非球面加工方法和非球面形成方法 【技术领域】
本发明涉及非球面加工方法，特别是涉及可迅速切削凹凸高度差较大的非球面的非球面加工方法和非球面形成方法。
背景技术
专利文献1：特开平11-309602号公报
专利文献2：特开2002-283204号公报
作为远视矫正用眼镜镜片，大量使用着所谓无边界累进屈光度镜片。近年来，提出了所谓内面累进镜片，该内面累进镜片在眼球侧的凹面上设有由累进面或累进面环形圆纹曲面(ト-リツク面)合成的曲面。该内面累进镜片可以减轻作为累进屈光度镜片缺点的摇晃或变形，可以显著提高光学性能。作为与制作这种眼镜镜片的凹面累进面等非轴对称非球面技术有关的已有技术的文献信息，有专利文献1、专利文献2中所示的技术。
制作非轴对称非球面的3轴控制数控切削装置使用X轴工作台、Y轴工作台、工件旋转单元的3轴，将刀具连续定位在规定位置，通过切削来进行根据镜片设计形状地形状制作。控制方法的概要如下：一边使工件旋转，一边用编码器算出该工件的旋转位置，对X轴工作台、Y轴工作台、工件旋转单元的3轴进行控制，使其与该旋转位置同步。
利用图8、图9和图10，对作为利用该数控切削装置的现有的作为形状制作控制方法的法线控制加工方法进行说明。图8是表示法线控制加工方法中的镜片加工面的概略图。图8(a)是镜片的正面图，图8(b)是8(a)的B-B’截面图。图9是表示法线控制加工方法的概念图。图10是表示法线控制加工方法中的X轴方向的刀具中心位置的概念图。
利用图8所示的任意点Qx来说明法线控制加工方法的用于NC控制(数值控制)的数值数据。关于法线控制加工方法中用于NC控制的数值数据，设想从圆形的镜片的外周到旋转中心以进给节距P所规定的螺线，从镜片的旋转中心起每隔规定角度的放射线与螺线的各交点的坐标值由镜片的旋转角度(θ)和到旋转中心的距离(半径Rx)来给定。此外，求出未图示的与通过各交点的Y轴方向的面形状对应的高度(y)。求出该3点作为加工点的坐标值(θ、Rx、y)。
环形圆纹曲面是具有沿A-A’线的曲率最小的曲线(基线)和沿与A-A’线正交的B-B’线的曲率最大的曲线(交叉线)的曲面。当基线和交叉线的曲率之差较大时，如图8(b)所示，沿交叉线剖切的截面成为具有极厚的两端部和很薄的中央部的曲面形状。刀具325每旋转90°，就在最小厚度部分的高度和最大厚度部分的高度之间进行往返运动。亦即，沿Y轴方向进行往返运动。例如，如图9所示，当镜片从A-A’截面部到B-B’截面部旋转90°时，刀具从最小厚度部分中的任意加工点Qn向Y轴方向的正侧移动到最大高度的任意加工点Qnm。
用于切削的刀具325的顶端部的截面形成为圆弧状(以下称为R形状)。法线控制中，例如将刀具325的顶端部的R部分的中心定位于沿镜片加工点Qn引出的法线方向。具体来说，在最小厚度的曲线(基线，A-A’截面)上的任意加工点Qn，将刀具325的中心点Pn定位于从加工点Qn引出的法线方向。在从加工点Qn使镜片旋转90°后的最大高度的曲线(交叉线，B-B’截面)上的任意加工点Qnm，将刀具325的中心点Pnm定位于从加工点Qnm引出的法线方向。此处，加工点Qnm从加工点Qn向X轴方向的中心侧移动了1/4节距。在从该加工点Qn移动到加工点Qnm的过程中，刀具325沿Y轴方向的正方向移动ΔY，另一方面向X轴方向的中心侧相对移动Xm。在镜片再旋转90°后的最小高度的曲线(基线，A-A’截面)上的任意加工点Qnr，刀具325移动到图中未表示的Y轴方向的负方向。这时在X轴方向，由于厚度减少朝向外侧的速度比朝向进给节距的中心侧的速度大，因此如图10(c)所示，刀具325向外周侧相对移动了Xr。亦即，B-B’截面的交叉线成为移动方向的符号改变正负的拐点，刀具325以B-B’截面的交叉线为边界，运动方向的正负发生改变，进行Y轴方向和X轴方向的往返运动。
法线控制加工方法中，如图8所示，把螺线和放射线的交点作为加工点，刀具的顶端部的中心位置被控制在从该加工点引出的法线方向上。亦即，法线控制加工方法中，如前所述，刀具的运动方向的正负反复改变，一边描绘着锯齿状的复杂的螺线轨迹，一边切削工件。
【发明内容】
上述的由数控切削装置所进行的法线控制加工方法中，由于Y轴工作台小且轻、惯性力很小，可以使刀具沿Y轴方向作高速微小的往返运动。但是，由于X轴工作台大且重、惯性力大，使工件沿X轴方向高速进行微小的往返运动是很困难的。因此，当磨削凹凸高度差大的用于矫正高度远视的环形圆纹曲面等时，X轴工作台不能跟随通常镜片加工中所采用的工件转数。因此，使工件的转数降低到X轴工作台能够随动的程度。其结果，产生了生产率降低的问题。
由于必须使X轴工作台至少移动工件半径的距离，因此在缩小该工作台方面存在限制。此外，如采用超高输出的电机，虽然可以使X轴工作台进行高速往返运动，但并不现实。本发明就是鉴于上述情况提出的，其目的在于提供一种非球面加工方法，其可以利用现有的数控切削装置，迅速地切削凹凸高度差大的工件。
为了解决上述问题，本发明的非球面加工方法的特征在于，具有：被加工工件，其以旋转轴为中心旋转；和刀具，其可以沿与所述工件的旋转轴相同的方向以及与所述工件的旋转轴正交的方向，相对所述工件进行移动，所述刀具在沿与所述工件旋转轴正交的方向从所述工件的旋转轴的中心到所述工件的外周部的一部分或整个区域，以规定的进给节距沿固定方向移动，将所述工件加工为非轴对称非球面。根据本发明的非球面加工方法，由于上述刀具通过以规定的进给节距沿固定方向移动来加工上述工件，上述刀具一边描绘不是锯齿状而是单纯的螺线轨迹，一边切削工件。亦即，刀具不在与工件旋转轴正交的方向作往返运动，而总是沿固定方向作相对移动。因此，由于数控切削装置的X轴工作台不使工件作往返运动，而是沿固定方向运动，因此即使提高凹凸高度差较大的工件的转数，也可以随动，与现有的例子比较起来，可以迅速地进行切削。
此外，本发明所提供的非球面加工方法的特征在于：控制所述刀具的位置，使所述刀具的顶端切削刃的中心位于从所述工件加工点引出的法线方向上。
此外，本发明所提供的非球面加工方法的特征在于：对由所述刀具进行的加工进行控制，使其从沿与所述工件旋转轴正交的方向所述工件的旋转中心与所述刀具的顶端切削刃之间的距离为0或接近0的位置、或者所述工件的外周边缘部与所述刀具的顶端切削刃之间的距离为0或接近0的位置开始进行加工。
此外，本发明所提供的非球面形成方法的特征在于，其具有：粗切削工序，其将所述工件形成为与希望的形状近似的形状；精切削工序，其继所述粗切削工序之后，通过利用上述任何一项所述的非球面加工方法对所述工件进行加工，将所述工件形成为希望的形状。
根据本发明的非球面加工方法和非球面形成方法，由于可以控制成不使惯性力大的工作台作往返运动，而只沿固定方向运动，因此工作台的随动性良好，即使是凹凸高度差较大的工件，也可使其高速旋转并迅速进行加工。
【附图说明】
图1是使用本发明的非球面加工方法的数控切削装置的示意图。
图2是作为工件的一例的镜片的截面图。
图3是表示第1实施例的非球面加工方法中的镜片加工面的概略图。图3(a)是镜片的正面图，图3(b)是沿图3(a)的B-B’线的截面图。
图4是表示第1实施例的非球面加工方法的概念图。
图5是表示第1实施例的非球面加工方法中的X轴方向的刀具中心位置的概念图。
图6是表示第2实施例的非球面加工方法中的镜片加工面的概略图。图6(a)是镜片的正面图，图6(b)是沿图6(a)的B-B’线的截面图。
图7是表示第2实施例的非球面加工方法的概念图。
图8是作为现有例的法线控制加工方法中的镜片加工面的概略图。图8(a)是镜片的正面图，图8(b)是8(a)的B-B’截面图。
图9是表示作为现有例的法线控制加工方法的概念图。
图10是表示作为现有例的法线控制加工方法中的X轴方向的刀具中心位置的概念图。
符号说明
300：数控切削装置；301：底座；310：X轴工作台；311：X轴驱动用电机；312：工件旋转单元；313：工件卡盘；314：工件旋转轴驱动用电机；320：Y轴工作台；321：Y轴驱动用电机；322：第1刀架；323：第2刀架；324：粗切削用刀具；325：精切削用刀具；10：工件(半成品镜片)；400：主计算机；500：计算用计算机；600：输入装置。
【具体实施方式】
下面，对本发明的非球面加工方法的实施例进行说明，但本发明并不局限于以下实施例。
切削装置的说明
以眼镜镜片的切削加工为例，对本发明的非球面加工方法中所用的数控切削装置(也称为NC控制装置)，用图1加以说明。图1是表示本发明的非球面加工方法中所用的数控切削装置的一个实施例的平面图。
该数控切削装置300在底座301上具有X轴工作台310和Y轴工作台320。X轴工作台由X轴驱动用电机311驱动，沿X轴方向作往返运动。X轴方向的位置由安装在X轴驱动用电机311中的未图示的编码器算出。在X轴工作台310上固定有工件轴旋转单元312。在工件轴旋转单元312上安装有工件卡盘313，通过工件旋转轴驱动用电机314，以与X轴正交的Y轴方向的主轴为旋转轴，驱动工件卡盘313旋转。工件卡盘313的旋转位置由安装在工件旋转轴驱动用电机314中的未图示的编码器算出。在工件卡盘313上，通过未图示的毛坯夹具，安装有要加工的工件(眼镜镜片)10。Y轴工作台320由Y轴驱动用电机321驱动，沿与X轴工作台310正交的大约为水平方向的Y轴方向作往返运动。Y轴方向的位置由安装在Y轴驱动用电机321中的未图示的编码器进行算出。在Y轴工作台320上，固定有2个刀架即第1刀架322和第2刀架323，在第1刀架322上固定有粗切削用刀具324，在第2刀架323上固定有精切削用刀具325。数控切削装置300交替用粗切削用刀具324和精切削用刀具325进行切削加工。
并且，数控切削装置300也可以不通过X轴工作台310的驱动使工件轴旋转单元312沿X轴方向作的往返运动，而是固定工件轴旋转单元312，将Y轴工作台320放置在X轴工作台310上，用X轴工作台310使刀具324、325沿X轴方向作往返运动，此外，也可以用线性标尺代替编码器作为X轴和Y轴的位置检测装置。
此处，对控制方法进行说明。首先，一边使工件10旋转，一边用编码器314算出该工件10的旋转位置。其次，使由编码器321算出的作为工件10的旋转轴的Y轴方向的刀具324、325与工件10的相对位置与工件10的旋转同步，同时，使由编码器311算出的X轴方向的刀具324、325的切削刃与工件10的旋转中心的距离与工件10的旋转同步。这样，使用X轴工作台310、Y轴工作台320以及工件轴旋转单元312的3轴，将刀具324或刀具325定位于加工点。通过根据该加工点连续定位刀具的顶端切削刃的中心坐标，进行根据镜片设计形状的形状制作。
此外，数控切削装置300加工工件(眼镜镜片)10所必需的数值数据，可以由计算用计算机500根据从作为输入单元的输入装置600输入的眼镜镜片的处方数据来计算，通过主计算机400存储到数控切削装置300内部的存储装置中，或者在加工中从主计算机400传送到数控切削装置300。
切削步骤的说明
此处，对制作非球面的切削步骤，用图2加以说明。图2是作为工件的一例的镜片的截面图。切削加工方法中，包括外径加工、近似加工面粗切削加工、精切削加工、倒角加工等。外径加工如图5(b)所示，对作为工件的一例的具有后续加工余量(切削余量、研磨余量)的稍厚的镜片10(以下，称为“半成品镜片10”)的不需要的外周部10a进行切削加工直到缩小到规定的外径为止。外形加工是用于减少粗切削加工或精加工时间的加工。近似加工面粗切削加工是快速地切削半成品镜片10，将其加工为规定的近似面形状10b的粗切削加工。精切削加工通过从近似面形状10b开始切削加工，精密地制作出所需的镜片面形状10c。由于精切削加工后的镜片边缘很锐利比较危险，并且容易缺损，因此倒角加工用精加工用刀具加工边缘倒角10d。
利用图1所示的数控切削装置300，对进行半成品镜片10的切削加工的工序进行说明。将由未图示的毛坯夹具所固定的半成品镜片10固定在工件卡盘313上，根据对该半成品镜片10给定的外径加工数据，用粗切削用刀具324进行切削，直到半成品镜片10的外径达到规定的外径为止。继而，用粗切削用刀具324，根据近似面加工面粗切削加工数据进行切削加工，直到达到近似于所需的镜片面形状的自由曲面、环形圆纹曲面或球面的面形状的表面粗糙度Rmax小于等于100μm的粗切削面10b为止。继而，利用精加工用刀具325，根据精切削加工数据，再切削0.1～5.0mm左右，加工到表面粗糙度Rmax为1～10μm左右的眼镜镜片的处方数据的镜片面形状10c为止。继而，利用精加工用刀具325，根据倒角加工数据，进行倒角10d的加工。
切削条件的说明
切削条件的范围如下。工件转数是：粗切削加工的转数为100～3000rpm，精加工的转数为100～3000rpm。进给节距是：粗切削加工的进给节距为0.005～1.0mm/rev，精加工的进给节距为0.005～0.2mm/rev。切入量是：粗切削加工的切入量为0.1～10.00mm/pass，精加工的切入量为0.05～3.0mm/pass。
并且，大多数情况下都在进给节距固定的条件下进行加工，但也可以在加工中途变更进给节距。兹举一例进行说明，在与镜片的折射率无关远视大于等于2.00D的情况下，在镜片外周部很容易发生崩角。当加工这样的镜片时，在镜片外周部以较小的进给节距P1进行加工，在接近镜片中心部的内周部，以较大的进给节距P0进行加工(P1＜P0)。具体来说，P1可在0.01mm/rev～0.07mm/rev的范围内决定，P0可在0.03mm/rev～0.10mm/rev的范围内决定。此外，以进给节距P1进行加工的镜片的外周部是距离镜片的最外周为5～15mm的范围。
实施例1
对本发明的非球面加工方法的第1实施例，以眼镜镜片(以下称为“镜片”)的加工为例，用图3、图4和图5进行说明。图3是表示第1实施例的非球面加工方法的镜片加工面的概略图。图3(a)是镜片的正面图，图3(b)是沿图3(a)的B-B’线的截面图。图4是表示第1实施例的非球面加工方法的概念图。图5是说明第1实施例中的X轴方向的刀具中心位置的概念图。
第1实施例的非球面加工方法中，如图3所示，刀具325(刀具324也相同，以下，以“刀具325”为代表进行说明)的刀具顶端切削刃中心一边描绘螺线轨迹，一边进行切削。现有的法线控制中，预先决定由镜片的旋转角度和到旋转中心的距离来表示的加工点，但第1实施例的非球面加工方法中，预先决定由刀具325的顶端切削刃中心位置描绘的螺线形状。亦即，刀具325描绘的螺线轨迹由与工件的旋转轴正交的方向(X轴)上的规定进给节距来决定。本例是当以规定的进给节距连续减少从工件旋转中心到刀具的顶端切削刃中心的距离(Rx)时，也就是当从镜片外周方向朝向中心方向时所描绘的螺线形状。
此外，第1实施例的非球面加工方法中，刀具的顶端切削刃(以下，称为“刀具顶端部”)的中心坐标Cx的数值数据，可用以下三点(θ、Rx、y)来表示，即工件的旋转位置(θ)、当沿与工件旋转轴正交的方向(X轴)以规定的进给节距连续地减小时到工件旋转中心的距离(Rx)以及在图中未示的与工件旋转轴相同方向(Y轴)上刀具顶端部与工件加工点接触的位置(y)。通过对刀具顶端部的中心坐标连续进行定位，进行根据镜片设计形状的形状制作。并且，关于坐标，也可以用各点的绝对值或相对前一个坐标点的相对值构成用于加工的数值数据。
如图3、图4和图5所示，在例如在最小厚度部分(基线、A-A’截面)的任意点Cn上存在刀具325的顶端部在与工件旋转轴正交的方向(X轴)的中心(以下，称为“顶端部中心”)时，刀具325的顶端部中心的Y轴方向的位置如下确定：将刀具325自由地沿Y轴方向移动，使刀具325的顶端部中心位于从沿A-A’的截面的镜片加工线和刀具325的顶端部接触的点Qs引出的法线上。
镜片旋转90°，刀具325的顶端部中心从点Cn移到最大厚度部分(交叉线，B-B’截面)的任意点Cnm上时，刀具325的顶端部中心在Y轴方向的位置如下确定：将刀具325自由地沿Y轴方向移动，使刀具325的中心位于从沿B-B’的截面的镜片加工线与刀具325的顶端部接触的点Qsm引出的法线上。当镜片旋转90°，刀具325从Cn移动到Cnm时，刀具325一方面沿Y轴方向的正方向移动ΔY，另一方面，刀具325还向X轴方向的中心侧准确地相对移动相当于1/4节距的Xnm。亦即，工件通过X轴工作台310向X轴方向的外侧准确地移动相当于1/4节距的Xnm。
当镜片再旋转90°，刀具325的顶端部的中心从点Cnm移到最小厚度部分的任意点Cnr上时，刀具325一方面沿Y轴方向的负方向移动，一方面还向X轴方向的中心侧准确地相对移动相当于1/4节距的Xnr。亦即，工件通过X轴工作台310向X轴方向的外侧准确地移动相当于1/4节距的Xnr。
第1实施例的非球面加工方法中，通过控制成以规定的进给节距连续减小与工件旋转轴正交的方向(X轴)上工件10的旋转中心与刀具顶端部中心的距离Rx，数控切削装置300的X轴工作台310使镜片10不作往返运动，而只是向固定的方向运动。并且，若工件10的转数固定，进给节距也固定的话，就成为等速运动。这样一来，刀具325在镜片10上所描绘的轨迹不是现有那样的锯齿状，而是单纯的螺线状，即使提高凹凸高度差大的工件的转数，也可以随动。换言之，可以提高切削速度进行切削。第1实施例的非球面加工方法与现有的法线控制的加工方法相比较，大约可达到1.5倍的生产率。
实施例2
对本发明的非球面加工方法的第2实施例，用图6和图7进行说明。图6是表示第2实施例的非球面加工方法中的镜片加工面的概略图。图6(a)是镜片的正面图，图6(b)是沿图6(a)的B-B’线的截面图。图7是表示第2实施例的非球面加工方法的概念图。
第2实施例的非球面加工方法中，刀具325一边描绘如图6所示的螺线轨迹，一边进行切削。本例以规定的进给节距增加从工件旋转中心到刀具的顶端切削刃中心的距离(Rx)。亦即，从工件旋转中心或旋转中心附近的加工点开始切削，向工件的外周侧进行切削。该切削加工数据是沿从工件旋转中心朝向工件外周侧的螺线来生成的。
第2实施例的非球面加工方法中，刀具顶端部的中心坐标的数值数据，不是实施例1中说明的距离Rx，而是在与工件旋转轴正交的方向(X轴)上以规定的进给节距增加时到工件旋转中心的距离(Rx)。
如图6和图7所示，第2实施例的非球面加工方法中，在切削开始时，把刀具325的顶端部的中心定位在从用Y轴(主轴)表示的工件旋转中心的加工点S0引出的法线方向上。从工件旋转中心的加工点S0开始进行加工，例如，在最大厚度部分(交叉线，B-B’截面)的任意点Sn上存在刀具325的顶端部的中心时，刀具325的顶端部中心在Y轴方向的位置如下确定：将刀具325沿Y轴方向自由移动，使刀具325的顶端部中心位于从沿A-A’的截面的镜片加工线和刀具325的顶端部接触的点Qt引出的法线上。
镜片旋转90°，刀具325的顶端部中心从点Sn移到最小厚度部分(基线，A-A’截面)的任意点Snm上时，刀具325的顶端部中心在Y轴方向的位置就是使刀具325沿Y轴方向自由移动后沿B-B’的截面的镜片加工线与刀具325的顶端部接触的位置，加工点就是该镜片加工线和刀具325的顶端部接触的点Qtm。当镜片旋转90°，刀具325从Sn移到Snm时，刀具325一方面沿Y轴方向的负方向移动ΔY，刀具325一方面还向X轴方向的镜片外周侧准确地相对移动相当于1/4节距的Xnm。亦即，工件通过X轴工作台310向X轴方向的中心侧准确地移动相当于1/4节距的Xnm。
这样，第2实施例的非球面加工方法中，通过控制成以规定的进给节距增加与工件旋转轴正交的方向(X轴)上工件旋转中心与刀具顶端部中心的距离Rx，使刀具在镜片上所描绘的轨迹不是现有那样的锯齿状，而是单纯的螺线状。
在从工件外周侧开始切削的情况下，当开始使刀具接触高速旋转的工件的圆周速度很快的外周面时，不能急于将刀具接触到工件外周面，必须首先将刀具配置在比工件外周面稍稍靠向外侧的位置，使其不接触工件，然后，以通常的切削进给节距将刀具慢慢地移向旋转中心侧，使刀具接触外周面，开始切削。通常从距工件的外周面5mm左右的外侧起开始移动刀具，但这时刀具并不进行切削，导致浪费生产时间。
第2实施例的非球面加工方法中，通过从工件旋转中心开始切削，由于刀具最初接触工件的部分是圆周速度为0或几乎为0的旋转中心，或者旋转中心的附近，因此可以立即接触刀具，只在必须切削的区域才移动刀具来完成加工。这样一来，通过从工件的旋转中心或者旋转中心附近开始切削，由于不必降低刀具速度，只在必须加工的区域才移动刀具进行加工，因此比起从工件外周侧开始切削的情况，可以缩短切削加工时间。
此外，用于加工的切削加工数据只要对应于工件加工面即可，因此也可以减少切削加工数据量。
并且，从工件的旋转中心开始切削的非球面加工方法由于从圆周速度为0或几乎为0的旋转中心开始切削，因此优选将其应用于后述的加工工序内的精切削加工。并且，若切削量(切入量)为0.1～5.0mm左右，也可以直接使刀具接触工件旋转中心开始切削。
此外，在切削开始时，将刀具325的顶端部的R部分的中心配置在通过用Y轴(主轴)表示的工件旋转中心的轨迹开始点S0的Y轴上，控制刀具325的Y轴方向的位置，以便加工与当时的刀具325接触的镜片的加工点。通过将刀具的顶端切削刃的中心坐标连续定位在从工件的旋转中心朝向外侧的螺线轨迹上，来进行根据镜片的设计形状的形状制作。并且，关于坐标，也可以用各点的绝对值或相对前一个坐标点的相对值构成用于加工的数值数据。
如前所述，第2实施例的非球面加工方法可以比实施例1更快地进行加工。
此外，本发明的非球面加工方法也可以用来加工整个镜片。而且，也可以用本发明的非球面加工方法加工镜片的一部分，而利用现有的法线控制加工方法加工另一部分。特别是在工件中心附近存在倾斜部的情况下，例如，在带棱镜的镜片的情况下，用本发明的加工方法，可能会在刀具的工件中心侧与棱镜部发生干涉。因此，采用现有的法线控制加工方法对一部分进行切削加工是有效的方法。
并且，本发明的非球面加工方法对镜片圆周速度很大的镜片外周部特别有效。由于在镜片中心部附近，凹凸的差变小，即使采用现有的法线控制加工方法，生产率也不会降低很多。因此，也可以在镜片外周部采用本发明的非球面加工方法，而在镜片中心附近采用法线控制加工方法。
此外，本发明的非球面加工方法不仅可用于加工根据眼镜镜片处方数据的最终镜片面形状，例如，也可以适用于切削镜片外径来缩小外径的外径加工、形成近似于最终镜片面形状的自由曲面、环形圆纹曲面或球面面形状的粗切削加工；以及切削镜片端部的尖锐部分的倒角加工等。
此外，作为工件，也可以不是眼镜镜片而是其它透镜、用于对镜片进行浇铸聚合的铸模等。此外，加工面并不限于凹面，也可以是凸面。