具有偏离主轴轴线的顶点的表面的加工方法.pdf

本发明涉及加工具有偏离主轴轴线的轴线的表面。具体地说，本发明涉及在使用摆动刀具的切削工艺中补偿刀具几何形状。

1.  一种用于切削表面的方法，该表面具有相对于主轴轴线偏心的部件顶点，该方法包括：
使偏心顶点与主轴轴线对齐；
限定距主轴轴线一定径向距离的中心轴线；
将部件设计特性化为一系列点；
将所述一系列点翻译成叠加高度地形图；
将叠加高度地形图存储为第一微型文件；
补偿刀具几何形状；
使用几何形状补偿值生成第二微型文件；
将第二微型文件传递给计算机数控车床；以及
根据第二微型文件使用摆动刀具切削部件材料。

2.  一种用于补偿金刚石刀具几何形状的方法，包括：
生成部件表面的表示；
针对特定位置计算X和Z值；
计算金刚石刀具相对于待切削的表面点的预期位置；
补偿金刚石刀具半径以确定合适的刀具位置，以产生重新计算的点；以及
计算几何形状被补偿的零子午线。

3.  根据权利要求2的方法，其特征在于，所述生成步骤包括将部件表面表示为螺线，并且在该螺线中限定子午线。

4.  根据权利要求3的方法，其特征在于，针对特定位置计算X和Z值包括：
测量螺线的两条曲线之间的距离；
用子午线的数量除所述曲线之间的距离；以及
换算出沿零子午线的Z值。

5.  根据权利要求2的方法，其特征在于，计算金刚石刀具的预期位置包括：
从零子午线向正在被补偿的子午线以刀具轴线角投影一条线；以及
正交于先前步骤中确定的点投影一向量以找到金刚石刀具的中心。

6.  根据权利要求2的方法，其特征在于，补偿步骤还包括使预期表面位置垂直于当前子午线偏离刀具半径值。

7.  根据权利要求2的方法，其特征在于，计算几何形状被补偿的零子午线还包括使重新计算出的点围绕原点旋转刀具轴线角，并且对计算出的每个点处的最高和最低子午线的值求平均。

8.  根据权利要求2的方法，其特征在于，还包括将所有刀具几何形状补偿值记录在微型文件中。

9.  根据权利要求5的方法，其特征在于，刀具轴线角在0～45度之间。

10.  根据权利要求1的方法，其特征在于，所述部件为透镜。

11.  根据权利要求1的方法，其特征在于，所述部件为透镜模具。

12.  根据权利要求2的方法，其特征在于，所述部件为透镜。

13.  根据权利要求2的方法，其特征在于，所述部件为透镜模具。

具有偏离主轴轴线的顶点的表面的加工方法
技术领域
本发明的实施例涉及加工具有偏离主轴轴线的轴线的表面。特别地，一个实施例涉及在使用摆动刀具的切削工艺中补偿刀具几何形状。
背景技术
用车床加工透镜是用于生产硬性透气性透镜(RGPs)的优选技术。随着计算机数控(CNC)的出现，用车床加工接触透镜成为一种更加可行的批量生产透镜的手段，但是最优选的方法可能是DSM(双侧模制)工艺。
车床加工可能是用于生产专用透镜例如针对远视和散光的透镜或定制透镜的优选技术。作为一种加工技术，与任何其它工艺很类似，车床加工需要特定的公差，但是刀具磨损/补偿也需要额外的机加工步骤以实现所希望的公差。
车床加工可用于生产透镜和/或透镜模具的正面和/或背面。在背面车床加工或机加工中，可使用坯体或扣状体(button)。坯体可被供给到卡盘中以保持扣状体。一旦坯体被卡盘保持，则保持卡盘和扣状体的主轴开始旋转，并且朝切削刀具进给或前进。切削刀具可由各种材料制成。示例性的或优选的材料包括极硬的材料例如金刚石等。用车床加工透镜或模具的第一步是将坯体用车床加工成合适的部件直径。然后，可使用粗加工刀具通过多次预编程的切削来切削出初始的背面几何形状。通常，需要另一个步骤来进行最终切削。可通过调整进给或前进量和/或主轴转速针对深度和几何形状调整每一渐进路径切削。坯体/部件的背面也可以任何常规的方式被抛光。
在背面被机加工之后，可支撑正面。在此处理中，可使用低熔点蜡将部件安装到正面刀具中。此蜡安装步骤有助于避免以下潜在情况：其中背面没有与主轴的轴线成直角，这可能在生成的模具或透镜中导致不希望的棱镜。在支撑/安装之后，对正面进行车床加工。类似于背面的车床加工，将部分抛光的部件(扣状体)固定到卡盘中或卡盘上，以保持该部分抛光的扣状体。该部分抛光的扣状体必须由车床定位，这通常利用建立中心基准点的传感器探针实现。此基准点使计算机数控车床中的计算机/控制器能够计算为了达到需要的或希望的透镜中心厚度，切削刀具所必需进给或前进的量。
上述工艺通常用于对称设计。但是常常需要不对称的透镜和透镜模具，例如针对远视或散光设计的透镜。这些类型的透镜和对应的模具可具有与主轴和/或透镜中心不是相同轴线的光学或加工轴线。例如，该部件可能需要从最大厚度点被切削，该最大厚度点可能不是该部件的几何中心。用于生成这些透镜或模具的技术包括使部件偏移以便该部件的轴线与主轴的中心轴线对齐。该方法的效率低，这是因为必须多次移动部件以进行切削和完成几何形状。本发明旨在克服现有技术中的这些缺陷以及其它缺陷。
本领域技术人员显而易见的是，可实现本申请中的实施例的许多变型和修改而不会背离本发明的独创性概念的精神和范围。
发明内容
为了实现前述目标，根据本发明的一个方面，提供一种用于切削具有相对于主轴轴线偏心的部件顶点的表面的方法，该方法包括以下步骤：使偏心顶点与主轴轴线对齐；限定距主轴轴线一定径向距离的中心轴线；将部件设计特性化为一系列点；将所述一系列点翻译成叠加高度地形图(stacked elevational map)；将叠加高度地形图存储为第一微型文件；补偿刀具几何形状；使用几何形状补偿值生成第二微型文件；将第二微型文件传递给计算机数控车床；以及根据第二微型文件使用摆动刀具切削部件材料。
在本发明的实施例中以及根据本发明的另一方面，提供一种用于补偿金刚石刀具几何形状的方法，该方法可包括以下步骤：生成部件表面的表示；针对特定位置计算X和Z值；计算金刚石刀具相对于待切削的表面点的预期位置；补偿金刚石刀具半径以确定合适的刀具位置，以产生重新计算的点；以及计算几何形状被补偿的零子午线。在一些实施例中，该方法可包括这样的方面：其中生成部件表示的步骤包括将部件表面表示为螺线，并且在该螺线中限定子午线。在另外的实施例中，针对特定位置计算X和Z值的步骤还可包括：测量螺线的两条曲线之间的距离；然后用子午线的数量除所述曲线之间的距离；以及换算出沿零子午线的Z值。
在另外的实施例中，该方法可包括以下方面：其中计算金刚石刀具的预期位置包括：从零子午线向正在被补偿的子午线以刀具轴线角投影一条线；以及正交于先前步骤中确定的点投影一向量以找到金刚石刀具的中心。刀具轴线角可在大约0度和大约45度之间。在另外的实施例中，补偿步骤还可包括使预期表面位置垂直于当前子午线偏离刀具半径值。计算几何形状被补偿的零子午线的步骤还可包括使重新计算出的点围绕原点旋转刀具轴线角，并且对计算出的每个点处的最高和最低子午线的值求平均。该方法还可包括将所有刀具几何形状补偿值记录在微型文件中的步骤。可根据本发明的方法生产的示例性表面或部件包括例如透镜和透镜模具。
附图说明
图1示出其中光轴不与中心轴线对齐的示例性透镜或透镜模具表面。
图2示出图1的透镜或透镜模具表面的构建地形图(build-map)。
图3示出透镜或模具的几何形状的螺线表示。
图4示出具有限定的子午线点的图3的螺线表示。
图5示出刀具几何形状补偿方法的图示。
具体实施方式
下文将详细描述本发明的实施例。本领域技术人员显而易见的是，可实现各种变型和修改而不会背离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一个实施例。因此，本发明旨在覆盖在所附权利要求及其等同方案的范围内的变型和修改。本发明的其它目的、特征和方面在下文的详细描述中被公开或者是显而易见的。本领域普通技术人员应理解，以下仅是对示例性实施例的描述，而不是旨在限制本发明的更宽的方面。
除非另外限定，否则这里使用的所有科技术语的含义与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。总体上，这里所使用的命名法和制造工艺是本领域公知且常用的。这些工艺使用传统的方法，例如本领域和各种一般参考文献中提供的那些方法。当术语用单数表示时，发明人还设想存在该术语的复数形式。
这里的实施例旨在提供一种使用摆动刀具用车床加工具有偏离主轴轴线的轴线的表面的有效方法。该方法是对现有技术的改进，并且提供了使得在切削操作期间部件的“重新卡紧”最少的方法。
参照图1，其中示意性地示出透镜设计的侧剖视图。在图1中，示出透镜10，该透镜10的光学顶点20偏离透镜10的中心轴线30。在此实施例中，主轴的轴线(为了清楚起见未示出)不与部件(透镜)的顶点20或者该部件的顶端(point)或最大厚度对齐。相反，该部件的顶点20偏离中心轴线30和主轴轴线，并且可进一步偏离透镜10的光轴(以虚线40示出)。主轴轴线和光轴可对齐。
计算机数控车床加工通过根据透镜或模具设计对车床编程进行切削来实现。这可通过数学以及各种软件来实现，所述各种软件包括能够表示三维图像的软件和CAD/CAM软件。但是，对于所有目的，透镜或模具设计都必须被“翻译”成一系列点，所述一系列点与计算机数控车床能够识别和切削的从数学上限定的曲线相对应。
在一个实施例中，可通过将设计分成多个区段首先对设计分类。一旦已将设计表达为一系列点，则可将该设计翻译成如图3所示的部件70的叠加高度地形图，该部件可以是例如透镜或模具。此信息或数据被存储为“微型文件”，即，包含以下信息的数据文件：所述信息包括用于透镜的标题(header)或标识的信息以及与透镜的几何形状有关的信息两者，所述数据采用可由计算机控制的加工装置例如计算机控制的车床解释的形式。2006年3月16日公布的美国专利申请No.20060055876A1中公开了与以下方法有关的附加信息：该方法用于将所希望的透镜设计转换成将在计算机控制的加工系统中生产的接触透镜的几何形状。
微型文件生成构建地形图，例如图2中所示的构建地形图50。图2中所示的每条线60限定了切削刀具切削透镜的特定横截面时所遵循的路径。为了清楚起见，图2中仅示出数条线60；但是应理解，可以绘制和使用更多条切削刀具所遵循的路径，并且通常如此。摆动刀具是这样限定的：将金刚石切削刀具(或其它切削部件)安装在Variform(可从Precitech公司得到，该公司在Keene，New Hampshire具有办事处)上或其它合适设备上，其能够在车床主轴旋转时摆动，从而产生非旋转对称的表面。
对于摆动刀具，在生成微型文件之后必须执行一个附加步骤。此步骤被称为“刀具几何形状补偿”，其设计成补偿金刚石刀具的半径和形状，并且与例如简单的刀具磨损补偿不同。当金刚石刀具摆动进入和离开该部件时，车床上的计算机数控系统就如同刀具的金刚石刀头是理论锋刃、即不具有可察觉的半径的有限点一样来计算或控制切削。实际上，任何金刚石刀头都具有每个金刚石所特有的半径。如果此刀头半径未被补偿，则将出现不希望的结果，例如在待切削部件上的刀具拖曳。
刀具几何形状补偿的第一步可包括将预先生成的微型文件读入计算机存储器。然后，再次参照图3，如图3所示在所希望的部件设计的表面上表示出螺线跨距(沿螺线环72在子午线74之间的距离，该螺线环在机械加工/切削过程中生成)。可基于刀具补偿程序或其它源指定的合适的每分钟转数以及进给速率计算此螺线。生成的螺线环的数量(即，转数)由进给速率和每分钟的主轴转数确定。进给速率越慢，每分钟转数越高，则产生越多的螺线环。
一旦绘制出螺线阶梯，则计算螺线的两条曲线之间的距离。限定部件的表面的子午线的数量由微型文件预先确定(例如，24、96或384条子午线)。子午线代表处于特定角度的表面的横截面。当使用更大数量的子午线时，微型文件的大小增加；但是对实际表面的表现更加精确。然后，优选地用子午线的数量除沿给定子午线的任意两个螺旋曲线之间的距离，以便如图4所示，建立子午线上的每个点76的X位置。为了清楚起见，在图4中仅示出4个位置点76；但是，应理解，可描绘和使用更多的点。
参照图5，其中示出补偿方法的一个方面。在建立未补偿的表面点的X位置之后，可使该X位置与示为线100的零子午线上的Z位置匹配。零子午线100是对应于车床刀架的规定路径的二维路径，其优选地为所有子午线的均值。X位置由线250表示的当前切片直径(slice diameter)指示。对于沿线250的每个X位置，在零子午线100上仅存在一个Z位置。对于零子午线100上的每个点，可以摆动刀具角投影一条线200(刀具轴线角)，直到该线200与正在被补偿的子午线(当前子午线150)相交。此刀具轴线角200如车床配置中所限定地进行设定，并且可以是0～45度之间的并且包含0度、45度的任何角度。
在来自先前步骤的投影线200(刀具轴线角)与正在被补偿的当前子午线150的交点处，一新向量(未示出)可正交于正在被补偿的子午线150被投影，以找到由圆350表示的金刚石刀具的中心300。金刚石刀具的半径是已知的，因此可被编程。此点300代表未被补偿的金刚石刀具的中心。参照图5，水平切线(由虚线F-H示出)与金刚石半径的交点是理论锋刃；即半径为0的金刚石。半径为0的金刚石的中心在此车床上取为点“G”，其由图5中的位置G示出。位置G为可应用切削以符合透镜设计的位置。对于每个X和Z存在不同的“位置G”。所有生成的位置G的集合(对于每个X和Z)是特定金刚石刀具的真实的被补偿表面。真实的被补偿表面将补偿金刚石半径，其未在车床软件中针对摆动表面予以考虑，理论锋刃的值被用于确定几何形状补偿位置。理论锋刃的值由使用的车床类型以及车床补偿程序确定。对螺线中的每条子午线重复此过程以产生一系列新的点。
此外，界定金刚石半径的水平切线与垂直切线的交点绘出一个方形，例如图5中所示的由水平线A-C和F-H与垂直线A-F和C-H绘出的方形。在一些实施例中和/或对于其它刀具加工设备，用于确定几何形状补偿位置的值可如上所述在点或位置“A”，而对于其它实施例和/或对于其它刀具加工设备，该值可在如图所示的A、B、C、D、E、F、G或H中的任何点，其中点或位置A、C、H和F位于水平切线和垂直切线的交点，并且点B、D、E和G位于水平和垂直切线与金刚石半径的交点。
在根据上述方法确定所有点之后，必须计算新的零子午线。这通过围绕原点以刀具轴线角理论地旋转所有计算出的值并且计算最高和最低子午线的均值来实现。此均值代表新的几何形状被补偿的零子午线，其进行补偿以生成车床刀架所遵循的正确刀具切削路径。在这些计算完成之后，新的值作为第二微型文件被保存。此微型文件然后被传递给计算机数控车床。
上文已经参照一些特定的优选实施例详细描述了本发明，以使读者能够实施本发明而无需过度的试验。本领域普通技术人员将容易地认识到，可在适当程度上改变或修改许多前述的部件、组成和/或参数，而不会背离本发明的范围和精神。此外，所提供的题目、标题、示例材料等是为了增强读者对此文献的理解，其不应被理解为限制本发明的范围。因此，本发明由下述权利要求及其合理的扩展和等同方案限定。