CN1135194A

CN1135194A - 用于在工件上加工非旋转对称的表面的机床及加工方法和对该机床的控制

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Publication number: CN1135194A
Application number: CN95190854A
Authority: CN
Inventors: A·范托勒恩; J·H·F·M·范里斯特; A·A·维胡尔斯特; M·J·M·伦肯斯
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1994-07-27
Filing date: 1995-07-21
Publication date: 1996-11-06
Also published as: KR960704676A; JPH09503454A; WO1996003256A1; EP0722378A1

Abstract

一种具有平行于Z向延伸的主轴(27、229)的机床(1、227)，其主轴可绕平行于Z向延伸的旋转轴线(29、231)旋转，并具有一个用于夹持要加工的工件(35、237)的夹持器(33、235)。该机床(1、227)具有一个用以夹持可沿垂直于Z向的X向移动的刀具(13)的夹持器(11)。该主轴(27、229)和刀具夹持器(11)可平行于Z向相互移动，作为刀具的X向位置及主轴(27、229)的转角的函数，所以工件(35、237)可加工出相对旋转轴(29、231)为非旋转对称的表面。根据本发明，主轴(27、229)和夹持器(11)可平行于Z向相互移动，此时主轴只平行于Z向移动。因此，为工件(35、237)提供一理想的基面及一个非旋转对称的理想校正。同时具有不同基面和校正的一系列工件只由一单一机床就可加工完成。

Description

用于在工件上加工非旋转对称的表面的机床及加工方法和对该机床的控制

本发明涉及一种具有平行于z向延伸的主轴和相对该主轴可运动的刀具夹持器的机床，该主轴可绕平行于z向方向的旋转轴线旋转，并设有工件夹持器。而刀具夹持器的移动至少具有一个平行于与z向垂直的x方向的分量。该主轴与该刀具夹持器可平行于z向相互移动，作为主轴的旋转角度的函数，可将工件加工成带有相对于与旋转轴线重合的工件轴线是非旋转对称的表面。

本发明也涉及一种加工方法，借助于该方法可将工件加工成带有相对于工件的轴线为非旋转对称的表面。该工件装在平行于z方向延伸的主轴上，并且该主轴可绕旋转轴线旋转，该旋转轴线之方向平行于z方向并与工件轴线重合。在此，刀具相对于工件沿这样的方向移动，即该方向至少存在一个平行于与z方向垂直的x方向的分量，并且作为主轴旋转角度的函数该主轴与该刀具可相互平行于z向移动。

本发明还涉及适用于本发明的机床的控制。

欧洲专利EP-A-0370788公开了本文开头段落所提及的机床及加工方法。该公知的机床的主轴由两个可弹性变形的膜片紧固在轴瓦中，该轴瓦由球轴承可旋转地支承于轴承体内。该主轴平行于z方向，由另一球轴承支承，而该球轴承的一个静止部件由另一弹性变形的膜片紧固到该轴承体上。该公知的机床还包括一电磁致动器，该致动器的磁路紧固到该轴承体上，而该致动器的电磁线圈则紧固到另一球轴承的静止部件上。在所述膜片的弹性变形作用下，通过该电磁致动器，该主轴可平行于z方向平移一有限的距离。该公知机床的刀具夹持器紧固到刀架上，该刀架可绕垂直于x方向和z方向延伸的y轴旋转。

该公知的机床及由该公知机床执行的方法用于加工诸如接触透镜或者眼镜镜片之类的透镜上的所谓的散光表面。这样的散光表面具有一个散光校正的球形基面，该散光校正相对透镜的光学轴线是非旋转对称的。为此目的，刀具借助于刀架可绕y轴旋转，使得该刀具按照所限定的半径的圆弧沿着透镜移动，因此透镜加工成球形基面，同时，该主轴由致动器致动并随主轴旋转角度而平行于z方向移动。所以，该球形基面与散光校正同时产生。因此，该球形基面具有相应于圆弧半径的半径。在所述膜片弹性变形下由该致动器致动而使该主轴平行于z方向可移动的有限距离是足够的，因为对于加工散光校正所需要的主轴平行于z方向的移动量相对于刀具平行于z方向的移动量是相当小的，该刀具的移动量对加工球形基面是必要的，并且由刀具绕y轴旋转而获得。

该公知的机床及公知的方法的缺点在于：刀具只沿着带有预定半径的圆弧移动，所以，只有专有的工件能由该公知的机床和方法制造出来，它们具有预定半径的球形基面。如果有一组透镜要由该公知的机床或方法制造的话，该组透镜基面根据透镜的用户需要具有相互不同的半径，那么对每个透镜刀具都必须重新调节或者刀架上必须装有大量的刀具，每个刀具装在距y轴不同的距离处。此外，公知的机床或方法不可能给工件加工出圆边，该圆边从被加工的工件表面流畅地过渡到该工件的后侧。因此，在接触透镜中采用这种圆边大大地改善了接触透镜的戴着舒适性。此外，公知的机床或方法实际上不可能提供具有不同类型基面的工件，所以，该公知的机床或方法例如不允许制造在平面型基面上有多槽图形的动压槽支承。

本发明的目的在于提供一种本文开头段落所提及的机床及加工方法，可尽可能避免上文提到的缺点，所以可用该机床或加工方法制造出不同基面的工件，并且用该机床及该方法加工的可能性得到增加。

根据本发明，用于该目的的机床的特征在于：主轴及刀具夹持器可平行于z方向相互移动，此时主轴只平行于z方向移动。

根据本发明，用于该目的的加工方法的特征在于：主轴与刀具平行于z方向相互移动，此时主轴只平行于z方向移动。

由于主轴只平行于z向移动，而刀具只平行于x方向移动，因此欲在工件上加工出的表面只由这样的移动确定，即该移动由在加工时平行于z向的主轴进行，其作为主轴的转角及刀具的x向位置的函数。因此，借助于该机床或该加工方法，能够例如加工一系列其基面具有相互不同半径的散光镜，以适应透镜的用户的需要，其原因在于，该主轴的z向位置可按适当的方式作为刀具的x向位置及主轴转角的函数加以控制。例如，当采用带弯杆的刀具时，借助该机床或该加工方法可加工工件的后侧的一部分，所以，例如接触透镜能加工出圆边。此外，该机床或加工方法还允许将工件加工成带有平的或非球面曲线的基面，诸如象在平的基面上加工成带有一多槽图形的动压槽支承一样，该槽的图形相对于该动压槽支承的旋转轴线为非旋转对称。

本发明的机床及加工方法的进一步优点在于：主轴的z向位置可按刀具的x向位置与主轴的转角成相对简单的数学关系的函数来控制。由于刀具相对工件的z向位置只依赖于主轴的z向位置，因此计算的z向位置没有必要如EP-A-0370788中所公开的机床那样根据刀具的x向位置的函数作出校正。因此控制装置用于计算主轴的z向位置所需的计算次数减少了。

本发明的机床的具体实施例之特征在于：该主轴是一个由径向流体轴承支承成垂直于z向的空心轴，该流体轴承由该空心轴的圆筒形外壁形成边界。由于采用了空心轴，因此该主轴的质量相对较小，所以，可使主轴获得相对较高的频率及相对较大的平行于z向的移动的行程。由于采用了径向流体轴承，该径向支承的主轴相对较大的轴向行程在结构上讲是可能的。因其相对较小的质量，从而该主轴具有关于平行于z向移动的宽广的机械频带，所以主轴平行于z向的移动特别精确。

本发明机床的另一实施例的特征在于：该主轴由具有两个垂直于z向延伸的配合支承面的轴向流体轴承平行于z向支承。该两支承面中的第一个与主轴配合，而第二个与一致动器相配合，主轴由该致动器驱动可平行于z向移动。轴向流体轴承的使用使该主轴以结构上简单的方式配合到该致动器上，而其本身为公知的且是常规的线性驱动单元可用作该致动器。

本发明机床的又一实施例的特征在于：该主轴只由一个电磁致动器支承并可平行于z向移动，该制动器带有一个固定在主轴上的永久磁铁及一个固定在机床的机架上的电磁线圈。因此，该电磁致动器具有双功能，使得该机床的结构特别简单。当该电磁致动器以适当的方式进行控制时，该电磁致动器可提供特别小的转动误差及特别高的主轴的轴向刚性。由于这些喜人的特性，因此用该机床可将工件加工成带有光学品质的表面，从而不需要后续处理。当该机床例如用于加工透镜时，则由该机床加工后的透镜不需要再进行抛光，所以大大简化了透镜的制造工艺。

本发明机床的具体实施例的特征在于：该机床包括一个设有控制单元的控制器，该控制单元用于提供一个对应刀具的理想的x向位置的第一电输出信号及一个对应主轴的z向位置的第二电输出信号，该主轴的z向位置是由该控制单元按照数学算法作为刀具的x向位置的函数算出，从而给该工件提供一个相对该工件的轴线旋转对称的理想基面，同时该控制器还设有一个用于提供输出电信号的处理器，该信号对应于主轴的z向位置校正，其以表格的形式存储于该处理器中，作为刀具的x向位置及主轴的转角的函数；所以可以给工件的基面提供理想的校正，该校正相对于工件的轴线是非旋转对称的；并且该控制器还具有一个用于供给输出电信号的电子加法电路，该电信号是控制单元的第二输出信号和处理器的输出信号之和。

本发明的加工方法的具体实施例的特征在于：主轴的理想z向位置是通过作为刀具的x向位置的函数按数学算法而算出的z向位置的相加而算得；因此工件带有一个相对于该工件的轴线为旋转对称的理想基面，和一个以表格形式存储起来并作为刀具的x向位置及主轴的转角的函数的z向位置的校正，所以该基面带有理想的校正，而该校正相对于工件的轴线是非旋转对称的。

所述控制器的控制单元控制着对于制造理想的基面所需的主轴的z向位置及刀具的x向位置，并且在每一转内对所述的x向位置及z向位置进行一次或有限次数的新计算。为了理想基面的非旋转对称的校正，所需的主轴z向的校正要进行很多次，例如主轴每转内100次。由于主轴的z向位置的校正以表格形式存储于所述控制器的处理器中，并作为刀具的x向位置及主轴的转角的函数，因此有可能快速确定z向位置的校正，所以，在相对高的主轴转速时，主轴的每一转内也能进行足够多次数的校正。

本发明的机床的又一实施例的特征在于：主轴的转角作为处理器确定主轴z向位置的校正的函数是所测得的主轴转角和由处理器按主轴转速的函数关系算得的转角校正之和。由于处理器计算所需的时间和驱动该主轴平行于z向移动的致动器的惯性，在所测得的主轴的转角和主轴的转角之间存在着差异；处理器为该测得的转角确定出主轴z向位置的理想校正，并且在主轴的转角中由致动器实际执行该主轴z向位置的理想校正。由于该差异随主轴速度的增加而增加，因此相对于工件的参考轴线，主轴的z向位置的校正绕工件的轴线将产生意外的失真。由于主轴的转角为处理器确定主轴的z向位置的校正的函数，并且是所测得的主轴转角和所述转角校正的和，因此所述差异可由转角校正加以补偿，所以可以避免主轴的z向位置相对参考轴线的校正的意外失真。

应注意到EP-A-0602724公开了一种机床，该机床具有一平行于z向延伸带有工件夹持器的主轴和刀具夹持器，该刀具夹持器可平行于x向并垂直于z向移动，而该主轴和刀具夹持器可平行于z向相互移动，此时主轴只能平行于z向移动。然EP-A-0602724中公知的机床的主轴不能相对于刀具作为主轴转角的函数而移动，所以该公知的机床没有用来给工件加工相对该工件的主轴为非旋转对称的表面，该工件轴线与旋转轴线重合。

参照附图，以下将对本发明作出更详细的说明。

图1是执行本发明的加工方法的本发明的机床的第一实施例的平面图；

图2是表示图1机床的主轴，轴向流体轴承，一配合件及转角传感器的剖视图；

图3表示图1机床的控制器的示意图；

图4a表示由图1的机床制造的散光接触透镜；

图4b是沿图4a的IVb-IVb线剖取的接触透镜剖视图；

图4c表示图4a的接触透镜的圆边制造的示意图；

图4d表示由图1的机床制造的动压槽支承的表面；

图5是执行本发明的加工方法的本发明的机床的第二实施例的平面图；

图6表示图5的机床的主轴，电磁致动器，及转角传感器的示意图；

图7表示图6的主轴、电磁致动器及转角传感器的剖视图；

图8表示图5的机床的控制器的示意图。

图1至3所示的本发明第一实施例的机床1设有一个可安置于支承面上的机架3。带有平行于x方向延伸的直线导向器7的导向体5设于框架3上。该机床1包括一刀架9，该刀架9可借助于图1中未示出的流体静压轴承沿导向器7移动导向。用于诸如切削刀具13的刀具夹持器11装在刀架9上。该刀架9可由驱动单元15驱动沿导向器7移动，所以，带有切削刀具13的夹持器11可平行于x方向移动。该驱动单元15包括一根平行于x方向延伸的驱动杆17，该杆17连接至刀架9上，并由一组仅在图1中作了示意性表示的导向轮21在紧固到框架3上的壳体19内导向。一摩擦轮23旋转支承在壳体19中并且能由紧固到该壳体19上的电动机25驱动，在驱动杆17上施加预应力，所以，该刀架9可由平行于x方向的电动机25通过驱动杆17和摩擦轮23驱使移动。

进一步如图1所示，该机床1包括主轴27，该主轴平行于与x方向垂直的z方向延伸，可绕与z方向平行的旋转轴线29旋转。该主轴27在其端31附近装设有夹持器33，该夹持器能将工件35夹住。如图2所示，该主轴27包括一空心轴37，空心轴37由一径向流体静压轴承39垂直于z方向支承住。该径向流体轴承39包括一个供给通道41用以将图中未示出的压力源供给的流体，如空气，通至该径向流体轴承39的环形支承间隙43内；该环形支承间隙43由支承体47的圆筒形内壁45和空心轴37的圆柱形外壁49限定而成。

进一步如图1所示，主轴27经一轴向流体静压轴承51和一可弹性变形的连接件53连接至驱动单元55上。如图2所示，该轴向流体轴承51包括一紧固到空心轴37一端61上并设有中心孔63的中心支承板57。该支承板57在其两侧各设有一支承表面65、67，这些表面垂直于旋转轴线29延伸。该轴向流体轴承51还包括：一个第一空气静压支承脚69，该支承脚69布置于空心轴37内并设有垂直于旋转轴线29延伸并与支承板57的支承表面65配合的支承面71；一个第二空气静压支承脚73，该支承脚73设有垂直于旋转轴线29延伸的用于与该支承板57的支承表面67相配合的支承表面75。在支承表面65和71之间存在一支承间隙77，而在支承表面67和75之间则存在支承间隙79。支承间隙77和79每一个都通过一供给通道81、83连接到诸如空气之类的流体压力源(未示出)上。支承间隙77的供给通道81延伸通过该支承板57的中心孔63。第一空气静压支承脚69由柔性张紧杆85连接至第二空气静压支承脚73上，该柔性张紧杆85也延伸穿过支承板57的中心孔63并穿过第一空气静压支承脚69中的孔87及第二空气静压支承脚73中的孔89。该主轴27由轴向流体轴承51支承，并预紧成平行于z方向。

如图2所示及上述提及的连接件53是EP-A-0602724中公知的那种类型，并设有第一紧固件91及第二紧固件93。第一紧固件91紧固到第二空气静压支承脚73上，第二紧固件93紧固到驱动单元55的驱动杆95上。紧固件91和93由一可弹性变形的桥97连，桥97在平行于z方向的方向是刚性的，并设有若干切割成的转折部99。这些切割成的转折部99是这样设置于桥97中的，即使得第一紧固件91可相对第二紧固件93绕图2所示的第一虚拟转轴101转动有限的角度，该轴101通过旋转轴线29与第二空气静压支承脚73的支承面75之间的交点103，并垂直于该旋转轴29延伸，图2中未示出的第二虚拟转轴105也通过所述交点103并垂直于旋转轴29及第一虚拟转轴101延伸。采用可弹性变形的桥97可实现：该第二空气静压支承脚73相对支承板57的支承面67的自我调整，使得在主轴27绕转轴29旋转期间，相配合的支承表面67和75相对转轴29的垂直度的不精确性不会影响该主轴27的z位置。采用上述的柔性张紧杆85可实现第一空气静压支承脚69相对支承板57的支承表面65的自我调整，从而使得在主轴27绕转轴29旋转期间，相配合的支承表面65和71相对于旋转轴29的垂直度的不精确性不会影响该主轴27的z位置。

图2所示及上述的驱动单元55的驱动杆95平行于z方向延伸并沿一组导向轮107导向，该导向轮107在图1中只作了示意性表示并且其旋转支承位于紧固到框架103上的壳体109内。该驱动单元55进一步还包括一摩擦轮111，该轮111的旋转支承位于壳体109内并能由紧固到该壳体109上的电动机113驱动。该摩擦轮111给驱动杆95施加预应力，以使该主轴27通过驱动杆95、连接件53及轴向流体轴承51平行于z方向移动。如图1进一步所示，该主轴27借助于另一电动机115可绕旋转轴线29旋转，该电动机115也紧固到框架3上并由皮带轮117，皮带119及皮带轮121与空心轴37的支承板57一起连接至空心轴37上。该皮带119具有足够的弹性以便能跟踪空心轴37和轮121平行于z方向的移动。

如图3所示机床1的控制器123表示为一数控单元125，该单元125是常规的，本身是公知的，带有一个用于接收一第一电输入信号U_xx的第一电输入点127，该信号U_xx对应于所测得的切削刀具13的x向位置；及一个用于接收一第二电输入信号U_zz的第二电输入点129，该信号U_zz对应于所测得的工件35的z向位置。第一输入信号U_xx由第一光位置传感器131供给，该传感器131为常规的并其本身是公知的，并且只在图1和3中作了示意性表示。如图1所示，该第一位置传感器131设有一光源133及一个紧固到该驱动单元15的壳体19上的光学检测器135和一紧固到刀架9上的反射表面137。第二输入信号U_zz由第二光位置传感器139提供，该传感器139是常规的，其本身是公知的，并且再一次在图1和3中只作了示意性表示。如图1所示，第二位置传感器139也包括一光源141及一个紧固到该驱动单元55的壳体109上的光学检测器143和一个固定到该驱动单元55的驱动杆95上的反射表面145。第二位置传感器139的反射表面145从图2中也可看出。

进一步如图3所示，控制单元125包括一仿形发生器147，该发生器147根据前面限定的程序产生对应于切削刀具13的理想x位置的第一信号U_x及对应于工件35的理想Z_o位置的第二信号U_zo，并且该第二信号U_zo作为切削刀具13的理想x位置的函数，按数学算法由该仿形发生器147作出计算。由于工件35的理想Z_o位置只作为切削刀具13的理想的x位置的函数进行计算，因此，切削刀具13及工件35根据理想的x位置及Z_o位置分别进行移动，从而该工件35具有相对于该工件35的轴线149旋转对称的基面。工件35的轴线149与旋转轴线29重合并示于图4a、4b及4d中。

进一步如图3所示，该控制单元125包括一个第一比较器151。该比较器151将切削刀具13的理想位置x的信号U_x与所测得的切削刀具13的x位置输入信号U_xx进行比较。该第一比较器151提供一输出信号U_cx＝U_x－U_xx，它由第一倍增器153放大Kx倍。该控制单元125包括一个用于供给第一输出电信号U_kx＝K_x×U_cx＝K_x×(U_x－U_xx)的第一电信号输出155。如图3所示，该输出信号U_kx提供给第一电放大器157，该放大器157将信号提供给驱动单元15的电动机25。该放大器157、电动机25、驱动单元15及第一位置传感器131一起具有一传送因子H_x，所以第一输入信号U_xx＝H_x×U_kx＝H_x×K_x×(U_x－U_xx)，并且U_xx＝U_x×H_x×K_x/(1＋H_x×K_x)。通过适当的调节和适当选择因子H_x和K_x能实现H_x×K_x＞＞1，所以U_xx(即所测得的切削刀具13的x位置信号)大致等于U_x(即理想的切削刀具13的x位置信号)，并且可获得对切削刀具13的x位置的精确控制。

进一步如图3所示，该控制单元125包括一第二比较器159，它将工件35的理想的Z_o位置信号U_zo与所测得的工件35的z位置输入信号U_zz进行比较。该第二比较器159提供一个由第二倍增器161放大K_z倍的输出信号U_cz＝U_zo－U_zz。该控制单元125包括一个用于提供第二输出电信号U_kz＝K_z×U_cz＝K_z×(U_zo－U_zz)的第二电输出163。

如图3所示，控制器123还包括一处理器165，该处理器165是常规的，本身是公知的，其具有：一个用于接收对应于由第一位置传感器131测得的切削刀具13的x位置的所述第一电输入信号U_xx的第一电输入167及一个用于接收对应于所测得的主轴27绕旋转轴线29的旋转角φ的第二电输入信号U_φφ的第二电输入169。该第二输入信号U_φφ由一光转角传感器171提供，该光传感器171示意性地示于图2中。该转角传感器171包括一个与旋转轴线29同心延伸并与支承板57结合成一体的环形套筒173。在该套筒173中具有光栅狭缝175，它们相互之间等间隔设置于套筒173中，同时一单个的参照狭缝177紧邻该狭缝175设置，其定义为转角φ的零值。该转角传感器171进一步还包括一个固定在连接件53的第二紧固件93上的叉形夹持器179。两个光源181、183及两个光检测器185、187装在该叉形夹持器179上。光源183及检测器187紧邻光栅狭缝175设置，并在主轴27旋转同时，φ为零时，检测参照狭缝177的通过情况。光源181和检测器185设于光栅狭缝175的两侧，并在主轴27旋转时检测狭缝175的通过情况，每次通过狭缝175时，测得的转角φ增加一个值δφ=2π/N(N为狭缝175的个数)。由于光源181、183及检测器185、187都装在夹持器179上，并且该夹持器179平行于z方向与主轴27同时移动，因此可以取得这样的结果，即光源181、183及检测器185、187相对于套筒173的位置如图所示在z方向不会改变，所以该转角传感器171能在主轴27整个行程上起作用。

处理器165具有一个用于提供电输出信号U_pr的电输出189，该信号U_pr由该处理器165产生，作为输入信号U_xx和U_φφ的函数。该输信号U_pr对应于工件35的z位置的校正，它是作为切削刀具13的x位置及主轴27的转角的φ函数而预先确定的，并以表格的形式储存于该处理器165中。所述工件35的z位置校正的实现，为该工件35的所述基面提供校正，该校正相对于图4a、4b及4d所示的工件35的轴线149是非旋转对称的。为此目的，处理器165的输出信号U_pr形成了一个用于控制器123的加法电路191的第一输入信号，该加法电路191具有控制单元125的第二输出信号U_kz作为其第二输入信号。如图3所示，加法电路191的输出信号U_z＋δ_z＝U_kz＋U_pr用于供给驱动单元55的电动机113的第二电放大器193。该放大器193、电动机113、驱动单元55及第二位置传感器139一起具有一传送因子H_z，所以该第二输信号U_zz＝H_z×U_z＋δ_z＝H_z×(U_kz＋U_pr)＝H_z×K_z×(U_zo-U_zz)＋H_z×U_pr，并且U_zz＝U_zo×H_z×K_z/(1＋H_z×K_z)＋U_pr×H_z/(1＋H_z×K_z)。通过对处理器165的编程，使U_pr＝K_z×U_δz，其中U_δz＝δz×U_zo/Z_o(Z_o及δz分别是基面的z位置及基面的校正)，因此可得到U_zz＝(U_zo＋U_δz)×H_z×K_z/(1＋H_z×K_z)。通过适当调节并选取因子H_z和K_z可获得H_z×K_z＞＞1，所以U_zz(即测得的工件35的z位置)基本上等于U_zo＋U_δz(即工件35的理想的Z_o位置和工件35的z位置的理想校正δz之和)，并且可按精确的方法在工件35上加工出旋转对称的基面及非旋转对称的校正。

应注意到，由于处理器165、加法电路191、放大器193、驱动单元55及转角传感器171的惯性，而会在主轴27所测得的转角U_φφ和主轴27的转角φ之间存在一差值。其中，该测得的转角U_φφ作为处理器165确定主轴27的z位置的理想校正值δz的函数，而在转角φ时，借助于驱动单元55可实现该主轴27的z位置的理想校正δz。所述差别随主轴27的转速增加而增加，并且导致绕工件35的轴线相对转角传感器171的参照狭缝177产生校正δz的意外失真。为了防止该意外失真，在转角传感器171和处理器165的第二电输入169之间连有一校正器195。该校正器195包括一个用于接收信号U_φφ的第一电输197及一个用于接收信号U_r的第二电输入199。上述信号U_r是由用于信号U_φφ的微分器201提供并对应于主轴27的转速。该微分器201提供一输出信号U_φφ＝U_φφ＋U_δφ，此处U_δφ对应于主轴27的转角校正δφ＝r×δt，它由该微分器201确定，并为主轴27的转速r及处理器165、加法电路191、放大器193、驱动单元55及转角传感器171的总的预先确定的时间延滞δt的函数。由于转角φ＋δφ作为处理器165确定主轴27的z位置的校正δz的函数，是所测得的转角φ和所述转角校正δφ之和，因此，理想的校正δz可在对应于校正过的转角φ＋δφ的主轴转角处实现，所以可以避免相对工件35的轴线149的校正值z的意外偏差。

以上描述了基面及非旋转对称校正是如何通过切削刀具13平行于x方向的移动并通过切削刀具13和工件35平行于z方向以适当的方式相互移动而在工件35上加工而成的，该相互移动是切削刀具13的x位置及主轴27的转角φ的函数。由于该切削刀具13只平行于x方向移动，而工件35及切削刀具13平行于z方向相互移动，所以，主轴27只平行于z方向移动。由于该非旋转对称的校正是作为主轴27的转角φ的函数，因此主轴27平行于z方向的移动的频率至少等于主轴27旋转运动的频率。该主轴27具有相当小的质量，因为它设计成空心轴37，所以可获得主轴27的相当高的频率以及相对大的平行于z方向的移动行程。由于主轴27与径向流体轴承39的支承体47之间没有机械接触，因此主轴的大行程不会因径向流体轴承39而存在结构上阻碍。此外，主轴27的z位置控制器123因主轴27质量相当小而具有大的机械频带宽度，因此主轴27平行于z方向的移动是极为精确的。该控制单元125控制该切削刀具13的x位置以及提供理想基面所必需的工件35的Z_o位置。在主轴27每旋转一周时，所述x位置及Z_o位置的计算只进行一次或相对少量的几次，因此，控制单元125根据精确的数学算法能进行所述的计算。然而，对在基面上采用理想的非旋转对称的校正所必需的工件35的z位置的校正，在主轴27的每个旋转期间要进行很多次的计算。由于该控制单元125的计算速度是有限的，因此非旋转对称校正的计算不能由该控制单元125完成。由于工件35的z位置的校正以表格形式存储于处理器165中，作为切削刀具13的x位置及主轴27的转角φ的函数，因此借助于该处理器165可对工件35的z位置的校正作出快速计算，使得所述校正在主轴27的相当高转速时也能完成。

图4a和4b表示由该机床1按本发明的方法制造的工件35的第一示例。该工件35是一种例如由透明的，可渗氧的医用合成树脂制成的接触透镜203。该接触透镜203包括一球形下凹接触表面205，借助于该表面该接触透镜203能放于眼睛上，并且该透镜的外表面207带有散光表209及球形定位凸面211，该凸面211围绕该散光表面209。该散光表面209构成了该接触透镜203的有效光学部分，该表面使用时放置在眼睛瞳孔的前面，而该定位面211在使用期间部分由眼睑覆盖住。在制造该接触透镜203时，将一圆柱形初级产品固定在主轴27的夹持器33上，并首先由切削刀具13对该初级产品加工出空心接触表面205。然后，将该接触透镜203加工成带有圆边213及很小部分的定位面211，该圆边213使该接触表面205流畅地过渡到该定位面211。这样的圆边213在该接触透镜203戴着的舒适性方面带来显著的改善。如图4c所示，另一切削刀具215位于相对z方向成锐角的位置，用于加工该圆边213。由于该主轴27可平行于z方向移动相当大的距离，因此，该另外的切削刀具215可部分达到定位面211，以使该圆边213和小部分定位面211可由该另一切削刀具215加工而成。在接触表面205，所述部分的定位面211及圆边213被加工好后，该接触透镜203由其接触表面205胶粘到图2所示的夹持器33的球形运载体217上，这之后，散光表面209和剩余部分的定位面211由该切削刀具13加工而成。如图4a和4b所示，该定位面211只包括一个半径为Rp的球形基面，而该散光表面209包括一个半径为R_A的球形基面及一个相对该接触透镜203的轴线149为非旋转对称的校正δφ。该接触透镜203的非旋转对称的校正δz具有两个最大的正校正δZ_pos(其存在于中心线219上)及两个最大的负校正δZ_NEG(其存在于中心线221上)。该校正δZ从散光表面的外圆周沿半径朝该散光表面的中心线性地减小，在该中心处校正δZ为零。在最大的正校正δZ_POS和负校正δZ_NEG之间，该校正δZ具有例如按正弦形的流畅梯度。由于只有主轴27带有平行于z方向移动的接触透镜203，因此，在单一的加工操作中由切削刀具13能加工出定位面211和散光表面209的基面及散光表面209的非旋转对称的校正δZ，而该主轴27的z位置是由控制器123以适当的方式控制的。此外，切削刀具13能加工一系列散光接触透镜，其散光表面及定位表面的基面相互间有不同的半径，以适合接触透镜的相关用户的要求，并且该透镜的散光表面的非旋转对称的校正也是相互不同的。

图4d示出了由本发明的方法用机床1加工的工件35的第二个示例。该工件35是一流体动力支承的支承表面223，该支承本身是公知的和常规的，并且该支承面上设有一定图形的沟槽225。该支承表面223具有平的基面226，而该沟槽225构成了由机床1所提供的该基面226的校正δZ，作为切削刀具13的x位置的函数，即图4d所示的半径r的函数，并作为主轴27的转角φ的函数。应注意到，对于制造支承表面223所必需的和依赖于沟槽225数量的主轴27在z向的移动频率应大于对于制造上述接触透镜所必需的主轴27的z向移动频率，而制造支承面223的z向移动行程则小于制造接触透镜203的z向移动行程。还应注意到，该支承面223可加工成球形基面而不是平面基面，所以与光滑球体结合的支承面223具有一半径及轴向支承作用。

根据本发明并由图5至7示出的机床227的第二个实施例在许多方面与第一实施例的机床1完全相同。因此在图中机床1和227相对应的零部件标以同样的标号。以下只讨论机床1和227之间的区别。

如图5所示，与机床1一样，机床227具有一个平行于z向延伸并可绕平行于z向的旋转轴线231旋转的主轴229。邻近第一端233，该主轴229设有一个用于夹持工件237的夹持器235。如图7所示，该主轴229带有一空心轴239，如同机床1的主轴27一样，该空心轴239由径向流体静压轴承241垂直于z向支承。该径向流体轴承241类似于机床1的径向流体轴承39。

如图6和7进一步所示，机床227具有一电磁致动器243。该制动器243包括一环形磁路245，该磁路245固定到主轴229上并设有永久磁铁247，可磁化的封闭磁轭249及环形间隙251。一环形电磁线圈253设于该环形间隙251内并固定在径向流体轴承241的支承体255上。该主轴229由电磁致动器243平行于z向支承，同时该主轴229由该电磁致动器243驱动也平行于z向移动。进一步如图7所示，皮带轮257固定在致动器243附近，主轴229可由图5所示的电动机263经皮带轮257、皮带259及皮带轮261驱动而旋转。该皮带259具有足够的弹性以便跟踪主轴229平行于z向的移动。

主轴229的z位置由图8示意示出的机床227的控制器265控制，该控制器大部分与机床1的控制器123相同。下文只讨论控制器123和265之间的区别。如图6、7及8所示，机床227的主轴229的z向位置可由一光学位置传感器267测得，该传感器267带有一光源269及一固定在紧固于支承体255上的载体273上的光学检测器271及一个设置于主轴229的第二端277上的反射表面275。该机床227的主轴229的转角φ进一步还可由一光学转角传感器279测得。如图6所示，该转角传感器279包括一个反射刻度281的环形光栅和一个单个反射参照刻度283，该反射刻度281绕空心轴239周围等间距地设置于主轴229的第二端277附近，而该单个刻度283紧邻刻度281设置并且将主轴229的转角位置定义为零值。该转角传感器279进一步还包括设置于支承体255中并在主轴229旋转期间检测刻度通过情况的第一光源285和一第一光学检测器287，及同样设置于支承体255中并在主轴229旋转期间检测参照刻度283通过情况的第二光源289和一第二光学检测器291。

进一步如图6、7及8所示，机床227的控制器265还包括一个用于测量主轴229平行于z向运动速度的速度传感器293。该速度传感器293包括一环形磁路295，该磁路295固定在主轴229上并带有一永久磁铁297，一可磁化的封闭磁轭299及环形间隙301。在该环形间隙301中，有一固定在所述承载体273上的电磁线圈303。当该主轴229平行于z方向移动时，借助于间隙301内的磁场在速度传感器293的线圈303中产生感应电流，该感应电流正比于主轴229平行于z向的速度。因此，速度传感器293的输出信号U_vv与主轴229的所述速度相对应。如图8所示，机床227的控制器265包括一个带有第一电输307及第二电输入309的控制件305，该第一电输307用于接收速度传感器293的输出信号U_vv，该第二电输 309用于接收加法电路191的输出信号U_z＋δ_z。该控制件305具有一个用以提供输出电信号U_D＝C₁×U_z＋δ_z＋C₂×U_vv＝C₁×U_z＋δ_z＋C_z×U_′zz的电输出311，其中U_′zz＝δU_zz/δt。如图8所示，该信号U_D加到放大器193上。由于采用控制件305，电磁致动器243不但可施加一个为达到理想的z向位置所必要的力而且还能在主轴229上产生一阻尼力，使得由控制器265可获得主轴229的z向位置的稳定控制。该电磁致动器243为主轴229在平行于z向上提供特别精确的支承及定位。致动器243的轴向刚度特别大。此外，所谓的主轴229旋转误差，即由切削力以及致动器243绕旋转轴线231旋转产生的轴向力引起的主轴229的意外轴向移动小得可忽略不计。因此，机床227总是适于制造其精度在亚微米范围的产品或者适合于制造光学品质的表面。当机床227例如用于制造图4a所示的散光接触透镜203时，可得到接触透镜203的光学表面品质，因此，不需要后续处理，从而该接触透镜203的加工工艺得到简化。

应注意到，除具有由流体静压轴承39、241支承的空心轴37、339的主轴27、229外，另外类型的主轴也可用于机床1、227中，诸如也可用实心主轴或具有两个由一连接杆连接起来的支承部件的主轴。除径向流体静压轴承39、241外，例如也还可使用动压槽支承或电磁支承。本发明也可用于带有由径向球轴承支承的主轴的机床。然而，带有这种主轴的机床的轴向行程是有限的，因此只有有限数目的不同基面能由这一机床加工出来。本发明同样可用于带有轴向球轴承或轴向动压槽支承的机床。然而，这种支承的刚度相对很低，同时轴向球轴承的旋转精度是受限制的。

应进一步注意到除驱动单元55或电磁致动器243外，其它替换型的致动器也可用于使主轴27、229沿平行z向移动。当机床1、27用于制造工件而该工件只要有有限的行程，例如在制造动压槽支承的支承表面时，例如可以采用压电致动器。

应进一步注意到，除上文讨论过的控制器123和265外，可替代采用不同类型的另外的控制器。例如，除采用数控单元125和处理器165外，可替换采用微机控制来加工基面及非旋转对称的校正。然而，利用常规的数控单元125与处理器165相结合，该机床1、227可由数控单元125按公知的和常规的方式控制，用于进行常规的旋转对称加工；理想的旋转对称的基面的加工，利用数字关系，以特定方式按程序加工；而利用处理器165进行非旋转对称加工则能快速且有效地计算出基面的非旋转对称的校正成为可能。此外，控制器123正如控制器265一样可设置主轴27平行于z向运动的速度的反馈装置。此外，该控制器123和265可设置刀架9平行于x方向运动速度的反馈装置。

在上述的机床1、227中，所述的工件35、237的示例是一散光接触透镜，其基面为球形的；对于动压槽支承的支承面，其基面为平面。最后应注意到，用本发明的机床1、227并由本发明的方法还可加工出不同形状的基面，例如椭球的或在非球面曲线透镜情况下的其它非球状外形的基面，或者在所谓的菲涅尔透镜情况下具有锯齿外形的基面。本发明的机床1、227及本发明的方法除可采用上述的校正如装饰性的校正外也可以采用非旋转对称的校正。

Claims

1.一种具有一平行于z向延伸的主轴及一个可相对该主轴运动的刀具夹持器的机床，该主轴可绕平行于z向的旋转轴线旋转并带有一工件夹持器，而该刀具夹持器的移动至少具有一个平行于垂直于z向的x向的分量，并且该主轴和刀具夹持器可平行于z向相互移动，作为主轴转角的函数，所以给工件提供一个相对于该工件的轴线为非旋转对称的表面，该工件的轴线与旋转轴线重合，其特征在于：该主轴和刀具夹持器可平行于z向相互移动，此时主轴只平行于z向移动。

2.一种如权利要求1所述的机床，其特征在于：该主轴为一空心轴，其由径向流体轴承垂直于z向支承，该流体轴承由该空心轴的圆柱外壁形成边界。

3.一种如权利要求1或2所述的机床，其特征在于：该主轴由具有两个相配合的支承面的轴向流体轴承沿平行于z向支承，上述两支承面垂直于z向延伸，其中第一个支承面与主轴连接，而第二个支承面与一致动器相连，借助于该致动器主轴可平行于z向移动。

4.一种如权利要求1或2所述的机床，其特征在于：该主轴只由一个电磁致动器支承并可平行于z向移动，该致动器具有一紧固在该主轴上的永久磁铁及一紧固在该机床机体上的电磁线圈。

5.一种如前述任一权利要求所述的机床，其特征在于：该机床包括一控制器，其具有用于提供对应于刀具的理想x向位置的第一输出电信号和对应于主轴的z向位置的第二输出电信号的一个控制单元，该主轴的z向位置由该控制单元根据数学算法按刀具的x向位置的函数关系计算得出，所以可为该工件提供一相对该工件的轴线是旋转对称的理想基面，同时该控制器还设有一个用于提供对应于该主轴的z向位置的校正的输出电信号的处理器，该校正以表格形式储存于该处理器中，作为刀具的x向位置及主轴的转角的函数，因此可为该工件在其基面上提供一个相对于该工件的轴线为非旋转对称的理想校正，并且该控制器还设有一个用于提供输出电信号的电子加法电路，该输出电信号为该控制单元的第二输出信号和该处理器的输出信号之和。

6.一种如权利要求5所述的机床，其特征在于：该主轴的转角作为处理器确定该主轴z向位置的校正的函数是所测得的主轴转角与由处理器按主轴转速的函数关系计算出的转角校正的和。

7.一种适合用于如权利要求5或6所述机床中的控制器。

8.一种加工方法，用该方法可将工件加工出一相对该工件的轴线为非旋转对称的表面，该工件装在平行于z向延伸的主轴上，该主轴绕平行于z向并与该工件的轴线重合的旋转轴线旋转，因此刀具相对于该工件在这样的方向移动，即其至少具有一个平行于与z方向垂直的x方向的分量，并且该主轴和刀具沿平行于z方向可相互移动，作为主轴转角的函数，其特征在于：该主轴的刀具平行于z向相互移动，此时主轴只平行于z向移动。

9.一种如权利要求8所述的方法，其特征在于：该主轴的理想z向位置是通过根据数学算法按刀具的x向位置的函数算出的z向位置的相加而算得的，因此该工件提供有一个相对于该工件的轴线为旋转对称的理想基面及一个以表格形式存储并作为刀具的x向位置及主轴的转角的函数的z向位置校正，所以给该基面提供一个相对于该工件的轴线为非旋转对称的理想校正。