CN106607730B - 一种数控光学镜片割边机 - Google Patents

Abstract

本发明供一种能自动定位镜片光学中心、散光轴位、边缘轮廓、进行钻石切边，且能对多片镜片进行操作的新颖数控光学镜片割边机。它包括5轴数控和运动系统，镜片边缘轮廓测量系统，在位光学中心和散光轴位定位系统、至少一个工件轴、工具轴和真空吸附镜片装载系统。本发明适合各类眼镜镜片的割边。

Description

一种数控光学镜片割边机

技术领域

本发明涉及光学镜片割边机，具体的说，它涉及一种能自动定位或测量镜片光学中心、散光轴位、边缘轮廓、且能对多片镜片进行操作的数控光学镜片割边机。

背景技术

现在佩戴眼镜的人员越来越多，有用眼疲劳带来的近视人群，有年龄增大眼睛功能退化的中老年人，这些人群都需要佩服眼镜来校正屈光度，这使得用于校正光学视力或用于保护视力的眼镜片的需求量上升。人的一生，不可能离开眼镜，或近视，或老化。正是因为人人离不开眼镜，所以眼镜的基数非常庞大。而从工厂出来的眼镜片，到能佩戴的眼镜，中间有个重要的工序，就是根据镜框形状，根据验光单的参数进行割边装配。割边机的功能是根据佩戴者的眼镜架形状，佩戴者的瞳距，瞳高，散光轴位,把圆形的镜片切割后能符合装配要求，完美符合镜框的形状。

割边机的出现可以追踪到上两个世纪，从手工磨制玻璃眼镜片的时候，就出现了割边机的雏形，不过那时主要是玻璃镜片为主，磨边机的主要功能是对已经用钻石刀初步划成镜框形状的镜片用砂轮进行边缘打磨。后来树脂镜片的兴起，慢慢催生了程控的割边机，如Nidek,Essilor等。再后来，开始出现高效的数控镜片割边机，如意大利MEI SYSTEM公司的641机型和德国SatisLoh公司的ES-5和ES-4系列。

刚开始所有光学镜片都必须在上盘设备上对好光学中心和轴向，对好光学中心和散光轴位后在镜片背面粘上一个小夹头，这个工序我们叫上盘，然后靠这个夹头的定位在机床上加工。后来出现了真空夹持技术，如MeiTBA单元，但是镜片光学中心的定位始终要在别的工位或设备上完成，始终没有在位的光学中心和散光轴位定位系统。

目前的技术限制有这样几个方面：

一、没有在位的镜片光学中心和散光轴位的定位技术的出现，都需要单独在割边机外进行光学中心和轴位的定位，如Mei System的TBA单元。

二、每次镜片在割边时，镜片的精确上下面形数据中不太可能获得，但为了保证镜片边缘有理想的边缘形状，如开槽，倒边等都需要测量边缘的形状。但是目前的技术是采用接触式探针的方法，如Mei的641的机型。但是机械探针一方面会划伤镜片，一方面也不够快速。

三、无法进行钻石切边的加工工序。在无框老光镜片中，有极大部分是需要平面的倒边(俗称钻石切边)，如图7所示，但是目前所有现有的割边机，都无法进行数控钻石切边加工，所有的钻石切边工作都是靠手工磨制完成。

四、人眼佩戴的镜片，尽管左右眼的度数会有差异，但是左右眼镜的外形是对称的。也就是说，左右眼镜有相同的加工工艺，如一样的外框形状，一样的打孔，只是形状相对鼻梁对称而已。但是目前的所有数控加工设备，哪怕采用自动装载系统。也都是要一片一片装载，都无法做到一次装载左右眼镜片，如果对左右眼镜的同一工序一并加工，大大提高加工效率。

所有以上技术的限制，已经需要革新推动技术的向前发展。本发明由此产生，把上述所有的技术限制，一举攻破。

发明内容

本发明的目的是解决以上提出的问题，提供一种能自动在位定位或测量镜片光学中心、散光轴位、边缘厚度、进行钻石切边，且能对多片镜片进行操作的数控光学镜片割边机。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是一种数控光学镜片割边机，所述割边机包括5轴数控和运动系统、镜片边缘轮廓测量系统、在位光学中心和散光轴位定位系统、至少一个工件轴、工具轴和镜片真空吸附夹持系统；

所述5轴数控和运动系统包括XYZBC轴，X轴为横轴，Y轴为纵轴，Z轴为竖轴，B轴绕Y轴方向旋转，C轴绕Z轴方向旋转；

所述镜片边缘轮廓测量系统与在位光学中心和散光轴位定位系统包括带液体变焦的镜头的相机；所述相机和工具轴安装在X轴上，相机和工具轴可沿X轴、Z轴移动；所述工具轴上设置有刀柄和刀具；

所述工件轴安装在Y轴和B轴上，可沿C轴、B轴旋转或Y轴移动；

所述镜片真空吸附夹持系统包括真空发生器、支撑体和橡胶隔膜或真空吸附头，依次由下往上设置；所述镜片真空吸附夹持系统设置在工件轴上。

作为优化，所述工件轴至少设置有两个。

作为优化，所述工件轴左右并排设置，各个工件轴的C轴采用涡轮蜗杆减速联动结构或工件轴以转轴对称相互背靠背排列设置。

作为优化，所述工件轴安装在一个转鼓上，所述转鼓转动依次将镜片切换到工作位置进行加工。

作为优化，所述相机为CCD相机或CMOS相机，所述相机的信号传输到工业电脑处理。

作为优化，所述工件轴上设置有标准圆环发生器，安装在支撑体下面。

作为优化，所述在位光学中心和散光轴位定位系统既可直接照相法读取镜片表面标记信息实现定位，也可在位测量镜片的光学中心和散光轴位实现定位。

作为优化，所述橡胶隔膜厚度为2mm。

作为优化，所述工具轴的最大转速为40000rpm，所述刀柄为热缩刀柄或HSK刀柄。

作为优化，所述刀具包括贴有聚氨酯或阻尼布抛光皮的弹性抛光工具。

本发明的有益效果如下：

1、本发明可以设置两个以上工件轴，一次能够装载多片镜片，一次换刀后可对相同工序进行加工，实现工序的加工优化，提高了生产效率。

2、本发明设置有镜片边缘轮廓测量系统，通过轮廓照相测量方法测量镜片边缘的轮廓信息，采用对镜片边缘形状进行非接触测量，不会划伤镜片，且采用液体变焦镜头，能够快速调焦聚焦，便于快速测量。

3、本发明设有在位光学中心和散光轴位定位系统，通过相机可以直接读取镜片表面的标记信息或者和标准圆环发生器的配合，相机沿X轴移动对准镜片，测量镜片的光学中心(棱镜参考点)和散光轴位，镜片可以在割边机上直接测量，不需要单独在割边机外进行光学中心和轴位的定位。

4、本发明设有5轴数控和运动系统，5轴联动设计，增加了Y轴，在XYB轴的配合下，可以完成平面钻石切边工序。钻石切边后使用贴有聚氨酯或阻尼布抛光皮的弹性抛光工具进行抛光,以达到镜片切边透亮的效果。

附图说明

图1：5轴数控运动系统和工作框架图；

图2：多片工件装载示意图；

图3：工件轴并排排列示意图；

图4：工件轴以转轴对称背靠背排列示意图；

图5：R镜片边缘测量示意图；

图6：L镜片边缘测量示意图；

图7：一个典型的无框钻石切边镜片；

图8：镜片平面极坐标描述图；

图9：镜片边缘成像的模拟图；

图10：R镜片的在位光学中心和散光轴位系统；

图11：L镜片的在位光学中心和散光轴位系统；

图12：典型的渐进多焦点油标图；

图13：典型的镜片定位表面标记图；

图14：在位光学中心和散光轴位系统；

图15：标准圆环模拟图；

图16：标准圆环的像模拟图；

图17：镜片真空吸附夹持系统；

图18：钻石切边的轴系运动示意图；

1、相机；2、工具轴；3、左工件轴；4、右工件轴；5、R镜片；6、L镜片；7、刀柄；8、刀具；9、支撑体；10、橡胶隔膜；11、真空发生器；12、带液体变焦的镜头；13、标准圆环发生器；14、转鼓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行进一步详细说明：

实施例一：

本实施例是一种数控光学镜片割边机，割边机包括5轴数控和运动系统、镜片边缘轮廓测量系统、在位光学中心和散光轴位定位系统、至少一个工件轴、工具轴2和真空吸附镜片装载系统；

5轴数控和运动系统包括XYZBC轴，X轴为横轴，Y轴为纵轴，Z轴为竖轴，B轴绕Y轴方向旋转，C轴绕Z轴方向旋转；

工具轴2安装在X轴上，相机1和工具轴2可沿X轴、Z轴移动；工具轴2上设置有刀柄7和刀具8；

为了方便安装，优选采用有两个联动的双工件轴，但工件轴不仅限于两个，可以一直左右延伸排列增加到三个、四个、五个等，双工件轴安装在Y轴和B轴上，可沿C轴、B轴旋转或Y轴移动；双工件轴左右并排设置，如图3所示，可以同时装载右左两片镜片。

左工件轴3的C1和右工件轴的C2的轴采用涡轮蜗杆减速联动结构，两个工件轴为C1和C2可以联动，也可以单独驱动。这样一次换刀可同时对左右两片镜片的相同工序进行加工，提高了工作效率，当然也允许只装R镜片5或L镜片6。

镜片边缘轮廓测量系统包括带液体变焦的镜头12的相机1，相机1安装在X轴上，就在相机1可沿X轴、Z轴移动，则带液体变焦的镜头12也可沿X轴、Z轴移动，相机1为CCD相机1或CMOS相机1，相机1的信号传输到工业电脑处理，通过轮廓照相测量方法测量镜片的上下边的位置和三维信息。在B轴的帮助下，可以让R镜片5的边缘正对成像相机1，如图5所示。当B轴旋转-90度时，可以让L镜片6的边缘正对成像相机1方便测量，如图6所示。

本设计中，快速调焦聚焦是一个关键的指标。假定每2度取样一个点，整个镜片360度就有180个点，一般的调焦系统，如平时使用的相机、手机等，都是通过判断图像线条的锐度来作为清晰成像的标准，通过械变焦实现，这样的调焦一般需要1-2s的反应时间，那么180个点至少就是180秒，显然太慢。

采用带液体变焦的镜头12相比有机械的变焦镜头，有快速的变焦反应时间，一般在10-20ms之间。如果外界能直接输入“物”的位置信息，则变焦和聚焦反应可以更快。假定采用帧频为50fps的相机，每帧的时间是20ms。180个点就是3.6s。在4s时间内完成镜片边缘的测量是快速合理的。采用带液体变焦的镜头12有助于大大缩短变焦反应时间，有助于快速镜片边缘轮廓数据的测量。

如图8所示，在镜片外框初步切割后，其2维平面外框是由一系列的(ρ(θi)，θi)点组成的曲线。本设计中，采用ρ(θ)去控制带液体变焦的镜头12对镜片边缘的清晰成像，如图9所示。通过算法图像提取，就可以ρ(θ)在θ处的镜片上边缘e1(θ)和下边缘e2(θ)的位置值和边缘厚度et(θ)信息。通过C1或C2的旋转改变θ，就可以得到镜片整个边缘的形状信息，上边缘，下边缘和边缘厚度的信息。

在位光学中心和散光轴位定位系统基于上述的相机1和带液体变焦的镜头12。相机1和带液体变焦的镜头12可以沿X轴左右移动，确保相机1可以沿光轴对准R镜片5或L镜片6，以减少测量误差，如图10和图11所示。

根据镜片的种类，在位光学中心和散光轴位定位系统有两种不同的工作模式：

一种是用于割边镜片表面有光焦度信息定位的镜片，如渐进多焦点镜片。渐进多焦点镜片有现成的位置参考信息，如图12所示；还有已经在镜片上标注光学中心和轴位方向的油印，如图13所示。此时在位光学中心和散光轴位定位系统直接采用照相法读取图镜片表面的标记信息。通过这些标记信息，自动由软件去控制定位镜片的光学中心和割边位置信息。

另外一种工作模式是针对普通的现片，这些镜片表面没有印刷位置参考信息。此时就需要在位光学中心和散光轴位定位系统来读取镜片的光学中心(棱镜参考点)和散光轴位。在位光学中心和散光轴位定位系统的方式，如图14所示。其工作原理是测量任一参考物经过镜片后的变形情况来测定镜片的光学中心(棱镜参考点)和散光轴位。

本设计优选标准圆环发生器13,如图15所示，每个工具轴2都有一个标准圆环发生器13，标准圆环发生器13安装在支撑体9下面。在经过镜片后的变形和中心偏移，如图16所示，来得到光学中心(棱镜参考点)和散光轴位的信息。有了这些信息，5轴数控和运动系统就可以根据镜框形状，根据佩戴者的瞳距、瞳高和散光轴位进行镜片的车削磨抛加工。

镜片真空吸附夹持系统如图17所示，包括真空发生器11和支撑体9和橡胶隔膜10，依次由下往上设置，其中，橡胶隔膜也可以用真空吸附头替代，镜片真空吸附夹持系统设置在工件轴上。支撑体9可以根据不同的基弯或散光度进行选择。支撑体9上面有一层橡胶隔膜10，橡胶隔膜10厚度为2mm，太厚虽然变形空间大，可以让一个支撑体9适合于更多规格的镜片，但是也容易导致吸附后位置发生变形，关键是加工时刚性小，加工尺寸的精度低。太薄虽然变形空间小，吸附后位置一般不容易发生变形，刚性好，但是每个支撑体9只能用于不多规格的镜片，所以2mm是比较理想平衡的结果。

当镜片放置在带橡胶隔膜10的支撑体9后，在镜片和橡胶层之间形成一个空腔，当真空发生器11把这部分空气抽干时，镜片就被牢牢地压在支撑体9上，从而达到夹持镜片的作用。本实施例集成的镜片边缘测量系统与在位光学中心和散光轴位测量可以修正因真空吸附夹持带来的镜片姿态改变，可以达到精确的割边加工。

为了方便自动换刀，割边机设置有8个工位的换刀器，由于树脂镜片外形具有复杂性，一个刀具8无法完成所有工序，采用有8个工位的换刀器，可以提供最多8个工具，足够适合镜片割边加工中的复杂性和多样性。业内一般采用换主轴或换刀两种方法实现。换工具轴的特点是快速，但是需要一堆工具轴，因而造价高。采用自动换刀器成本低，但是有换刀时间，但本设计采用一次换刀可同时对两片镜片相同工序进行加工，相对来说，就是提高了效率。

工具轴2的最大转速为40000rpm，用于实现快速的切割，即便工装直径小于8mm。刀柄7为热缩刀柄7或HSK刀柄7，让刀具8在高速旋转时可靠工作。

刀具包括贴有聚氨酯或阻尼布抛光皮的弹性抛光工具，但不仅仅限于弹性抛光工具，刀具还可以为铣刀，钻头，金刚石铣磨工具等本领域常见刀具，弹性抛光工具是一种特殊刀具，用于钻石切边后进行抛光，以达到镜片切边透亮的效果。

为了优化切割效果，本设计可通知进行水切和干切两种模式，可根据材料和工序进行优化。

使用方法：操作人员扫描工单，让割边机通讯服务器提取到割边的具体形状和数据。在左右两个支撑体9上分别放置上R镜片5和L镜片6。开动真空发生器11，把R镜片5和L镜片6吸附固定在双工件轴上。移动带液体变焦的镜头12的相机1，如图10和11所示，对R镜片5和L镜片6进行光学定心和散光轴位探测或读取镜片表面的定位信息，如图12和13所示。然后数控系统自动根据镜片的位置信息，自动生成加工G代码，进行粗割边，然后按图5和6所示对镜片的边缘厚度进行测量，工具主轴通过8个工位的换刀器更换后续的工序用刀，如开槽，抛光工具，钻孔工具等。等所有工序完成后，R镜片5和L镜片6就割边完成。

如需加工钻石切边，其工作如图18所示，镜片在XYZB轴的控制下就可以完成。钻石切边后可使用贴有聚氨酯或阻尼布抛光皮的弹性抛光工具抛光,以达到镜片切边透亮的效果。

实施例二：

本实施例与实施例一的区别在于工件轴位置的设置，本实施例中，依旧选择双工件轴，但是工件轴以转轴对称相互背靠背排列，如图4所示，但工件轴不仅限于两个，可以一直左右延伸排列增加到四个、六个、八个等，其他结构与实施例一相同。

实施例三：

本实施例与实施例一的区别在于工件轴位置的设置，本实施例中，选择四个工件轴，工件轴安装在一个转鼓14上，转鼓14转动依次将镜片切换到工作位置进行加工，如图2所示，但不仅限于四个，扩大转鼓14的尺寸，转鼓14上可以安装更多工件轴，其他结构与实施例一相同。这种设计适合于无光焦度镜片的切割，如太阳镜和镜框衬垫片。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域中的普通技术人员来说，在不脱离本发明核心技术特征的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种数控光学镜片割边机，其特征在于，所述割边机包括5轴数控和运动系统、镜片边缘轮廓测量系统、在位光学中心和散光轴位定位系统、至少一个工件轴、工具轴(2)和镜片真空吸附夹持系统；

所述5轴数控和运动系统包括XYZBC轴，X轴为横轴，Y轴为纵轴，Z轴为竖轴，B轴绕Y轴方向旋转，C轴绕Z轴方向旋转；

所述镜片边缘轮廓测量系统与在位光学中心和散光轴位定位系统包括带液体变焦的镜头(12)的相机(1)；所述相机(1)和工具轴(2)安装在X轴上，相机(1)和工具轴(2)可沿X轴、Z轴移动；所述工具轴(2)上设置有刀柄(7)和刀具(8)；

所述工件轴安装在Y轴和B轴上，可沿C轴、B轴旋转或Y轴移动；

所述镜片真空吸附夹持系统包括真空发生器(11)、支撑体(9)和橡胶隔膜(10)，依次由下往上设置；所述镜片真空吸附夹持系统设置在工件轴上，所述工件轴上设置有标准圆环发生器(13)，安装在支撑体(9)下面；

所述镜片边缘轮廓测量系统通过轮廓照相测量方法测量镜片的上下边的位置和三维信息；

所述在位光学中心和散光轴位定位系统既可直接照相法读取镜片表面标记信息实现定位，也可通过在位测量镜片的光学中心和散光轴位实现定位。

2.根据权利要求1所述的数控光学镜片割边机，其特征在于，所述工件轴至少设置有两个。

3.根据权利要求2所述的数控光学镜片割边机，其特征在于，所述工件轴左右并排设置，各个工件轴的C轴采用涡轮蜗杆减速联动结构，或所述工件轴以转轴对称相互背靠背排列设置。

4.根据权利要求2所述的数控光学镜片割边机，其特征在于，所述工件轴安装在一个转鼓(14)上，所述转鼓(14)转动依次将镜片切换到工作位置进行加工。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的数控光学镜片割边机，其特征在于，所述相机(1)为CCD相机(1)或CMOS相机(1)，所述相机(1)的信号传输到工业电脑处理。

6.根据权利要求1所述的数控光学镜片割边机，其特征在于，所述橡胶隔膜(10)厚度为2mm。

7.根据权利要求1所述的数控光学镜片割边机，其特征在于，所述工具轴(2)的最大转速为40000rpm，所述刀柄(7)为热缩刀柄(7)或HSK刀柄(7)。

8.根据权利要求1所述的数控光学镜片割边机，其特征在于，所述刀具包括贴有聚氨酯或阻尼布抛光皮的弹性抛光工具。

9.根据权利要求1所述的数控光学镜片割边机，其特征在于，所述橡胶隔膜(10)用真空吸附头替代。