專利名稱：拋光的設備和方法
技術領域：
本發(fā)明總體涉及一種用于磨削或拋光工件的拋光設備及其方法。
本發(fā)明還涉及一種用來磨削或拋光工件的工具和安裝在工具上的磨杯(abrasive cup)。
對工件表面進行磨削或拋光的技術可應用于包括生產(chǎn)半導體裝置和光學部件在內(nèi)的很多不同的工業(yè)領域。這要求提供具有特定表面輪廓和特定表面精度也就是光潔度的表面。在光學拋光領域，存在兩種不同的技術，其一是利用尺寸與工件尺寸相類似的工具進行拋光。其局限性是工具要按照特定的工件來設計且不能通用。為減小這種局限性，GB2163076公開了一種活性拋光方法，其中，作用于工件上的壓力分布是可變化的，以適應于進行不同的磨削或拋光。
在第二種技術中，工具基本上小于工件，并在工件上運動來進行磨削或拋光。例如，US4128968就公開了這樣一種技術。其中，兩個襯墊保持與工件表面接觸，并產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動和沿圍繞工件表面的螺旋路徑運動。WO97/00155公開了另一種這樣的技術，其采用具有柔性加工表面的工具來控制其與工件表面相接觸的有效面積。其優(yōu)點是可控制拋光過程中任意一個時刻所拋光的區(qū)域。
在這些現(xiàn)有技術中，工具通常繞垂直于工件的軸線轉(zhuǎn)動。其局限性是在軸線處沒有相對運動， 因此該處的切削或磨削率為0。使用這種具有這種切削輪廓形狀的工具在利用自動拋光或磨削方法時很難獲得所需要的目標輪廓形狀。
在WO97/00155中，通過利用一種在工件表面上設置一個“假想的樞轉(zhuǎn)點”的結(jié)構，從而使工具與工件的迎角是可變的。其優(yōu)點是確保在工具傾斜時與工件接觸的工具中心不會產(chǎn)生橫向或豎直方向的運動。但是，其機械結(jié)構非常復雜和龐大。
US4958463公開了一種不同的技術，其中，彈性加工部件可繞其平行于工件表面的軸線轉(zhuǎn)動，從而在加工部件和工件表面之間產(chǎn)生相對橫向運動。加工部件可轉(zhuǎn)動地固定在一個安裝部件上。固定加工部件的安裝部件也垂直于工件表面轉(zhuǎn)動。盡管這種技術不會有在接觸中心區(qū)域的材料未被切削這樣的缺陷，但其需要一個包括兩臺馬達的復雜結(jié)構來提供繞兩個軸線的轉(zhuǎn)動。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，就是要提供一種磨削或拋光工件的方法和裝置。工件固定在拋光機的固定表面上，具有用于磨削或拋光工件的表面的拋光頭按照一個修琢圖型(figuring pattern)在工件上運動來拋光或磨削工件。除了拋光頭按照修琢圖型運動以外，進行磨削或拋光的拋光頭表面可通過使拋光頭傾斜和轉(zhuǎn)動，從而在工件表面上沿橫向運動。通過使拋光頭運動到傾斜拋光頭繞垂直于工件表面的旋進軸線旋進的位置，就可使所述表面的橫向運動方向轉(zhuǎn)動。
因此，根據(jù)本發(fā)明的這個方面，在工具接觸區(qū)域中心的切削率就不會為0，簡單地傾斜拋光頭，從而使相對于工件橫向運動的表面隨著時間的推移在任何情況下都可提供一種非軸向?qū)ΨQ的切削輪廓形狀。但是，在需要決定性的自動拋光時，軸向?qū)ΨQ的切削輪廓形狀具有其優(yōu)點。為了使一段時間內(nèi)的平均切削輪廓形狀對稱，拋光頭就運動到相對于工件表面旋進的位置處，這樣，工具表面的橫向相對運動的方向就進行了轉(zhuǎn)動。因此，隨著時間的推移，在一種情況下由這種橫向運動在工件表面所產(chǎn)生的任何輪廓形狀都將在多個轉(zhuǎn)動角度處產(chǎn)生，從而就減小了缺陷，并形成一種軸向?qū)ΨQ的輪廓形狀。
本發(fā)明這個方面的另一個優(yōu)點是磨削表面的運動是自濕潤的。在磨削表面和工件之間的冷卻/潤滑流體或漿液可通過拋光作用而被攜帶到工具下面。相反，在利用工具繞垂直于工件表面的軸線轉(zhuǎn)動的現(xiàn)有技術中，冷卻/潤滑流體在離心力作用下趨于向拋光區(qū)域的周邊運動。
本發(fā)明的這個方面可應用于任何形式的傾斜轉(zhuǎn)動工具，例如，一個可繞軸線轉(zhuǎn)動的錐形工具，該轉(zhuǎn)動工具可在工件和磨削表面之間相對橫向運動，并可旋進以使橫向運動的方向轉(zhuǎn)動。
為了實現(xiàn)均勻化，最好，旋進是在至少360°的整個角度范圍內(nèi)進行。這可通過增大旋進量來實現(xiàn)。最好，這種增量超過一個旋進周期。在一個實施例中，旋進增量不是360°角的一個整數(shù)分度部分(integer division)，這樣，每個循環(huán)的相對橫向運動方向是不同的。在另一個實施例中，增量關于360°旋進循環(huán)周期對稱。
在一個優(yōu)選實施例中，表面包括一個從頭部延伸的柔性球形部分。當柔性部分繞其傾斜軸線轉(zhuǎn)動時，球形部分就形成一個與工件接觸的區(qū)域，其中存在有相對的橫向運動。
磨削表面可包括布或瀝青(pitch)，磨漿例如金剛石磨漿鋪設在布或瀝青上?；蛘?，可使用粘結(jié)在磨削表面上的粘結(jié)磨料。當使用這種粘結(jié)磨料時，只需要冷卻/潤滑流體。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供一種拋光或磨削的設備或方法，其中，工具頭通過機械結(jié)構進行固定，該工具頭具有用于磨削或拋光的表面，并可用于工件的修琢。機械結(jié)構包括一個傾斜機構，該機構可使工具頭繞一個樞轉(zhuǎn)點傾斜，從而使其相對于工件傾斜。在此情況下，工具頭不僅可沿工件輪廓面運動，而且可傾斜以沿表面運動或以所需的角度傾斜于表面。由于樞轉(zhuǎn)點不在工件上，因此，當工具頭傾斜時，工具頭表面就穿過或離開工件移動。這可通過計算或查找所需的補償值來進行補償，從而控制機械結(jié)構沿橫向或豎直方向移動。
本發(fā)明的這個方面與WO97/00155所公開的現(xiàn)有技術的不同之處在于可通過利用以任何空間角度傾斜的一個直角的弧形軌道結(jié)構來提供一個非常簡單的樞轉(zhuǎn)結(jié)構。為了能夠利用這樣一個簡單的樞轉(zhuǎn)結(jié)構，拋光表面的位移必須通過控制器來進行補償，該控制器可確定空間傾斜角度并補償橫向和豎直方向的位移。另外，即使利用WO97/00155中公開的假想樞轉(zhuǎn)點，如果使用軟表面例如柔性材料，就必須補償在工具頭壓到工件上時產(chǎn)生的柔性材料的位移。
無論是本發(fā)明的第一個方面還是第二個方面都可通過利用計算機控制的拋光裝置來實現(xiàn)。因此，本發(fā)明的這兩個方面可體現(xiàn)為一種通過控制處理器來控制拋光裝置的計算機程序和存儲該計算機程序的載體介質(zhì)。由于計算機程序可在網(wǎng)絡如Internet上進行傳遞，因此，本發(fā)明的這些方面可體現(xiàn)為一種載有用于通過控制處理器來控制拋光或磨削裝置的計算機程序的信號。
本發(fā)明的第三個方面提供一種改進的WO97/00155的軟工具。該軟工具設有一個可拆卸地安裝到軟工具上的磨杯，其中，一個片材被預制成軟工具表面的形狀來用于拋光，該片材具有足夠的柔性，從而在磨削或拋光過程中其可由于軟工具的壓縮而產(chǎn)生變形。通過一個可拆卸地安裝到軟工具固定裝置上的支承件在片材的周圍進行固定。
由于在拋光或磨削過程中片材會發(fā)生磨損，因此應將它從工具上卸下。由于用于拋光的工具表面是柔性的，因此，膜片也必須是柔性的，以便與柔性工具的柔性相適應。
由于軟工具的柔性且需要片材隨其彎曲而彎曲，因此，最好設置可允許片材和柔性工具表面之間產(chǎn)生相對橫向運動的裝置。鑒于軟工具表面和片材的曲率半徑不同，因此這是必須的。允許產(chǎn)生相對橫向運動的適當裝置包括潤滑劑或未固化的粘結(jié)劑。使用未固化的粘結(jié)劑的優(yōu)點是片材被粘結(jié)到軟工具的表面，并可從其所提供的支承中獲益。換句話說，在磨削或拋光過程中，片材所承受的一些橫向力可傳遞給軟工具。如果另外使用潤滑劑，由于片材從其周邊開始被機械地驅(qū)動，因此，片材就必須具有足夠的扭轉(zhuǎn)強度來承受磨削或拋光過程中工具被拖著經(jīng)過工件表面時所承受的力。
本發(fā)明的第四個方面提供一種磨削或拋光工件的方法和設備，該設備具有一個軟工具頭，軟工具頭包括一個在不破壞流體密封的情況下可從工具本體上拆卸下來的流體充入腔。工具本體是一個沿轉(zhuǎn)動軸線延伸的回轉(zhuǎn)體，在其一端設有一個用于向工具頭的流體腔傳遞壓力的壓力傳遞裝置。工具頭可拆卸地安裝在工具本體上，其包括一個工具頭外殼、一個工具頭流體傳遞裝置和構成密封流體腔的彈性膜片。工具頭流體壓力傳遞裝置與工具本體的壓力傳遞裝置相互配合以將壓力傳遞給位于流體腔頭部的流體。彈性膜片通過工具頭外殼在其周邊進行固定，并以曲面形式延伸，以便在磨削或拋光過程中將壓力作用于工件。
本發(fā)明的這個方面提供了一種彈性加工部件，可通過控制加工部件內(nèi)的流體壓力來控制該加工部件的彈性。在由于磨損或需要更換不同尺寸的工具頭時，這種工具頭的優(yōu)點是便于更換。
在本發(fā)明的一個實施例中，工具本體具有一個終止于壓力傳遞裝置并充有流體的流體腔。這可使流體壓力從單獨設置在可轉(zhuǎn)動工具中的流體壓力控制裝置通過流體腔傳遞到工具頭本體腔。由于在工具頭和工具本體中使用了兩個單獨的流體充入腔，因此，工具頭可方便地從工具本體上卸下而不會破壞流體密封。
在一個實施例中，流體壓力從工具本體流體腔通過分別安裝在工具本體和工具頭上的各自的位移裝置傳遞到工具頭流體腔。各自的位移裝置相互連接來傳遞壓力。其可直接物理連接或通過中介物質(zhì)例如通過空氣進行連接。
本發(fā)明的第五個方面提供一種用于控制對工件的拋光或磨削的方法和裝置。其采用確定了工具影響函數(shù)的數(shù)據(jù)。對于預定的停留時間(dwelltime)或工具速度，影響函數(shù)確定工件材料的切削模型。將所需要的輪廓形狀與當前的工件表面輪廓形狀進行比較，并確定它們之間的不同之處?？赏ㄟ^利用影響函數(shù)對預定位置的停留時間或工具速度進行數(shù)值優(yōu)化來確定工件表面預定位置處的停留時間或工具速度，從而減小成本函數(shù)。
最好重復該方法，其中，可反復確定各個停留時間或工具速度的成本函數(shù)，直到找到與最優(yōu)停留時間或工具速度有關的最小成本函數(shù)，以便基本上可得到所需要的輪廓形狀。
因此，對于該方法，預定位置是為了影響函數(shù)的應用，且該方法僅僅是通過簡單地使一組數(shù)值最優(yōu)化來獲得結(jié)果。
還有很多的方法來用于這種優(yōu)化。其可減小目標切削輪廓形狀和預期切削輪廓形狀之間偏差的平方和。為了確定停留時間或工具速度的候選值，可使用遺傳算法。計算停留時間或工具速度的成本函數(shù)來判斷推薦值是否是保存在“基因”庫中的候選值。
在一個實施例中，所需要的輪廓形狀包括圓形工件所需要的徑向輪廓形狀，因此其僅僅是一個二維輪廓形狀。該徑向函數(shù)可同樣地應用于工件表面的所有半徑。影響函數(shù)也被定義成一個二維函數(shù)，且預定位置包括通過工件表面上的徑向位置。因此，數(shù)值優(yōu)化技術只包括在考慮所獲得的輪廓形狀的徑向偏差時，對確定工件表面徑向位置的停留時間的一系列數(shù)值所進行的優(yōu)化。
在本發(fā)明的一個更復雜的實施例中，在橫跨整個工件表面區(qū)域的范圍確定所需要的輪廓形狀，因此，所需要的輪廓形狀是一個三維輪廓形狀。影響函數(shù)也因此而必須確定為一個三維函數(shù)或至少是一個映射成三維的二維徑向函數(shù)的投影。影響函數(shù)所要作用的預定位置包括一個工件表面位置的二維數(shù)組。因此，在本發(fā)明的該實施例中，數(shù)值分析技術必須確定工件表面位置二維數(shù)組的停留時間或工具速度。為了減少計算時間，可利用位置數(shù)組的粗網(wǎng)格來確定位置停留時間或工具速度。中間位置的停留時間或工具速度可在必要的地方通過插值確定。例如，當工具頭所要描劃的修琢圖型包括圓形模型圖時，就通過插值來確定沿工具頭所要描劃的弧的停留時間或工具速度。如果修琢圖型包括光柵掃描圖時，就對線性光柵圖型進行插值來確定沿工具頭磨削修琢過程中所經(jīng)路徑的停留時間或工具速度。
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行描述。


圖1是利用本發(fā)明一個實施例的軟工具的拋光設備的透視圖；圖2是圖1所示拋光設備的部件圖，其中示出了轉(zhuǎn)臺和z軸詳細的運動結(jié)構；圖3是圖1所示拋光設備的部件圖，其中示出了使拋光頭旋進的弧形軌道結(jié)構；圖4是圖1所示拋光設備的拋光頭的截面圖；圖5是拋光頭的轉(zhuǎn)動部件與固定部件之間的連接部分的詳細局部截面圖；圖6是拋光頭內(nèi)的輻條部件的透視圖；圖7是與小工具頭配合的另外的工具本體的截面圖；圖8是圖7所示工具本體的另一個視圖，示出了一個作為配件的大工具頭；圖9是安裝到工具頭上的磨杯的視圖；圖10是用于磨杯結(jié)構的片狀材料的視圖；圖11是除了圖10所示片狀材料以外的可用于磨杯的片狀磨料的視圖；圖12是制造磨杯過程中一系列表示所進行的操作步驟的示意圖；圖13是制造磨杯的流程圖；圖14a是現(xiàn)有技術中使用軟工具進行拋光的示意圖；圖14b是采用現(xiàn)有技術的方法和本發(fā)明實施例的方法的軟工具切削外形圖線；圖14c示出了在該實施例中利用軟工具的方法；圖15示出了在該實施例中利用軟工具以一定角度從工件上切削材料的樣本圖；圖16是利用現(xiàn)有技術的方法從工件上切削材料的樣本圖；圖17是軟工件壓靠在工件上時壓力在其直徑上的分布圖；圖18是拋光頭以旋進角θ旋進的視圖；圖19是旋進角的計算圖；圖20是投影在球面上的圖19所示信息的視圖；圖21是顯示工具和工件表面相交的視圖22是影響函數(shù)的樣本圖；圖23是工具影響函數(shù)的二維圖；圖24顯示了投影到曲面透鏡上的影響函數(shù)；圖25是圖24的局部放大圖；圖26示出了工件上所形成的磨削槽或磨削圖形；圖27是需要加工的部分制成的透鏡的輪廓圖；圖28是拋光透鏡所需的停留時間的圖；圖29是利用圖28所示的停留時間所預計的最終輪廓圖；圖30是拋光過程的流程圖；圖31a和31b是映射到工件表面上的動態(tài)影響函數(shù)圖；圖32是表面粗糙度的示意圖；圖33顯示了通過拋光來減小表面粗糙度；以及圖34顯示了另一種加工部件。
圖1是采用本發(fā)明一個實施例的軟工具的拋光機的透視圖。
拋光機包括一個防振剛性平臺1。在平臺1上安裝了一個可沿x方向運動的X-滑動機構。在X-滑動機構2上安裝了一個可沿y方向運動的Y-滑動機構3。在Y-滑動機構3上安裝一個可沿c方向轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)臺4。轉(zhuǎn)臺4通過一個z方向運動機構(未示出)安裝在Y-滑動機構3上，以便使轉(zhuǎn)臺4可沿z方向運動。轉(zhuǎn)臺4具有一個支承表面，工件5固定在該支承表面上進行拋光或磨削。因此，這種結(jié)構就可使工件5沿4個軸線也就是x、y、z和c運動。
拋光機還設有一個支承件6，支承件6上裝有一個可使拋光頭7轉(zhuǎn)動的樞轉(zhuǎn)機構。拋光頭7可沿軸向轉(zhuǎn)動，并包括一個設置在軸向下端的加工部件8來拋光或磨削工件5。因此，加工部件8繞軸向轉(zhuǎn)動的軸線為h。
安裝在支承件6上的樞轉(zhuǎn)機構包括一個呈臂狀安裝的第一樞轉(zhuǎn)機構700，以便使拋光頭7在第一平面內(nèi)繞加工部件8上的樞轉(zhuǎn)點轉(zhuǎn)動。第一樞轉(zhuǎn)機構700安裝在第二樞轉(zhuǎn)機構800上，第二樞轉(zhuǎn)機構800可使拋光頭7繞垂直于第一樞轉(zhuǎn)機構700的樞轉(zhuǎn)平面的平面內(nèi)的樞轉(zhuǎn)點轉(zhuǎn)動。這兩個垂直的樞轉(zhuǎn)機構的轉(zhuǎn)動軸線為a和b。
拋光機的支承件6還裝有計算機控制系統(tǒng)9，計算機控制系統(tǒng)9包括顯示器10和控制輸入裝置11。以便于使用者輸入控制信號來控制工件5和加工部件8的運動，并觀察所顯示的拋光或磨削過程信息。
沿每條軸線x、y、z、c、h、a和b的運動由其各自的驅(qū)動機構來驅(qū)動，驅(qū)動機構除了進行驅(qū)動以外，還通過計算機控制系統(tǒng)9提供位置信息來控制拋光或磨削過程。計算機控制系統(tǒng)9還設有另外兩個控制軸線，也就是驅(qū)動機構使固定在拋光頭7上的加工部件8轉(zhuǎn)動所作的功和作用于加工部件8上的壓力，這在下面將詳細進行描述。計算機控制系統(tǒng)9執(zhí)行一個可控制這九根軸線以便對安裝在轉(zhuǎn)臺4上的工件5進行磨削或拋光從而獲得所需要的表面形狀和/或表面質(zhì)量的算法，這在后面將詳細地進行描述。該拋光機還可用于加工任何所需的表面形狀，其中包括具有凹凸兩個區(qū)域在內(nèi)的表面形狀。
用于沿x和y兩個方向驅(qū)動工件的x和y滑動機構是普通的結(jié)構，其只包括普通的直線滑動。因此，這里就不再詳細地描述這些機構了。
下面將結(jié)合附圖2對z和c軸線驅(qū)動機構的結(jié)構進行詳細描述。
圖2是安裝在x滑動機構2上的相關機構的局部視圖。在y滑動機構3上設有一個在y滑動機構3下方延伸的安裝板12。安裝板12包括一個開口的箱形斷面，使轉(zhuǎn)臺4沿z和c軸線運動的結(jié)構安裝在該箱形斷面上。
在安裝板12的背面設有導向機構13，馬達外殼14安裝在導向機構13上，外殼14包括通過軸16與轉(zhuǎn)臺4相連的馬達15。馬達15使轉(zhuǎn)臺4繞軸線c轉(zhuǎn)動。
馬達外殼14可通過y滑動機構3沿z方向在導向機構13上運動。由于轉(zhuǎn)臺4沿z方向相對于y滑動機構3的上表面運動，因此，設有橡膠波紋管17以避免灰塵進入機構。
馬達外殼14由馬達18沿導向機構13在z方向進行驅(qū)動，馬達18驅(qū)動由支承件20支承的軸19。軸19的上端具有與固定在馬達外殼14上的螺紋套管22相配合的螺紋部分21。馬達18使螺紋部分21轉(zhuǎn)動，從而使馬達外殼14沿z方向運動，并使轉(zhuǎn)臺4沿z方向運動。
下面將結(jié)合附圖3對用于轉(zhuǎn)動拋光頭7的機構進行詳細描述。
拋光頭7安裝在一對平行的弧形件23的上端。弧形件23的圓弧半徑中心位于軸線BX上，軸線BX經(jīng)過裝有加工部件8的拋光頭7的那部分的中心延伸。軸線BX在加工部件8的圓弧半徑中心處穿過拋光頭7延伸。
拋光頭7包括驅(qū)動齒輪25與弧形件23上的齒進行嚙合的馬達24。拋光頭還設有導向輪26，導向輪26作用在每個弧形件23的各側(cè)上，以保持拋光頭7的軸線與弧形件23的夾角。當馬達24沿b方向驅(qū)動拋光頭7的端部時，這種結(jié)構可確保拋光頭7繞軸線BX轉(zhuǎn)動。
拋光頭7靠近馬達24的端部設有向拋光頭7和加工部件8傳遞液壓力的液壓管27，后面將進行詳細地描述。而且，在拋光頭7上設有使加工部件8沿h方向轉(zhuǎn)動的馬達。這也在后面將進行詳細地描述。
弧形件23安裝在安裝板28的臂7上。安裝板28的一端被固定，并可在垂直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。
安裝板28的下端固定在樞轉(zhuǎn)板29上。樞轉(zhuǎn)板29可轉(zhuǎn)動地安裝在樞轉(zhuǎn)點30上。樞轉(zhuǎn)點30固定在安裝板31的下部。
安裝板28的上端固定在馬達板32上。在馬達板32上設有用以驅(qū)動齒輪34的馬達33。安裝板31設有弧形件35，弧形件35的圓弧半徑中心位于樞轉(zhuǎn)點30處。弧形件35上設有齒，以便與齒輪34嚙合而使臂7繞轉(zhuǎn)動軸線AX轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動軸線AX在拋光頭7靠近于加工部件8的部分處與轉(zhuǎn)動軸線BX相交。轉(zhuǎn)動軸線AX和BX的交點是加工部件8的圓弧半徑中心。馬達板32還固定有導向輪36來引導懸臂7的轉(zhuǎn)動。
如圖3所示，兩個正交的弧形件23和25可使拋光頭繞假想的樞轉(zhuǎn)點轉(zhuǎn)動。這種結(jié)構可使拋光頭繞假想的樞轉(zhuǎn)點旋進。應當指出的是，拋光頭的旋進可逐步地進行，而不必通過角進動、也就是使拋光頭的上部沿圓弧轉(zhuǎn)動來進行。安裝在弧形件23上的拋光頭的上部可直線運動到相對的旋進位置。拋光頭上部的運動軌跡將由所需要的旋進路線確定。由于拋光頭的旋進需要拋光頭上部利用弧形件33和35產(chǎn)生顯著的運動，因此，操作拋光機的最好方法是利用一個旋進位置來加工所有的工件(或盡可能多的工件)。然后可改變旋進位置并再對工件進行加工。對所有需要遞進的旋進位置重復進行上述的過程。
下面將結(jié)合附圖4-6對拋光頭7和加工部件8的結(jié)構進行詳細描述。
拋光頭7包括固定部分37和轉(zhuǎn)動部分38。轉(zhuǎn)動部分38支承著加工部件8。
拋光頭7的上部包括塊體39，馬達24固定在塊體39上。在塊體39內(nèi)伸出一個固定軸40。固定軸40具有頭部41，頭部41在該斷面圖平面內(nèi)的三個點處和垂直于該斷面圖平面的平面內(nèi)的四個等間距點處進行固定。頭部41的固定點可供測量頭部41所承受的載荷。為此設有三個載荷傳感器42(其中兩個顯示在該斷面圖平面內(nèi)，另一個位于垂直方向上)。載荷傳感器42是預加載的，這樣可避免需要五個載荷傳感器；頭部41的每個固定點上有一個載荷傳感器。頭部41通過載荷傳感器42固定在每個點上，載荷傳感器支承在支承銷43上。支承銷43包括兩個縮腰的部分以減小載荷傳感器42所承受的任何橫向張力。支承銷43的一個端部在固定點處與頭部41接合。支承銷43的另一個端部固定在一個位于杯形件45中的鋼球44上，杯形件45通過彈簧46壓靠在塊體39上。在此方式下，當軸40承受橫向和豎直方向的力時，固定軸40的頭部41就會產(chǎn)生運動。作用于軸上的橫向和豎直方向的載荷可由載荷傳感器42進行測量。當加工部件8與工件5的表面接觸時，由于摩擦力的作用，軸42就承受橫向的載荷。豎直方向的力由拋光頭7相對于工件的位置和加工部件8內(nèi)的壓力來確定。
為給固定軸40的支承提供一些剛性，固定軸40通過彈性波紋管47與決體39相連。固定軸40從塊體39伸過拋光頭7的長度并延伸到流體腔48，流體腔48由拋光頭7下端的加工部件8進行密封。固定軸40是中空的，并容納向流體腔48傳遞流體壓力的流體。在固定軸40的頭部41內(nèi)設有兩個相對的入口(圖中僅示出了其中一個)，這兩個入口與液壓管27相連，從而將流體壓力從拋光頭7的外部傳遞到流體腔48。
在塊體39的下方，拋光頭7的固定部分包括包圍定子51和轉(zhuǎn)子52的馬達外殼50。定子51固定在馬達外殼50上。轉(zhuǎn)子52固定在轉(zhuǎn)動套管53上，轉(zhuǎn)動套管53可繞固定軸40轉(zhuǎn)動并位于馬達外殼50內(nèi)。轉(zhuǎn)動套管53安裝在位于馬達外殼50內(nèi)的上軸承54和下軸承55上。在轉(zhuǎn)動套53的上端設有一個位置編碼器56，用于提供指示轉(zhuǎn)速的信號。
轉(zhuǎn)動套53的下端伸出圍繞固定軸40的馬達外殼50，以驅(qū)動轉(zhuǎn)動部分38。
圖5更為詳細地顯示了固定部分37和轉(zhuǎn)動部分38之間的連接部分。
如圖5所示，下軸承55通過軸承擋環(huán)57固定就位，軸承擋環(huán)57具有內(nèi)螺紋，其可與轉(zhuǎn)動套管53下部的外螺紋嚙合。轉(zhuǎn)動套管53的下部裝有輻條部件58。如圖6所示，輻條部件58具有與轉(zhuǎn)動套管53的下部相配合的內(nèi)環(huán)58b，輻條部件58通過鎖緊環(huán)59固定。輻條部件58包括從內(nèi)環(huán)58b延伸到外環(huán)58c的輻條58a。外環(huán)58c與轉(zhuǎn)動部分38相配合來進行轉(zhuǎn)動。輻條部件58可在轉(zhuǎn)動套管53和轉(zhuǎn)動部分38之間建立轉(zhuǎn)動連接，同時沿固定軸40傳遞轉(zhuǎn)動部分38所承受的橫向和豎直方向的力以供載荷傳感器42進行檢測。
轉(zhuǎn)動部分38包括由軸承61可轉(zhuǎn)動地支承在固定軸40上的殼體60。軸承61固定在上鎖緊環(huán)62和下鎖緊環(huán)63之間。上板64與殼體60一起夾緊輻條部件58的外環(huán)58c。上板64還設有防塵結(jié)構，防塵結(jié)構包括兩個同心套管65，每個同心套管65在其下部帶有孔66。套管65伸入到馬達外殼50下部的環(huán)形凹槽中。這種結(jié)構使得灰塵進入軸承55和61要經(jīng)過一段較長的路徑。從此路徑經(jīng)過套管65的任何灰塵都會在離心力作用下而被甩出至孔66。
在殼體60內(nèi)設有流體密封件67，以便在殼體60和固定軸40之間形成密封。
工具外殼68固定在殼體60上，膜片69固定在工具外殼68上。膜片69是球形的，其周邊固定在工具外殼68上。膜片69的周邊包括裝入到工具外殼68之圓筒形凹部內(nèi)的圓筒形部分。夾緊環(huán)70將膜片69夾緊靠在工具外殼68的內(nèi)表面上。工具外殼68和膜片69一起構成流體腔48，流體腔48與固定軸40內(nèi)的通道相連通，以便于將流體壓力通過液壓管27傳遞到流體腔48。流體腔48內(nèi)的壓力可控制彈性加工部件8的剛度。在拋光機進行拋光或磨削過程中，流體腔48中的流體壓力是一個可控的參數(shù)。
殼體60設有流體排出通道71，以便于將流體腔中的空氣排出。流體腔裝有不可壓縮的流體，例如油水乳膠或乙二醇。
切削磨杯101設置在膜片69上面，從而形成加工部件8用于拋光或磨削工件的加工表面。下面將結(jié)合附圖9來對此進行詳細說明。
如圖4-6所示，這種結(jié)構不僅可控制流體腔48中的壓力，而且可測量加工部件8在貼著工件表面轉(zhuǎn)動時所承受的橫向和豎直方向的力。
圖4-6所示的本發(fā)明實施例不便于更換加工部件8，因為這會破壞流體密封。
圖7和8示出了另一種實施方式，其中，殼體60、工具外殼68和膜片69變?yōu)榱硪环N結(jié)構形式。在本發(fā)明的該實施例中，殼體80可允許更換工具外殼。在圖7中，工具外殼81固定有一個較小的膜片82。在圖8中，工具外殼83固定有一個較大的膜片84。
殼體80設有用于接納工具外殼81或83的螺紋部分86a或86b的軸向螺紋槽85。在螺紋槽85中，殼體80設有壓力傳遞膜片87，該膜片87延伸穿過小流體腔88，并由夾緊環(huán)89固定。殼體80還設有用于將空氣排出小流體腔88的排出口90。
這樣，向下傳遞到固定軸40的空心腔中的流體壓力再被傳遞到流體腔88，流體腔88再將壓力傳遞到壓力傳遞膜片87。
工具外殼81或83設有一個類似相對的壓力傳遞結(jié)構，其包括一個由夾緊環(huán)92固定的壓力傳遞膜片91。壓力傳遞膜片相互接觸，從而將流體壓力傳遞通過膜片，同時使外殼80和工具外殼81或83在不破壞流體密封的情況下而分離。
在工具外殼81和83內(nèi)，其各自的膜片82和84構成各自相應的流體腔93和94。對于圖4所示的實施例，膜片82和84具有一個外周邊，該外周邊形成一個裝入到其相應的工具外殼81和83的凹槽中的套管。各自相應的膜片82和84由其相應的夾緊環(huán)95和96固定。
與各自相應的膜片82或84相鄰的工具外殼81和83的外部區(qū)域形成為圓柱面97和98，上述圓柱面朝向離開膜片82和84的方向略帶有錐度(2°)。所形成的錐面97和98用于安裝磨杯，下面將進行詳細地描述。
如圖所示，膜片82和84包括薄膜，當它們與工件表面接觸時就會產(chǎn)生變形。從而與工件表面相吻合。膜片82或84與工件表面之間的接觸面積由工具外殼81或83與工件表面的靠近程度確定工具外殼81或83與工件表面靠得越近，膜片82或84的壓縮程度就越大，這樣，膜片82或84與工件表面之間的接觸面積就越大。
由于膜片82或84在內(nèi)部進行夾緊，從而使其外表面夾緊到工具外殼81或83的內(nèi)表面上，因此，其外部尺寸不會根據(jù)夾緊力的大小而變化。這就確保了在考慮膜片82或84的可互換性時使加工部件尺寸均勻不變。
當更換工具頭時，流體腔93和94可通過安裝浸入到流體中的工具頭而充有流體，也就是，當工具浸入流體中時，就可將壓力傳遞膜片91夾緊。
膜片82和84的曲率半徑大于它所要裝入的工具外殼81或83的孔的半徑。在此情況下，膜片只包括一個弧形部分而不是一個半球部分。因此，膜片82、84的總的凸起曲率不大。這對于將磨片材料應用于膜片82或84上是非常重要的。
下面將結(jié)合圖9對磨杯與工具頭的安裝結(jié)構形式進行描述。
工具頭包括膜片100和錐形圓柱面99，錐形圓柱面99朝向離開膜片100的方向傾斜來接納磨杯101。磨杯101包括在上端帶有切槽103的圓筒形套102。在套102的下端，加工材料104設置在套102上，并通過卡箍105卡緊在套102的周圍。加工材料104還可通過粘結(jié)劑進行固定以確保其不會與套分離。
磨杯安裝在工具頭的錐形圓柱面99上。通過卡箍106而卡緊套102的上部，套102可收縮并夾緊在錐形圓柱面99上。在此情況下，加工材料104布置在膜片100上。由于圓柱面99是錐形的，因此在磨削或拋光過程中不會夾不緊。而這是非常重要的，因為如果在拋光或磨削過程中環(huán)變松，就會對工件造成嚴重的損壞。
加工材料可以是與磨料漿一起使用的普通拋光布材料。另外，加工材料可包括粘結(jié)有或浸有磨料的片材，以便在進行拋光時，不必加入額外的磨料、例如拋光劑。在后者的情況下，只需利用流體來冷卻工件和工具、對拋光過程進行潤滑并將磨掉的顆粒帶離拋光區(qū)。仔細地選擇粘結(jié)磨料，就可提高拋光過程的可預測性。
可根據(jù)實際應用情況來選擇粘結(jié)在片狀工具上的磨料。例如，當拋光玻璃金剛石不適合于進行最精細的光學拋光時，諸如氧化鈰或氧化鋁這樣的材料通?？捎糜趻伖?。對于磨削或研磨，鑒于拋光材料不是玻璃，可在織物或塑料基底上使用鎳粘結(jié)的金剛石顆粒，而對于玻璃的初始拋光，可使用環(huán)氧樹脂-金剛石顆粒形式的環(huán)氧樹脂粘結(jié)的金剛石片材。粘結(jié)磨料可以串珠狀的形式粘結(jié)到片材上，從而形成相互之間帶有間距的局部拋光區(qū)。通過使磨掉的材料從粘結(jié)磨料的串珠之間穿過來以幫助除去磨掉的材料，并提供所需的柔性。
如果需要一種較軟的磨料，就可將磨料固定到被設計成在足夠大的速率下崩落而露出新磨料的粘結(jié)材料上，以使其適合于拋光操作。可將促進剝蝕的材料加入到用于將磨料粘結(jié)在一起的基質(zhì)材料中，從而確保基質(zhì)粘結(jié)材料會在足夠大的速率下發(fā)生剝蝕而露出磨料。(參見B。E。Gillman等人發(fā)表在Applied Optics 1988年第137卷第16期第3498-3505頁的論文“Bound-Abrasive Polishers for Optical Glass”)。
為獲得更好的拋光過程，在基質(zhì)和磨料中設有固體潤滑粉粒。這可減小基質(zhì)材料和玻璃之間的摩擦，并使磨削操作過程中的潤滑作用穩(wěn)定。這種潤滑粉可包括滑石粉(硅酸鎂)。如果使用這種潤滑劑，由于減小了工件如玻璃與基質(zhì)之間的摩擦，因此基質(zhì)可包括橡膠。
片材104必須具有足夠的柔性，以便在拋光過程中當膜片100產(chǎn)生位移時其可進行彎曲。由于片材104與膜片100是分離的，因此它必須具有良好的扭轉(zhuǎn)強度，以使拋光過程繼續(xù)進行而不會產(chǎn)生起皺這樣的變形。在一個典型的拋光過程中，拋光膜片100可承受3公斤的拉力。
由于片材104的曲率半徑大于膜片100的曲率半徑，因此，在拋光過程中，當膜片100在工件壓力作用下產(chǎn)生變形時，就必須在片材104和膜片100之間產(chǎn)生一定的橫向運動。這樣，片材104的內(nèi)表面和/或膜片100的表面應當能提供這種運動。這可通過當磨杯101被安裝到工具頭上時在膜片100和片材104之間涂敷一層材料來實現(xiàn)。例如，可在片材104和膜片100之間放置潤滑劑。使用這種潤滑劑就意味著片材104不能從膜片100獲得扭轉(zhuǎn)支承，且將在其上簡單地滑動。此外取代潤滑劑，可使用未硬化或未凝固的粘結(jié)劑來允許產(chǎn)生這種橫向運動，而在膜片100和片材104之間也形成了一定的粘結(jié)性能。由于未凝固的粘結(jié)劑具有這種特性，因此，還可便于將磨杯從工具頭上卸下。這就可避免去糾正工具頭，而如果磨料直接粘結(jié)到膜片100上或使用粘漿就必須要糾正工具頭。而且，磨料會磨損且需要定期進行更換。另外，不同的拋光階段需要不同等級的磨料，且要便于更換不同的磨杯。
片材104可由切成圖10所示形狀的基片材料制成。在片材上切出孔，從而使其可變形成彎曲形狀來貼敷到膜片100上。片材材料可以是添加有磨料漿的拋光布材料或者是粘結(jié)有磨料的片材。還可使用圖10所示的片材，將其作為一個固定有加工材料的基材。圖11示出了一個可被切割并形成于片材104上的這樣一塊切片的形狀。再次重申一下，片材材料可包括必須與普通磨料漿一起使用的普通拋光布，或者是具有粘結(jié)或浸入到片材上的磨料的片材材料。
下面將結(jié)合附圖12和13來描述一種制造磨杯的方法。在第一步驟S1中，將套109設置在具有凸端的圓柱形成形模111的周圍。拋光材料片材110設置在成形模111的凸端上方。在步驟S2中，將拋光材料片材110的邊緣粘結(jié)到套109的外表面上，并用夾緊裝置112夾緊固定。在步驟S3中，拋光材料片材110被壓在成形模111的凸表面和成形模113的凹表面之間。在此情況下，就可獲得拋光材料片材110所需要的凸形形狀。然后在步驟S4中，兩個成形模111和113縮回以取下磨杯。
磨杯可用于磨削或拋光。而且，磨杯可用于中間過程延性式磨削。在此模式下，工件表面在粘結(jié)磨粒的切削作用下以細屑的形式被切削。這與斷裂式磨削中產(chǎn)生的切屑是截然不同的。延性式磨削是一種較好的精加工磨削形式，它具有較小的表面下?lián)p壞。這種模式可通過選擇給定磨料的壓力和速度來實現(xiàn)。
下面將對拋光裝置的工作過程進行描述，其中，控制拋光頭組件使拋光頭裝置8以一定角度偏離工件表面的法線。
圖14a示出了加工部件8貼靠在工件5上的情況。杯形膜片110與工件5的表面相吻合。圖14b中的虛線表示使用垂直于工件5且繞其軸線轉(zhuǎn)動的加工部件8所獲得的切削輪廓。圖15表示加工部件8對工件5的磨削作用。正如所看到的，由于在接觸區(qū)域中心是不轉(zhuǎn)動的，因此中心處的切削率為0。由于使用這種切削形式很難在整個工件范圍內(nèi)獲得所需的輪廓形狀，因此，這種切削形式是不好的。而本發(fā)明將加工部件8偏離工件5法線一個角度θ并使其運動到旋進位置，就可得到圖16中虛線所示的切削圖線。由于沒有靜止區(qū)域，也就是膜片110的轉(zhuǎn)動中心不是位于工件表面上，因此就不存在零切削區(qū)域。這種切削圖線也因此而更接近于所需要的Gaussian圖線。
圖17示出了該實施例的軟工具在工件上的壓力分布。如圖所示，在上述壓力分布中不存在尖銳的不連續(xù)。由于工具是軟的，因此，壓力在大部分接觸表面上是均勻的，只在邊緣處緩慢下降。
如圖14b所示，工具的轉(zhuǎn)動軸線傾斜偏離工件的法線并進行旋進，從而形成較好的切削輪廓。切削的方法包括圖19所示的無旋進的磨削操作，這與磨帶的操作方式大致相同且在工件上形成擦痕或劃槽。為避免留下這種擦痕或劃槽，采用拋光機進行拋光操作，其不僅通過使加工部件8與工件表面的法線成一定角度來進行拋光，而且包括以這個繞法線旋進的角度對工件進行拋光。如圖18所示，N表示工件W的法線，P表示拋光方向，也就是加工部件轉(zhuǎn)動的方向。加工部件8以相對于法線N所成的角度θ繞拋光方向轉(zhuǎn)動，但拋光方向P還繞法線N轉(zhuǎn)動或旋進。這就使得在每個圍繞旋進的位置處以取決于旋進角度的轉(zhuǎn)動角進行圖15所示的拋光操作。因此，每個時刻，矢量P繞法線N轉(zhuǎn)過一個角度，圖15所示的拋光效果也就轉(zhuǎn)過該角度。當完成旋進時，圖15所示的圖案就在所有的轉(zhuǎn)動角度處呈現(xiàn)。這將產(chǎn)生使拋光的圖案均化的效果，因而降低了由拋光型式而帶來任何缺陷的可能性。
由于拋光的工件通常是不平的，因此，圖18是一個過于簡化的圖形。
圖19示出了實際位置，其中，工件表面的法線根據(jù)所要拋光的工件位置而連續(xù)變化。當然，工件的豎直方向V作為z軸保持恒定。因此，拋光角θ2是進動角ρ與角度θ1之和，角度θ1是法線N與豎直方向V的夾角。在圖19中，盡管所有的角度都顯示在同一平面內(nèi)，但這些角度是三維角度。
圖20顯示了投影到球面上的同樣的信息。V、N和P與圖19中所示的意義相同。該圖形在空間確定了這三個方向。當旋進時，角度γ變化，而角度ρ保持不變。角度α和β是樞轉(zhuǎn)機構中的兩個被動角，是為控制樞轉(zhuǎn)機構而通過位移a和b計算出來的。
下面將詳細說明計算工件表面在任何點處的斜度φ1和θ1。特定的拋光路徑的角度ρ和γ作為給定的數(shù)據(jù)(它們在運動過程中是可以變化的)。為求得被動角α和β，首先必須通過下式求出θ2和φ2cosθ2＝cosρ·cosθ1＋sinρ·sinθ1·cosγ (1)sin(φ1－φ2)＝sinρ·sinγ/sinθ2(2)cos(φ1－φ2)＝(cos(ρ)－cos(θ2)·cos(θ1))/(sin(θ2)·sin(θ2)) (3)通過方程2和3就可解出(φ1－φ2)所位于的正確角象限。
通過θ2和φ2就可從下述方程中解出萬向驅(qū)動角α和βα＝tan-1(cosφ2·tanθ2)(4)β＝sin-1(sinφ2·sinθ2)(5)角度α和β的表現(xiàn)符號可根據(jù)樞轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)而確定，且必須通過觀察來設定。
在計算中通常必須注意處理方程2中出現(xiàn)的被0除的情況。
工件表面的斜度由工件位置和表面形狀來確定。
光學系統(tǒng)中的一種重要的特殊形狀是“平的非球面”。“平的非球面”用于表示一種位于絕對中心但帶有超過或低于球面曲線的邊緣的球面部分表面。這種形狀可以是凹形的或是凸形的。
如果在x、y和z軸線中，z表示沿轉(zhuǎn)臺平面向上的正向而增加的高度，玻璃工件上的正z將始終對應于更多的玻璃。相應的x、y軸線相對于轉(zhuǎn)臺平面是水平的，且中心位于轉(zhuǎn)臺的軸線上。因此，x、y和z構成右手坐標軸。平的非球面的公式是高度z，它是x和y的函數(shù)z＝c·r2/(1＋A)＋a2·r2＋a4·r4＋a6·r6＋a8·r8……其中，r2＝x2＋y2
A＝sqrt(1－(k＋1)c2r2)且c、k、a2、a4等是確定在特定工件上所要求表面的常量。c是中心球面曲率半徑的倒數(shù)。k為圓錐常量，其由該公式確定。如果所有的常量都是0，表面就是平的，如果恰好c不是0，那么，表面就是球面。k的各種不同值用于確定回轉(zhuǎn)體的拋物面、橢圓面和雙曲面。
為確定工具接觸點處的彎曲表面的斜度或錐度，對方程(6)進行微分。就可得出所要求表面在徑向上的斜度dz/dr＝c·r/A＋2a2·r＋4a4·r3＋6a6·r5＋8a8·r7……(7)法線N的角度由下式給出θ1＝VP的角度＝-tan-1dz/dr (8)接觸點的傾角由下式給出φ1＝tan-1y/x (9)其中，x、y是接觸點。表面法線的這些角度針對任何的軸對稱透鏡。對于非對稱的透鏡，其表面方程則必須被更換來求得θ1和φ1。
計算出角度θ1和φ1，并代入方程1和2就可求出透鏡的樞轉(zhuǎn)驅(qū)動角。
迄今，還未考慮樞轉(zhuǎn)結(jié)構的樞轉(zhuǎn)點不是位于工件表面上的接觸點中心。它是位于或靠近膜片的曲率中心，因此當樞轉(zhuǎn)結(jié)構在任何角度θ1和φ1處轉(zhuǎn)動時，如果不補償樞轉(zhuǎn)點離開工件表面的位移，拋光頭就會大致沿x、y和z的任何一個方向運動。本發(fā)明的實施例為避免出現(xiàn)這個問題，對在角度θ1和φ1處轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的沿x、y和z坐標方向的運動進行補償。這種補償可利用后面給出的方程以實時計算的形式進行，或者預先計算角度θ1和φ1，并將其存儲在查詢表中。
在計算接觸點中心的位置時，另外需要考慮的是軟工具的可壓縮性。
在工具未被壓縮時，樞轉(zhuǎn)中心點到工具拋光面中心的距離為D。工具在垂直于工件表面的方向上被壓縮的距離為d。
坐標x、y和z確定出在壓縮后及相對于工具傾斜的工具接觸位置的中心，也就是加工區(qū)域的中心。
θ1、φ1、θ2和φ2是表面法線和工具自轉(zhuǎn)的角度。
X、Y和Z確定樞轉(zhuǎn)機構的中心。
D是樞轉(zhuǎn)中心到未壓縮的工具尖端的距離。
D是工具表面的壓縮量，例如0.3mm。
如圖20所示，T是工具尖端的球面曲率半徑，例如30mm。
樞轉(zhuǎn)機構的中心由下述方程確定X＝x＋(T－d)·sinθ1·cosφ1＋(D－T)·sinθ2·cosφ2(10)Y＝y(tǒng)＋(T－d)·sinθ1·sinφ1＋(D－T)·sinθ2·sinφ2(11)Z＝z＋(T－d)·cosθ1＋(D－T)·cosθ2(12)因此，利用上述方程就可修正加工部件8由于旋進所產(chǎn)生的運動。
如上所述，由于旋進，工具在一個角度進行的非軸對稱磨削通過旋進被均分成基本上軸對稱的磨削型式。
在每個拋光位置可進行旋進操作，這樣，加工部件8就繞工件法線旋進至少360°。但是，一種更有效的方法是利用一個旋進角來覆蓋工具所需要的區(qū)域，增大旋進角，然后再在這些區(qū)域上進行拋光。這就具有相同的均勻效果，減小了樞轉(zhuǎn)結(jié)構所需的運動量并加快了拋光進程。由于工具作用和載有工件的轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動，所要求的區(qū)域是同心的環(huán)形。
在該實施例中，將繞法線的旋進角增量選擇為360°角的一個整數(shù)部分，從而使旋進角對稱分布。
利用軟工具旋進來代替現(xiàn)有技術中繞工件表面法線進行轉(zhuǎn)動的優(yōu)點在于工具是自濕潤的。由于是非軸對稱磨削，用于濕潤磨料或磨粒漿的流體、例如水通過橫向運動而被吸到工具下面。相反，利用普通的旋轉(zhuǎn)工具，位于其下的拋光材料趨于被有規(guī)律地甩出。
下面將詳細地描述通過計算機控制系統(tǒng)9對拋光設備進行的控制。
計算機控制系統(tǒng)9控制沿x、y和z軸線的運動，a和b軸、拋光頭7的自轉(zhuǎn)h、轉(zhuǎn)臺C的速度、使加工部件8轉(zhuǎn)動的馬達的功率和工具內(nèi)的流體壓力。其還可控制磨粒漿或潤滑/冷卻流體的供應。將這些變量控制到一個所需要的水平以保持工具對工件的磨削機械功率(瓦)。由馬達速度和電流(可通過標準方法進行檢測)并利用馬達制造商所提供的數(shù)據(jù)計算出功率，控制功率可準確地控制材料的切削率。
在該實施例中，計算機沒有接收到x、y和z、a和b坐標的反饋。這些是根據(jù)推算確定的。測量工具的自轉(zhuǎn)速度，并檢測馬達所作的功。也可控制轉(zhuǎn)臺的速度?？赏ㄟ^載荷傳感器42來測量作用于工具上的豎直方向和橫向的載荷。
計算機控制系統(tǒng)9中的程序執(zhí)行一種算法，以便于作為一個輸入來接收所需的表面模型。而且，工件5當前的表面模型可通過測量而獲得，并由此而確定模型偏差，也就是確定在整個表面上所要切削的材料量。而且，確定影響函數(shù)也就是軟工具的切削率圖譜(當其通過旋進作用進行修改時)，并用來確定拋光型式。
可根據(jù)所要切削的材料量和材料類型來選擇所用的磨削方式。這將確定作用于工件上的壓力。利用模型偏差和所要求的壓力的信息，就可確定軟工具在表面上的接觸面積。當然，這可根據(jù)模型偏差圖譜進行變化。利用影響函數(shù)可估計出切削圖譜，以便于從當前工件模型運動到目標模型。通常，為避免過量噴射、也就是避免切削掉過多的材料，算法將僅僅達到目標的80％。但是，可重復進行這一過程以獲得目標模型。
可被控制的參數(shù)是停留時間、接觸面積、拋光頭的轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速、作用于工件上的壓力、作用于工件上的力和流體壓力。
為獲得目標表面，可利用數(shù)值優(yōu)化處理來進行所需的停留時間的計算。停留時間與和工件表面上相對凸出的結(jié)構有關的工具位置相適應。停留時間越長，凸出結(jié)構的減小量就越大。數(shù)值優(yōu)化的目的是使經(jīng)處理后殘余高度的“平方和”最小。
給定工具在給定壓縮量和速度下工作，經(jīng)過一個給定的旋進周期，就提供一個局部“影響函數(shù)”，也就是代表工具及其使用過程中的變量的工件切削局部面積。該影響函數(shù)是可經(jīng)過實驗測量的。圖22示出了從中心到邊緣的這種函數(shù)的樣本。它表示在固定位置處每秒可能切削的工件深度。如圖23所示，這也可表示成一幅分布圖。對于大體上傾斜于x、y軸線平面的光學表面的非中心部分而言，影響函數(shù)略微按透視法縮小投影到圖24所示的平面上。圖25表示了放大的等值線區(qū)域。
如圖22所示，作為一個徑向繪制圖譜，當工件在轉(zhuǎn)臺上轉(zhuǎn)動時，局部影響函數(shù)就被描繪成一個凹線。對于工件上不同的半徑就可能形成一系列的凹線，且在圖26中示出了以每秒深度為單位的凹線的斷面。應當注意的是，當有效切削分布在整個工件上而不是更多地集中在中心、也就是拋光頭所形成的軌跡圓的周長較長時，工件的外緣部分的切削量就較少。實際工件(玻璃)的切削量由其中一個輪廓面形狀與工具在該輪廓面上加工的時間(停留時間)的乘積確定。通過選擇在每條凹線中的停留時間，就可獲得沿透鏡半徑測量的所有的各種玻璃切削形狀。例如，圖27示出了一個需要加工的透鏡表面的一部分的形狀。其具有由環(huán)形凸起區(qū)域構成的模型偏差缺陷，而透鏡的中心和邊緣位于差不多所需的高度。通過利用標準最小二乘法進行優(yōu)化，計算出透鏡每個半徑為去除掉環(huán)形凸起區(qū)域所需的停留時間。這表示在圖28中。每個凹線輪廓乘以相應的停留時間并加上圖27所示輪廓面的計算偏差，就可獲得圖29所示的最終的預測輪廓面。所考慮的表面的表面積已被有效地弄平了，這就進一步證明了計算的正確性。
在計算所需停留時間的過程中，可利用反饋處理來修正玻璃切削過程中由齒輪間隙、機械滑動裝置平直度差或正常工作環(huán)境如濕度或溫度的變化所引起的偏差。
反饋處理需要在磨削或拋光之后分析玻璃的實際切削量。分析的結(jié)果是對玻璃切削量進行最小二乘擬合的一組停留時間。停留時間是期望利用拋光機以實現(xiàn)這樣一種切削的追溯時間。通過將符號表示的追溯值與實際應答的值進行比較來得到反饋信息。這種比較采取求出實際停留時間與追溯停留時間的比值的形式進行。比較結(jié)果是修正值。例如，修正值是(1)恒定的比值因子，實際玻璃切削的計算停留時間應當被增大或減小一個該比值因子，從而得出所需的結(jié)果；(2)用作停留時間修正因子的一組這種比值，該組比值與工件上的一組不同位置相對應。
由于修正因子在操作中指明了缺陷，因此，確定修正因子對于設備的工藝和維護也是非常重要的。
數(shù)值優(yōu)化處理還可確定工具和工件之間所需的接觸面積。這可通過利用一個以上的影響函數(shù)方便地得出。得到用于每個附加影響函數(shù)的另一組磨削輪廓面(通常為凹線的斷面)。數(shù)值優(yōu)化的結(jié)果包括每組磨削輪廓面的停留時間。優(yōu)化結(jié)果的性質(zhì)是，如果一個給定的輪廓面是不好的，就將一個0或很小的停留時間賦予它。確定某一磨削輪廓的有效停留時間來選擇工具的接觸面積。
下面將結(jié)合圖30所示的流程圖來對確定停留時間的過程進行描述。通過測量來確定所要拋光的工件表面的形狀(步驟S10)。在步驟S11中，輸入確定所需形狀的數(shù)據(jù)，并在步驟S12中從確定的數(shù)據(jù)中減去所需的形狀數(shù)據(jù)，從而得到形狀偏差數(shù)據(jù)。
然后，在步驟S13中，對于預定位置繪出單位停留時間的影響函數(shù)。在該實施例中，對于每個影響函數(shù)形成一個單獨的圖線，也就是圖26所示的單個曲線。然后，在步驟S14中輸入初始停留時間并開始優(yōu)化處理。初始停留時間可以是任意的隨機初始值，例如對于所有的位置都是一個單位時間。所繪制的影響函數(shù)乘以所輸入的初始停留時間，并疊加上圖線來確定所預計的切削圖譜(步驟S15)。在步驟S16中，從模型偏差中減去所預計的切削圖譜，從而確定出預定位置處的高度偏差表。正是這些高度偏差確定了所希望的形狀和預計拋光形狀之間擬通過最小二乘法最小化的偏差。因此，將這些值輸入到最小二乘法中，并在步驟S17中使偏差最小化。在步驟S18中，判斷優(yōu)化是否完成。如果未完成，在步驟S20中，算法就產(chǎn)生一組新的停留時間，并回到步驟S15以重復最小化過程。
如果在步驟S18中優(yōu)化過程已完成，那么，就在步驟S19中將確定的停留時間轉(zhuǎn)換成拋光頭在修琢圖型位置處的速度。然后，在步驟S21中，拋光機以預定的速度來拋光工件。
回到步驟S10重復上述過程來測量形狀，從而判斷實際上是否得到了所希望的形狀。如果沒有，就重復步驟S11-S21。
盡管上述過程是針對一個二維過程，但利用用于計算停留時間的一個三維影響函數(shù)、一個所希望的三維形狀和一個預定位置的二維數(shù)組，該過程就可同樣地用于三維過程。
在三維結(jié)構中，與二維結(jié)構不同，由于在相同的徑向位置可進行不同的拋光，因此存在更多的拋光控制。數(shù)值優(yōu)化問題僅僅變?yōu)橐粋€用于二維(而不是一維)數(shù)組點的確定停留時間中的一個。如果可能存在很多的點，這個過程就可能進行得很長，因此可選擇小數(shù)組的點，例如將區(qū)域分成幾個部分并單獨進行處理，或者在相互間隔很大距離的區(qū)域上提供一些位置。在后一過程中，每個修琢圖型不大可能經(jīng)過足夠多的用于確定停留時間的相鄰設置的位置(也就是，拋光頭沿路徑的速度)。在此情況下，沿修琢圖型的停留時間或點可通過在預定位置之間進行插值來確定。
在上述二維和三維實施例中，所用的停留時間是用于單位時間在一個位置處確定切削輪廓圖的靜態(tài)影響函數(shù)。但這沒有考慮在每個位置處提升和放置工具頭，優(yōu)選的方法是使工具頭在工件表面上連續(xù)地運動。因此，就沒有工具頭停留的位置。因此，本發(fā)明提出了一種動態(tài)停留時間技術。在該技術中，影響函數(shù)被定義為特定修琢圖型的工具頭單位速度的切削輪廓圖。這可通過沿修琢圖型以預定的(如單位)速度對靜態(tài)影響函數(shù)進行投影來確定。
圖31a和31b示出了兩個映射到所要拋光的表面上的不同形式的動態(tài)影響函數(shù)。圖31a示出了一個掃描光柵形的修琢圖型，圖31b示出了一個圓形修琢圖型。
圖31a示出了作用于三個點P1、P2和P3上的三個動態(tài)影響函數(shù)。應當注意的是，由于修琢圖型200在每個位置處是相同的，也就是直線型的，因此，動態(tài)影響函數(shù)在每個位置上具有相同的形狀。
在圖31b中，修琢圖型201是圓形的，因此，如圖所示，對于不同的徑向位置，修琢圖型的形狀是不同的。在中心位置P1處，圖形是圓的，而在徑向位置P2和P3處，動態(tài)影響函數(shù)沿圖型路徑是伸長的。
這種方法可最終確定工具頭在所要拋光的整個工件表面上的不同位置(如P1、P2和P3)處的速度。因此，在該實施例中，不需要進行圖30所示的步驟S19。
顯然，由于本發(fā)明優(yōu)化了工件不同位置處的停留時間或工件速度，因此，可采用一個較為簡單的優(yōu)化數(shù)值過程?？刹捎萌魏蔚臄?shù)值分析方法來優(yōu)化數(shù)值，從而獲得所需要的結(jié)果，例如，所需要的平均偏差。
在本發(fā)明中，可使至少一個成本函數(shù)最小化。成本函數(shù)可包括1.高度偏差2.斜度偏差3.總拋光時間4.工具速度超過極限值的超過量成本函數(shù)可適當?shù)剡M行加權處理。
對于數(shù)值分析而言，成本函數(shù)可附加要被算法優(yōu)化的數(shù)列。
迄今為止，在該實施例中，為得到所需要的形狀，僅僅考慮了材料的切削。但是，拋光不僅需要考慮所需要的形狀，而且還要考慮所需要的表面粗糙度(微粗糙度)。
除了明顯的大規(guī)模外形偏差以外，光學或其它拋光表面還可能具有微粗糙度方面的質(zhì)量缺陷。微粗糙度是一種表面特性，通常表示為偏離完全光滑表面的平均局部高度，并用平均粗糙度(Roughness Average)“Ra”表示。本發(fā)明可提供一種通過旋進工具的適當操作來降低粗糙度的方法。
可通過顯微鏡操作的干涉儀(例如具有專利權的WYKO NT 2000干涉儀)這樣的設備或采用接觸的方法(例如具有專利權的Taylor Hobson粗糙度檢測儀(Talysurf))來測量微粗糙度。在加工相同工件的過程中，可在加工第一個工件的不同階段來測量拋光過程中各個階段的粗糙度，且從此以后可認為在加工過程中已被充分了解。
在該實施例的方法中，還提供另一種可供選擇的判斷粗糙度開始降低的準則。如果測量表明工件的外形已處于可被接受的粗糙度質(zhì)量的界限范圍內(nèi)，粗糙度就開始降低。通常的情況是外形是準確的，處于用戶要求的波峰到波谷形式的偏差為100納米的范圍內(nèi)，但局部表面的Ra值是10納米或更大，而要求的成品質(zhì)量的Ra值為小于3納米。如果測量顯示小于100納米的工件材料(通常為玻璃)要被切削以使特殊外形的表面處于公差范圍之內(nèi)，開始降低粗糙度也是較經(jīng)濟的。如果在不采用此降低粗糙度的方法的情況下切削如此小量的材料，那么，在產(chǎn)品可被接受之前，仍必須采用這種方法。
拋光過程的切削率通過對較小區(qū)域進行拋光的實驗來確定，磨削的深度通過干涉測量法來進行測量。根據(jù)這里所公開的方法，通過其在降低粗糙度過程中的成功使用證明了這種切削率是可行的。
通過用一組較短的停留時間對表面進行拋光就可降低粗糙度，并對應一個較小的切削量。所選擇的停留時間可使一組旋進位置(通常在90°是4個)中的每個位置所切削的材料深度小于或等于4倍的Ra當前值，優(yōu)選的值是1-2倍的Ra值。當進行這種切削時，拋光表面已存在的粗糙結(jié)構被磨削成一個新的成形表面。
通過使切削深度為1-2倍的Ra值，新的粗糙度就明顯地比原先小得多。這顯示在圖32和33中。圖32示出了一個粗糙的表面輪廓，顯示了一個示意的Ra值，并顯示出進一步磨削的原始效果是將波峰去除掉。圖33顯示了一個表面粗糙度的Ra值和怎樣通過連續(xù)磨削來改變其粗糙度。在圖33中，向右下降的線表示去除預先存在的粗糙度結(jié)構；向右上升的線表示形成的新粗糙度結(jié)構。當原始磨削僅僅去除掉預先存在的波峰而不產(chǎn)生新的結(jié)構時，新的粗糙度結(jié)構開始上升得很慢。當新的和舊的粗糙度結(jié)構具有隨機特性時，舊-加-新的結(jié)構之和是和的平方根。這由虛線表示。最優(yōu)的切削形式出現(xiàn)在圖33中由A表示的曲線最小值處。
在實踐中，由于拋光微粒的意外聚結(jié)而在拋光表面出現(xiàn)不希望有的特性時，謹慎地進行操作是合理可行的。謹慎操作的要點是嘗試著去除掉1-2倍的Ra值，最好是更小數(shù)目的Ra值。但是，如果由于存在小的擦痕而使微粗糙度不佳時，在加工的初始階段切削掉4倍的a值是較為經(jīng)濟的。
在這些過程中利用旋進的方法使沿一個方向連續(xù)不斷的摩擦所產(chǎn)生的擦痕去除掉了先前通過時所產(chǎn)生的擦痕，而不是簡單地加深了擦痕。在90°間隔范圍內(nèi)在摩擦方向經(jīng)過一系列摩擦后，在下一次通過時，利用在相對于第一位置為45°處的4個中間的摩擦方向進行精加工。
盡管上面結(jié)合特殊實施例對本發(fā)明進行了描述，在該實施例中，利用一個球形柔性部件形式的軟工具以相對于工件法線成一定角度進行旋進，但本發(fā)明并不局限于此，其可使用沿在工件上轉(zhuǎn)動的方向在磨削表面和工件之間產(chǎn)生相對橫向運動的任何形式的工具。
圖34示出了另一種可用于拋光頭7中并可磨削掉工件上的材料的加工部件。其可用于在開始拋光之前需要大量切削掉材料來形成工件表面形狀的時候。該加工部件不是柔性的。
如圖34所示，加工部件安裝在圖4所示實施例的工具頭38上。工具外殼68在其上部區(qū)域略作修改，從而包括一個用于接納磨削工具外殼200的外螺紋部分。外殼200是圓筒形的，且其上端固定在工具外殼68上。在其下端，外殼200設有一塊板201。板201通過螺釘202夾緊在外殼200上，并在兩者之間夾著一個與圖6所示的輻條部件58的形狀相類似的柔性輻條部件203。柔性輻條部件203被夾緊在外殼200的板201之間的外環(huán)部分上。
在外殼200內(nèi)設有一個活塞件204，活塞件204可在外殼200內(nèi)產(chǎn)生相對豎直運動。活塞件204具有一個圍繞襯套205延伸的上圓筒部分，以便為所述的豎直運動提供導向。襯套205設置在工具外殼68的外表面上。活塞件204的下端具有一個接納膜片69的凹表面。在此情況下，膜片69可作用于活塞件204并沿軸向向上和向下驅(qū)動活塞件204?；钊?04由柔性輻條部件203的內(nèi)環(huán)部分支承。柔性輻條部件203的內(nèi)環(huán)部分位于活塞件204的插栓206周圍，并通過擰在插栓206上的螺母207被夾緊在活塞件204上。插栓206穿過板201延伸。圓頂形的磨削部件208固定在插栓206上，并通過螺母209和墊圈210鎖緊。在此情況下，圓頂形的磨削部件208可由活塞件204上下驅(qū)動。
因此，本發(fā)明的這個實施例提供了一種圓頂形的磨削部件208，該部件不是柔性的，但其可以一定的傾斜角固定在拋光頭7上，并繞垂直于磨削工件表面的旋進通道旋進。膜片69和活塞件204的相互作用可對圓頂形磨削部件208提供壓力控制，從而控制在磨削過程中所作用的壓力。
盡管已經(jīng)描述了具有球形柔性工具的實施例，但對于工件的凸表面，可使用平的或凹的柔性工具，這些都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
所述實施例都具有完整的流體壓力作用系統(tǒng)。但是，本發(fā)明還包括在工具本體內(nèi)帶有機械壓力傳遞連接裝置的一個充有流體的工具頭。
本發(fā)明的結(jié)構可進行任意的組合。
由于本發(fā)明包括拋光機的計算機控制系統(tǒng)，因此，本發(fā)明可體現(xiàn)為一個用于控制拋光機的計算機程序。因此，本發(fā)明包括一種載體介質(zhì)，其包括存儲介質(zhì)和建立在網(wǎng)絡如Internet之上的載有計算機程序的電信號，所述存儲介質(zhì)可以是軟盤、CD-ROM、程序只讀存儲裝置和磁盤。
盡管上面結(jié)合特定實施例對本發(fā)明進行了詳細描述，但顯然本發(fā)明并不局限于這些特定的實施例，在不脫離本發(fā)明宗旨和范圍的情況下，可作出各種的變型。
權利要求
1.一種用于磨削或拋光工件的設備，該設備包括一個用于支承所述工件的支承表面；一個沿轉(zhuǎn)動軸線布置并繞該轉(zhuǎn)動軸線轉(zhuǎn)動的工具頭部件；一個具有可用于磨削或拋光所述工件的表面的加工部件，該加工部件沿所述轉(zhuǎn)動軸線設置在所述工具頭部件上，并與所述工具頭部件一起繞所述轉(zhuǎn)動軸線轉(zhuǎn)動；用于驅(qū)動所述工具頭部件和安裝在其上的所述加工部件繞所述轉(zhuǎn)動軸線轉(zhuǎn)動的第一驅(qū)動裝置；用于安裝所述工具頭部件的工具頭安裝裝置；用于驅(qū)動所述工具頭安裝裝置的第二驅(qū)動裝置，其可使所述工具頭部件的所述轉(zhuǎn)動軸線相對于與所述轉(zhuǎn)動軸線相交的旋進軸線傾斜，并隨著所述轉(zhuǎn)動軸線繞所述旋進軸線的旋進來將所述工具頭部件移動到傾斜位置；以及用于使所述工具頭安裝裝置運動而穿過所述支承表面的第三驅(qū)動裝置。
2.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于，所述第一驅(qū)動裝置被設置成沿所述支承表面的橫向方向來驅(qū)動所述加工部件的表面，所述第二驅(qū)動裝置適合于使所述加工部件的所述表面相對于所述支承表面上的一個位置轉(zhuǎn)動，從而使所述加工部件的所述表面和所述支承表面的橫向相對運動方向相對于所述支承表面上的所述位置轉(zhuǎn)動。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的設備，其特征在于，所述第二驅(qū)動裝置布置成可使所述工具頭部件運動到傾斜位置，所述傾斜位置分布在所述轉(zhuǎn)動軸線繞所述旋進軸線旋進的360°的整數(shù)角上。
4.根據(jù)前述任意一項權利要求所述的設備，其特征在于，所述第二驅(qū)動裝置布置成可使所述工具頭部件按旋進步距運動。
5.根據(jù)權利要求4所述的設備，其特征在于，所述第二驅(qū)動裝置布置成可使所述工具頭部件按旋進步距運動，所述旋進步距關于旋進軸線對稱分布在繞所述旋進軸線旋進的360°的整數(shù)角上。
6.根據(jù)權利要求1-4中任一項所述的設備，其特征在于，所述第二驅(qū)動裝置布置成可以旋進步距遞增地進行旋進，該旋進步距不是360°角的整數(shù)分度角。
7.根據(jù)前述任意一項權利要求所述的設備，其特征在于，所述工具頭安裝裝置布置成這樣的，即所述旋進軸線在所述磨削部件或其附近與所述轉(zhuǎn)動軸線相交。
8.根據(jù)前述任意一項權利要求所述的設備，其特征在于，包括用于控制所述第一和第二驅(qū)動裝置的控制裝置，這樣，所述工具頭部件繞所述轉(zhuǎn)動軸線的運動速率基本上小于所述工具頭部件的轉(zhuǎn)動速率。
9.根據(jù)前述任意一項權利要求所述的設備，其特征在于，所述工具頭安裝裝置包括正交布置的第一和第二弧形部件，每個弧形部件的曲率中心位于穿過所述加工部件或靠近所述加工部件的一條軸線上，所述工具頭部件的第二端部通過所述第二驅(qū)動裝置固定在所述第一和第二弧形部件上，從而使所述工具頭部件的第二端部繞弧形部件的各相應軸線沿相應的正交弧運動。
10.根據(jù)前述任意一項權利要求所述的設備，其特征在于，所述第三驅(qū)動裝置布置成也可使所述工具頭部件朝著和背離所述支承表面的方向運動。
11.根據(jù)前述任意一項權利要求所述的設備，其特征在于，所述支承表面布置成可相對于所述工具頭安裝裝置轉(zhuǎn)動。
12.根據(jù)前述任意一項權利要求所述的設備，其特征在于，所述加工部件是球形的。
13.根據(jù)權利要求12所述的設備，其特征在于，所述加工部件是柔性的。
14.根據(jù)前述任意一項權利要求所述的設備，其特征在于，包括控制裝置，該控制裝置可操縱地接收所述工件的外形表面信息，并控制所述第二驅(qū)動裝置，以便使所述工具頭部件在磨削或拋光位置處繞垂直于所述工件表面的所述旋進軸線旋進。
15.根據(jù)權利要求14所述的設備，其特征在于，所述控制裝置可操縱地接收所述工件的粗糙度信息和所述加工部件切削所述工件材料的切削率信息，以便控制所述第三驅(qū)動裝置使所述工具頭安裝裝置按一個重復的修琢圖型運動，并在每個成型過程中控制所述第一、第二和第三驅(qū)動裝置切削小于4倍的工件拋光或磨削區(qū)域的局部平均粗糙度。
16.根據(jù)權利要求15所述的設備，其特征在于，所述控制裝置適合于控制所述第二驅(qū)動裝置，以便對于每個修琢圖型利用繞所述旋進軸線的不同傾斜位置。
17.一種磨削或拋光工件表面的方法，該方法包括將工件安裝在一個支承裝置上；使一個沿轉(zhuǎn)動軸線布置的工具頭部件相對傾斜，從而使所述轉(zhuǎn)動軸線相對于與所述轉(zhuǎn)動軸線相交的旋進軸線傾斜，所述工具頭部件具有沿所述轉(zhuǎn)動軸線軸向布置在所述工具頭部件上的加工部件，所述加工部件具有可用于磨削或拋光所述工件表面的表面，所述旋進軸線在所述加工部件的所述表面的接觸區(qū)域處垂直于所述工件的表面；使所述工具頭部件繞所述轉(zhuǎn)動軸線轉(zhuǎn)動；使所述加工部件的所述表面與所述工具的所述表面接觸，從而使所述加工部件的所述表面沿所述工件的所述表面的橫向方向運動；使傾斜的工具頭部件運動到繞所述旋進軸線轉(zhuǎn)動的傾斜位置；以及使傾斜的工具頭部件運動，從而使所述加工部件和所述工件的所述表面沿一個修琢圖型相對運動。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，其特征在于，使傾斜的工具頭部件運動到繞所述旋進軸線轉(zhuǎn)動的傾斜位置的步驟保持一個角度，所述工具頭部件基本上恒定地以該角度傾斜于所述旋進軸線。
19.根據(jù)權利要求17或18所述的方法，其特征在于，對于繞所述旋進軸線轉(zhuǎn)動的多個傾斜位置中的每一個，所述傾斜的工具頭部件以其所述的修琢圖型運動。
20.根據(jù)權利要求17-19中任一項所述的方法，其特征在于，繞所述旋進軸線轉(zhuǎn)動的所述傾斜位置分布在繞所述旋進軸線轉(zhuǎn)動的整數(shù)角上。
21.根據(jù)前述任意一項權利要求所述的方法，其特征在于，所述工具頭部件逐步地運動到繞所述旋進軸線轉(zhuǎn)動的所述傾斜位置。
22.根據(jù)權利要求21所述的方法，其特征在于，所述傾斜位置對稱地以繞所述旋進軸線轉(zhuǎn)動的整數(shù)角分布在所述旋進軸線周圍。
23.根據(jù)權利要求21所述的方法，其特征在于，所述傾斜位置不是繞所述旋進軸線轉(zhuǎn)動的360°的整數(shù)分度角。
24.根據(jù)權利要求17-23中任一項所述的方法，其特征在于，所述旋進軸線在所述加工部件或其附近與所述轉(zhuǎn)動軸線相交。
25.根據(jù)權利要求17-24中任一項所述的方法，其特征在于，所述工具頭部件繞所述旋進軸線的運動速率基本上小于所述工具頭部件的轉(zhuǎn)動速率。
26.根據(jù)權利要求17-25中任一項所述的方法，其特征在于，所述工件相對于所述工具頭部件轉(zhuǎn)動。
27.根據(jù)權利要求17-26中任一項所述的方法，其特征在于，所述加工部件是球形的。
28.根據(jù)權利要求27所述的方法，其特征在于，所述加工部件是柔性的，通過控制所述加工部件相對于所述工件的所述表面的位置來控制所述工件的所述表面與所述加工部件之間的接觸面積。
29.根據(jù)權利要求17-28中任一項所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述工件的外形表面信息來控制所述工具頭部件的運動。
30.根據(jù)權利要求29所述的方法，其特征在于，包括接收所述工件的粗糙度和所述加工部件切削所述工件材料的切削率信息，控制所述工具頭部件使其按一個重復的修琢圖型運動，并在每個修琢圖型中控制材料的切削，使切削小于4倍的工件拋光或磨削區(qū)域的局部平均粗糙度。
31.根據(jù)權利要求30所述的方法，其特征在于，對于每個修琢圖型利用所述工具頭部件的不同旋進轉(zhuǎn)動。
32.一種用于磨削和/或拋光工件的設備，該設備包括一個用于支承所述工件的支承表面；一個帶有用于磨削和/或拋光所述工件的表面的工具頭；一個用于支承所述工具頭并使其朝著和背離所述支承表面運動的機械結(jié)構；一個安裝在所述機械結(jié)構上的傾斜機構，其可使所述工具頭繞一個樞轉(zhuǎn)點以一定角度傾斜于所述支承表面；以及一個通過控制所述機械結(jié)構和所述傾斜機構來控制所述工具頭的所述表面的位置和傾斜度的控制裝置，當通過控制所述機械結(jié)構來使所述表面傾斜時，所述控制裝置可操縱地補償所述表面的運動。
33.根據(jù)權利要求32所述的設備，其特征在于，所述控制裝置通過計算由傾斜所引起的所述表面的位置變化來可操縱地進行補償控制。
34.根據(jù)權利要求32所述的設備，其特征在于，所述控制裝置通過查找由傾斜所引起的所述表面的位置變化來可操縱地進行補償控制。
35.一種用于磨削或拋光工件的方法，該方法包括將工件安裝在一個支承裝置上；利用一個機械結(jié)構按修琢圖型來移動工具頭，所述工具頭具有用于磨削或拋光所述工件的表面；在修琢過程中，使所述工具頭繞一個樞轉(zhuǎn)點以一定角度傾斜于所述工件；以及根據(jù)所述工具頭的傾斜度來控制所述工具頭的位置，以便補償由于所述工具頭傾斜所引起的所述表面相對于所述工件的運動。
36.根據(jù)權利要求35所述的方法，其特征在于，計算由于所述工具頭傾斜所引起的所述表面相對于所述工件的運動，并用其來控制所述機械結(jié)構。
37.根據(jù)權利要求35所述的方法，其特征在于，利用傾斜角來查找由于所述工具頭傾斜所引起的所述表面相對于所述工件的運動，并用其來控制所述機械結(jié)構。
38.一種存儲用于通過控制處理器來控制權利要求1-16或32-34中任一項所述設備的指令的載體介質(zhì)。
39.一種用于磨削或拋光工件的工具，該工具包括一個球形柔性部件；一個支承所述柔性部件并使其突出的支承裝置；一個布置在所述柔性部件的表面上并形成用于磨削或拋光所述工件的加工表面的膜片；所述膜片是柔性的以便順應所述柔性部件的柔性彎曲；以及一個載有所述膜片的膜片載體，所述膜片載體可拆卸地與所述支承裝置連接，從而使所述膜片和所述膜片載體可從所述支承裝置上卸下。
40.根據(jù)權利要求39所述的工具，其特征在于，所述膜片載體機械地夾緊在所述支承裝置上。
41.根據(jù)權利要求39或40所述的工具，其特征在于，所述支承裝置包括一個大致為圓筒形的部件，所述柔性部件安裝在圓筒形部件的一端，所述膜片載體包括一個安裝在所述圓筒形部件上的大致為圓筒形的套。
42.根據(jù)權利要求41所述的工具，其特征在于，所述圓筒形部件具有一個外表面，該外表面向離開所述柔性部件的方向傾斜，所述圓筒形套夾緊到該外表面上，所述圓筒形套被制成可變形成所述圓筒形部件外表面的錐度。
43.根據(jù)權利要求39-42中任一項所述的工具，其特征在于，包括可允許所述膜片和所述柔性部件的所述表面產(chǎn)生相對橫向運動的裝置。
44.根據(jù)權利要求43所述的工具，其特征在于，所述裝置包括潤滑劑或未固化的粘結(jié)劑。
45.根據(jù)權利要求39-44中任一項所述的工具，其特征在于，所述膜片具有粘結(jié)到其上或浸漬在其中的磨料。
46.根據(jù)權利要求45所述的工具，其特征在于，所述膜片由基質(zhì)材料和植入到所述基質(zhì)材料中的加強材料形成。
47.根據(jù)權利要求45或46所述的工具，其特征在于，所述磨料在所述膜片上的離散區(qū)域粘結(jié)到所述膜片上。
48.根據(jù)權利要求45-47中任一項所述的工具，其特征在于，所述磨料通過環(huán)氧樹脂或鎳粘結(jié)到所述膜片上。
49.根據(jù)權利要求45-47中任一項所述的工具，其特征在于，所述磨料粘合在一起，并利用包含剝蝕促進材料的粘結(jié)材料而粘結(jié)到所述膜片上，剝蝕促進材料可在磨削或拋光過程中促進粘結(jié)材料剝落，以便露出新的磨料。
50.根據(jù)權利要求45-49中任一項所述的工具，其特征在于，所述磨料粘合在一起，并利用包含潤滑劑材料的粘結(jié)材料粘結(jié)到所述膜片上。
51.根據(jù)權利要求39-50中任一項所述的工具，其特征在于，所述柔性部件包括一定量的流體和一個至少部分地覆蓋所述流體的柔性膜片，所述支承裝置和所述柔性膜片一起容納所述流體，所述柔性膜片密封到所述支承裝置上。
52.根據(jù)權利要求39-44中任一項所述的工具，其特征在于，所述膜片包括用于吸附附著在其上用于磨削或拋光所述工件的磨料的吸附材料。
53.根據(jù)權利要求52所述的工具，其特征在于，所述膜片由織物材料制成。
54.一種安裝到工具上用于磨削或拋光工件的磨杯，所述磨杯包括一個柔性材料片材，其形狀適合于安裝到所述工具的相應的球形柔性部件上，所述片材具有足夠的柔性以在磨削過程中彎曲；以及一個在所述片材的周圍承載所述片材的載體，所述載體具有一個用于可拆卸地將所述磨杯固定到所述工具上的結(jié)構。
55.根據(jù)權利要求54所述的磨杯，其特征在于，所述結(jié)構包括機械夾緊結(jié)構。
56.根據(jù)權利要求54或55所述的磨杯，其特征在于，所述載體包括一個可安裝到所述工具上的套，其中所述片材安裝在所述套的一端。
57.根據(jù)權利要求56所述的磨杯，其特征在于，所述套被制成可在其第二端徑向變形。
58.根據(jù)權利要求54-57中任一項所述的磨杯，其特征在于，所述片材具有粘結(jié)在其上或浸漬在其中用于磨削或拋光所述工件的磨料。
59.根據(jù)權利要求58所述的磨杯，其特征在于，所述片材包括基質(zhì)材料和植入到所述基質(zhì)材料中的加強材料。
60.根據(jù)權利要求58或59所述的磨杯，其特征在于，所述磨料在所述片材上的離散區(qū)域粘結(jié)到所述片材上。
61.根據(jù)權利要求58-60中任一項所述的磨杯，其特征在于，所述磨料通過環(huán)氧樹脂或鎳粘結(jié)到所述片材上。
62.根據(jù)權利要求58-61中任一項所述的磨杯，其特征在于，所述磨料粘合在一起，并利用包含剝蝕促進劑的粘結(jié)材料而粘結(jié)到所述片材上，所述剝蝕促進劑可在磨削或拋光過程中促進粘結(jié)材料剝落，從而露出新的磨料。
63.根據(jù)權利要求58-62中任一項所述的磨杯，其特征在于，所述磨料粘合在一起，并利用包含潤滑劑材料的粘結(jié)材料粘結(jié)到所述片材上。
64.根據(jù)權利要求54-57中任一項所述的磨杯，其特征在于，所述片材包括用于吸附附著在其上用于磨削或拋光所述工件的磨料的吸附材料。
65.根據(jù)權利要求64所述的工具，其特征在于，所述片材由織物材料制成。
66.一種制造權利要求54-65中任一項所述磨杯的方法，該方法包括將載體上的所述片材材料制成適合于安裝到所述工具的球形柔性部件上的球形；以及將所述片材以其周邊固定到所述載體上。
67.根據(jù)權利要求66所述的方法，其特征在于，所述成形步驟包括將所述片材附著到成形工具上，并將所述片材制成所述的球形。
68.根據(jù)權利要求67所述的方法，其特征在于，包括對所述片材進行加壓和/或加熱的最終步驟。
69.根據(jù)權利要求66-68中任一項所述的方法，其特征在于，所述片材包括基質(zhì)材料，所述方法包括將柔性片材附著到所述基質(zhì)材料上用于磨削或拋光所述工件。
70.一種用于磨削或拋光工件的設備，該設備包括一個沿轉(zhuǎn)動軸線延伸的本體，在該本體的一端設有壓力傳遞裝置，所述本體可繞所述轉(zhuǎn)動軸線轉(zhuǎn)動；一個可拆卸地安裝到所述本體的所述端部上的頭部，所述頭部包括一個頭部外殼、一個頭部流體壓力傳遞裝置和一個形成充有流體的密封頭部流體腔的彈性膜片，所述頭部流體壓力傳遞裝置設置在所述頭部外殼中來與所述壓力傳遞裝置配合，從而將壓力傳遞到所述頭部流體腔，所述彈性膜片在其周邊由所述頭部外殼固定，從而由此呈球形地延伸，以便在磨削或拋光過程中將壓力作用于所述工件。
71.根據(jù)權利要求70所述的設備，其特征在于，所述本體具有一個本體流體腔，該流體腔充有流體并終止于所述壓力傳遞裝置。
72.根據(jù)權利要求71所述的設備，其特征在于，所述本體流體壓力傳遞裝置和所述頭部流體壓力傳遞裝置包括分別安裝在所述本體和所述頭部上并在將所述頭部安裝到所述本體上時相互連接在一起的各自相應的位移裝置。
73.根據(jù)權利要求71或72所述的設備，其特征在于，所述本體流體腔和所述頭部流體腔充有不可壓縮的流體。
74.根據(jù)權利要求71-73中任一項所述的設備，其特征在于，包括流體壓力控制裝置，所述流體壓力控制裝置包括一條從所述本體流體腔到單獨設置在所述轉(zhuǎn)動本體上的流體壓力控制結(jié)構的通道。
75.根據(jù)權利要求70-74中任一項所述的設備，其特征在于，所述頭部沿軸向安裝到所述本體上。
76.一種可拆卸地安裝到磨削或拋光工件設備的工具本體上的工具頭，工具本體具有壓力傳遞裝置，工具頭包括一個工具頭外殼、一個工具頭流體壓力傳遞裝置和一個形成容納流體的密封工具頭流體腔的彈性膜片，所述工具頭流體壓力傳遞裝置設置在所述工具頭外殼中，以使所述工具頭流體腔中的流體壓力與所述壓力傳遞裝置連接，所述彈性膜片在其周邊由所述工具頭外殼固定，從而由此呈球形地延伸，以便在磨削或拋光過程中將壓力作用于所述工件。
77.根據(jù)權利要求76所述的工具頭，其特征在于，所述工具頭流體傳遞裝置包括一個在所述工具頭安裝到所述工具本體上時用于與所述包括一個位移裝置的壓力傳遞裝置連接的位移裝置。
78.根據(jù)權利要求76或77所述的工具頭，其特征在于，所述工具頭流體腔充有不可壓縮的流體。
79.一種控制對工件的磨削或拋光的方法，該方法包括接收確定了工具影響函數(shù)的數(shù)據(jù)，影響函數(shù)可確定在預定停留時間或所述工具速度條件下從工件上切削掉材料的圖型；接收所述工件表面的所需輪廓形狀和當前輪廓形狀的數(shù)據(jù)；判斷所需輪廓形狀和當前輪廓形狀之間的差異，從而確定目標切削輪廓形狀；確定所述工件的所述表面上預定位置處的停留時間或工具速度，從而通過利用影響函數(shù)對預定位置處的停留時間或工具速度進行數(shù)值優(yōu)化以減小至少一個成本函數(shù)，從而獲得預期的切削輪廓形狀；以及利用所確定的停留時間來控制所述工件的拋光或磨削。
80.根據(jù)權利要求79所述的方法，其特征在于，所述數(shù)值優(yōu)化包括確定預定位置處的一組停留時間或工具速度，其具有所述目標切削輪廓形狀和所述預期切削輪廓形狀之間差異的最小值。
81.根據(jù)權利要求79所述的方法，其特征在于，所述數(shù)值優(yōu)化包括遺傳算法，其中停留時間或工具速度值包括算法基因庫。
82.根據(jù)權利要求79-81中任一項所述的方法，其特征在于，所述的所需輪廓形狀包括圓形工件的所需徑向輪廓形狀，所述影響函數(shù)被定義為一個二維函數(shù)，預定位置包括所述工件的所述表面上的徑向位置。
83.根據(jù)權利要求79-81中任一項所述的方法，其特征在于，所述的所需輪廓形狀包括一個所需的三維輪廓形狀，所述影響函數(shù)被定義為一個三維函數(shù)，確定位置包括所述工件的所述表面上的位置的二維數(shù)組。
84.根據(jù)權利要求79-83中任一項所述的方法，其特征在于，預定停留時間或工具速度的所述成本函數(shù)是目標切削輪廓形狀和利用預定停留時間所獲得的預期切削輪廓形狀之間偏差的平方和。
85.根據(jù)權利要求79-84中任一項所述的方法，其特征在于，所述數(shù)值優(yōu)化迭代尋找所述預定位置的最佳停留時間或工具速度，從而大致獲得所需輪廓形狀。
86.根據(jù)權利要求79-85中任一項所述的方法，其特征在于，包括在拋光之后測量所述工件的輪廓形狀，將所測量的輪廓形狀與拋光之前的所述當前輪廓形狀進行比較來確定測量的切削輪廓形狀，利用所述數(shù)值優(yōu)化確定想要獲得所述測量切削輪廓形狀的停留時間或工具速度，利用過去用于拋光所述工件的停留時間或工具速度和想要獲得所述測量切削輪廓形狀的停留時間或工具速度來確定停留時間或工具速度的至少一個修正因子，并將所述至少一個修正因子應用于將來用于拋光所述工件的停留時間或工具速度。
87.用于磨削或拋光工件的裝置，該裝置包括用于輸入確定工具影響函數(shù)的數(shù)據(jù)的第一輸入裝置，影響函數(shù)可確定在預定停留時間或所述工具速度條件下從工件上切削掉材料的輪廓形狀模型圖；用于輸入所述工件表面的所需輪廓形狀和當前輪廓形狀的數(shù)據(jù)的第二輸入裝置；用于由所需輪廓形狀和當前輪廓形狀之間的差異來確定目標切削輪廓形狀的第一確定裝置；第二確定裝置，該第二確定裝置用于確定所述工件的所述表面上預定位置處的停留時間或工具速度，從而通過利用影響函數(shù)對預定位置處的停留時間或工具速度進行數(shù)值優(yōu)化以減小至少一個成本函數(shù)，從而獲得預期的切削輪廓形狀；以及用于利用所述工具和所確定的停留時間或工具速度來控制所述工件的拋光或磨削的控制裝置。
88.根據(jù)權利要求87所述的裝置，其特征在于，所述第二確定裝置適合于確定一組停留時間或工具速度，其具有所述目標切削輪廓形狀和所述預期切削輪廓形狀之間差異的最小值。
89.根據(jù)權利要求87所述的裝置，其特征在于，所述第二確定裝置適合于執(zhí)行遺傳算法，其中預定位置處的停留時間或工具速度值包括算法基因庫。
90.根據(jù)權利要求87-89中任一項所述的裝置，其特征在于，所述第二輸入裝置適合于輸入所述所需的輪廓形狀以作為圓形工件的所需徑向輪廓形狀，所述第一輸入裝置適合于輸入作為二維函數(shù)的所述影響函數(shù)，所述第二確定裝置適合于確定所述工件的所述表面上徑向位置處的所述停留時間或工具速度。
91.根據(jù)權利要求87-89中任一項所述的裝置，其特征在于，所述第二輸入裝置適合于輸入作為三維輪廓形狀的所述所需的輪廓形狀，所述第一輸入裝置適合于輸入作為三維函數(shù)的所述影響函數(shù)，所述第二確定裝置適合于確定所述工件的所述表面上的位置二維數(shù)組的所述停留時間或工具速度。
92.根據(jù)權利要求87-91中任一項所述的裝置，其特征在于，所述第二確定裝置適合于利用預定停留時間或工具速度的所述成本函數(shù)來確定所述停留時間或工具速度，所述成本函數(shù)包括目標切削輪廓形狀和利用預定停留時間或工具速度所獲得的預期切削輪廓形狀之間偏差的平方和。
93.根據(jù)權利要求87-91中任一項所述的裝置，其特征在于，所述第二確定裝置適合于反復進行所述數(shù)值優(yōu)化來尋找所述預定位置的最佳停留時間或工具速度，從而大致獲得所需輪廓形狀。
94.根據(jù)權利要求87-93中任一項所述的裝置，其特征在于，包括用于在拋光之后測量所述工件的輪廓形狀的測量裝置、用于將所測量的輪廓形狀與拋光之前的所述當前輪廓形狀進行比較來確定測量切削輪廓形狀的比較裝置、用于確定想要獲得所述測量切削輪廓形狀的停留時間或工具速度的第三確定裝置、用于利用想要獲得所述測量切削輪廓形狀的停留時間或工具速度和過去用于拋光所述工件的停留時間或工具速度來確定停留時間或工具速度的至少一個修正因子的第四確定裝置、以及用于將所述至少一個修正因子應用于將來用于拋光所述工件的停留時間或工具速度的修正裝置。
95.一種用于控制計算機來執(zhí)行權利要求79-86中任一項所述方法的計算機程序。
96.一種載有權利要求95所述計算機程序的載體介質(zhì)。
97.一種包括權利要求17-26、35-37或79-86中任一項所述方法的制造一種裝置的方法。
全文摘要
一種用于磨削或拋光工件的設備,其包括:一個用于支承工件的支承表面;一個沿轉(zhuǎn)動軸線布置并繞該轉(zhuǎn)動軸線轉(zhuǎn)動的工具頭部件;一個具有可用于磨削或拋光工件的表面的加工部件,該加工部件沿所述轉(zhuǎn)動軸線設置在工具頭部件上,并與其一起繞轉(zhuǎn)動軸線轉(zhuǎn)動;用于驅(qū)動工具頭部件和安裝在工具頭部件上的加工部件以繞轉(zhuǎn)動軸線轉(zhuǎn)動的第一驅(qū)動裝置;用于安裝工具頭部件的工具頭安裝裝置;用于驅(qū)動工具頭安裝裝置的第二驅(qū)動裝置,其可使工具頭部件的轉(zhuǎn)動軸線傾斜于與該轉(zhuǎn)動軸線相交的旋進軸線,并隨著轉(zhuǎn)動軸線繞旋進軸線的旋進來將工具頭部件移動到傾斜位置;以及用于使工具頭安裝裝置運動而穿過支承表面的第三驅(qū)動裝置。
文檔編號B24B47/12GK1335799SQ9981598
公開日2002年2月13日 申請日期1999年12月1日 優(yōu)先權日1998年12月1日
發(fā)明者R·賓厄姆, D·C·賴利 申請人:倫敦大學學院