zur Veränderung dieser Größen kann die Z-Achse angesteuert werden, gegebenenfalls unter Anpassung des Reifendrucks.
  • 3. Nach der Fehlerkorrektur können mit dem gleichen Polierwerkzeug höchste Oberflächengüten erzeugt werden, ohne daß ein Werkzeugwechsel erforderlich ist. Hierzu wird der Druck in den Reifen abgesenkt und mit dem nun sehr weichen Werkzeug nachpoliert. Dies spart Rüstzeiten und damit Kosten.
  • 4. Die kleinen, relativen Kreisbewegungen durch Verfahren der X- und Y-Achse ermöglichen eine weit höhere Glättung der Linsenoberfläche, als dies ohne solche Kreisbewegungen möglich wäre.
  • 5. Da das Polierwerkzeug rotiert und damit sein gesamter äußerer Umfang mit der zu bearbeitenden Linse in Berührung kommt, ist die nacheinander im Eingriff befindliche Arbeitsfläche des Polierwerkzeugs sehr groß (z. B. im Vergleich zur kleinen Stirnfläche von 5 bis 15 mm ∅ bei dem topographischen Polieren). Dementsprechend gering ist die Abnutzung der Polierfolie, was wieder Rüstzeiten und Werkzeugkosten einspart.

Die zur Durchführung des Verfahrens vorgesehene Vorrichtung wird an einem Beispiel erläutert. Hierzu dienen auch die Fig. 1 und die Fig. 2. Es sind jedoch auch andere technische Lösungen zur Durchführung des Verfahrens vorgesehen. Insofern handelt es sich bei dem dargestellten Beispiel nur um eine von mehreren möglichen Varianten.

In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Poliermaschine mit dem Polierwerkzeug dargestellt.

In Fig. 2 ist das erfindungsgemäße Polierwerkzeug in einem Schnitt dargestellt.

Zu Fig. 1:

In dieser Fig. 1 wird die Poliermaschine (1) in zwei Ansichten gezeigt. Auf der linken Seite befindet sich eine Frontansicht und auf der rechten Seite eine Seitenansicht. Die Poliermaschine (1) trägt in ihrem vorderen Bereich einen Maschinenschlitten (2), der mit einer Vertikalführung (29) verbunden ist, an der die Werkstückspindel (3) vertikal, d. h. in der Z-Achse verschieblich gelagert ist.

Der Maschinenschlitten (2) ist an der Horizontalführung (7) horizontal, d. h. in der X-Achse verschieblich gelagert. Damit kann auch die Werkstückspindel (3), die mit ihm verbunden ist, gesteuerte translatorische Bewegungen in der X-Achse ausführen. Diese Bewegungen können den translatorischen Bewegungen in der Z-Achse überlagert werden.

An ihrem oberen Ende trägt die Werkstückspindel (3) die Werkstückaufnahme (4), in welche die Linse (5) eingelegt ist. Die Antriebswelle (6) der Werkstückspindel (3) verfügt über einen elektrischen Antrieb, mit dem sie gesteuert in Rotation versetzt werden kann und somit die C-Achse bildet. Diese Achse wird sowohl bezüglich ihrer Drehzahl als auch ihrer Phasenlage ständig angesteuert und kontrolliert.

In ihrem oberen Bereich trägt die Poliermaschine (1) eine Horizontalführung (8), an der die Werkzeugspindel (9) in der Y-Achse verschieblich gelagert ist, d. h. translatorische, gesteuerte Bewegungen in dieser Achse ausführen kann.

Die Werkzeugspindel (9) trägt an ihrem vorderen Ende das Polierwerkzeug (10), das von der Antriebswelle (11) der Werkzeugspindel (9) in Rotation versetzt wird. Diese Rotation erfolgt in der B-Achse mit vorgegebenen Drehzahlen, jedoch nicht phasenkontrolliert. Die Drehzahl wird bei einem ablaufenden Poliervorgang im wesentlichen konstant gehalten.

Das Polierwerkzeug (10) ist mit seinem Spannzapfen (14) in dem Spannfutter (15) der Werkzeugspindel (9) befestigt, wobei das Spannfutter (15) mit der Antriebswelle (11) der Werkzeugspindel (9) verbunden ist. Zu erkennen sind die Abdeckscheibe (12) und der an dem Umfang des Polierwerkzeugs (10) angeordnete Reifen (13), der als Polierfolie dient und von der Abdeckscheibe (12) zusätzlich an der zentralen Scheibe (nicht dargestellt) gehalten wird.

An dem entgegengesetzten Ende trägt die Werkzeugspindel (9) eine Drehdurchführung (16), an die ein Zuleitungsrohr (17) für das Druckmedium angeschlossen ist. Sowohl die Antriebswelle (11) in der Werkzeugspindel (9) als auch das Spannfutter (15) sind hohlgebohrt, damit das Druckmedium zu dem Kolben (nicht dargestellt) in der zentralen Bohrung des Spannzapfens (14) weitergeleitet werden kann.

Zu Fig. 2.

Hier wird das erfindungsgemäße Polierwerkzeug (10) in einem Schnitt mit seinen Details gezeigt. Der Spannzapfen (14) verfügt über eine axiale Bohrung (18), in der ein Kolben (19) mit der Dichtung (20) axialverschieblich angeordnet ist. Während das eine Ende des Spannzapfens (14) offen ist, damit das Druckmedium über das Spannfutter (15) zugeführt werden kann, trägt das andere Ende die zentrale Scheibe (21). Diese ist fest mit dem Spannzapfen (14) verbunden und verfügt über radiale Bohrungen (22), die einerseits mit der axialen Bohrung (18) verbunden sind und andererseits mit dem Innenraum (23) des Reifens (13) in Verbindung stehen.

Der Reifen (13) und die radialen Bohrungen (22) sowie auch der Teil der axialen Bohrung (18) der den radialen Bohrungen (22) zugewandt ist, sind mit Schmierfett (24) gefüllt. Zur Führung des Reifens (13) trägt die zentrale Scheibe (21) an ihrem äußeren Umfang eine Verbreiterung (25), die innen an dem Reifen (13) anliegt.

Zur weiteren Stabilisierung des Reifens (13) wird dieser auf beiden Seiten von je einer Abdeckscheibe (12) gehalten. Diese beiden Abdeckscheiben (12) verfügen über eine Ringnut (26), in die sich jeweils ein entsprechender Ringwulst (27) des Reifens (13) einlegt. Die Verbindung zwischen der zentralen Scheibe (21) einerseits und den beiden Abdeckscheiben (12) andererseits, wird mittels der Schraubenverbindungen (28) hergestellt. So entsteht ein sehr kompaktes und stabiles Polierwerkzeug (10), mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Bezugszeichenliste 1 Poliermaschine

2 Maschinenschlitten

3 Werkstückspindel

4 Werkstückaufnahme

5 Linse

6 Antriebswelle

7 Horizontalführung

8 Horizontalführung

9 Werkzeugspindel

10 Polierwerkzeug

11 Antriebswelle

12 Abdeckscheibe

13 Reifen

14 Spannzapfen

15 Spannfutter

16 Drehdurchführung

17 Zuleitungsrohr

18 axiale Bohrung

19 Kolben

20 Dichtung

21 zentrale Scheibe

22 radiale Bohrungen

23 Innenraum

24 Schmierfett

25 Verbreiterung

26 Ringnut

27 Ringwulst

28 Schraubenverbindungen

29 Vertikalführung (29)


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum korrigierenden Feinstpolieren von optischen Linsen oder Spiegeln, bei dem diese zunächst vorpoliert und dann interferometrisch vermessen werden, um danach durch weitere Poliervorgänge mit gezieltem Materialabtrag in ihrer Oberflächengeometrie und Oberflächengüte verbessert zu werden, wobei durch Variation der Verweilzeiten des Polierwerkzeugs an den verschiedenen Berührungspunkten mit der Linsenoberfläche unterschiedlicher Materialabtrag entsteht, dadurch gekennzeichnet,

    daß das Polierwerkzeug (10) von einer Werkzeugspindel (9) der Poliermaschine (I) angetrieben wird, während die Linse (5) von einer Werkstückspindel (3) der Poliermaschine (1) in Bewegung versetzt wird und der Reifen (13) des benutzten Polierwerkzeugs (10) die Linse mit seinem Umfang berührt und während des korrigierenden Polierens durch Beaufschlagung mit verschiedenen Überdrücken verschieden hart eingestellt wird und

    daß der Anpreßdruck zwischen der Linse (5) und dem Polierwerkzeug (10) durch Verfahren der Werkstückspindel (3) in der Z-Achse fortlaufend und in Abhängigkeit von der C-Achse und der X-Achse sowie von den interferometrischen Meßergebnissen geändert wird und

    daß das Polierwerkzeug (10) relativ zur Linse (5) während des Poliervorgangs kleine Kreisbewegungen ausführt, deren Radius zwischen 0 und einem vorgegebenen Maximalwert liegt, wozu gesteuerte Linearbewegungen in der X-Achse von der einen Spindel und in der Y-Achse von der anderen Spindel ausgeführt werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die translatorische Bewegung in der X-Achse von der Werkstückspindel (3) ausgeführt wird, während die translatorische Bewegung in der Y-Achse von der Werkzeugspindel (9) ausgeführt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß das korrigierende Polieren aus mehreren Poliervorgängen besteht und sich an den ersten Poliervorgang mit konstantem Überdruck in dem Reifen (13) mindestens ein weiterer Poliervorgang mit anderem konstanten Überdruck anschließt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Überdruck in dem Reifen (13) während eines Poliervorgangs fortlaufend und in Abhängigkeit von der Stellung der C-Achse und der X-Achse sowie von den interferometrischen Meßergebnissen geändert wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der kleinen, relativen Kreisbewegungen, die durch Ansteuern der X-Achse und der Y-Achse entstehen, während des Poliervorgangs fortlaufend geändert wird und diese Veränderungen mit der Stellung der C-Achse und der X-Achse gekoppelt sind und außerdem von den interferometrischen Meßergebnissen abhängen.
  6. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß eine zentrale Scheibe (21) an ihrem Umfang mit einem Reifen (13) aus weichem und elastischem Material verbunden ist und über radiale Bohrungen (22) verfügt, die mit einer axialen Bohrung (18) in Verbindung stehen, die sich in dem Spannzapfen (14) befindet, der mit der zentralen Scheibe (21) fest verbunden ist und daß der Innenraum (23) und die radialen Bohrungen (22) sowie die axiale Bohrung (18) mit einem im wesentlichen inkompressiblen Fluid gefüllt sind und

    daß das Polierwerkzeug (10) an der Werkzeugspindel (9) einer Poliermaschine (1) befestigt ist und

    daß die Linse (5) von einer Werkstückaufnahme (4) gehalten wird, die ihrerseits mit einer Werkstückspindel (3) einer Poliermaschine (1) in Verbindung steht und

    daß die Werkzeugspindel (9) und die Werkstückspindel (3) mit Einrichtungen verbunden sind, die gesteuerte, translatorische Bewegungen in der X-, Y- und Z-Achse ermöglichen und die Werkstückspindel (3) über einen gesteuerten Antrieb in der C-Achse verfügt, der kontrollierte Drehbewegungen bezüglich Drehzahl und Phasenlage ermöglicht und

    daß an der Werkzeugspindel (9) Einrichtungen vorhanden sind, um das Druckmedium mit unterschiedlichen Drücken zu beaufschlagen.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugspindel (9) mit dem daran befestigten Spannfutter (15) und dem Polierwerkzeug (10), mit einer Horizontalführung (8) verbunden ist, an der sie in der Y-Achse verschieblich gelagert ist und daß die Werkstückspindel (3) mit der daran befestigten Werkstückaufnahme (4) und der Linse (5) mit einer Vertikalführung (29) verbunden ist, die ihr Bewegungen in der Z-Achse ermöglichen und die Vertikalführung (29) ihrerseits mit einem Maschinenschlitten (2) in Verbindung steht, der an einer Horizontalführung (7) verschieblich gelagert ist, was ihm Horizontalbewegungen in der X-Achse ermöglicht.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7 dadurch gekennzeichnet, daß in der axialen Bohrung (18) ein Kolben (19) angeordnet ist, der über eine Dichtung (20) verfügt.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Seite der zentralen Scheibe (21) eine Abdeckscheibe (12) vorhanden ist, die über Schraubenverbindungen (28) mit der zentralen Scheibe (21) verbunden ist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckscheiben (12) über jeweils eine Ringnut (26) verfügen, die mit dem zugehörigen Ringwulst (27) des Reifens (13) verbunden sind.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Scheibe (21) an ihrem äußeren Umfang über eine Verbreiterung (25) verfügt.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß der Reifen (13) aus Polyurethan (PU) besteht.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß der Reifen (13) in dem Bereich, der mit der Linse (5) in Berührung kommt, einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid im Innenraum (23) des Reifens (13), in den radialen Bohrungen (22) und in der axialen Bohrung (18) ein Schmierfett (24) eingefüllt ist.
  15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 14 dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Bewegungen in der X-, Y-, Z- und C-Achse um gesteuerte Bewegung handelt und außer langsamen Vorschubbewegungen auch überlagerte, schnelle Oszillationen möglich sind und hierzu entsprechend leistungsfähige Antriebe, mit den zu bewegenden Bauelementen verbunden sind.
  16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 15 dadurch gekennzeichnet, daß alle Antriebselemente für die verschiedenen Maschinenfunktionen und insbesondere die Antriebe der gesteuerten Achsen mit einer CNC-Steuerung verbunden sind.
  17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 16 dadurch gekennzeichnet, daß in der CNC-Steuerung ein Auswertprogramm vorhanden ist, das die Ergebnisse der interferometrischen Messungen in Maschinenbefehle umrechnet.
  18. 18. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 17 dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugspindel (9) mit einer Drehdurchführung (16) verbunden ist.
  19. 19. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 17 dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugspindel (9) mit einem Druckerzeugungszylinder verbunden ist.
  20. 20. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis I 7 und 19 dadurch gekennzeichnet, daß der Druckerzeugungszylinder von einem elektrischen Linearmotor angetrieben wird.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com