CN1857861B - 制造特定眼镜镜片的超精密车床的刀具的自动校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种制造特定的眼镜镜片(L)的一超精密车床(10)中至少一把刀具(36)的自动校准方法，在该方法中用刀具切割特定、几何形状预定的试验片，然后对其进行探测以得到探测数据。该方法随后使用探测数据来用数学方法确切地确定分别沿车床的两个方向(X、Y)和三个方向(X、Y、Z)所必需的刀具/车床修正量。最后，通过数字将这些修正量施加于车床的所有可控制和/或可调节轴线(B、F1、X、Y)上，以实现可应用于车床工作范围内的所有工件的综合性刀具/车床校准。结果，可以可靠和经济的方式分别进行二维(2D)刀具/车床校准和三维(3D)刀具/车床校准。

Description

制造特定眼镜镜片的超精密车床的刀具的自动校准方法

技术领域

本发明涉及一种用来自动校准制造特定眼镜镜片的金刚石刀具超精密加工车床(single point(diamond)turning machine)(SPDT车床)的刀具的方法。这样的车床在例如同一发明人的WO-A-02/06005的文件中有所揭示。

SDPT是用来制造非旋转对称表面的众所周知的方法，该非旋转对称表面通常用于眼镜镜片。该表面通常为复曲面或圆环面形状，或为完全任意的形状，比如应用在累进添加镜片(PAL)中的。这些SPDT机床所遇到的一个共同的问题是在镜片的旋转中心的较小但不可接受的误差。这些误差通常是由校准误差引起的，造成刀具不能在离开旋转中心的可接受的公差内完全达到或停止。

背景技术

在已有技术中并不缺乏针对如何实现刀具/机床的对准的尝试。在第一个很常用的方法中，通过在试验部件上划线同时防止试验部件旋转来进行刀具高度的中心对准(Z向)。通常划两条线，第一条位于给定的角位置(B角)，而第二条位与从第一B角呈180度的第二固定角位置。两条线之间的距离用光学显微镜以适当的放大倍数和测量分度测量。然后手工对刀具高度调节所测量的两条线之间的距离的一半，并重复该工艺直到在两条线之间观察不到间隔为止。最后，切割试验镜片并用光学显微镜检查中心。在这个阶段可以对最终的校准进行小幅度调节。

该第一个方法的缺点在于精确度和可重复性是可变的，且速度较低且不可预测。整个工艺的速度和成功通常取决于操作人员的经验和技术。另外，这只是刀具高度的校准。该方法并不适于识别刀具尖端的中心和/或半径。这需要用不同的方法来完成。同样，该第一种方法的另一个问题是有可能在工艺的划线部分中损坏刀具。最后，这只是部分的刀具校准，只提供Z向高度的校准，还需要用光学显微镜进行最终试验片检验/调节。

在美国新罕布什尔州Keene的Precitech公司的《

系列操作人员手册》中所揭示的第二种方法使用一种专用的相机，该相机精确地相对于车床转轴定位。相机的光轴大致与Z轴平行。相机沿所有三个方向(X、Y和Z)相对于车床转轴(车床头座)安装在一个已知且可重复的位置上，通常利用一运动耦合界面，从而可快速地将相机插入车床和从车床上拆除。相机的光学器件通常采用很短的聚焦景深，而该焦平面位置需要预先调节并固定以与转轴的旋转轴线(Z向高度)完全一致。相机的图像电子显示于一计算机监视器或其它适当的输出装置，从而可由操作人员察看。调节并固定相机光学器件，从而利用相机的焦点(在刀具的前刀面上)来调节刀具相对于旋转轴线的Z向高度。刀具高度由操作人员通过转动和调节螺丝手工调节，直到刀具进入焦点为止。这提供了初步的工具高度(Z)校准。这时。操作人员可用X、Y向的微动可能性相对于图像移动刀具，并通过视觉将刀刃上的三个不同的点对准成像系统的十字准线。这些点由计算机系统的数值获取，并用于计算与刀具的切割刃相应的最适合的圆。

由焦点得到的刀具高度只是初步高度(Z)调节。作为获得较好的刀具高度校准的最终步骤，切割一旋转对称的试验片，且由操作人员用光学显微镜察看其中心。根据在该试验片上所观察到的，对刀具的高度进行相应的调节。这个最终切割和观察试验片的工艺一般需要重复进行，直到操作人员对取得的较好的校准满意为止。

该方法的缺点在于速度方面的问题以及需要操作人员介入。还有，除非以亚微米的精度得到数百个沿刀刃的点，该方法无法自动校准刀具尖端的圆环误差。标准的操作通常要购买较昂贵的“波动受控”刀具，即与最好的拟合圆的偏离较低的十分精确的刀具。

该方法的另一个问题是在刀具尖端具有“钝刀刃”的时候发现的。钝刀刃刀具用在某些类型的材料对高负前角情况反响较好的特定情况中。在这些情况中，一般用略微倾斜或呈圆角的刀刃进行处理，从而刀具尖端的实际切割点可在刀具的前刀面的较多微米以下。在此情况下，用前刀面上的焦点来测量刀具的高度并不能适当地分辨刀具切割的真实点的高度，在该刀刃上进行精确地定焦十分困难。

另外，第二种方法只是部分地校准，因为它不能校准圆环误差，且需要用光学显微镜进行最终的试验片检验/调节。

其它基于光学的用来进行刀具/车床校准的方法和设备在文件US-A-5825 107和US-A-4 656 896中有所描述。然而，这些方法具有与上述相同的缺点。

第三种方法使用接触探针以沿不同的方向探测刀具，该刀具可在车床上或不在车床上。该方法的机制和变型在不同的文件中有所描述，包括US-A-5 035 554、US-A-4 417 490、US-A-4 083 272和US-A-4 016 784。这些方法中没有一个用来沿径向或圆环校准刀具尖端。此外，与第二种方法相同，如果刀具具有钝刀刃的话，由于只机械探测前刀面，因此无法精确地确定刀具的高度。

可用于上述所有方法的是一种通常用来提高紧密光学表面的形成精度的工艺。该方法在关于美国新罕布什尔州Keene的Moore Nano-technologySystem，LLc的“工件测量和误差补偿系统(WECS^TM)”以及还是来自美国新罕布什尔州Keene的Precitech Inc.的“ULTRACOMP^TM形式测量和误差补偿系统”的文献中有所描述。该技术通常是“部分依赖”的误差测量和补偿工艺，并一次只能用于一个部件的几何形状上。这样，这就意味着在将部件切割之后，在该部件上测量误差，然后在重新切割部件时应用误差补偿。如果切割具有不同几何形状的不同部件时，为该新的部件重复整个工艺。这意味着这并不是一个可用于任何几何形状的通用的车床校准方法，而是针对特定的几何形状的。

该工艺所具有的缺点在于应用时速度较慢且费时间，这是因为它需要对每个所要切割的部件的几何形状进行重复。另外，该方法只是测定在中心的一侧的误差，这意味着该方法并不考虑有可能切割带有棱镜的部件，即具有相对于旋转轴线倾斜的表面的部件。第三，这不是一种可以自己达到包括Z向高度误差在内的刀具/车床的大致对准的校准方法。该车床需要在进行该方法之前预先精确地对准中心并切割。

总而言之，本领域的现状使用的方法是基于手工、依赖操作人员的工艺，并由此易于产生误差，只能用于部分校准刀具并且/或者其执行和实施速度慢。

因此，本发明的目的是提供一种自动校准用于制造特定的眼镜镜片的超精密车床中的一个或多个刀具的方法，通过该方法可以可靠而经济地分别进行二维刀具/车床校准和三维刀具/车床校准。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种制造特定的眼镜镜片的一超精密车床中至少一把刀具的自动校准方法，其中在具有三维形状并相对于车床的宽度(X)、长度(Y)和高度(Z)方向定位的刀具上形成有一切割刃，该方法包括以下顺序的步骤：

(i)用刀具切割绕几何形状加工旋转轴线呈旋转对称的一试验片，该试验片需要与切割刃呈正、负刀具接触角；

(ii)在要求有正、负刀具接触角的诸点上探测试验片的切割几何形状以得到探测数据，并保存探测数据；

(iii)就所切割的几何形状沿宽度(X)和长度(Y)方向相对于应该切割的几何形状的偏差而分析所述探测数据，以得到X误差和Y误差，并保存这些误差；以及

(iv)自动控制车床以纠正X误差和Y误差。

这样就可进行可靠和经济的二维(2D)刀具/车床校准。该方法的一个特别的优点在于：由于切割并探测试验片的几何形状，在对车床的校准中考虑到了切割刃中心两侧的切割刃的几何形状。如果要切割的(光学)表面在旋转中心处具有棱镜的话，这一点对于校准尤其重要，在这一情况中，切割刃在切割刃的两侧同时与所要切割的表面切割接合。

切割试验片的步骤可包括在试验片的表面切割圆形槽，作为方便简单的试验片几何形状。另外，探测试验片的切割几何形状的步骤可包括：沿从试验片的一侧开始一条直线获取探测数据，并向试验片的另一侧延伸，同时穿过或靠近加工旋转轴线的，以作为易于执行的探测工艺。当对试验片的切割几何形状进行探测时，探测数据较佳地以连续的方式获取，即首先将探针与试验片接触，然后用较小但持久的力保持探针与试验片的接触，同时相对于探针移动试验片，或者相反为之。

在考虑分析探测数据时，应该包括进行探测数据的最佳拟合分析以确定试验片几何形状的最佳拟合圆，而该几何形状应该是通过实际切割出的试验片几何形状而切割的，然后通过比较实际值和理论值来确定刀具的X偏离和Y偏离。在此情况下，控制车床的步骤较佳地包括用CNC控制车床的X和Y轴以纠正X误差和Y误差。

另外，分析探测数据的步骤可包括：进行探测数据的最佳拟合以确定通过切割刃一般的几何形状的最佳拟合形状，并确定沿长度(Y)方向相对于切割刃和试验片之间的刀具接触角的斜度的刀具波动误差，以补偿沿刀具尖端半径的偏离。在此情况下，控制车床的步骤较佳地包括确定所要切割的表面上每个给定点的刀具接触角，并通过分别增加和减少对应的工具接触角处沿长度方向的刀具波动误差来沿长度(Y)方向调节刀具。

根据本发明的另一个方面，提供了一种制造特定的眼镜镜片的一超精密车床中至少一把刀具的自动校准方法，其中在具有三维形状并相对于车床的宽度(X)、长度(Y)和高度(Z)方向定位的刀具上形成有一切割刃，该方法包括以下顺序的步骤：

(i)用刀具的切割刃切割绕几何形状加工旋转轴线呈旋转对称的一试验片；

(ii)至少在沿绕加工旋转轴线的旋转方向具有斜度的部分处探测试验片的切割几何形状以获取探测数据，并保存探测数据；

(iii)就所切割的几何形状沿宽度(X)、长度(Y)和高度(Z)方向相对于应该切割的几何形状的偏差而分析所述探测数据，以得到X误差、Y误差和Z误差，并保存这些误差；以及

(iv)自动控制车床以纠正X误差、Y误差和Z误差。

这样就可进行可靠和经济的三维(3D)刀具/车床校准。该方法的一个特别的优点在于：随着切割并探测试验片的几何形状，可以得到更多关于刀具对中心的对准，从而即使是Z向上的误差也可得到补偿。

在此情况下，切割试验片的步骤可包括切割沿试验片表面上X-Z平面中的两根轴线轴对称的几何形状。另外，探测所切割的试验片的几何形状可包括在离加工旋转轴线的一给定的径向距离处获取探测数据，同时绕加工旋转的轴线旋转试验片，较佳地转过360度的角度，从而作为易于实施的探测工艺。

另外，当探测试验片的切割几何形状时，探测数据较佳地以连续的方式获取。关于分析探测数据的步骤，Z误差较佳地以沿加工旋转的轴线的相位误差来确定。

在考虑到控制车床的步骤时，该车床可包括承载刀具装置并具有相对于车床的Y轴线倾斜的一快速刀具轴线的一快速(fast)刀具，该步骤较佳地包括用CNC控制快速刀具轴线(和/或Y轴线)以纠正Z误差，而不需要任何Z误差补偿的专用装置。

在两种情况中(2D和3D校准)，探测试验片的切割几何形状的步骤可最终包括用一机械探针探测试验片，该探针较佳地安装在车床上并可沿车床的长度(Y)方向进行测量。

附图说明

下面将在实施方式的优选例子的基础上结合附图对本发明进行详细描述，这些附图中：

图1示出了可进行根据本发明的刀具/车床对准的一超精密车床的示意立体图，该图具体示出了在整个说明书中所使用的轴线规定；

图2示出了用在根据图1的超精密车床上的一车刀的示意俯视图，该图是对实际尺寸的放大；

图3示出了对图2所示车刀的切割刃的放大俯视图，是根据图2中的细部III；

图4示出了图2所示车刀的示意侧视图，是从图2的下面看过去；

图5示出了图2所示车刀的示意正视图，是从图4的左面看过去；

图6示出了一超精密车床的工作转轴及其车刀的示意俯视图，其中一镜片(以截面的形式示出)以转动接合连接于工作转轴和车刀，以解释X方向的误差；

图7到9示出了根据图6的刀具尖端以及被切割镜片的表面的示意图，以说明沿X方向的误差；

图10示出了一超精密车床的工作转轴的及其车刀的示意侧视图，其中连接于工作转轴和车刀的镜片(以截面示出)显示为在切割的终点，以解释Z向的误差；

图11示出了根据图10的车刀以及切割镜片的表面的示意图，以说明沿Z向的误差；

图12示出了一车刀的切割刃的放大俯视图，是对实际尺寸的放大，以说明沿Y向的误差；

图13示出了车刀的刀具尖端和切割镜片的表面的示意图，以说明沿Y向的误差；

图14是示出了具有预定的几何形状的试验片的转动的概图，该转动作为沿X向和Y向的二维刀具校准的第一步；

图15是示出了对根据图14的试验片进行探测以测量从最佳形状偏离的概图，该测量作为沿X向和Y向的二维刀具校准的第二步；

图16是示出了如何对根据图15的对试验片的探测所得到的数据相对于沿X和Y向的校准误差进行分析的概图，该数据分析作为沿X向和Y向的二维刀具校准的第三步；

图17和18是从图14到16所示切割有圆形槽的试验片收集来的实际探测数据得到的曲线图，这些图说明了由于从刀具尖端的几何形状的最佳拟合圆偏离(刀具波动)而引起的Y向误差；

图19示出了具有旋转对称形状、可用作沿X、Y和Z向的三维刀具校准的试验片的一个例子的立体图；

图20示出了根据图19的试验片的侧视图；以及

图21和22是如图19和20所示试验片的几何形状在给定恒常半径ρ处Y曲线对B角的示意图，以说明沿Z向的误差是如何导致沿B轴的旋转(相位)误差的。

具体实施方式

图1示出了一CNC控制超精密车床10，尤其是用于对塑料眼镜镜片L进行加工的。超精密车床10具形成有加工区14的构架12。图1中，在加工区14的左边，水平延伸并互相平行的两条导轨16接在构架12的上表面上。通过所分配的CNC驱动器，X向车架18可沿X轴的两个方向水平位移且控制元件(未示出)可滑动地安装在两条导轨16上。水平延伸、互相平行并垂直于导轨16的另外两条导轨20连在X向车架18的上表面上。在横向滑动的平台上，可通过所指定的CNC驱动器而沿Y轴的两个方向位移的Y向车架22与控制元件(也没有示出)的配置可滑动地安装在另外的两根导轨20上。连在Y向车架22的下表面上的是工作转轴24，它可由一电动机26驱动以绕加工旋转轴线B旋转，转速和旋转角由CNC控制。加工旋转轴线B通常对准Y轴。为了加工眼镜镜片L上的规定表面，将夹在夹持片(未示出)上的镜片安装在延伸进加工区14的工作转轴24的端部，其安装方式是本领域中已知的，使该镜片可与工作转轴24同轴地旋转。最后，箭头标出的Z表示超精密车床10的高度方向，该方向与X轴和Y轴都垂直。

在图1中加工区14的右面，所谓的“快速刀具”装置28安装在构架12的上表面30上，该上表面相对于水平方向向加工区14倾斜。如从例如文件WO-A-02/06005中所知的，快速刀具装置28包括致动器32和往复装置34。往复装置34可由致动器32沿快速刀具轴线F1的两个方向移动，其行程由CNC控制(可添加其它的快速刀具轴线，但与本发明没有必然的联系，这些轴线称为F2、F3等，且通常平行于快速刀具轴线F1安装)。镜片车刀插入件36(通常为金刚石刀具)以本领域已知的方式固定于往复装置34。在这一情况中要提到的是每根快速刀具轴线上通常夹持有一个切割插入件，然而，如果快速刀具往复装置适于专用的双头插入件固定器，则可安装一个第二插入件。

图2到5进一步详细示出了镜片车刀插入件36。镜片车刀插入件36包括一基体30，该插入件可通过该基体可拆卸地固定于快速刀具装置28的往复装置34。一刀具或切割尖端40连接在基体38的上表面。刀具尖端40具有前刀面42和切割刃44，切割刃至少在理论上是圆形的，并且如早先所述那样可位于前刀面42(钝边缘)的下面。虽然切割刃44显示为具有圆形形状，但它也可为不同的可确定的几何形状。在图3中，标号46表示刀具尖端40的中部，即切割刃44的中部，而标号48表示刀具尖端40的半径，即切割刃44的半径。下面将切割刃44沿超精密车床10的坐标系统中的Z向的高度称为刀具高度50，如图4和5所示。

关于超精密车床10的结构，仍然要注意的是可在图1中的加工区14的右面设置机械探针(未示出)以探测加工片L。或者可以使用合适的光学探针。探针(机械的或光学的)应该可沿Y向测量。较佳地，它应该安装在F1轴线的旁边，并且通常应该使它的测量轴线平行于X-Y平面，或平行于X-F1平面。探针高度通常应该居中在X-B平面上，即居中于加工片的旋转中心处。或者，探针尖端可安装在F1或F2轴线之一上，以更加精确地安装在快速刀具装置28的往复装置34上，而这可作为机械探针。

本发明主要关注对的是相对于加工片L的旋转中心以及相对于加工片L的表面在旋转中心处的位置的刀具尖端40位置的校准。由于这是一个三维问题，该校准需要考虑并调节刀具尖端在所有三个维度上的误差。以下只是对误差以及该误差在三个方向X、Y和Z各自的影响的一个说明。

首先将结合图6到9解释X方向上的误差。基本上，X方向更一般地是指横向给进或螺旋给进的方向。对于一个给定的镜片L来说，一般将刀具尖端40放置成在镜片L的外径的外侧处的X位置开始，然后向着中心给进，直到它到达镜片L的旋转中心为止。这在图6中示出，其中标号52指刀具尖端40在开始切割时的位置，而标号54指刀具尖端40在切割结束时的位置。或者刀具尖端40的给进可在中心处开始并在镜片L的边缘处结束。

应该很清楚的是，刀具尖端40沿X向在镜片L的中心处的位置对于得到良好的镜片几何形状十分重要。这在图7和8中可以看得更清楚，其中，当认为刀具尖端40精确地位于x₀时，x₀表示实际的中心位置、即镜片L的旋转轴线，而d表示刀具尖端40的几何中心46和镜片旋转轴线(x₀)之间的差异(偏移误差)。图7示出了向左的偏移d，而图8示出了向右的偏移d。在这两种情况中，56处的实线代表精确对准时镜片L的理论表面、即x＝x₀，而58处的虚线代表在x＝x₀+d(图7)或x＝x₀-d(图8)的对准不好时的镜片L的实际表面。在60处也有在刀具尖端40通过中心的情况，在该情况中，材料被从切割刃44的相反侧推到刀具尖端40下面。

以上附图是以凹陷表面为代表，然而，对于突出表面也会发生类似的误差。为了清楚起见，将上述误差称为“第一级”误差。

当所切割的表面在旋转中心具有棱镜、即相对于旋转轴线倾斜的表面(部分)时，会发生由刀具沿X向的定位误差引起的另一种不同情况。将这称为“第二级”误差，并在图9中用图示来说明，其中理论上理想的刀具尖端和校准在62处示出(实线圆)，而由校准不好而引起的中心改变显示在64处(虚线圆)。另外，镜片L在旋转角为180度处的表面显示在66处，而镜片L在旋转角为0度处的表面显示在68处。虚线69代表刀具路径。粗的黑线现在代表镜片的最终表面，而细实线表示所希望的镜片L表面。

如从图9中变得明显的，刀具尖端40在0度旋转角处切割得比希望的要深，而在180度的旋转角处切割得比希望的要高。要注意在旋转中心处由于沿X向的偏移误差直接造成的中断70。

将结合图10和11解释Z向的误差。沿Z向通常可以看到两种类型的误差，第一种且最简单的一种是对中心的刀具高度误差。这只会在旋转中心处留下未切割(或部分切割)中心高点72。这可用图10所示的沿Y-Z平面的截面图容易地示出，注意，刀具尖端40的切割刃44可以相对于镜片L的旋转中心过高(镜片L在右面)或者过低(镜片在左面)(所显示的是极大地夸大了)。

另外，图10基本上示出的是所称的“第一级”误差，而在镜片L在旋转中心处具有棱镜时还会产生“第二级”误差，如图11所示，该误差将具有与结合图9所述的现象类似，但将会有沿B轴角的90度旋转。

在图11中，在74(实线)处示出了理论上理想的刀具和校准，而由于校准不好所引起的切割边缘44位置的改变在76(虚线)处示出。另外，镜片L在270度的旋转角处的表面显示在78处，而镜片在90度的旋转角处的表面显示在80处。虚线81代表刀具路径。另外，粗的黑线表示镜片L的最终表面，而细实线表示所要求的镜片L的表面。

如从图11中清楚看到的，车刀36在90度的旋转角处切割得比所希望的深，而在270度的旋转角处切割得比所希望的高。再一次要注意由沿Z向的偏移直接导致的在旋转中心处的中断82。

现在将结合图12和13解释沿Y向的误差。另外，在Y向中可以分出“第一级”和“第二级”误差。“第一级”误差将只是影响镜片L的厚度。而“第二级”误差是在将中心处的棱镜切割成表面时产生的。由于“第二级”误差的情况是来自其它的轴线方向的，这些误差通常大大小于它们相应的“第一级”误差。为了进一步说明这个问题，可以理解为从数个微米到超过100微米级别的较小厚度误差对镜片L的光学性能不会有显著的影响。从镜片L的实际外形和/或结构强度考虑，眼镜镜片的标准工业公差通常限制在+/-0.1mm(100微米)。然而对于+/-20屈光度间的总的镜片放大率来说，这一厚度变化量的改变所引起的镜片放大率的变化将小于0.01屈光度。

然而，当镜片L的中心有棱镜时，最终的表面会容易地在中心处具有因Y轴位置与正常位置的偏差所引起的较小、不可接受的误差。误差的一个明显来源来自刀具半径48(还是见图3)与最佳拟合圆的偏差。图12示出了刀具尖端40的边缘圆是如何会与最佳拟合圆(刀具波动)不同的，其中标号86表示从实际圆形的常见偏离，它通常很容易达到5微米以上。在这个方面，应该注意，出于清楚的原因而将误差放大显示，但通常的误差不超过数个微米。

刀具形状误差的影响最终显示在图13中，其中误差被极大地夸大了。在图13中，理论上理想的刀具(额定刀具直径)和校准在88处用实线表示。实际的刀具形状和实际的切割路径分别在90和91处用虚线表示。最终的表面由粗的黑线表示，而且还示出了在旋转中心的中断92。

以下将结合图14到18解释沿X和Y方向的二维(2D)工具校准的方法，通过该方法可纠正上述的X和Y向误差。

在二维校准的第一步中，切割图14所示的旋转对称试验片94。该试验片的具体特性是它同时需要正和负的刀具接触角(如图14所示的角θ)以生成试验片94的几何形状，从而刀具尖端40的切割刃44在刀具尖端46(见图3)的中心沿X向的两侧与试验片94切割接合。在图14所示的实施例中，将试验片94沿其表面切割预定的圆形槽96。所示的试验切割为绕加工旋转轴线B的旋转对称的。当用具有较佳的圆形刀具尖端40或几何形状已知并精确的刀具36来切割时，相对于通过旋转中心的径向轴线看过去，假设底部为圆形(复曲面)来切割槽96。

然后，如以横截面图来表示试验片94的图15所示，如以上所解释的，用可布置在车床10处的精度探针98来探测试验片94以测量切割表面的形状，然后保存探测数据。在图15中，带有球形探针尖端100的探针98用来测量试验片94的几何形状。尤其是测量槽96的几何形状。基本上，探针尖端100接触试验片94的表面，而在各个探测点上记录机械轴线的位置以给出关于该情况中的所探测表面的二维信息。

在此情况下，沿从试验片94的一侧开始的直线获取探测数据就足够了，并向试验片94的另一侧延伸、同时又通过(或靠近)旋转中心。这是在保持在加工旋转轴线B的位置并移动X轴线时进行的。通过这样做，就得到代表试验片的几何形状的探测数据，该几何形状不仅由沿X向的中心46的一侧上的切割刃44的区域切割，而且由沿X向的中心46的另一侧上的切割刃44的区域切割。虽然这也可以通过只探测试验片94的一侧、即图15中试验片94的中线右面一侧来达到，但试验片94的两侧都探测是较佳的，因为这可补偿在探针98位置处相对于加工旋转轴线B的误差。或者，可以先前所述来探测试验片94、即在试验片94的两侧进行探测，随后旋转180度，继续进行探测。该工艺将提供的优点是可以补偿由于试验片94相对于加工旋转轴线B的倾斜定位而引起的误差，当切割后将试验片94从车床10上拆下并在车床10以外进行探测的情况下会发生这样的定位。作为另一个替换方案，在螺旋探测路径之后可在X轴移动的过程中加上B轴运动。

在这一情况中还应该提到的是，一般来说，探测的较佳方法包括；首先使探针98与试验片94接触并用一个较小的恒常压靠力保持探针与试验片94的接触，然后移动一个或多个车床轴线以相对于探针98移动试验片94，从而连续探测试验片94。在这一工艺过程中可同时得到所有相关轴线的编码位置(使用硬件闭锁装置)。可在数秒中内得到数千个点，各个点同时由两根、三根或更多的轴线位置所组成。

可使用光学探针以非接触的方式完成上述的一个变型，这些光学探针为例如文件US-A-5785651所述的“远距离测量共焦显微镜”或法国的StilS.A.所售的“共焦彩色位移传感器”。

还可以以点为基础在一点上进行探测，其中机械探针与所要测量的试验片实际接触，而在探针接触所检测的试验片的时候同时获得所有相关轴线的位置(编码读数)。然后将探针从试验片的表面上提起，将轴线移开，并重复该工艺以获取新的探测点。从而一步一步地探测试验片。

关于图15仍要保持注意的是标号102表示在刀具接触角θ为0、即所切割的几何形状的斜度为0时切割底部(切割中心)的点。

在二维校准的下一个步骤中，关于沿X和Y轴的校准误差以及可选的关于切割刃44的形状误差、尤其是Y向误差(刀具半径偏离或刀具波动)分析所得到的探测数据。将在下面结合图16-18对其进行解释。

首先，将探测数据与图16所示的探测圆104、即通过所进行的探测点拟合的已知圆相拟合。然后，将探测圆104的圆心106与理想的探测圆110的圆心108相比较，而理想的圆110与假设校准理想的理论切割线112相拟合。理想的探测圆110具有与理论切割线112相同的圆心，且理想的探测圆110的半径是理论切割线112的半径减去球形探针尖端100的半径。探测圆104的圆心106相对于理想的探测圆110的圆心108的位置差异给出了沿X和Y向的校准误差。这些误差用图16中的X偏移和Y偏移表示。

在将探测圆104拟合之后，可以得到关于切割刃44的形状误差的其它信息。车刀插入件36(见图3)的半径48的误差给出了通过探测点的圆的半径误差。可从与最佳拟合圆84(见图12)的误差找到车刀插入件36的波动。

图17和18中所示的曲线图是由收集自切割有根据图14到16的圆形槽96的试验片94的实际探测数据得到的。在这些曲线图中，显示出探针98沿Y轴在最佳拟合圆104上方的高度w(mm)为从切割线102的中心的角度θ(度)的函数。其中图17代表通过探测图15所示试验片94的中线右侧的圆形槽96所得到的结果，图18代表通过探测图15所示试验片94的中线左侧的圆形槽96所得到的结果。从中心的右侧测量得到的与最佳拟合圆104的偏离以及与左侧的偏离在这两幅曲线图中很清楚。注意，这两幅图是镜像对称。这表示使用这一探测技术的测量重复性和精确性好。

在这一情况中要提到的是，探针98需要(并假设)精确的球形尖端100。在这里，十分精确、质量很好的探针尖端是可以购买到的，或者也可使用在随后用来探测一高精度试验球或其它合适的参考几何形状的并不昂贵的球形尖端。测量结果可随后用于纠正球形尖端的任何不精确。

在探测试验片94的过程中得到的数据可进一步用来进行最佳拟合分析，以确定通过一般的刀具尖端40几何形状的最佳拟合圆84(刀具尖端半径48与图12所示的圆的最佳拟合)，然后相对于刀具尖端40和试验片94之间的切角θ的斜度确定刀具波动误差、即刀具尖端半径48与最佳拟合圆84的偏离(参见图17和18)。

最后，将以上分析的结果存在适当的存储寄存器和/或数据文件中，并可使用这些数据以适当地控制超精密车床10的X和Y轴以纠正X和Y向误差，包括“第一级”误差和“第二级”误差。

为了更加精确，设置X和Y向偏移以纠正刀具46的中心到旋转中心(加工旋转B)的距离误差。为了纠正切割刃44的形状误差，首先确定每一个计算点的刀具尖端40的接触点处的角θ(所要切割的表面的斜度)。其次，对于每一个计算点，刀具沿Y向的高度由波动误差量来调节，根据在探测试验片94的过程中所得到的数据来确定该波动误差量。换句话说，通过确定在所要切割的(光学)表面上给定的一点处的理论刀具位置、计算在这一点处的切角θ、以及加上(或减去)刀具误差文件中与切角θ相对应的实际刀具尖端40与最佳拟合圆84的尖端半径的偏离可以纠正刀具尖端(Y向高度)误差。

类似地，作为第一步工具校准，可以得到两个不同的校准部分。第一个是相对于X和Y轴的刀具校准、即刀具的中心46与加工旋转中心(加工旋转轴线B)之间的关系，而第二个是关于刀具尖端半径相对于刀具圆形的偏离的测量/校准。简而言之，为了达到这些校准，需要进行以下的步骤：

-切割要求有正和负的刀具接触角θ的旋转对称几何形状的试验片94(图14)。

-探测上述试验片94的几何形状并保存所得到的探测数据(图15)。

-进行对探测数据的最佳拟合分析以通过实际几何形状确定最佳拟合理论试验片几何形状112的最佳拟合(图16)。

-通过比较实际值和理论值来确定X偏移；通过比较实际值和理论值来确定Y偏移。

-进行探测数据的最佳拟合分析以确定经过总的刀具尖端40几何形状的最佳拟合圆84(刀具尖端与圆的最佳拟合)。

-分析探测数据以确定沿Y向相对于刀具尖端40和试验片94之间的切角θ的斜度的刀具波动误差(结果与图17和18类似)。

-将以上分析的结果保存在适当的存储寄存器和/或数据文件中。

-通过适当地控制车床的X和Y轴来使用结果以纠正X和Y误差。

此时注意到，上述二维校准并不纠正Z轴误差。该算法假设已预先将Z向刀具高度对准中心。以下的三维(3D)校准包括Z向高度校准。

通过切割更加复杂的试验片可以得到更加多的关于刀具与中心校准的信息。在这一情况中，如果切割并探测旋转对称的试验片，则可得到关于所有三个维度、即X、Y和Z的校准误差信息。这里的重要方面是可以得到附加的Z向校准。

图19和20示出了具有旋转对称形状并可用于提供完全的三维误差测量的试验片114。图19和20所示的表面沿两根水平轴轴向对称，然而人们可以设想可用来达到类似结果的一非轴向对称的表面，例如“螺杆”或“腊肠”形，或者相反，诸如相对于加工旋转轴线倾斜的平面、沿一根水平轴线轴向对称的表面，该表面与诸如图14中的旋转对称表面之类的不同表面结合使用，以达到相同的效果。

图19和20中所示的表面可由以下等式表示：

Y＝f(B，ρ)＝h·(1+sin[a·(ρ-ρ₀)])·(1+sin[nB])

用于： $(\frac{-\mathrm{\π}}{2a}+{\mathrm{\ρ}}_0)\≤\mathrm{\ρ}\≤(\frac{3\mathrm{\π}}{2a}+{\mathrm{\ρ}}_0)$

其它地方：Y＝0

其中：a是控制突起116沿径向(ρ)的宽度的常数；

h是控制在表面上方的部件的高度的常数；

ρ是离开旋转中心的径向距离；

B是绕旋转轴线的角度；以及

n是突起116的数量(整数；在所示情况中是n＝2)。

从图20所示试验片114的非旋转对称表面的侧视图可以清楚地看到沿Z向的误差(沿刀具高度校准的“Z误差”)将如何导致沿B轴的旋转(相位)误差。在图20中，理论理想对准的车刀36用实线来表示，而由于沿Z向的校准不好导致的车刀偏移由虚线表示。

图21为对于图19和20所示的几何形状在给定的恒常半径ρ处的无误差的Y曲线对B角关系的图，而图22示出了在绕加工旋转轴线B旋转试验片114的同时对具有给定的恒常半径ρ的该几何形状的探测。对试验片114探测一个较短的部分、例如10度就足以得到Z向校准所需的探测数据，在理论上，如果在一个斜度上对表面进行探测，则即使探测一点也可做到这一点。然而，在试验片114绕加工旋转轴线B完全绕一周的同时对它进行探测，较佳的是能得到更多的数据，从而可确认探测的结果。另外，图22中的虚线指带有“Z向误差”的形状，而实线代表理论上理想的形状，B_pe(弧度)表示等于由ρ所分割的根据图20的“Z向误差”的相位误差，即

ΔZ＝ρ·B_pe

现在可以两步或一步进行三维拟合，如在以下所解释的。

当考虑以两步进行的三维拟合时，如果首先发现要解决二维的问题，则三维的解决方案可独立地适用于二维解决方案。在此情况下，可将该解决方案的同样的公式限定在二维情况中，而在用于三维的解决方案的分开的步骤中，探测数据不同。为了达到这一校准，需要进行以下步骤：

-切割具有适当的、旋转对称的几何形状的试验片114。

-沿通过试验几何形状的高点、例如沿图19中B＝90度的直线探测试验片114并保存探测数据。

-分析探测数据以确定：(i)刀具尖端40的整体形状(最佳拟合刀具尖端半径)；(ii)从最佳拟合刀具尖端半径到镜片旋转中心(沿X向)的距离；以及(iii)相对于车刀36和试验片114之间的切角θ的Y误差(结果类似于图17和18)。

-在旋转试验片114同时对其进行探测，即在固定的半径ρ出该形状的整个高点(突起116)上探测，并保存探测数据。

-分析探测数据以确定切割边缘44到加工旋转轴线B的中心的Z向距离。

-保存以上分析的结果。

可以使用平方或其它数学拟合算法来进行单步三维拟合。有可能利用例如最小平方拟合程序来拟合表示刀具位置和半径的参数。一个典型的方法是对探测数据Y使用一公式，将Y写成表面的加工位置和校准参数的函数：

Y_calc＝F(Xi，Bi，ΔX，ΔY，ΔZ，Δr)

其中：Y_calc是计算得到的探测值

Xi是在探针i处的X轴位置

Bi是在探针i处的B轴位置

ΔX是X校准误差

ΔY是Y校准误差

ΔZ是Z校准误差

Δr是刀具尖端半径误差

然后，最小平方程序(或其它误差最小化算法)将找出拟合参数的值(ΔX、ΔY、ΔZ、Δr的最佳值)，以给出以下公式表示的最小误差Q：

$Q=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{[Y_i-Y_{\mathrm{calc}}]}^2$

为了完成这一估算，应该在整个表面上获取探测值，比如螺旋方式的探测。

可用W对θ的函数来构建刀具波动的模型；其中θ是在刀具尖端40处的接触角(见图14)，而“W”是如图17和18所示的与最佳拟合圆104的偏离。该函数可以是一个幂级数：

W＝k₀+k₁θ+k₂θ²+…+k_nθⁿ

或者是一组点(W，θ)。可在其它的参数进行拟合后通过将函数对图17或18之一所示的误差进行拟合后得到校正值。

有可能包括表示刀具尖端40的函数而不是在最小平方拟合后找出刀具尖端40的波动。幂级数的系数或拟合中的点将作为最小平方的输出量而不是第二过程的输出量。

简而言之，如下使用上述拟合的结果：

-以ΔZ来调节车床，从而将在中心切割。

-将ΔX和ΔY包括在切割路径的计算中。

-为每个计算点确认刀具36处的接触点的角θ(工件表面的斜度)。

-对于每个计算点，调节刀具36的高度(沿Y向)，调节量为在对试验片114的探测过程中测量到的误差量(即W对θ)。调节量通过幂级数或点之间的插入法得到。

在要考虑对超精密车床10的Z校准误差的调节时，则仍旧要注意的是这可通过使用图1所示CNC控制快速刀具装置28的F1轴线来容易地进行。由于快速刀具装置28安装在构架12的倾斜面30上，快速刀具装置28的轴线F1和工作转轴24的轴线Y(水平轴线)互相倾斜，因此当驱动转动刀具36以沿F 1方向移动时，它还相对于镜片L沿Z向运动。

最后应该注意的是，虽然将快速刀具装置28描述成线性快速刀具装置28，但对于熟悉本领域技术的人员来说，所希望对刀具进行的二维和三维校准也可以与标准(“慢速”)转动刀具或旋转快速刀具装置相联系地进行，例如可从文件WO-A-99/33611中得知的。另外，除了上述刀具装置以外，所要校准的车床还可具有一个或多个额外的刀具装置，例如从以下选出的刀具：车刀装置、铣刀装置、磨刀装置等。

这里提出了一种在用来制造特定的眼镜镜片的超精密车床中自动校准至少一件刀具的方法，该方法中，用刀具切割一特定、形状预定的试验片，然后进行探测以得到探测数据。该方法随后利用探测数据来通过数学方法分别确定对车床沿两个方向(X、Y)和三个方向(X、Y、Z)所必需的刀具/车床修正量。最后，通过数字将这些修正量施加于车床的所有可控制和/或可调节轴线(B、F1、X、Y)上，以实现可应用于在车床操作范围内的所有工件的综合性刀具/车床校准。结果，可以可靠和经济的方式分别进行二维(2D)刀具/车床校准和三维(3D)刀具/车床校准。

标号列表

10超精密车床

12构架

14加工区

16导轨

18X向车架

20导轨

22Y向车架

24工作转轴

26电动机

28快速刀具装置

30倾斜表面

32致动器

34往复装置

36镜片车刀插入件

38基体

40刀具尖端

42前刀面

44切割刃

46刀具尖端中心

48刀具尖端半径

50刀具高度

52切割起点

54切割终点

56理想校准的理论表面

58校准不好的实际表面

60材料受到刀具的力的情况

62理论上理想的刀具和校准

64由校准不好引起的中心移位

66在180度旋转角处的表面

68在零度旋转角处的表面

69刀具路径

70在中心处的中断

72中心高点

74理论上理想的刀具和校准

76由校准不好引起的刀刃位置移位

78在270度旋转角处的表面

80在90度旋转角处的表面

81刀具路径

82在中心处的中断

84最佳拟合圆

86与实际圆形的偏离

88理论上理想的刀具和校准

90实际刀具形状

91实际切割路径

92在中心处的中断

94试验片

96槽

98探针

100探针尖端

102试验片在刀具接触角为零处的点

104探测圆

106圆心

108圆心

110理想的探测圆

112理论切割线

114试验片

116突起

θ刀具接触角

ρ离开旋转中心的径向距离

d 偏移误差

x₀镜片旋转轴线限定的中心

L 眼镜镜片

B 加工旋转轴线

B_pe 相位误差

X  工作直线轴线

Y  工作直线轴线

Z  高度方向

F1快速刀具轴线

Claims (15)

1.一种制造特定的眼镜镜片(L)的一超精密车床(10)中的至少一把刀具(36)的校准方法，其中在具有三维形状并相对于所述车床(10)的宽度(X)、长度(Y)和高度(Z)方向定位的所述刀具(36)上形成有一切割刃(44)，其特征在于，所述方法包括以下顺序的步骤：

(i)用所述刀具(36)切割几何形状绕一加工旋转轴线(B)呈旋转对称的一试验片(94)，该试验片需要与所述切割刃(44)呈正、负刀具接触角(θ)；

(ii)在要求有正、负刀具接触角(θ)的诸点上探测所述试验片(94)的切割几何形状以得到探测数据，并保存所述探测数据；

(iii)就所切割的几何形状沿宽度(X)和长度(Y)方向相对于应该切割的几何形状的偏差而分析所述探测数据，以得到X误差和Y误差，并保存所述误差；以及

(iv)自动控制所述车床(10)以纠正所述X误差和Y误差。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，切割所述试验片(94)的步骤包括在所述试验片(94)的表面切割一圆形槽(96)。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，探测所述试验片(94)的切割几何形状的步骤包括：沿从所述试验片(94)的一侧开始的一条直线获取探测数，并向所述试验片(94)的另一侧延伸，同时穿过或靠近所述加工旋转轴线(B)。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，探测所述试验片(94)的切割几何形状的步骤包括以连续的方式获取探测数据。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，分析所述探测数据的步骤包括：进行所述探测数据的最佳拟合分析以确定试验片(94)几何形状的最佳拟合圆，该几何形状应该是通过实际切割的试验片(94)几何形状而切割出的，以及通过比较实际值和理论值来确定所述刀具(36)的X偏离和Y偏离。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，控制所述车床(10)的步骤包括用CNC控制所述车床(10)的X和Y轴以纠正X误差和Y误差。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，分析所述探测数据的步骤包括：进行探测数据的最佳拟合以确定通过所述切割刃(44)一般的几何形状的最佳拟合形状(84)，以及确定沿长度(Y)方向相对于所述切割刃(44)和所述试验片(94)之间的刀具接触角(θ)的斜度的刀具(36)波动误差。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，控制所述车床(10)的步骤包括：确定所要切割的表面上每个给定点的刀具接触角(θ)，以及通过分别增加和减少对应的工具接触角(θ)处沿长度(Y)方向的刀具(36)波动误差来沿长度(Y)方向调节所述刀具(36)。

9.一种制造特定的眼镜镜片(L)的一超精密车床(10)中至少一把刀具(36)的校准方法，其中在具有三维形状并相对于所述车床(10)的宽度(X)、长度(Y)和高度(Z)方向定位的所述刀具(36)上形成有一切割刃(44)，其特征在于，所述方法包括以下顺序的步骤：

(i)用所述刀具(36)的所述切割刃(44)切割几何形状绕一加工旋转轴线(B)呈旋转对称的一试验片(114)；

(ii)至少在沿绕所述加工旋转轴线(B)的旋转方向具有斜度的部分处探测所述试验片(114)的切割几何形状以获取探测数据，并保存所述探测数据；

(iii)就所切割的几何形状沿宽度(X)、长度(Y)和高度(Z)方向相对于应该切割的几何形状的偏差而分析所述探测数据，以得到X误差、Y误差和Z误差，并保存所述误差；以及

(iv)自动控制所述车床(10)以纠正X误差、Y误差和Z误差。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，切割所述试验片(114)的步骤包括切割沿所述试验片(114)表面上X-Z平面中的两根轴线轴对称的几何形状。

11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，探测所述试验片(114)的所切割的几何形状的步骤包括在离加工旋转轴线(B)的一给定的径向距离(ρ)处获取探测数据，同时绕加工旋转的轴线(B)旋转所述试验片(114)。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，探测所述试验片(114)的切割几何形状的步骤包括以连续的方式获取探测数据。

13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，分析所述探测数据的步骤包括以沿加工旋转的轴线(B)的一相位误差(B_pe)来确定Z误差。

14.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述车床(10)包括承载所述刀具(36)并具有相对于所述车床(10)的Y轴线倾斜的一快速刀具轴线(F1)的一快速刀具装置(28)，其中，控制所述车床(10)的步骤包括用CNC控制所述快速刀具轴线(F1)以纠正Z误差。

15.如权利要求9所述的方法，其特征在于，探测所述试验片(114)的切割几何形状的步骤包括用一机械探针(98)探测试验片，该探针能沿所述车床(10)的长度(Y)方向进行测量。

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