CN108367366A - 用于高精密机床的卡盘 - Google Patents

Abstract

一种用于机床的卡盘，该机床具有旋转主轴(14)，该旋转主轴具有主旋转轴线(19)。卡盘包括基板(1)、偏心地安装在基板(1)上的第一可旋转板(2)、偏心地安装在第一可旋转板(2)上的第二可旋转板(3)、用于使卡盘的惯量主轴线与主旋转轴线(19)对准的平衡装置(6，11)、以及固持机构(17，18)。卡盘设置有驱动机构，该驱动机构用于使第一可旋转板(2)围绕第一旋转轴线(20)以第一旋转角度进行角移位和/或使第二可旋转板(3)围绕第二旋转轴线(21)以第二旋转角度进行角移位，使得物件(13)相对于主旋转轴线(19)的位置能够被改变。

Description

用于高精密机床的卡盘

技术领域

本发明涉及一种用于机床的卡盘，该卡盘被布置成将物件定位在相对于主旋转轴线的相关位置处。更具体地说，本发明涉及一种适于安装在机床的主轴上的定位设备或转位(indexing)设备。本发明还涉及一种机床，例如车床，并且尤其涉及超精密机床，该超精密机床专用于小透镜阵列、晶片光学器件、多腔凹模和用于复制光学透镜的模具的车削和磨削精加工操作。本发明还涉及用于对诸如工件的物件进行定位或转位以及用于加工多腔凹模或模具的方法。

背景技术

传统上，金刚石车削已用于生产单片透镜阵列，该单片透镜阵列用于各种应用中，在这些应用中，透镜到透镜的配准至关重要。金刚石车削过程要求基片(在该基片处生产单片透镜阵列)在加工下一个透镜之前移动到新的位置，因此需要操作者移位基片并对准基片，然后针对每个透镜位置重新平衡工作主轴。结果，由于所需的生产时间增加以及在实现透镜到透镜配准确度方面的困难，所以通常认为，使用同轴金刚石车削不适于生产大的单片透镜阵列。为了减少所需的生产时间，自由形状技术可用于生产单片透镜阵列。

Gregg等人在“生产单片透镜阵列的多种自由形状制造技术的比较(Comparisonof Freeform Manufacturing Techniques in the Production of Monolithic LensArrays)”中提供了可用于生产单片透镜阵列的不同自由形状制造工艺的比较，该工艺将在下文更详细地论述。自由形状金刚石加工允许以单一设置生产透镜阵列。由于不存在基片的中间移位，所以透镜到透镜的配准是程序和机器精确度所固有的。这些自由形状加工技术通常被称为慢速刀具伺服(STS)、快速刀具伺服(FTS)和金刚石微铣削(DMM)。然而，上文所列出的自由形状加工技术在表面形状精度、表面几何形状和所需生产时间方面存在限制。

金刚石微铣削是一种用于使用球形金刚石刀具对工件表面上的小特征进行精密机加工的有效的方法。微铣削允许多种自由形状加工，并具有工件不旋转的优点。但是，微铣削工艺的精度会受到某些因素的影响，该因素涉及主轴、机器运动学误差、刀具轴关于主轴轴线的未对准、切削刀具的金刚石球端部的波度和由断续切削条件引起的切削刀具振动。即使由之前提到的因素引起的系统误差使用修正周期进行修正，但经微铣削的表面的表面质量通常低于经金刚石车削的表面的表面质量。金刚石微铣削工艺的另一个缺点是用于在工件表面上加工小特征所需的时间明显较长。因此，在工件的表面上加工一千个小透镜的阵列可能需要几天的连续加工。

慢速滑动伺服(又称为慢速刀具伺服)和快速刀具伺服使用多轴同步，由此工作主轴用作加工自由形状表面的车床上的轴线。然而，这些方法由于金刚石刀具的间隙有限而不允许加工陡峭的倾斜部，在速度方面由机器运动学限制并且由于刀具路径的不连续性而产生显著的表面误差。

在精密加工物件上的小特征(例如单片工件上的透镜阵列)的另一方面是使物件相对于诸如切削刀具的刀具精确定位的能力。工件转位是用于使工件相对于诸如切削刀具的刀具定位在特定位置的已知方法，以便执行精密加工操作。刀具或工件的自动定位和转位从现有技术中已知用于许多操作，例如用于铣削、钻孔、激光加工、检查、计量等。这些系统通常集成了导轨、致动器(例如，马达)和位置测量仪器，而控制系统可以被集成或者是外置的。然而，现有技术的自动转位或定位设备并没有集成如下的平衡装置，该平衡装置用于在每次到达新的位置时使工件关于旋转主轴保持平衡。结果，现有技术的定位和转位方案不适于被安放到需要关于工作主轴的旋转轴线保持精确平衡的旋转精密工作主轴上。进一步地，现有技术的自动定位和转位方案不适于在主轴以通常在300到2000转/分钟(RPM)之间(例如300RPM到100RPM)的相对高的速度旋转时将刀具或工件精确地和牢固地保持在其离轴(off-axis)位置处。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于机床的诸如卡盘的设备，该诸如卡盘的设备被布置成相对于主轴的主旋转轴线(例如，在旋转主轴的转子上)自动地定位或转位物件，而不需要每次在使物件相对于主轴的主旋转轴线移位之后对设备进行重新平衡。该设备与诸如单点金刚石车削和磨削的超高精度加工方法结合可能特别有用，以加工单片透镜阵列。

根据本发明，该目的通过示出第一权利要求的技术特征的卡盘实现。

更具体地说，根据本发明的实施例，卡盘被设置用于具有旋转主轴的机床，尤其是车床，该旋转主轴具有主旋转轴线。卡盘被布置成将诸如工件的物件定位在相对于主旋转轴线的相关位置处。卡盘连同设置在卡盘上的物件一起具有惯量主轴线。卡盘被布置成使得一个惯量主轴线可以被布置成与工作主轴的主旋转轴线基本重合或甚至重合，而不管安装在卡盘上的物件的位置、例如离轴(off-axis)位置如何。根据实施例，卡盘设置有基板，该基板包括用于将卡盘安装到工作主轴的安装装置。根据实施例，第一可旋转板相对于主旋转轴线偏心地安装在基板上并且具有第一旋转轴线，该第一旋转轴线被定位成平行于主旋转轴线，使得第一旋转轴线相对于工作主轴的主旋转轴线移位。平衡装置被设置，以便使卡盘与定位在卡盘上的物件一起的惯量主轴线对准，使得该惯量主轴线与主轴的主旋转轴线基本重合或甚至重合。卡盘设置有固持机构，该固持机构被布置成将第一可旋转板固定到基板。为了改变物件相对于主旋转轴线的位置，设置了致动机构，该致动机构被布置成使第一旋转板围绕第一旋转轴线以第一旋转角度进行角移位。根据本发明的实施例，卡盘包括第二可旋转板，该第二可旋转板被布置成接纳物件。第二可旋转板相对于第一旋转轴线偏心地安装在第一可旋转板上并借助于固持机构固定在第一板上。致动机构被布置成使第二可旋转板围绕第二旋转轴线以第二旋转角度进行角移位，使得物件相对于主旋转轴线的位置可以改变，由此第二旋转轴线平行于主旋转轴线和第一旋转轴线延伸，使得第二旋转轴线相对于第一旋转轴线移位。

通过提供这样的能够围绕它们各自的旋转轴线进行角移位的第一偏心定位的可旋转板和第二偏心定位的可旋转板，物件相对于主旋转轴线的位置可以被精确地改变，而不需要在将物件移位到新的位置之后关于主旋转轴线重新平衡卡盘，因为已经发现，这种构造能够使卡盘和定位在卡盘上的物件的惯量主轴线保持沿着主旋转轴线，即使当物件相对于主旋转轴线的位置已通过旋转第一盘和/或第二盘而被改变亦是如此。这是通过使用平衡装置来实现的，该平衡装置被设置用于使卡盘连同物件一起关于主旋转轴线保持平衡。通过提供平衡装置，可以进一步确保，卡盘的每个板关于每个板各自的轴线保持平衡，从而使得卡盘与物件结合的质量中心针对物件的所有相关位置能够关于主旋转轴线保持平衡，并使得卡盘与物件结合的旋转主轴线与主旋转轴线基本重合或甚至重合。结果，卡盘的平衡不受第一可旋转板和/或第二可旋转板的角移位的影响，因为如果每个可旋转板的惯量主轴线与其旋转轴线对准，则每个可旋转板的质量中心在板旋转到任何选定的角度时不会移动，由此使得物件能够移动在不同位置处，而不需要每次在物件移动到新的位置时关于主旋转轴线重新平衡卡盘。因此，根据本发明的实施例的卡盘允许相对于主旋转轴线对诸如工件的物件进行动态精确定位或转位，而不需要每次在物件相对于主轴线移位之后重新平衡卡盘。结果，物件在垂直于主轴旋转轴线的平面中的定位可以以微米级精度进行动态控制，使得例如表面或特征(诸如小透镜阵列)可以以微米级透镜到透镜位置精度进行同轴加工。结果，关于本发明的系统，在确保高加工精度的同时，可以显著减少在基片上生产单片透镜阵列所需的时间。而且，通过对工件进行转位，每个透镜表面在切器之间连续地移位到主轴轴线上。结果，通过使用本发明，可以在最佳的同轴切削条件下执行精密车削和磨削操作，同时确保可以产生所有可同轴加工的表面几何形状，例如，陡峭边缘倾斜部、非球面、自由形状、菲涅耳、衍射结构等。该设备可以被配备有高精度致动器和测量设备，以保证微米级精度透镜到透镜位置，同时定位或转位可被动态地执行而无需使工作主轴停止或减速，以保证工作主轴的热稳定性并且通过最小化定位时间来优化加工时间。

根据本发明的实施例，在物件的至少一个位置处，第二旋转轴线与主旋转轴线重合。例如，当针对第一可旋转板的至少一个旋转角度第二旋转轴线被布置成与主旋转轴线基本上重合或者甚至重合时，例如通过安装第一板和第二板，使得第一可旋转板可以旋转到第二旋转轴线与主旋转轴线重合的位置。这样的构造使得第二旋转轴线能够与主旋转轴线对准，使得物件上的任一点可以与主旋转轴线对准(包括其自身的中心点)。

根据本发明的实施例，固持机构被布置成产生固持力。以这种方式，第一可旋转板和第二可旋转板可以被固定在希望的位置，以例如在将卡盘安装到旋转主轴上时能够使物件相对于主轴线定位。例如，固持机构可以包括永磁体结构或电磁体结构，永磁体结构或电磁体结构可以被定位在卡盘上的不同位置处以便将第一可旋转板和第二可旋转板固定在希望位置。代替磁体结构或除磁体结构之外，固持机构还可以包括气动结构，例如用于形成真空，该真空被布置成产生用于将第一可旋转板和第二可旋转板固定在希望位置的吸力或产生使盘相对于彼此提升的提升力。气动结构可以例如包括泵，该泵可以被设置在卡盘上，但也可以设置在卡盘之外，例如作为包括卡盘的机床的一部分。应当提出，固持机构可以使用本领域技术人员已知的适于产生根据本发明实施例的固持力的其他元件来实现。

根据本发明的实施例，固持机构包括轴向移动机构，诸如例如柔性弹簧，该轴向移动机构允许例如第一旋转板和第二旋转板沿着它们各自的旋转轴线移动，使得这些旋转板能够被移动成与彼此或与基板接合和脱离接合，例如，使得这些旋转板能够围绕它们各自的旋转轴线旋转而与彼此或基板脱离接合。

根据本发明的实施例，利用滚柱轴承、空气轴承、静压轴承等中的任何一个或多个将盘安装到它们各自的旋转轴线。

根据本发明的实施例，平衡装置可以包括配重结构。配重结构可以是可调节的，使得卡盘的重心针对具有不同质量或质量分布的物件可以关于主旋转轴线保持平衡。结果，卡盘可以与具有不同质量分布的可互换物件一起使用，而不改变可旋转板的构造，以便使卡盘和物件的惯量主轴线与主旋转轴线对准。应当提出，例如，卡盘的平衡与物件一起进行并且在加工操作发生之前进行。结果，如前面所论述的，每当物件被移位到新的位置时，不需要重新平衡卡盘，这与现有技术的方案相反。根据本发明的实施例，配重结构是可调节的。例如，可以通过改变配重的质量来调节配重结构，以实现卡盘连同物件一起的希望的平衡，和/或，通过以下方式调节配重结构：通过改变配重相对于主旋转轴线的构造，例如，通过调整配重结构的质量、通过调整质量沿着平行于主旋转轴线的方向(也称为高度方向)的位置、和/或通过调整质量沿着垂直于主轴线的方向(也称为径向方向)的位置。通过调节配重的质量的高度，在主轴线旋转期间由离心力引起的倾斜力矩可以通过将卡盘与物件(例如工件)结合的惯量主轴线对准以与主旋转轴线重合来补偿。配重结构可以包括作为配重结构的配重的、由诸如金属或类似材料的固体材料制成的重物。此外，配重结构可以包括作为配重结构的配重的、诸如具有预定粘度的液体的流体。

根据本发明的实施例，配重结构可以包括数个配重部分，例如第一部分和第二部分。例如，第一部分可以定位在基板上的预定位置处，而第二部分可以定位在相对于第一可旋转板上的第一部分的位置的预定位置。例如在物件本质上不具有其自身的与第二旋转轴线对准的惯量主轴线的情况下，配重结构还可以包括第三部分，该第三部分可以定位在第二可旋转板上，以进一步补偿物件的重量。通过提供根据本发明的实施例的配重结构，可以进一步确保卡盘的每个板关于其各自的轴线保持平衡，从而允许卡盘与物件相结合的质量中心针对物件的所有相关位置关于主旋转轴线保持平衡，并且允许卡盘与物件相结合的惯量主轴线与主旋转轴线基本对准或甚至对准。结果，卡盘的平衡不受第一可旋转板和/或第二可旋转板的角移位的影响，由此允许物件移动在不同位置处，而不需要每次在将物件移动到新的位置时关于主旋转轴线重新平衡卡盘。

根据本发明的实施例，卡盘包括用于将物件固定在第二板上的物件安装装置。物件安装装置例如包括机械附接件中的任何一个或多个，例如螺栓，使用将物件吸到第二板上的空气压力，粘合剂等。

根据本发明的优选实施例，通过在第一可旋转板和第二可旋转板之间提供例如将第二板提离第一板的提升力，第一可旋转板和/或第二可旋转板围绕它们各自的旋转轴线的角度可以被更容易地改变，因为可旋转板的转子和定子之间的摩擦由于板之间的接触减少或者甚至不接触而被减小。

根据本发明的优选实施例，第一可旋转板和/或第二可旋转板的角移位可以在不必暂停机床的操作的情况下执行，由此在相对于主轴线定位物件期间，显著地减少了机床的停机时间。此外，在不必暂停机床操作的情况下通过使第一可旋转板和/或第二可旋转板进行角移位，确保了在定位物件期间主轴的旋转被保持在恒定速度，由此确保主轴在稳定的热状况下运行，以最小化热主轴对加工过程的影响，这可能会影响加工过程的精密度。

根据本发明的实施例，卡盘包括气动结构。气动结构可以被布置成产生吸力，以将物件固定在第二可旋转板上，换句话说，抵抗如上文所述的提升力，并且因此气动结构在这种实施例中将是物件安装装置的一部分。气动结构可以被布置成产生吸力，以将板固定至彼此并且固定到基板，并且因此气动结构在这种实施例中将是保持机构的一部分。气动结构也可以被设置用于产生超过由固持机构产生的固持力的提升力。例如，例如包括泵的气动结构被布置成引导一定量的加压空气穿过设置在卡盘上(例如在第一旋转板和/或第二旋转板中)的空气轴承，以在这些可旋转板之间和/或在第一可旋转板与基板之间产生加压空气的薄膜，由此在这些可旋转板之间和/或第一可旋转板与基板之间提供极低摩擦的承载界面。

根据本发明的实施例，气动结构可设置有一组阀，该组阀用于控制由气动结构产生和/或流过气动结构的空气流。例如，阀可以被布置成引导加压空气穿过设置在第一旋转板和第二旋转板上的空气轴承，使得在可旋转板之间产生提升力。根据本发明的实施例，该组阀借助于控制器进行电子控制。例如，控制器可以根据从计算机设备接收到的一组指令被控制。通过借助于一组指令来控制控制器，可以自动地控制该组阀，从而自动地控制由泵产生的提升力，而无需人工干预。例如，包含用于操控卡盘的至少一个控制器的指令的计算机软件程序可以被设置，用以电子控制该组阀。计算机软件程序通常存储在控制器上的EPROM或EEPROM中，但可以存储在任何计算机程序产品诸如计算机硬盘驱动器、USB棒、CD等中。

根据本发明的实施例，布置成使第一可旋转板和/或第二可旋转板进行角移位的致动装置可以设置有至少一个角度传感器或转换器(transducer)。角度传感器或转换器可以被布置成监控第一可旋转板和/或第二可旋转板的角移位。该至少一个角度传感器或转换器可以是任何合适的模拟或数字类型的，例如绝对旋转编码器、增量编码器、旋转变压器(resolver)等。

根据本发明的实施例，致动机构可以包括马达。例如，致动装置可以包括直接驱动马达或齿轮传动DC无刷马达等，其被布置成使第一可旋转板和/或第二可旋转板围绕第一旋转轴线和/或第二旋转轴线以预定角度进行角移位。根据本发明的实施例，致动机构包括控制器，该控制器被布置成控制第一可旋转板和/或第二可旋转板的角移位。例如，控制器可以被布置成根据从计算机设备接收到的一组指令来控制第一可旋转板和/或第二可旋转板的角移位。以这种方式，第一可旋转板和/或第二可旋转板的角移位可以借助于在计算机设备上运行的计算机软件程序来自动控制。计算机软件程序可以被存储在诸如计算机硬盘驱动器、USB棒、CD等计算机程序产品中。

根据本发明的实施例，机床的卡盘可以被布置成将物件定位在相对于机床对应部分的相关位置处。例如，卡盘可以被布置成通过将工件定位在相对于主轴线的相关位置处将工件定位在相对于切削刀具(例如金刚石车削刀具或金刚石砂轮)的相关位置处。

根据本发明的优选实施例，由第一可旋转板和/或第二可旋转板的任何非理想的旋转造成的定位误差借助于查找表或补偿算法来补偿。

根据本发明的优选实施例，工件在测量过程中用于测量由于卡盘引起的定位误差并补偿该定位误差。该过程例如可以包括测量与卡盘相关、例如与卡盘的部件的位置相关的一些参数，并且相应地根据测量结果进行补偿。

根据本发明的实施例，诸如工件的物件被定位在相对于主旋转轴线的相关位置处，例如，用以例如在卡盘受到围绕主旋转轴线的旋转移动时对工件进行车削或磨削。

根据本发明的实施例，可以提供机床，用以车削和/或磨削工件。例如，机床可以被布置成在工件的表面上加工至少一个腔或腔的阵列，诸如加工用于制造透镜的模具腔。该机床可以被设置有根据本发明的实施例的卡盘，该卡盘用于将工件定位在相对于主旋转轴线的相关位置处。

根据本发明的实施例，工件可以通过根据本发明的实施例的机床形成。例如，工件可以包括至少一个腔或腔的阵列，诸如用于制造透镜的模具腔。

根据本发明的实施例，复制件可以由工件形成，该工件由具有根据本发明实施例的卡盘的机床制造。

根据本发明的实施例，至少一个透镜可以由至少一个模具腔制造，该模具腔可以被设置在根据本发明的实施例的工件或复制件上。根据本发明的实施例，透镜可被安装在透镜结构中，该透镜结构可安装在摄像机、电话、望远镜或使用透镜结构的其它设备中。

本发明还涉及包括根据本发明的卡盘的机床的用途，用于车削或磨削工件。根据进一步的实施例，在进一步的步骤中，在工件的表面上形成至少一个腔，例如模具腔，例如透镜模具。根据进一步的实施例，在进一步的步骤中，在工件的表面上形成腔(例如模具腔，例如透镜模具腔)的至少一个阵列。根据本发明的实施例，在进一步的步骤中，复制件由工件形成。根据本发明的实施例，在进一步的步骤中，至少一个透镜被形成。根据本发明的实施例，在进一步的步骤中，透镜被安装在透镜结构中。根据本发明的实施例，透镜结构被安装在摄像机、电话、望远镜或使用透镜结构的其它设备中。

附图说明

将借助以下说明和附图来进一步阐明本发明。

图1示意性地示出了安装在主轴上的根据本发明实施例的卡盘的示例。

图2示意性地示出了图1的卡盘的横截面。

图3和图4示意性地示出了通过对第一可旋转板和/或第二可旋转板进行角移位来改变物件的位置的示例。

具体实施方式

将参照特定实施例并参照某些附图来描述本公开，但是本公开不限于此，而是仅由权利要求限制。所描述的附图仅是示意性的而非限制性的。在附图中，出于说明的目的，一些元件的尺寸可能被放大而且没有按比例绘制。尺寸和相对尺寸并不必然与本公开的实际实施相对应。

此外，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三和类似术语被用于在类似的元件之间进行区别并且并不必然被用于描述相继顺序或时间顺序。术语在适当的情况下可互换，并且本公开的实施例能够在除了本文中所描述的或示出的顺序以外的其它顺序下操作。

此外，说明书和权利要求中的术语顶、底、上、下和类似术语被用于描述的目的并且并不必然用于描述相对位置。如此使用的术语在适当的情况下可互换，并且本文中所描述的本公开的实施例能够在除了本文中所描述的或示出的取向以外的其它取向下操作。

此外，各种实施例虽然被称为“优选的”，但应被解释为可以实施本公开而用的示例性方式，而不是被解释为限制本公开的范围。

权利要求中使用的术语“包括”不应被解读为对其后列出的元件或步骤的限制；术语“包括”不排除其它的元件和步骤。术语“包括”需要被解读为指定如所提及的所述特征、整体、步骤或组件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤或组件或它们的组合。因此，表述“包括A和B的设备”的范围不应该限于仅由组件A和B组成的设备，而是对于本公开而言，设备的仅列举的部件是A和B，并且进一步地，权利要求应被解读为包括这些部件的等同物。

本发明将借助于图1至图4中所示的示例性实施例来阐述，该实施例将在下文被更详细地描述。

图1和图2示出了根据本发明的卡盘的示例。卡盘可以被布置成安装在具有诸如工作主轴的主轴14的机床上，该主轴被布置成围绕主旋转轴线19旋转。主轴14的旋转速度可以根据使用机床的应用来决定。例如，主轴14的旋转速度可以在100RPM至1000RPM之间的范围内。卡盘可以借助于安装界面板15安装在主轴14上，安装界面板可以被布置成通过附接装置附接到主轴14。例如，安装界面板15可以通过一组螺钉或借助于零点安装系统固定到主轴14，或者替代地，安装界面板15可以是主轴14的一部分。卡盘可以被布置成将诸如工件的物件13定位在相对于主旋转轴线19的相关位置处。卡盘可以被布置成使得，优选地在将物件13定位在卡盘上之后，卡盘的惯量主轴线中的一个与主轴14的主旋转轴线19基本重合或者甚至重合。卡盘可以设置有基板1，基板被布置成通过安装装置而安装在安装界面板15上。例如，安装装置可以包括一组螺钉，其中对应的孔被设置在安装界面板15上，或者包括本领域技术人员已知的适于将基板1固定到主轴14的安装界面板15的任何其它安装装置。第一可旋转板2可以被偏心地安装在基板1的顶部上。第一可旋转板2可以被布置成围绕第一旋转轴线20旋转，第一旋转轴线可以相对于主轴14的主旋转轴线19移位。第一可旋转板可以借助于固持机构17和22、更尤其是固持机构的第一部分17(称为第一固持机构)固定在基板上。第二可旋转板3可以借助于固持机构18和23、更尤其是固持机构的第二部分18(称为第二固持机构)偏心地安装在第一可旋转板2的顶部上。第二可旋转板3可以被布置成接纳诸如工件的物件13并且围绕第二旋转轴线21旋转。第二旋转轴线21可以被布置成平行于第一旋转轴线20延伸并相对于第一可旋转板2的第一旋转轴线20移位。如图2中所示的，固持机构可以包括一组磁体17和18，例如电磁体，该磁体被布置成在卡盘的相关位置产生固持力。例如，一组电磁体17可以被定位在第一可旋转板2和基板1上的相对表面上，以将第一可旋转板2固定在基板1上，并且第二组电磁体18可以被定位在第一可旋转板2和第二可旋转板3上的相对表面上，以将第二可旋转板3固定在第一可旋转板2上。此外，应该理解的是，固持机构17和18可以包括本领域技术人员已知的用于在卡盘的板之间的相关位置上提供希望的固持力的其他装置。例如，固持机构可以借助于真空实现，该真空被布置成产生吸力以将第一可旋转板2和/或第二可旋转板3固定在希望的位置。应当理解的是，优选地，第一盘和第二盘可以相对于彼此提升，以使得盘相对于彼此能够更容易地旋转。此外，例如，设置了柔性弹簧22、23，该柔性弹簧使得盘能够轴向地移动。

为了使卡盘连同物件13一起的惯量主轴线相对于主旋转轴线19对准，可以设置平衡装置。通过设置平衡装置6和11，优选地，在将物件13定位在卡盘上之后，卡盘的惯量主轴线可以被布置成与主轴14的主旋转轴线19基本重合或者甚至重合。结果，卡盘借助于平衡装置6和11关于主旋转轴线19保持平衡，而不管物件的位置如何。例如，平衡装置6和11可以包括配重结构，该配重结构被布置成补偿由第一可旋转板2和第二可旋转板3的偏心布置引起的卡盘的重心移位。配重结构可以被设置有第一部分6和第二部分11，该第一部分可以被定位在基板1上的第一位置处，该第二部分可以被定位在第一可旋转板2上的、相对于第一配重部分6的位置的第二位置处。通过提供配重结构，确保了卡盘的每个板关于每个各自的轴线保持平衡，由此确保卡盘保持平衡，而不管第一可旋转板2和/或第二可旋转板3的角移位如何。配重结构可以进一步被设置有未示出的第三部分，该第三部分被布置成定位在第二可旋转的板3上的一位置处，以配衡物件13的重量，由此确保，当物件13被定位在第二可旋转板3的表面上时，该第二可旋转板关于其轴线21保持平衡。例如，配重结构可以是可调节的，使得卡盘的重心针对具有不同质量分布的物件13可以与主旋转轴线19对准。结果，卡盘可以与具有不同质量分布的可互换的物件13一起使用，而不需要改变可旋转板的构造来使卡盘关于主旋转轴线19保持平衡。根据本发明的实施例，可以通过改变配重结构的配重的质量来调节配重结构，以实现卡盘连同物件13一起的希望的平衡。此外，可以通过改变配重结构的配重的高度来调节配重结构的配重。通过调节配重的高度，可以补偿当卡盘围绕主旋转轴线19转动时由离心力产生的倾斜力矩。配重结构可以包括作为配重的、由固体材料(诸如，金属或类似的)制成的重物。配重结构本身可以在径向位置和/或高度位置被致动。此外，配重结构可以包括作为配重的流体，例如具有预定粘度的液体。

根据本发明的实施例，配重部分6和11的质量和高度位置可以在组装卡盘期间被精确地确定，使得卡盘在不具有附加到卡盘的物件或工件的情况下完全保持平衡。配重部分6和11然后可以针对安装到第二可旋转板3上的物件或工件13的质量和几何形状被调节。可以认为，物件或工件本身是平衡的，使得第二可旋转板3关于第二旋转轴线完全保持平衡。在了解物件或工件13的质量和重心位置的准确值以及系统的几何结构的质量和重心位置的准确值的情况下，可以计算出配重结构的所需调节。例如，对于具有水平轴线的无摩擦空气轴承工作主轴而言，可以针对第一可旋转板和/或第二可旋转板围绕第一旋转轴线20和第二旋转轴线21的所有角移位来对系统的平衡进行静态地验证。使用精密的现场平衡仪的动平衡或超精密机床的主旋转轴线19上的诱导振动分析是现有技术的程序，其可用于优化卡盘相对于工作主轴14的运行速度的平衡。使用动平衡可将剩余的不平衡量降低至50g.mm或更低。卡盘可以被设置有致动机构，该致动机构被布置成使第一可旋转板2围绕第一旋转轴线20以第一旋转角度进行角移位，使得物件13相对于主旋转轴线19的位置可以被改变。致动装置可以进一步被设置用于使第二可旋转板3围绕第二旋转轴线21以第二旋转角度进行角移位，使得物件13相对于主旋转轴线19的位置可以被进一步改变。

如图2中所示的，卡盘可以被设置有气动结构，该气动结构可以被布置成与设置在主轴14上的空气/真空通道25配合。卡盘和主轴14的空气/真空通道25之间的气动连接可以通过设置在安装界面板15上的气动连接26形成。气动结构可以被布置成产生吸力以固定物件和/或卡盘的可旋转板中任一可旋转板。气动装置可以进一步被布置成产生诸如提升力的正空气压力，该诸如提升力的正空气压力可以被构造成超过由固持机构17和18产生的固持力。例如，通过在第一可旋转板2和基板1之间产生提升力，第一可旋转板2可以相对于基板1沿着第一旋转轴线至少略微地提升，由此允许致动机构来使第一可旋转板2围绕第一旋转轴线20进行角移位，以改变物件13相对于主旋转轴线19的位置。类似地，由气动结构产生的提升力可用于使第二可旋转板3相对于第一可旋转板2沿第二旋转轴线21提升，以使第二可旋转板围绕第二旋转轴线21进行角移位，由此改变物件13相对于主旋转轴线19的位置。例如，气动结构可以被设置有至少一个泵，例如微型文丘里泵或类似的，该泵可以被布置成产生用于将物件13固定在第二可旋转板3上的吸力。该至少一个泵可以进一步被布置成对设置在第一可旋转板2和/或第二可旋转板3上的空气轴承产生正空气压力。所产生的空气压力可以在1巴到10巴之间、优选地在3巴到7巴之间、并且更优选地为大约5巴。例如，泵可以被布置成将空气引导到设置在第一可旋转板2和/或第二可旋转板3上的空气轴承，以产生加压空气薄膜，从而在可旋转板2和3之间提供极低摩擦的承载界面。气动结构可以包括一组阀，例如微型电子阀或类似的，该阀被布置成控制由气动结构产生的提升力和/或吸力。为了控制该组阀的操作，可以提供至少一个可以被电子控制的控制器12。控制器12可以被布置成根据从计算机设备接收到的一组指令来控制阀的操作。例如，计算机设备可以设置有计算机程序产品，诸如硬盘驱动器、USB或类似的，该计算机程序产品被布置成存储用于操控卡盘的至少一个控制器12的指令，以便对气动结构的该组阀进行电子控制。控制器12可以进一步被布置成控制气动结构的操作。

根据本发明的实施例，致动机构可以设置有至少一个马达5和9，诸如直接驱动马达或齿轮传动DC无刷马达、或者本领域技术人员已知的任何其他合适类型的马达结构。至少一个马达5和9可以被布置成使第一可旋转板2和/或第二可旋转板3围绕它们各自的旋转轴线进行角移位。例如，每个板可以设置有各自的马达5和9，该各自的马达被定位在每个可旋转板2和3上的希望位置处。每个马达5和9被布置成使各自的旋转板2和3围绕它们各自的旋转轴线20和21进行角移位，由此使得物件13相对于主旋转轴线19的位置能够被改变。每个可旋转板的2和3可以设置有旋转编码器4和10，旋转编码器被布置成检测每个各自的可旋转板的旋转角度。旋转编码器4和10可以被布置成监控第一可旋转板2和/或第二可旋转板3的角移位并且产生对应的模拟或数字输出信号，该信号指示第一可旋转板2和/或第二可旋转板3围绕它们各自的旋转轴线20和21的当前旋转角度。旋转编码器可以是任何合适的数字或模拟类型的，例如绝对旋转编码器、增量编码器、旋转变压器以及诸如此类的。致动机构可以包括控制器12，控制器被布置成控制第一可旋转板2和/或第二可旋转板3的角移位。例如，控制器12可以被布置成通过向马达5和9提供与可旋转板2和3围绕它们各自的旋转轴线20和21的希望的角移位相对应的一组相关控制信号来控制第一可旋转板2和/或第二可旋转板3的角移位。控制器12可以被布置成根据存储在控制器的存储器(EPROM或EEPROM，或诸如此类的)中的或者从计算机设备接收到的一组指令来控制第一可旋转板2和/或第二可旋转板3的角移位。例如，计算机设备可以设置有计算机程序产品，诸如硬盘驱动器、USB棒、CD以及诸如此类的，该计算机程序产品被布置成存储用于操控卡盘的致动器机构的指令，由此电子控制第一可旋转板2和/或第二可旋转板3的角移位。

根据本发明的实施例，安装界面板15可以设置有滑环16，该滑环被布置成与卡盘的对应导电表面配合，使得电力可以从超精密车床的静态部分传输到卡盘，以便在转动的同时操控各种电子元器件。对应的导电表面可以包括一组刷子，这些刷子可以被布置成借助于致动器在关键加工操作期间缩回。结果，可以避免由刷子16抵靠滑环的摩擦或压力引起的对主轴14的旋转运动的扰动。替代地，电力可以借助于感应线圈供应到卡盘，或者电力可以由安装在卡盘或安装界面上的电池提供。

根据本发明的实施例的卡盘被布置成将诸如工件的物件定位在相对于主旋转轴线19的各种位置处，而不需要在每次将物件移位到新的位置时关于主旋转轴线19重新平衡卡盘。这是通过偏心地安装第一可旋转板2和第二可旋转板3来实现的，使得可以改变物件13相对于主轴线的位置。给定了工件上的与旋转轴线19对准的点的所需笛卡尔坐标，第一可旋转板和第二可旋转板的必要旋转角度可使用以下等式或任何等效变换来计算：

γ＝α+β

其中：

e是作为第二旋转轴线21的旋转轴线B与作为第一旋转轴线20的旋转轴线A之间的偏心距

阿尔法(a)是旋转轴线A的角度(优选为0至360°)

贝塔(β)是旋转轴线B的角度(优选为0至180°)

伽马(γ)是诱导旋转角度。

进一步假设，轴线A针对第一可旋转板的一个位置与主旋转轴线19基本重合或甚至重合。使用上面的等式，物件13可以相对于主轴线移动在不同位置处。这在图3和4中示意性地示出。尽管使用阿尔法角度的上述角度范围(优选为0至360°)和β角度的上述角度范围(优选为0至180°)可以达到任何位置，但这些角度也可以在360°上是连续的。在图3中，通过对第一可旋转板2和/或第二可旋转板3进行角移位来对物件定位，使得主轴线19与第二旋转轴线21基本重合或甚至重合。在主旋转轴线19的位置处，通过使用切削刀具，可以形成腔24。在图4中，第一可旋转板2旋转过第一旋转角度，而第二可旋转板3旋转过第二旋转角度，使得新的物件13相对于主旋转轴线19定位在新的位置处，在该位置处并且使用切削刀具，可以形成新的腔24。通过使第一可旋转板2和/或第二旋转板3连续地旋转过各自的旋转角度，物件可以相对于主旋转轴线19移位到新的位置，在该位置处，可以形成新的腔24。此外，通过能够精确地将物件相对于主轴线定位，可以使用高精度方法，例如金刚石车削。

根据本发明的实施例，第二可旋转板3被定位在第一可旋转板2上，使得两个可旋转板的偏心距在预定范围内，该偏心距被限定为第一旋转轴线20与第二旋转轴线21之间的距离和第一旋转轴线20与主旋转轴线19之间的距离。例如，当针对第一可旋转板2的至少一个旋转角度，第二旋转轴线21被布置成与主旋转轴线19基本重合时，该偏心距可以被布置成比工件上的两个腔之间的最大间距或中心到中心距离(d)短四倍。

根据本发明的实施例，可以提供用于车削和/或磨削工件的机床。机床可被布置成在工件的表面上形成至少一个腔24或腔24的阵列。例如，该至少一个腔可以是用于生产透镜的模具腔。该机床可以包括根据本发明的实施例的卡盘，该卡盘可以被布置成将工件定位在相对于机器主轴的主旋转轴线19的相关位置处，使得可以在工件表面上执行加工操作。使用由根据本发明的实施例的机床制造的工件，可以形成复制件，该复制件可以用于生产诸如透镜的模制产品。由工件或复制件生产的透镜随后可以用于透镜结构中，诸如设置在移动电话、摄像机、望远镜、显微镜等上的透镜结构中。

附图标记列表

1 基板

2 第一可旋转板

3 第二可旋转板

4 第二编码器

5 第二马达

6 第一配重

7 第一滚柱轴承

8 第二滚柱轴承

9 第一马达

10 第一编码器

11 第二配重

12 控制器

13 物件/工件

14 主轴

15 安装界面板

16 滑环

17 第一固持机构

18 第二固持机构

19 主旋转轴线

20 第一旋转轴线

21 第二旋转轴线

22 第一柔性弹簧

23 第二柔性弹簧

24 腔

25 空气通道

26 气动连接

Claims (40)

1.一种用于机床的卡盘，所述机床具有旋转主轴(14)，所述旋转主轴具有主旋转轴线(19)，所述机床尤其是车床，所述卡盘被布置成将诸如工件的物件(13)定位在相对于所述主旋转轴线(19)的相关位置处，所述卡盘被布置成使得所述卡盘连同定位在所述卡盘上的所述物件一起具有惯量主轴线，所述惯量主轴线能够被布置成与所述主旋转轴线(19)重合，所述卡盘包括：

基板(1)，所述基板包括用于将所述卡盘安装到所述主轴(14)的安装装置；

第一可旋转板(2)，所述第一可旋转板相对于所述主旋转轴线(19)偏心地安装在所述基板(1)上并且具有第一旋转轴线(20)，所述第一旋转轴线平行于所述主旋转轴线(19)延伸，使得所述第一旋转轴线(20)相对于所述主轴(14)的所述主旋转轴线(19)移位；

平衡装置(6，11)，所述平衡装置被布置成使所述卡盘连同定位在所述卡盘上的所述物件(13)一起的重心相对于所述主旋转轴线(19)保持平衡，使得所述卡盘连同所述物件(13)一起的所述惯量主轴线与所述主轴(14)的所述主旋转轴线(19)基本重合；

固持机构(17，18)，所述固持机构被布置成将所述第一可旋转板(2)固定到所述基板(1)；以及

致动机构，所述致动机构被布置成使所述第一可旋转板(1)围绕所述第一旋转轴线(19)以第一旋转角度进行角移位，使得所述物件(13)相对于所述主旋转轴线(19)的位置能够被改变；

其中，所述卡盘包括被布置成接纳所述物件(13)的第二可旋转板(3)，所述第二可旋转板(3)相对于所述第一旋转轴线(20)偏心地安装在所述第一可旋转板(2)上并且具有第二旋转轴线(21)，所述第二旋转轴线平行于所述主旋转轴线(19)和所述第一旋转轴线(20)延伸，使得所述第二旋转轴线(21)相对于所述第一旋转轴线(20)移位并且借助于所述固持机构(17，18)固定在第一板上；

并且其中，所述致动机构被布置成使所述第二可旋转板(3)围绕所述第二旋转轴线(21)以第二旋转角度进行角移位，使得所述物件(13)相对于所述主旋转轴线(19)的位置能够被改变。

2.根据权利要求1所述的卡盘，其中，针对所述第一可旋转板(2)的至少一个旋转角度，所述第二旋转轴线(21)被布置成与所述主旋转轴线(19)基本重合。

3.根据前述权利要求中任一项所述的卡盘，其中，所述固持机构(17，18)被布置成产生固持力。

4.根据权利要求3所述的卡盘，其中，所述固持机构(17，18)包括磁体结构。

5.根据前述权利要求中任一项所述的卡盘，其中，所述平衡装置包括配重结构(6，11)

6.根据权利要求5所述的卡盘，其中，所述配重结构(6，11)包括流体。

7.根据权利要求5或6所述的卡盘，其中，所述配重结构(6，11)是可调节的。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的卡盘，其中，所述配重结构包括第一部分(11)和第二部分(6)。

9.根据权利要求8所述的卡盘，其中，所述配重结构的所述第一部分(6)被布置成定位在所述基板(1)上的第一位置处，并且所述配重结构的所述第二部分(11)被布置成定位在所述第一可旋转板(2)上的、相对于所述第一配重部分(6)的位置的第二位置处。

10.根据权利要求8或9所述的卡盘，其中，所述配重结构包括第三部分，所述第三部分被布置成定位在所述第二可旋转板(3)上的一位置处，以配衡所述物件(13)的重量。

11.根据前述权利要求中任一项所述的卡盘，其中，所述卡盘包括气动结构。

12.根据权利要求12所述的卡盘，其中，所述气动结构被布置成产生用于将所述物件(13)固定在所述第二可旋转板(3)上的吸力。

13.根据权利要求11或12所述的卡盘，其中，所述气动结构被布置成产生超过由所述固持机构(17，18)产生的固持力的提升力，使得所述第一可旋转板(2)相对于所述基板(1)围绕所述第一旋转轴线(20)提升。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的卡盘，其中，所述气动结构被布置成产生超过由所述固持机构(17，18)产生的固持力的提升力，使得所述第二可旋转板(3)相对于所述第一可旋转板(2)围绕所述第二旋转轴线(21)提升。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的卡盘，其中，所述气动结构包括至少一个泵。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的卡盘，其中，所述气动结构包括一组阀。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的卡盘，其中，所述气动结构包括被布置成控制该组阀的控制器(12)。

18.根据权利要求17所述的卡盘，其中，所述控制器(12)被布置成根据从计算机设备接收到的一组指令来控制所述阀。

19.根据前述权利要求中任一项所述的卡盘，其中，所述致动装置包括至少一个旋转编码器(4，10)，所述旋转编码器被布置成监控所述第一可旋转板(2)和/或第二可旋转板(3)的角移位。

20.根据权利要求19所述的卡盘，其中，所述致动装置包括至少一个马达(5，9)，所述至少一个马达被布置成使所述第一可旋转板和/或所述第二可旋转板(2，3)进行角移位。

21.根据权利要求20所述的卡盘，其中，所述致动机构包括被布置成控制所述至少一个马达(5，9)的控制器(12)。

22.根据权利要求21所述的卡盘，其中，所述控制器(12)被布置成根据从计算机设备接收到的一组指令来控制所述至少一个马达(5，9)。

23.根据前述权利要求中任一项所述的卡盘，其中，所述卡盘被布置成将所述物件(13)定位在相对于机床对应部分的相关位置处。

24.一种机床，所述机床用于车削和/或磨削工件(13)，以在所述工件(13)的表面上形成至少一个腔(24)，所述机床包括根据权利要求1至23中任一项所述的卡盘。

25.一种工件(13)，所述工件由根据权利要求24所述的机床形成。

26.根据权利要求25所述的工件，所述工件包括至少一个腔(24)。

27.根据权利要求268所述的工件，其中，所述至少一个腔(24)是模具腔。

28.一种复制件，所述复制件由根据权利要求25、26和27中任一项所述的工件(13)制造。

29.一种透镜，所述透镜在根据权利要求27所述的工件中或根据权利要求28所述的复制件中形成。

30.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品被布置成存储用于操控至少一个被布置成控制一组阀的控制器(12)的指令。

31.根据权利要求30所述的计算机程序产品，其中，所述计算机程序产品被布置成存储用于操控被布置成控制至少一个马达(5，9)的控制器(12)的指令。

32.机床的用途，所述机床包括根据权利要求1至23中任一项所述的卡盘，所述卡盘用于将诸如工件的物件(13)定位在相对于主旋转轴线(19)的相关位置处。

33.根据权利要求32所述的用途，用于车削或磨削工件(13)。

34.根据权利要求32至33中任一项所述的用途，在所述卡盘受到围绕所述主旋转轴线(19)的旋转移动时。

35.根据权利要求32至34中任一项所述的用途，其中，在进一步的步骤中，在所述工件(13)的表面上形成至少一个透镜模具腔(24)。

36.根据权利要求32或35所述的用途，其中，在进一步的步骤中，在所述工件(13)的表面上形成透镜模具腔(24)的至少一个阵列。

37.根据权利要求32至36中任一项所述的用途，其中，在进一步的步骤中，复制件由所述工件形成。

38.根据权利要求32至37中任一项所述的用途，其中，在进一步的步骤中，至少一个透镜被形成。

39.根据权利要求38所述的用途，其中，在进一步的步骤中，所述透镜被安装在透镜结构中。

40.根据权利要求39所述的用途，其中，所述透镜结构被安装在电话中。