CN101628339A - 用于加工v形槽的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种V形槽加工方法和装置，通过测量V形槽的深度并基于测量数据来校正切削刀具的切割深度，从而实现具有高度一致的顶点的四面锥体的高精度加工。该V形槽加工方法包括以下步骤：沿第一方向进给切削刀具，以在工件的表面中创建第一V形槽，并重复该加工操作，从而以预定间距创建第一V形槽；沿其中的一个第一V形槽移动切削刀具并用距离传感器来扫描第一V形槽，以测量至第一V形槽的底部的距离，从而检测第一V形槽的底部的起伏；以及沿第二方向进给切削刀具，以在工件的表面中创建第二V形槽，并在基于起伏检测的结果来校正各第二V形槽的加工位置处的切削刀具的位置时重复该加工操作，从而以预定间距创建第二V形槽。

Description

用于加工V形槽的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于加工V形槽的方法和装置，该V形槽对于加工用于模制例如双凸透镜片(lenticular lens sheet)或十字形双凸透镜片(cross lenticular lens sheet)的模具是有用的。

背景技术

加工控制技术的最新进展已经实现了车床的超精密加工，并且，甚至用车床来加工用于模制光学透镜的模具也成为可能。例如，申请人已经提出了一种能够加工用于模制菲涅耳透镜(Fresnel lens)的模具的立式车床(日本专利申请公开2004-358624号公报)。立式车床可以高精度地加工用于模制菲涅耳透镜的模具的V形透镜槽。

目前正在研究通过挤压模制(extrusion molding)来模制用于液晶面板的背光的双凸透镜片、十字形双凸透镜片以及棱镜片等。

申请人已提出了用于加工辊子的精密辊子车床，该辊子用于这种透镜片的挤压模制(日本专利申请2006-130066、2006-135560、2006-156388、2006-165144以及2006-166404)。

图5显示了用于模制十字形双凸透镜片的模具的表面。如图5所示，密集地以矩阵的形式布置的微小的四面锥体的样式在模具的表面形成。可以通过在工件的表面中以预定间距创建纵向和横向的V形槽，以使两个槽交叉，从而形成这种锥体样式。

用于形成四面锥体的传统的V形槽加工高度地依赖于机器精度，包括机器精度直接反映结果的四面锥体的形状精度的问题。

因此，差的机械精度使由切削刀具切削的V形槽的深度的偏差变大，导致形成具有高度不一致的顶点的四面锥体。加工的模具将不适合用于模制高精度的十字形双凸透镜片。

发明内容

因此，本发明的目的是解决现有技术中的上述问题，并提供一种V形槽加工方法和装置，其通过测量由切削刀具切削的V形槽的深度并基于测量数据来校正切削刀具的切削深度，从而实现具有高度一致的顶点的四面锥体的高精度加工。

为了达到这个目的，本发明提供一种V形槽加工方法，该方法用于通过使用加工装置而在工件的表面中加工彼此正交地交叉的第一V形槽和第二V形槽，从而加工在工件的表面中以矩阵的形式布置的四面锥体的三维样式，该加工装置具有用于将切削刀具的位置控制在正交的方向的两个控制轴，所述方法包括以下步骤：沿第一方向相对于工件进给切削刀具，以在工件的表面中创建沿第一方向延伸的第一V形槽，并重复该加工操作，从而以预定间距创建第一V形槽；沿其中的一个第一V形槽移动切削刀具并用设置在切削刀具的附近的距离传感器来扫描第一V形槽，以测量至第一V形槽的底部的距离，从而沿第一方向检测第一V形槽的底部的起伏；以及沿正交于第一方向的第二方向相对于工件进给切削刀具，以在工件的表面中创建第二V形槽，并在基于起伏检测的结果来校正各第二V形槽的加工位置处的切削刀具的位置时重复该加工操作，从而以预定间距创建第二V形槽。

本发明还提供一种V形槽加工方法，该方法用于通过使用加工装置而在工件的表面中沿一个方向加工V形槽，从而在工件的表面中加工三维样式，该加工装置具有用于控制切削刀具的位置的至少一个控制轴，所述方法包括以下步骤：用设置在切削刀具的附近的距离传感器来沿一个方向扫描工件的表面，以测量至工件的表面的距离，从而沿所述一个方向检测工件的表面的起伏；以及沿所述一个方向相对于工件进给切削刀具，以在工件的表面中创建V形槽，并在基于起伏检测的结果来校正各V形槽的加工位置处的切削刀具的位置时重复该加工操作，从而以预定间距创建V形槽。

本发明还提供一种V形槽加工装置，其包括：床身；安装在床身上的主轴箱，其具有用于旋转作为工件的辊子且借助卡盘来保持辊子的一端的主轴，并具有用于进行辊子的周向的分度旋转的分度旋转轴(C轴)；安装在床身上且与主轴箱相对地设置的尾座，其能够旋转地支撑辊子的另一端；往复台，其包括安装在床身上并能够沿辊子的纵向(Z轴方向)移动的鞍座以及安装在鞍座上并能够沿垂直于辊子的纵向的方向(X轴方向)移动的台；安装在台上的刀架，其具有附连到其上的切削刀具；设在刀架中的距离传感器，其用于测量至辊子的表面的距离；用距离传感器来扫描沿辊子的纵向加工的第一V形槽或沿辊子的周向加工的第二V形槽，以测量至槽的底部的距离，从而检测第一或第二V形槽的底部的起伏的装置；以及当加工与所测量的V形槽正交地交叉的V形槽时，基于起伏检测的结果来校正各V形槽的加工位置处的切削刀具在X轴上的位置的装置。

本发明通过测量由切削刀具切削的V形槽的深度并基于测量数据来校正切削刀具的切削深度，从而不依赖于机器精度就实现具有高度一致的顶点的四面锥体的高精度加工。

附图说明

图1是根据本发明的用于实施V形槽加工方法的辊子车床的正视图；

图2是辊子车床的平面图；

图3是辊子车床的刀架的侧视图；

图4是显示辊子车床的X轴控制的控制框图；

图5是图示由本发明的V形槽加工方法加工的四面锥体的三维样式的示意图；

图6是图示由本发明的V形槽加工方法加工纵向槽的示意图；

图7是图示由本发明的V形槽加工方法实施的纵向槽的底部的起伏的测量的示意图；

图8是图示由本发明的V形槽加工方法实施的横向槽的加工和切削刀具的位置校正的示意图。

具体实施方式

现在，将参考附图，详细地描述根据本发明的一个实施例的V形槽加工方法和装置。

图1和图2显示了用于实施根据本发明的一个实施例的V形槽加工方法的辊子车床。

在图1和图2中，参考数字10代表床身。在床身10上安装有主轴箱12、尾座14和往复台16。作为工件的辊子W由主轴箱12和尾座14可旋转地支撑。

主轴箱12设置在床身10的一个纵向端上。主轴箱12包括主体17、主轴18、紧固到主轴18的前端上的卡盘19以及用于驱动主轴18的伺服马达20。主轴18由设在主体17内的未显示的静压油轴承支撑。卡盘19保持辊子W的轴并向辊子W传输主轴18的旋转。

在主轴箱12中，用于驱动主轴18的伺服马达20是直接驱动主轴18的内置的伺服马达。用编码器22来检测主轴18的旋转。将编码器22的检测信号反馈以进行主轴18的位置控制和速度控制。因而主轴箱12可以起到分度转动轴(C轴)的作用，以进行辊子W的周向的分度转动(indexing)，且可以起作用从而以恒定的旋转速度(直到每分钟几百转)持续地旋转主轴18。

进一步参考图1和图2，尾座14设置在床身10上且与主轴箱12相对。未显示的引导面设在床身10的上表面上，从而可以沿引导面移动尾座14。尾座14具有主轴24以代替传统的通用顶尖轴，并借助安装到主轴24上的卡盘25来可旋转地支撑辊子W的轴。这种尾座14基本上具有与主轴箱12一样的结构，除了不具有伺服马达之外。

接着，将描述往复台16。

往复台16包括安装在床身10上并可在辊子W的轴向上移动的鞍座26。在鞍座26上安装有能够沿垂直于辊子W的轴向的方向移动的台28。

在该实施例的精密辊子车床中，沿辊子W的轴向进给鞍座26所沿的轴线被称为Z轴，并且，在鞍座26上沿垂直于辊子W的轴向的方向进给台28所沿的轴线被称为X轴。除了X轴和Z轴之外，主轴箱12具有C轴，安装在台28上的刀具转动台(tool swivel)30具有B轴。因而，精密辊子车床是四轴控制的机械机床。

图3显示了刀具转动台30和安装在刀具转动台30上的刀架32。在此实施例中，刀架32由刀架主体33和刀架附件34构成。刀架附件34可以附连到刀架主体33上并可从刀架主体33拆卸。

刀架主体33具有以预定间隔周向地布置的切削刀具36。在此实施例中，三个金刚石刀具36设在刀架主体33中，并可以通过将刀架32转动90度来使各刀具36分度转动。当然，金刚石刀具36的数目不限于三个。例如，能够提供四个金刚石刀具36并通过将刀架32转动60度来使各刀具分度转动。可以在机器上测量并手动地调整安装在刀架主体33中的金刚石刀具36的高度位置(中心高度)。

刀架附件34由飞刀轴装置(fly cutter spindle device)构成。飞刀轴装置包括主体34a、伺服马达35以及刀夹38，该刀夹38具有附连到其上的飞刀39(用于飞刀切削的切削刀具)。未显示的刀具轴(cutterspindle)由位于主体34a的内部的空气轴承支撑。刀具轴由伺服马达35驱动且以高速旋转。

在图3中，金刚石刀具36的X轴移动方向是平行于辊子W的径向的方向，也就是金刚石刀具36的切削刃向辊子W的轴线移动的方向。金刚石刀具36的Z轴移动方向是辊子W的纵向。

现在参考图4，参考数字50代表NC装置。NC装置50数控X轴、Z轴、B轴以及C轴。

关于X轴，位置控制回路由X轴伺服机构54和X轴位置检测器55形成。基于来自NC装置50的位置指令和来自X轴位置检测器55的位置反馈的比较，控制线性马达56，使得金刚石刀具36的切削刃与X轴上的金刚石刀具36的指令位置一致。此外，NC装置50连接到未显示的B轴伺服机构和C轴伺服机构上，并连接到包括移动鞍座26的线性马达的未显示的Z轴伺服机构上，以进行辊子W和刀架32的分度转动以及金刚石刀具36在Z轴上的定位。

图5是显示在辊子W的表面中加工的三维样式的示意图。如图5所示，三维样式由以矩阵的形式布置的四面锥体组成。

基本上通过组合加工纵向槽60(轴向的V形槽)和横向槽62(周向的V形槽)，就可以形成这种四面锥体的样式。具体而言，首先以预定间距连续地加工纵向槽60，然后以预定间距连续地加工与纵向槽60交叉的横向槽62，从而形成以矩阵的形式布置在辊子W的表面中的四面锥体的样式。

图4中所示的NC装置50具有下列特定功能，以在辊子W上精密地加工四面锥体的样式。

在图4中，参考数字64代表用于测量至辊子W的表面的距离的距离传感器。距离传感器64设置在刀架32中。

距离传感器64可以扫描沿辊子W的轴向加工的纵向槽60和沿周向加工的横向槽62，并测量至槽的底部的距离。距离传感器64的输出经由A/D转换器65而被装载到NC装置52的运算单元66中，运算单元66计算纵向槽60或横向槽62的底部的起伏(undulation)。关于所计算的起伏的数据被存储在存储单元68中。

如果先加工纵向槽60，则距离传感器64在辊子的整个长度上扫描其中的一个纵向槽60，并且，基于测量数据来检测纵向槽60的底部的起伏。当加工横向槽62时，切削刀具位置校正部70通过利用关于纵向槽60的起伏检测数据而在金刚石刀具36针对各横向槽62的加工位置处校正来自X轴位置检测器55的位置反馈。在这种方式中，校正了金刚石刀具36的切削刃在X轴上的位置。以后将更详细地描述位置校正。

如果先加工横向槽62，则距离传感器64在辊子的整个周长上扫描其中的一个横向槽62，并且，基于测量数据来检测横向槽62的底部的起伏。当加工纵向槽60时，以上述的方式校正金刚石刀具36的切削刃在X轴上的位置。

现在，将描述借助如此构成的精密辊子车床的V形槽的加工。

首先，以下列方式在辊子W的整个表面中加工纵向槽62：在图3中，刀架主体33转动，以使飞刀轴装置34关于B轴分度转动。精确地使辊子W上的即将开始加工的周向位置关于C轴分度转动。

如图6所示，具有90°的顶锥角的V形金刚石刀具被用作飞刀轴装置34的飞刀39。当启动飞刀轴装置34时，盘形刀夹38以高速旋转且飞刀39沿X轴方向切入辊子W。当保持刀夹38的高速旋转时，沿Z轴方向进给往复台16，因而在辊子W的整个长度上加工纵向槽60。飞刀39间歇地切削辊子W，产生V形纵向槽60。飞刀轴装置34的飞刀39的高速旋转可以获得理想的切削速度(约300m/min)。

如此，在各纵向槽60的加工开始时，使辊子W上的周向的加工开始位置关于C轴分度转动，同时连续地加工纵向槽60。应当注意的是，没有必要使用飞刀39来实施纵向槽60的加工。当然，能够使用金刚石刀具36以通常的方式来加工这种槽。

当如此地在辊子W的整个表面中加工纵向槽60之后，通过用距离传感器64对槽进行扫描来测量其中的一个纵向槽60的底部的起伏。

如图7所示，刀具转动台32转动以使距离传感器64分度转动。虽然在图7中进行了放大，但实际上以20至100μm的间距加工纵向槽60。诸如激光位移传感器的传感器被用作距离传感器64，其具有比槽60的间距足够小的光点尺寸。激光光点能够到达纵向槽60的底部。

沿Z轴方向进给往复台16，以用距离传感器64来扫描纵向槽60，由此可以如图8中的曲线所示，测量纵向槽60的底部的起伏。这种槽的底部的起伏由往复台16的Z轴方向的线性移动的非直线性产生，与机器精度有关。

现在，将描述横向槽62的加工。首先，使刀架33的其中的一个金刚石刀具36关于B轴分度旋转。借助主轴箱12的伺服马达20持续地旋转辊子W。当旋转辊子W时，沿X轴方向进给台28以使金刚石刀具36切入辊子W，从而创建具有形状与金刚石刀具的切削刃相同的V形的槽。为了加工后续的横向槽62，当在各槽62的起始位置沿Z轴方向进给金刚石刀具36相当于槽的间距的距离时，重复相同的操作，从而加工所有的槽62。

在此实施例中，当加工各横向槽62时，通过如下地使用关于纵向槽60的底部的起伏的上述数据来校正金刚石刀具36的位置：

如图8所示，假定位于横向槽62的加工位置Zi处的纵向槽60的底部的起伏的误差为Δi。

如果没有对位于加工位置Zi处的横向槽62的加工进行校正，则横向槽62将被加工得太深(当误差Δi为负时)或太浅(当误差Δi为正时)，其程度为起伏误差Δi。

相反，当对位于加工位置Zi处的横向槽62进行加工时，通过以如下的方式校正金刚石刀具36在X轴上的反馈检测位置xi，可以将横向槽62加工至恒定的深度。

如图8所示，通过减去起伏误差Δ来校正金刚石刀具36在X轴上的反馈检测位置x。基于校正，以如下的方式加工横向槽62：假设加工位置Zi处的起伏误差为Δi(正值)，则加工横向槽62直至指令值X和值“x-Δi”一致。即，将横向槽62加工得比指令值X深Δi。

类似地，假设加工位置Zj的起伏误差为Δj(负值)，则加工横向槽62直至指令值X和值“x-Δj”一致。即，将横向槽62加工得比指令值X浅Δj。

如果以该方式加工所有的横向槽62，则槽62的深度将相等。当以通过纵向槽60和横向槽62的交叉来产生的四面锥体的顶点的高度H来看时，顶点的高度将相等且没有过加工或不足加工。

可以以上述的方式在辊子W的表面中高精度地加工具有一致的形状的四面锥体的样式。所加工的辊子可以被用作模制十字形双凸透镜片的模具。

通过先加工横向槽62，测量横向槽62的底部的起伏并在加工纵向槽60时进行类似的校正，从而能够在辊子W的表面中高精度地加工具有一致的形状的四面锥体的样式。

在此实施例中，纵向槽60(横向槽62)的间距是20至100μm，且激光位移传感器的光点到达槽的底部。然而，可能存在这种情况：间距太小以致光点不能到达槽的底部。在这种情况下，可以使用具有大的光点尺寸的传感器，例如电容传感器。可以通过对落入传感器的光点尺寸的范围内的那些槽的深度进行平均来确定槽的底部的起伏。

虽然在上述的实施例中，通过以彼此正交地交叉的方式加工纵向槽60和横向槽62来创建四面锥体的样式，但本发明也可以应用于在辊子的表面中沿一个方向加工V形纵向槽(横向槽)。所加工的辊子可以用作用于模制双凸透镜片或菲涅耳透镜片的模具。

在那种情况下，可以先测量辊子的表面的起伏。当以预定间距加工V形槽时，可以在各V形槽的加工位置进行金刚石刀具36的位置的上述校正。这种加工的方式可以提供能够模制高精度的光学透镜片的模具。

虽然已描述了借助辊子车削车床来加工作为工件的辊子的情况，但本发明也可以应用于在平的工件表面中以矩阵的形式加工V形槽以创建四面锥体的样式。在那种情况下，能够以矩阵的形式加工V形槽的龙门刨床(planing machine)可以被用作加工装置。可以通过先以预定间距沿一个方向加工纵向槽(横向槽)，测量纵向槽(横向槽)的底部的起伏，并在基于起伏测量的结果来校正金刚石刀具的位置时以预定间距加工横向槽(纵向槽)，从而形成四面锥体的样式。

Claims (10)

1.一种V形槽加工方法，该方法用于通过使用加工装置而在工件的表面中加工彼此正交地交叉的第一V形槽和第二V形槽，从而加工在所述工件的表面中以矩阵的形式布置的四面锥体的三维样式，所述加工装置具有用于将切削刀具的位置控制在正交的方向的两个控制轴，所述方法包括以下步骤：

沿第一方向相对于所述工件进给所述切削刀具，以在所述工件的表面中创建沿所述第一方向延伸的第一V形槽，并重复该加工操作，从而以预定间距创建所述第一V形槽；

沿其中的一个所述第一V形槽移动所述切削刀具并用设置在所述切削刀具的附近的距离传感器来扫描所述第一V形槽，以测量至所述第一V形槽的底部的距离，从而沿所述第一方向检测所述第一V形槽的底部的起伏；以及

沿正交于所述第一方向的第二方向相对于所述工件进给所述切削刀具，以在所述工件的表面中创建第二V形槽，并在基于起伏检测的结果来校正各第二V形槽的加工位置处的切削刀具的位置时重复该加工操作，从而以预定间距创建所述第二V形槽。

2.根据权利要求1所述的V形槽加工方法，其特征在于，所述工件为辊子，所述第一V形槽为沿辊子的轴向形成的V形槽，并且所述第二V形槽为沿所述辊子的周向形成的V形槽。

3.根据权利要求1所述的V形槽加工方法，其特征在于，所述工件具有平的形状。

4.根据权利要求1所述的V形槽加工方法，其特征在于，以20至100μm的间距加工所述第一V形槽和所述第二V形槽。

5.根据权利要求1所述的V形槽加工方法，其特征在于，在所述工件的表面中加工的三维样式用于模制十字形双凸透镜片。

6.一种V形槽加工方法，该方法用于通过使用加工装置而在工件的表面中沿一个方向加工V形槽，从而在所述工件的表面中加工三维样式，所述加工装置具有用于控制切削刀具的位置的至少一个控制轴，所述方法包括以下步骤：

用设置在所述切削刀具的附近的距离传感器来沿一个方向扫描所述工件的表面，以测量至所述工件的表面的距离，从而沿所述一个方向检测所述工件的表面的起伏；以及

沿所述一个方向相对于所述工件进给所述切削刀具，以在所述工件的表面中创建V形槽，并在基于起伏检测的结果来校正各V形槽的加工位置处的所述切削刀具的位置时重复该加工操作，从而以预定间距创建所述V形槽。

7.根据权利要求6所述的V形槽加工方法，其特征在于，在所述工件的表面中加工的三维样式用于光学透镜片的模制中。

8.一种V形槽加工装置，其包括：

床身；

安装在所述床身上的主轴箱，其具有用于旋转作为工件的辊子且借助卡盘来保持所述辊子的一端的主轴，并具有用于进行所述辊子的周向的分度旋转的分度旋转轴(C轴)；

安装在所述床身上且与所述主轴箱相对地设置的尾座，其能够旋转地支撑所述辊子的另一端；

往复台，其包括安装在所述床身上并能够沿所述辊子的纵向(Z轴方向)移动的鞍座以及安装在所述鞍座上并能够沿垂直于所述辊子的纵向的方向(X轴方向)移动的台；

安装在所述台上的刀架，其具有附连到其上的切削刀具；

设在刀架中的距离传感器，其用于测量至所述辊子的表面的距离；

用所述距离传感器来扫描沿所述辊子的纵向加工的第一V形槽或沿所述辊子的周向加工的第二V形槽，以测量至所述槽的底部的距离，从而检测所述第一或第二V形槽的底部的起伏的装置；以及

当加工与所测量的V形槽正交地交叉的V形槽时，基于起伏检测的结果来校正各V形槽的加工位置处的所述切削刀具在X轴上的位置的装置。

9.根据权利要求8所述的V形槽加工装置，其特征在于，所述距离传感器为激光位移传感器，其具有光点能够到达单个的V形槽的底部的光点尺寸。

10.根据权利要求8所述的V形槽加工装置，其特征在于，所述距离传感器为电容传感器，其具有光点跨越多个邻近的V形槽的光点尺寸。

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