DE102010042749A1

DE102010042749A1 - Präzisionsspanwerkzeug mit mehreren Schneidplatten sowie Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung und/oder Justierung eines entsprechenden Präzisionsspanwerkzeuges

Info

Publication number: DE102010042749A1
Application number: DE102010042749A
Authority: DE
Inventors: Nils Haverkamp; Heiko Siekmann; Jorge Magano; Sascha Gentner
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2011-06-16

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Präzisionsspanwerkzeug (1) mit mehreren Schneidplatten (2 bis 9) zum spanenden Bearbeiten von Werkstücken, wobei die Schneidplatten verteilt am Umfang einer Bearbeitungsscheibe angeordnet sind und die Schneidplatten so auf der Bearbeitungsscheibe gelagert sind, dass sie in ihrer Position einzeln in mindestens zwei Freiheitsgraden verstellbar sind. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bearbeitung eines optischen Elements, bei welchem ein entsprechendes Präzisionsspanwerkzeug eingesetzt wird, sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Justierung und/oder Vermessung eines entsprechenden Präzisionsspanwerkzeugs.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Präzisionsspanwerkzeug mit mehreren Schneidplatten sowie ein Verfahren, bei dem ein entsprechendes Präzisionsspanwerkzeug zur Bearbeitung von optischen Elementen eingesetzt wird. Außerdem bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung und/oder Justierung eines entsprechenden Präzisionsspanwerkzeugs.
STAND DER TECHNIK
Bei der Herstellung von optischen Systemen, insbesondere optischen Systemen, die in der Mikrolithographie eingesetzt werden, müssen die Oberflächen der optischen Komponenten äußerst exakt und präzise bearbeitet werden. Um entsprechend genau definierte Oberflächen zu erhalten, müssen Werkzeuge eingesetzt werden, die ebenfalls hohen Anforderungen an die Präzision und Genauigkeit genügen müssen. Obwohl derartige Werkzeuge bereits im Einsatz sind, gibt es Verbesserungspotential, um Werkstücke exakter bearbeiten zu können.
So ist es bekannt, dass bei der Ultra-Präzisionsbearbeitung von Werkstücken, beispielsweise zur Erzeugung von optischen Oberflächen mittels zerspanender Bearbeitung, der Verschleiß der eingesetzten Werkzeuge zu einer Beeinflussung der Genauigkeit der bearbeiteten Oberflächen führen kann. Entsprechend ist es erstrebenswert den Verschleiß der Bearbeitungswerkzeuge zu verringern, um Oberflächen vollständig mit gleich bleibender Qualität bearbeiten zu können.
Darüber hinaus ist es erstrebenswert, komplexe Schneidgeometrien zu verwirklichen, um komplexe Oberflächengeometrien herstellen zu können.
Ferner liegt Verbesserungspotential in der Steigerung der Bearbeitungsgeschwindigkeit, da die maximale Bearbeitungsgeschwindigkeit häufig durch den maximal möglichen Aushub pro Werkzeugeingriff begrenzt ist.
Darüber hinaus müssen derartige Präzisionswerkzeuge exakt vermessen und eingestellt werden, um die gewünschten Bearbeitungsgenauigkeiten zu erzielen. Auch hier gibt es Verbesserungspotential, da die herkömmlichen Lösungen zu stark durch externe Einflüsse beeinflusst werden, wie beispielsweise Abhängigkeiten auf Grund der Durchführung der Messungen von verschiedenen Personen. In diesen Fällen sind somit kaum reproduzierbare Ergebnisse erzielbar, was die Qualität der mit derartigen Werkzeugen bearbeiteten Oberflächen beeinträchtigen kann. Außerdem ist die Vermessung und/oder Justierung entsprechender Ultra-Präzisionswerkzeuge häufig sehr aufwändig, was ebenfalls Verbesserungspotential bietet.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Präzisionsspanwerkzeug zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere optischen Elementen, sowie ein Verfahren hierzu bereitzustellen, welches insbesondere den schädlichen Einfluss des Werkzeugverschleißes auf die Bearbeitungsgenauigkeit vermindert oder vermeidet und eine Steigerung der Bearbeitungsgeschwindigkeit sowie die Erzeugung komplexer Schneidkantengeometrien bzw. Oberflächengeometrien der bearbeiteten Werkstücke ermöglicht. Außerdem soll das Präzisionsspanwerkzeug in einfacher und effektiver Weise vermessbar und/oder justierbar sein.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Präzisionsspanwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einem Verfahren zur Bearbeitung eines optischen Elements mit den Merkmalen des Anspruchs 8, einer Vorrichtung zur Justierung und/oder Vermessung eines Präzisionsspanwerkzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie einem Verfahren zur Justierung und/oder Vermessung eines Präzisionsspanwerkzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung geht davon aus, dass die unterschiedlichen Probleme, die oben dargestellt sind in einfach und effektiver Weise dadurch gelöst werden können, dass ein Präzisionsspanwerkzeug Verwendung findet bzw. geschaffen wird, welches mehrere Schneidplatten aufweist, die verteilt im Umfang einer rotierenden Bearbeitungsscheibe angeordnet sind. Durch das Vorsehen mehrerer Schneidplatten kann der Werkzeugverschleiß verringert werden und die Standfestigkeit des eingesetzten Werkzeugs erhöht werden, da die einzelnen Schneidplatten weniger Spanarbeit verrichten müssen. Dadurch lässt sich eine gleichbleibende Qualität bei der Bearbeitung eines Werkstücks erzielen, da das Werkstück vollständig mit gleich bleibender Qualität bearbeitet werden kann. Im Vergleich zu einer sequenziellen Bearbeitung der Fläche mit mehreren Werkzeugen hat dies den Vorteil, dass keine Fehler durch den Werkzeugwechsel erzeugt werden. Beispielsweise kann bei einem Werkzeugwechsel durch das Anhalten der Maschine auf Grund der damit einhergehenden Abkühlung der Maschine ein Temperaturunterschied verursacht werden, der bei der Fortsetzung der Bearbeitung zu einer Fehlpositionierung des Werkzeugs führen kann und somit zu einer Schädigung der Oberfläche, indem in der bearbeiteten Oberfläche an der Stelle, an der die Bearbeitung fortgesetzt wird, Absätze gebildet werden.
Gleichzeitig kann durch das Vorsehen von mehreren Schneidplatten am Präzisionsspanwerkzeug die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöht werden, da durch die mehreren Schneidplatten eine höhere Abtragsleistung erzielt werden kann.
Zwar sind mehrschneidige Bearbeitungswerkzeuge beispielsweise beim Hochgeschwindigkeitsfräsen bereits bekannt, jedoch können diese Bearbeitungswerkzeuge nicht mit den vorliegenden Präzisionspanwerkzeug verglichen werden, da diese nicht die erforderliche Bearbeitungsgenauigkeit erreichen können und beispielsweise bei den bekannten mehrschneidigen Bearbeitungswerkzeugen die Schneidkanten-Elemente nach dem Einsetzen auf eine gemeinsame Spindel gemeinsam geschliffen werden. Dadurch ist keine individuelle Einstellung der Schneid-Elemente möglich, wie dies bei der Ultrapräzisionsbearbeitung von optischen Komponenten erforderlich ist. Entsprechend ist das Präzisionsspanwerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung so aufgebaut, dass die Schneidplatten so gelagert sind, dass sie jeweils in ihrer Position einzeln in mindestens zwei Freiheitsgraden, vorzugsweise mehreren Freiheitsgraden, insbesondere vier Freiheitsgraden verstellbar sind. Diese individuelle Einstellmöglichkeit der Schneidplatten ermöglicht auch die Realisierung von komplexen Schneidgeometrien und die Bearbeitung bzw. Herstellung von komplex geformten Oberflächen. Die verschiedenen Schneidplatten können nämlich so eingestellt werden, dass sie durch Überlagerung ihrer Schneidgeometrien komplexe Schneidgeometrien bzw. entsprechende bearbeitete Oberflächen ermöglichen. Dies ermöglicht insbesondere auch die Bearbeitung von bestimmten Werkstoffen, bei denen die entsprechend gewünschte Oberflächengeometrie auf Grund der Materialeigenschaften nicht in einem einzigen Arbeitsschritt erzeugt werden kann. Durch die nacheinander folgende Bearbeitung mittels mehrerer an einer Bearbeitungsscheibe angeordneter Schneidplatten kann dies jedoch realisiert werden.
Andererseits kann zur Erzielung einer bestimmten Schneidgeometrie auch die Art und Weise bzw. Reihenfolge der Schneideingriffe der Schneidplatten in ein zu bearbeitendes Werkstück durch unterschiedliche, zeitabhängige Zustellung des Werkstücks zur Bearbeitungsscheibe eingestellt werden, wozu die genaue Position der Schneidplatten für die Maschinensteuerung zur Verfügung stehen muss. Dies kann durch den Einsatz von vektorgesteuerten Spindeln erreicht werden, da diese eine feste Einbindung des Spindeldrehwinkels in die Maschinensteuerung erlauben, so dass für jede beliebige Bearbeitungsposition die Art und Weise bzw. die Reihenfolge des Schneidplatteneingriffs frei gewählt werden kann.
Neben der Verstellbarkeit der Schneidplatten in ihrer Position im Hinblick auf verschiedene Freiheitsgrade können die Schneidplatten so in dem Präzisionsspanwerkzeug angeordnet werden, dass sie einzeln austauschbar und somit auch einzeln bearbeitbar sind, so dass die entsprechende Genauigkeit der Schneidgeometrie gewährleistet ist.
Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass jede Schneidplatte auf einem Werkzeugschaft angeordnet ist, beispielsweise durch Löten oder durch sonstigen stoffschlüssigen Verbund. Der Werkzeugschaft selbst kann lösbar an dem Präzisionsspanwerkzeug angeordnet sein, so dass ein einfaches Austauschen der Schneidplatten erfolgen kann. Um die Einstellbarkeit der Position der Schneidplatte in den verschiedenen Freiheitsgraden zu ermöglichen, können mindestens ein, vorzugsweise mehrere Werkzeughalter am Präzisionsspanwerkzeug bzw. der entsprechenden Bearbeitungsscheibe vorgesehen sein, die mindestens jeweils eine Schneidplatte bzw. einen Werkzeugschaft mit einer Schneidplatte aufnehmen. Der einzelne Werkzeughalter selbst kann wiederum verstellbar an der Bearbeitungsscheibe angeordnet sein. Zusätzlich zu den Einstellmöglichkeiten in Bezug auf die Anordnung der Schneidplatte bzw. des Werkzeugschafts im Werkzeughalter können damit weitere Positionsveränderungen der Schneidplatte ermöglicht werden.
Die Werkzeugschäfte, auf denen die Schneidplatten angeordnet sind, können insbesondere aus Molybdän gebildet sein, da dieses ein einfaches Auflöten von Schneidplatten aus Diamant ermöglichen.
Die Werkzeugschäfte können insbesondere geschliffene Wände aufweisen, um eine exakte Positionierung der Werkzeugschäfte in den Werkzeughaltern zu ermöglichen.
Die Präzisionsausbildung der Oberfläche eines Werkzeugschafts mittels Schleifen und/oder Polieren dient nicht nur einer exakten Anordnung im Werkzeughalter, sondern erleichtert auch die Justage durch entsprechende Schiebebewegungen wobei die geschliffenen und/oder polierten Oberflächen als Gleitflächen dienen.
Da das Präzisionsspanwerkzeug beim Einsatz mit hohen Drehgeschwindigkeiten bewegt wird, können die Werkzeugschäfte zur Gewichtsreduktion ausgefräste Taschen aufweisen. Dadurch können die Fliehkräfte reduziert bzw. höhere Drehzahlen erzielt werden.
Jeder Werkzeugschaft kann in dem jeweiligen Werkzeughalter über mindestens eine, vorzugsweise mehrere Klemmbacken gehalten werden, die über ein Festkörpergelenk, beispielsweise ein Filmscharnier, an dem Werkzeughalter angeordnet sind. Durch die Drehbewegung der Klemmbacken um das Festkörperdrehgelenk wird eine definierte Auflage der Klemmbacken auf dem Werkzeugschaft beim Festklemmen ermöglicht, so dass beim Festklemmen die vorgenommenen Positionseinstellungen nicht wieder verstellt werden.
Um weiterhin weitgehend einen Eintrag schiebender Kräfte und/oder drehender Momente zu vermeiden, können an den Kontaktflächen zwischen dem Werkzeugschaft und den Klemmbacken entsprechende Kontaktelemente vorgesehen sein, wie frei drehbare Stifte oder Walzen bzw. Komponenten mit definierten Auflageflächen.
Insbesondere kann durch das Zusammenwirken von Klemmbacken, also die klemmende Befestigung des Werkzeugs durch reine Reibkräfte, und die Ausbildung von entsprechenden geschliffenen Kontaktflächen, also den geschliffenen Oberflächen des Werkzeugschafts, ermöglicht werden, dass durch eine leichtes Vorklemmen eine leichte Reibung im System erzielt wird, die die Justage bzw. die Einstellung der Position der Schneidplatten erleichtert.
Zur Betätigung der verstellbaren Komponenten können entsprechende Betätigungselemente, wie Mikrometer-Differenzialschrauben oder Aktuatoren oder dergleichen vorgesehen sein.
Neben den einzelnen Werkzeugschäften, die jeweils verschiebar in den einzelnen Werkzeughaltern aufgenommen sein können, kann zusätzlich jeweils mindesten ein verschiebbarer Schlitten vorgesehen sein, auf dem wiederum ein Werkzeugschaft angeordnet werden kann.
Durch einen entsprechenden Schlitten kann insbesondere eine Schieberichtung quer zur Schieberichtung des Werkzeugschafts ermöglicht werden, so dass durch die jeweiligen Bewegungen eine Axialjustage und eine Radialjustage der Schneidplatten auf einer entsprechenden Bearbeitungsscheibe möglich sind.
Darüber hinaus kann der Werkzeughalter durch Vorsehen eines Drehgelenks eine Winkeljustage um eine Achse senkrecht zu den Schieberichtungen ermöglichen.
Beispielsweise kann dies dadurch erfolgen, dass an dem Schlitten ein Teil des Schlittens über ein Festkörpergelenk, beispielsweise ein Filmscharnier, verschwenkbar ausgebildet ist, so dass die Schneidplatte zusammen mit dem Werkzeugschaft um das Drehgelenk verschwenkt werden kann.
Eine weitere Einstellmöglichkeit ist dann durch die verstellbare Anordnung des Werkzeughalters gegeben, wie bereits vorher ausgeführt worden ist. Hier kann beispielsweise eine Drehung um eine axiale Achse der Bearbeitungsscheibe vorgesehen werden.
Zur definierten und nachhaltigen Anordnung des Präzisionsspanwerkzeugs kann eine Ultrapräzisions-Zentrierkupplung vorgesehen werden, mittels der die Bearbeitungsscheibe auf der Spindel angeordnet werden kann. Die Zentrierkupplung kann insbesondere zumindest teilweise aus Siliziumcarbid gebildet sein, um eine entsprechende Verschleißfestigkeit zu erzielen. Dadurch kann eine gleich bleibende Kupplungsqualität garantiert werden und die Prozessstabilität verbessert werden.
Zur Justierung und/oder Vermessung des Präzisionsspanwerkzeugs kann dieses in einer Vorrichtung drehend aufgenommen werden, so dass die verschiedenen Schneidplatten, die am Umfang des Präzisionsspanwerkzeugs geordnet sind, in den Untersuchungsbereich einer optischen Messanordnung angeordnet werden können. Allerdings kann die Vorrichtung zur Justierung und/oder Vermessung des Präzisionsspanwerkzeugs und das zugrunde liegende Verfahren auch für die Vermessung und/oder Justierung von Bearbeitungswerkzeugen mit nur einer Schneidplatte eingesetzt werden.
Die Vorrichtung zur Vermessung und/oder Justierung weist mindestens eine Lichtquelle zur Beleuchtung mindestens eines Teils des Präzisionsspanwerkzeugs, insbesondere der am Umfangsrand angeordneten Schneidplatten auf, wobei weiterhin eine telezentrische Optik zur Abbildung mindestens eines Teils des Präzisionsspanwerkzeugs auf eine Sensoreinrichtung vorgesehen ist. Die Sensoreinrichtung erfasst das Schattenbild des Präzisionsspanwerkzeugs bzw. insbesondere der Schneidplatte, so dass aus diesem Bild die Position des Werkzeugs bestimmt werden kann. Die Sensoreinrichtung kann beispielsweise eine CCD-Kamera sein. Zur Bestimmung der Position des Werkzeugs oder seiner Bestandteile, wie der Schneidplatten, ist eine automatische Auswerteeinheit vorgesehen, die beispielsweise durch eine Datenverarbeitungsanlage realisiert sein kann, auf der ein entsprechendes Softwareprogramm abläuft. Durch eine entsprechende Bildauswertung oder Mustererkennung des durch die Sensoreinrichtung erfassten Präzisionsspanwerkzeugs, kann die absolute Position der jeweils untersuchten Schneidplatte und/oder eine entsprechende Abweichung von einer Sollposition in Richtungen quer zur optischen Achse des optischen Messsystems erfasst werden.
Durch die vollautomatische Auswertung ist es auch möglich, die Position von bewegten Bearbeitungswerkzeugen zu erfassen, also beispielsweise die Flugbahn der Schneidplatten während der Drehbewegung des Präzisionsspanwerkzeugs zu erfassen.
Die Auswertung des von dem Sensorelement erfassten Bildes, welches z. B. von der CCD-Kamera aufgenommen worden ist, kann in der Auswerteeinheit in Echtzeit erfolgen, wobei insbesondere ein sog. Sub-Pixeling- und Fitting-Algorithmus durchgeführt werden kann. Sub-Pixeling bedeutet hierbei, dass die Auflösung durch entsprechende Auswerteverfahren über das hinaus erhöht werden kann, was eigentlich durch die Pixel der Kamera vorgegeben ist. Hierbei macht man sich beispielweise die Kenntnis der Schneidgeometrie der Schneidkante und/oder die Abschattung entlang mehrerer Pixel zu Nutze. Darüber hinaus kann auch die Ausnutzung der Tatsache, dass durch Verringerung der Auflösung in einer Dimension des Bildes die Auflösung in einer anderen Dimension erhöht werden kann, dazu führen, dass in der interessierenden Dimension eine Auflösung im Sub-Pixelbereich durch entsprechende Auswertung der Bilddaten möglich ist. Durch die Echtzeitauswertung ist eine schnelle Justierung eines Präzisionsspanwerkzeugs mit mehreren Schneidplatten möglich.
Das sog. Sub-Pixeling kann unabhängig vom gewünschten Verhältnis zwischen Auflösung und Blickfenstergröße erfolgen.
Der Fitting-Algorithmus kann die am besten angepasste Position des Werkzeugs bzw. der Schneidplatten in den zwei auf die Blickrichtung des Systems senkrecht stehenden Dimensionen bestimmen.
Um eine detaillierte Vermessung der einzelnen Schneidplatten zu ermöglichen, müssen die einzelnen Schneidplatten in die optimale Messposition gebracht werden. Entsprechend ist bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Vermessung und/oder Justage eines Präzisionsspanwerkzeugs, welches mehrere Schneidplatten aufweist, nach einem weiteren Aspekt der Erfindung für den separat und unabhängig sowie in Kombination mit den anderen Aspekten der Erfindung Schutz begehrt wird, ein Winkelsensor vorgesehen, der ermöglicht, die exakte Drehwinkelposition des Präzisionsspanwerkzeugs zu bestimmen. Damit lässt sich das Präzisionsspanwerkzeug in die richtige Winkelposition bringen, um die einzelnen Schneidplatten zu vermessen.
Des Winkelsensor kann dabei insbesondere ein Winkelsensor sein, der Absolutwerte bestimmt, da bei einer inkrementellen Winkelmessung die Messgenauigkeit nicht in der gleichen Weise erzielt werden kann.
Darüber hinaus kann eine Antriebseinheit für die Rotation des zu justierenden und/oder zu vermessenden Präzisionsspanwerkzeugs in der Aufnahme vorgesehen und insbesondere so ausgebildet sein, dass das Präzisionsspanwerkzeug in jeder Drehwinkelposition positioniert werden kann und diese Position auch bei der Justage, also beispielsweise beim entsprechenden Anziehen von Schrauben und dergleichen, beibehalten werden kann. Entsprechend kann die Antriebseinheit so ausgebildet sein, dass durch von Außen wirkende Kräfte oder Momente keine Positionsverstellung möglich ist.
Um zusätzlich zu den Positionsbestimmungen in Richtungen senkrecht zur optischen Achse des Messsystems auch eine Positionsbestimmung in Richtung der optische Achse des Messsystems zu ermöglich, können mehrere Lichtquelle vorgesehen sein oder die eine Lichtquelle kann so ausgestaltet sein, dass mehrere winklig zueinander ausgerichtete oder einander kreuzende Beleuchtungsstrahlen erzeugbar sind, so dass durch Ausnutzung der Parallaxe auch in der dritten Dimension eine Positionsbestimmung möglich ist.
Eine kompaktere Bauweise der Vorrichtung zur Vermessung und/oder Justierung kann dadurch erreicht werden, dass anstelle eines Aufbaus, bei dem gegenüber liegend auf zwei Seiten des zu vermessenden Werkzeugs auf einer Seite die Lichtquelle und auf der anderen Seite die Sensoreinrichtung angeordnet sind, ein Aufbau gewählt werden kann, bei dem eine oder mehrere Lichtquellen auf der Seite der Sensoreinrichtung angeordnet sind, wobei über einen Spiegel, der auf der anderen Seite des zu vermessenden Werkzeugs angeordnet ist, die Lichtstrahlen des oder der Lichtquellen reflektiert werden können. Ein Wegfall des Lichtstrahlenbündels, das parallel zur optischen Achse des Messsystems verläuft, kann ohne Funktionseinbußen akzeptiert werden. Der Spiegel kann ferner facettiert ausgebildet sein, um Unterstrahlenbündel zu erzeugen.
Sofern ein kartesischen Koordinatensystem X, Y, Y so definiert wird, dass die Z-Achse parallel zur optischen Achse des Messsystems ist und eine Rotation des Werkzeugs um die Z-Achse als γ-Rotation bezeichnet wird, so kann mit dem oben beschriebenen Verfahren bzw. einer entsprechenden Vorrichtung, welche den Schattenwurf des Werkzeugs in Bezug auf Lichtstrahlenbündel, die parallel und/oder winkelig zur optischen Achse des Messsystems auf das zu vermessende Werkzeug gerichtet sind, verwenden, eine Positionsbestimmung in Richtung der X, Y und Z-Koordinaten sowie im Hinblick auf die γ-Rotation erfolgen. Um die Position des Werkzeugs in Bezug auf sämtliche Translations- und Rotationsfreiheitsgrade bestimmen zu können, kann bei der Vorrichtung zur Vermessung und/oder Justage des Werkzeugs eine zusätzliche Lichtquelle, also mindestens eine zweite Lichtquelle vorgesehen werden, die anders als die erste oder die ersten Lichtquellen nicht den Schattenwurf des Werkzeugs zur Positionsbestimmung nutzt, sondern die Reflexion des Lichts am Werkzeug. Entsprechend wird durch die oder die zweiten Lichtquellen ein entsprechend komplementäres Bild des Werkzeugs generiert, welches komplementär zum Schatten-Bild der ersten Lichtquelle(n) ist. Durch die gemeinsame Auswertung der Bilder beider Lichtquellen kann man die Position im Hinblick auf drei unabhängige Raumrichtungen bzw. entsprechende Drehungen um diese Achsen ermitteln. Zusätzlich kann die Auswertung der komplementären Bilder für eine Steigerung der Messgenauigkeit genutzt werden.
Das Licht der zweiten Lichtquelle(n) kann beispielsweise durch einen Strahlteiler in den Strahlengang der Messoptik bzw. des Messsystems, also der Vorrichtung zum Vermessen und/oder justieren des Werkzeugs, eingekoppelt werden.
Zusätzlich kann die Einkopplung des Lichts der zweiten Lichtquellen so erfolgen, dass ein Interferometer ausgebildet wird, sodass die Rotation des Werkzeugs um die X- oder Y-Achse aus den durch die Interferenz entstehenden Streifenbildern ermittelt werden kann.
Insbesondere kann das Interferometer als Weißlichtinterferometer (WLI) ausgebildet sein. Die Verwendung eines Weißlichtferometers ermöglicht den Verzicht auf die Verwendung von gekreuzten Strahlenbündeln zur Bestimmung der Position des Werkzeugs in Z-Richtung, ohne dass auf die Positionsbestimmung in Z-Richtung verzichtet werden müsste.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Durchführung der Vermessung und/oder Justierung eines Präzisionsspanwerkzeugs kann entsprechend zunächst vorsehen, dass die Messposition der einzelnen Schneidplatten bestimmt wird, indem das Präzisionsspanwerkzeug in kleinen Winkelschritten von z. B. 0,1° gedreht wird und in jeder Winkelposition ein Bild des Präzisionsspanwerkzeugs aufgenommen wird. Aus den Aufnahmen wird nach bestimmten Kriterien bestimmt, bei welcher Winkelposition die eigentliche Justierung bzw. Vermessung erfolgen soll. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit bzw. ein durch die Auswerteeinheit durchgeführter Algorithmus die am besten angepasste Position in Bezug auf zwei senkrecht zueinander und/oder zur Beleuchtungsrichtung des Beleuchtungsstrahls bzw. der so genannten Blickrichtung des Systems (optische Achse des Messystems) stehenden Dimensionen bestimmen. Dabei kann die Werkzeugform vorgegeben werden, an welche die bestmögliche Anpassung erfolgen soll.
Die Justierung und/oder Vermessung erfolgt dann gemäß der vollautomatischen Auswertung der Erfassungen der Sensoreinrichtung bzw. der Bilder der CCD-Kamera und der daraus abgeleiteten Einstellungen des Präzisionsspanwerkzeugs.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen deutlich. Die Zeichnungen zeigen hierbei in rein schematischer Weise in
1 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Präzisionsspanwerkzeug;
2 eine Schnittansicht durch das Präzisionsspanwerkzeug aus 1;
3 eine Seitenansicht des Präzisionsspanwerkzeugs aus 1 mit einer Drehung der Blickrichtung um 90° gegenüber der Darstellung in 1;
4 eine Schnittansicht durch einen Werkzeugschaft, wie er in dem Präzisionspanwerkzeug der 1 bis 3 Verwendung findet;
5 eine Draufsicht auf den Werkzeugschaft aus 4;
6 eine perspektivische Darstellung eines Werkzeughalters, wie er in bei dem Präzisionsspanwerkzeug aus den 1 bis 3 Verwendung findet;
7 eine teilweise Schnittansicht des Werkzeughalters aus 6;
8 eine weitere Schnittansicht des Werkzeughalters aus den 6 und 7;
9 eine weitere teilweise Schnittansicht des Werkzeughalters aus den 5 bis 8;
10 eine perspektivische Darstellung des Werkzeughalters aus den 6 bis 9 von der Rückseite;
11 eine weitere perspektivische Darstellung des Werkzeughalters aus den 6 bis 10 aus einer weitem Perspektive;
12 eine Darstellung des Werkzeughalters aus den 6 bis 11 in einer weiteren Blickrichtung;
13 eine perspektivische Darstellung einer Bearbeitungsscheibe, wie sie in dem Präzisionsspanwerkzeug aus den 1 bis 3 Verwendung findet;
14 eine perspektivische Darstellung der Bearbeitungsscheibe aus 13 in einer anderen Blickrichtung;
15 eine teilweise Schnittansicht der Bearbeitungsscheibe aus den 13 und 14;
16 eine perspektivische Darstellung eines Messaufbaus zur Justierung und Vermessung eines Präzisionsspanwerkzeugs;
17 eine Darstellung der Abbildungsverhältnisse einer vor einer Radialebene der Bearbeitungsscheibe angeordneten Schneidplatte,
18 eine Darstellung der Abbildungsverhältnisse einer in einer Radialebene der Bearbeitungsscheibe angeordneten Schneidplatte;
19 eine Darstellung der Abbildungsverhältnisse einer Schneidplatte, die hinter einer Radialebene einer Bearbeitungsscheibe angeordnet ist;
20 eine Darstellung einer Messanordnung mit zwei Lichtquellen auf derselben Seite des zu vermessenden Werkzeugs wie die Sensoreinrichtung und einem Spiegel auf der anderen Seite des Werkzeugs;
21 bis 23 Darstellungen einer Messanordnung mit mindestens einer ersten Lichtquelle A und mindestens einer zweiten Lichtquelle B bzw. einem Weißlichtinterferometer; und in
24 eine Darstellung eines zur Messanordnung gehörigen Koordinatensystems.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die 1 zeigt ein Präzisionsspanwerkzeug 1 gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht. Aus der 1 ist zu entnehmen, dass am Umfang des in der Draufsicht kreisscheibenförmigen Präzisionspanwerkzeugs 1 acht Schneidplatten 2 bis 9 vorgesehen sind, die über den Umfang hervorstehen und gleichmäßig um den Umfang verteilt angeordnet sind. Die Schneidplatten 2 bis 9 befinden sich hierbei auf einem Werkzeugschaft 10, welcher wiederum in einem Werkzeughalter 11 angeordnet ist, der wiederum auf einer Bearbeitungsscheibe 40 (siehe 2) angeordnet ist.
In einer Schnittansicht durch das Präzisionsspanwerkzeug 1 in 2 ist die Bearbeitungsscheibe 40 dargestellt, die auf einer Spindel angeordnet werden kann, so dass die Scheibe gedreht werden kann und die Schneidplatten 2 bis 9 am Umfang bzw. der Mantelfläche der Bearbeitungsscheibe 40 ein Werkstück entsprechend spanabhebend bearbeiten können. Auf der Bearbeitungsscheibe 40 sind jeweils die Werkzeughalter 11 mit den Werkzeugschäften 10 und den Schneidplatten 2 bis 9 angeordnet.
Die 3 zeigt eine Seitenansicht des Präzisionsspanwerkzeugs 1 aus den 1 und 2.
Das Präzisionsspanwerkzeug 1, wie es in den 1 bis 3 dargestellt ist, kann in vorteilhafterweise zur Bearbeitung von optischen Elementen eingesetzt werden, welche einer präzisen Bearbeitung unterworfen werden sollen. Durch die Vielzahl von Schneidplatten entlang des Umfangs des Präzisionsspanwerkzeugs 1 können hierbei sowohl eine schnelle Bearbeitung erfolgen als auch bestimmte Schneidgeometrien verwirklicht werden. Insbesondere aus der 3 ist ersichtlich, dass die Schneidbereiche der verschiedenen Schneidplatten, wie beispielsweise der Schneidplatten 2 und 6 entlang der dargestellten Linien 12 und 13, sich überlagern und/oder zueinander versetzt sein können, so dass durch eine Kombination der verschiedenen Schneidgeometrien eine bestimmte Schneidkontur eingestellt werden kann. Insbesondere ist es möglich komplexe Oberflächengeometrien bei den bearbeiteten Werkstücken zu erzeugen.
Die 4 und 5 zeigen Bestandteile des Präzisionsspanwerkzeugs 1 aus den 1 bis 3. In 4 ist in einer Schnittansicht ein Werkzeugschaft 10 gezeigt, der eine Schneidplatte 2 trägt, welche auf dem Werkzeugschaft 10 aufgelötet ist. Der Werkzeugschaft 10 kann beispielsweise aus Molybdän gebildet sein, während die Schneidplatte 2 aus Diamant ist.
Der Werkzeugschaft 10 weist an seinem der Schneidplatte 2 gegenüberliegenden Ende eine Gewindebohrung 15 auf, in der eine Differenzial-Mikrometerschraube aufgenommen werden kann, die zur Justierung der Schneidplatte 2 eingesetzt wird.
Darüber hinaus sind sie an dem Werkzeugschaft 10 Aussparungen 16 vorgesehen, um das Gewicht und somit auch die resultierenden Fliehkräfte bei dem drehenden Einsatz des Präzisionsspanwerkzeugs 1 zu reduzieren.
Die Justieraussparung 17 dient als Justageführung, in welche ein Führungsstift eingreifen kann, der den Werkzeugschaft 10 bei der Justage entsprechend führt.
Darüber hinaus umfasst der Werkzeugschaft 10 Ausnehmungen 19 zur Aufnahme von Walzen 18, die zur Klemmung des Werkzeugschafts 10 in der Werkzeughalterung 11 dienen, ohne dass durch das Klemmen unerwünschte Momente und Kräfte in den Werkzeugschaft 10 eingebracht werden. Entsprechend können die Walzen 18 frei drehbar in den Ausnehmungen 19 aufgenommen sein.
Die 5 zeigt in einer Draufsicht auf den Werkzeugschaft 10, dass die Walzen 18 auch eine Abflachung aufweisen können, wobei die Walzen 18 zusätzlich in den Ausnehmungen 19 durch Klebepunkte 20 fixiert sein können, um die Abflachungen in der richtigen Position zu halten. Aber auch eine frei drehbare Anordnung ist denkbar.
Die 6 bis 12 zeigen die Werkzeughalter 11, die auf der Bearbeitungsscheibe 40 des Präzisionspanwerkzeugs 1 angeordnet sind.
Wie sich aus diesen Figuren ergibt, wird die Schneidplatte 2 mit dem Werkzeugschaft 10 klemmend zwischen den zwei Klemmbacken 26 und 27 und einem Schlitten 25 aufgenommen. Der Schlitten 25 weist eine Differenzial-Mikrometerschraube 31 auf, die in die Gewindeausnehmung 15 des Werkzeugschafts 10 eingreift. Wie sich insbesondere aus der 8 ergibt, kann durch Verstellen der Differenzial-Mikrometerschraube 31 der Werkzeugschaft 10 in Längsrichtung der Differenzial-Mikrometerschraube 31 hin und her bewegt werden, so dass die Schneidplatte 2, die auf den Werkzeugschaft 10 angeordnet ist, ebenfalls hin und her bewegt werden kann. Dadurch kann die Position der Schneidplatte 2 in der radialen Richtung auf der Bearbeitungsscheibe verändert werden. Beim Justieren des Werkzeugschafts 10 mit der Differenzial-Mikrometerschraube 31 führt der Führungsstift 33, der in dem Schlitten 25 angeordnet ist und in die Führungsaussparung 17 des Werkzeugschafts 10 eingreift, den Werkzeugschaft 10.
Wie sich aus den 6 bis 8 ergibt, wirkt der Schlitten 25 mit einer Differenzial-Mikrometerschraube 30 zusammen, so dass der Schlitten 25 in einer Richtung quer zur Schieberichtung des Werkzeugschafts 10, also in einer axialen Richtung bezüglich der Bearbeitungsscheibe verschoben werden kann.
Die 6 bis 8 zeigen auch deutlich, wie die Klemmbacken 26 und 27 mit den Walzen 18 des Werkzeugschafts 10 zusammen wirken. In den Klemmbacken 26 und 27 sind Stifte 34, insbesondere abgeflachte Stifte vorgesehen, die frei drehbar in den Klemmbacken 26 und 27 angeordnet sein können. Die Klemmbacken 26 und 27 sind durch Festkörpergelenke 35 bzw. Filmscharniere an dem Werkzeughalter 11 angeordnet und können um eine Achse parallel zur Längsachse des Werkzeugschafts 10 verschwenkt werden. Entsprechend bewegen sich die Klemmbacken 26 und 27 senkrecht von oben auf die Walzen 18 des Werkzeugschafts 10. Zur Betätigung der Klemmbacken 26 und 27 weisen diese jeweils eine Positionierschraube 28 und 29 auf, die sich an einem Stegbereich des Werkzeughalters 11 abstützen und ein entsprechendes Drehmoment erzeugen, so dass die Klemmbacken 26 und 27 den Werkzeugschaft 10 fest klemmen.
Darüber hinaus sind Befestigungsschrauben 32 vorgesehen, die in entsprechenden Aufnahmeöffnungen des Werkzeughalters 11 aufgenommen sind und zur Befestigung des Werkzeughalters 11 auf der Bearbeitungsscheibe 40 dienen.
Durch die Verschiebung des Werkzeugschafts 10 und des Schlittens 25 kann die Schneidplatte 2 in zwei Freiheitsgraden verstellt werden.
Zusätzlich ist ein Festkörpergelenk 38 in Form eines Filmscharniers vorgesehen, wie die 9 zeigt. Ein Teil des Schlittens 25 ist gegenüber einem anderen Teil des Schlittens 25 mit dem Filmscharnier 38 verbunden, welches eine Drehung des Werkzeugschafts 10 um eine Drehachse senkrecht zur Längsachse des Werkzeugschafts 10 und zur Verschiebeachse des Schlittens 25 ermöglicht, so dass die Schneidplatte 2 entsprechend einem dritten Freiheitsgrad einstellbar ist. Die Position des verdrehbaren Teils des Schlittens 25 wird über eingearbeitete Magnete fixiert.
Darüber hinaus zeigen die 9 sowie die 10, dass in dem Werkzeughalter 11 Positionierstifte 36 vorgesehen sind, die zur exakten Positionierung des Werkzeughalters 11 auf der Bearbeitungsplatte 40 dienen. Die Positionierstifte 36 dienen darüber hinaus auch der Einstellung eines vierten Freiheitsgrades der Schneidplatte 2, wie später gezeigt wird.
Die 11 und 12 zeigen den Werkzeughalter 11 in verschiedenen perspektivischen Darstellungen zur weiteren Erläuterung der bereits vorher beschriebenen Merkmale.
Die 13 bis 15 zeigen die Bearbeitungsscheibe, auf der die Werkzeughalter 11 angeordnet werden. Hierzu weist die Bearbeitungsscheibe 40 entsprechende Gewindebohrungen 47 auf, die zur Aufnahme der Schraubverbindungen des Werkzeughalters 11 dienen.
Darüber hinaus sind Positionieröffnungen 41, 46 zur Aufnahme der Positionierstifte 36 des Werkzeughalters 11 vorgesehen. In der Positionieröffnung 41 ist ein Drehelement 43 mit einem Langloch angeordnet, welches von der Umfangsseite der Bearbeitungsscheibe 40 in der Positionieröffnung 41 verdreht werden kann, so dass das im Drehelement 43 vorgesehene Langloch seine Ausrichtung verändern kann. Durch die exzentrische Anordnung des Positionierstifts 36 im Langloch kann der Werkzeughalter 11, um eine Drehachse parallel zur axialen Richtung der Bearbeitungsscheibe 40 gedreht werden, so dass die Schneidplatte 2 in einem weiteren Freiheitsgrad einstellbar ist.
Die Bearbeitungsscheibe 40 weist, wie die 14 zeigt, an ihrem Umfang Wuchtbohrungen 42 auf, in denen Gewichte angeordnet werden können, um etwaige Unwuchten der Bearbeitungsscheibe auszugleichen.
Wie die 15 zeigt, sind in der Bearbeitungsscheibe 40 zudem Befestigungsöffnungen 44 für die Anordnung der Bearbeitungsscheibe 40 auf einer Spindel sowie eine Sacköffnung 45 zur Aufnahme einer Kupplungsbuchse vorgesehen.
Die 16 zeigt einen Aufbau einer Mess- und Justagevorrichtung, mit der ein Präzisionsspanwerkzeug 1, wie es in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, vermessen und/oder justiert werden kann.
Hierzu wird das Präzisionsspanwerkzeug 1 auf einer Spezialspindel 50 angeordnet, die einen Winkelsensor 51 umfasst, der absolute Winkelpositionen der Spindel ermitteln kann. Entsprechend kann eine exakte Position des Präzisionsspanwerkzeugs 1 durch Drehung mit der Spindel 50 eingestellt werden. Die entsprechende Spezialspindel 50 mit dem angeflanschten, hochauflösenden und absolut messenden Winkelsensor kann jedoch nicht nur für Messzwecke eingesetzt werden, sondern kann auch bei der Bearbeitung eines Werkstücks Verwendung finden, so dass beispielsweise nach einer exakten Justierung des Werkzeugs unmittelbar die Bearbeitung beginnen kann. Hierzu ist lediglich ein Sensor zu verwenden, der die erforderlichen Drehzahlen ermöglicht.
Eine optische Messanordnung mit einer Lichtquelle 52 und einer telezentrischen Optik 53 ist so angeordnet, dass die Schneidplatte 2 des Präzisionsspanwerkzeugs 1 einen Schatten auf eine Sensoreinrichtungen 53, beispielsweise in Form einer CCD-Kamera wirft.
Eine nicht näher dargestellte Auswerteeinheit in Form einer Datenverarbeitungsanlage, auf der ein entsprechendes Softwareprodukt ausgeführt wird, analysiert in der Art einer Bilderkennungssoftware das von der CCD-Kamera 54 aufgenommene Bild des Randes des Präzisionsspanwerkzeugs 1 bzw. der dort angeordneten Schneidplatte und bestimmt deren Position vollautomatisch.
Um jedoch zunächst die exakte Position der Vielzahl von Schneidplatten zu bestimmen und festzulegen in welcher Position die Vermessung und/oder Justage einer einzelnen Schneidplatte erfolgt, wird das Präzisionsspanwerkzeug 1, d. h. die Bearbeitungsscheibe mit den darauf angeordneten Werkzeughaltern um kleine Drehwinkel verdreht und entsprechende Bilder erfasst. Die Auswerteeinheit kann hierbei rein automatisch feststellen, in welchen Winkelpositionen die jeweilige Schneidplatte für die Positionsbestimmung optimal erfasst wird. Dies kann beispielsweise bei den Winkelpositionen der Fall sein, die einen maximalen Kantenkontrast zeigen. Es können jedoch auch andere aus der Auswertung der aufgenommen Bilder gewonnene Informationen, wie beispielsweise maximale während der Spindeldrehbewegung beobachtete Positionen heran gezogen werden.
Bei der gewählten Winkelposition kann die Positionsbestimmung der Schneidplatte 2 in Richtungen senkrecht zur optischen Achse des optischen Messsystems in einfacher Weise dadurch erfolgen, dass relativ zu einer bekannten Position bzw. zu vorgegebenen Sollwerten die durch die Abbildung ermittelte Lage der Schneidplatte bestimmt wird.
In Richtung der optischen Achse des optischen Messsystems wird die Position dadurch ermittelt, dass unter Ausnutzung der Parallaxe bei einer oder mehreren Lichtquellen mit gekreuzten Strahlengängen die Werkzeugposition in der Betrachterebene, also in der CCD-Kamera 54, zu unterschiedlichen Positionen der Abbildung der einzelnen Strahlengänge führen, wie in den 17 bis 19 gezeigt ist. Entsprechend wird die Lichtquelle 52 so gewählt, dass leicht winkelige Strahlenbündel zueinander bzw. gekreuzte Strahlengänge realisierbar sind, um so die Positionsbestimmung in Richtung der optischen Achse des Messsystems zu ermöglichen.
In 17 ist beispielsweise die Position der Schneidplatte vor einer Radialebene 100 der Bearbeitungsscheibe des Präzisionsspanwerkzeugs gezeigt. Dadurch ergibt sich bei den gekreuzten Strahlengängen eine Anordnung von Bildern der Schneidplatte in der Beobachtungsebene 101, bei denen der Abstand D₊ von dem Bild des zentralen Strahlenganges größer als ein Abstand D₀ ist, der bei Anordnung der Schneidplatte in einer Radialebene zu beobachten wäre. Der Abstand D₀ gibt somit den Abstand der Abbildungen von Zentralstrahl und Randstrahlen bei einer Position der Schneidplatte 2 in der Radialebene 100 an, wie in 18 gezeigt.
Die 19 zeigt die Anordnung der Schneidplatte 2 hinter einer Radialebene 100, wobei hier der Abstand D_– von der zentralen Abbildung kleiner ist als der Abstand D₀ in der korrekten Position.
Die 20 zeigt eine schematische Darstellung einer kompakteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung und/oder Justierung eines Werkzeugs, bei dem zwei Lichtquellen A¹ und A² auf derselben Seite der Radialebene 100 des Werkzeugs angeordnet sind, und zwar auf derselben Seite wie eine Linse 153 einer telezentrischen Optik der Sensoreinrichtung. Auf der gegenüberliegenden Seite der Radialebene 100 ist ein Spiegel 150 vorgesehen, der die Lichtstrahlenbündel von den Lichtquellen A¹ und A² reflektiert, sodass wie bei dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel bereits beschrieben, gekreuzte Strahlengänge vorhanden sind, die jeweils ein Schattenbild des zu vermessenden Werkzeugs erzeugen und eine Bestimmung der Position des zu vermessenden Werkzeugs im Bezug zur Radialebene 100 ermöglichen. Auf den Zentralstrahl parallel zur optischen Achse der Messeinrichtung kann verzichtet werden, da die translatorische Position (X, Y-Position) innerhalb der Radialebene 100 bzw. parallel dazu auch aus den gekreuzten Strahlen ermittelbar ist.
Die 21 bis 23 zeigen weitere Ausführungsformen einer Vorrichtung zur Vermessung und/oder Justierung eines Präzisionsspanwerkzeugs, bei denen eine erste Lichtquelle A zur Bildung eines Schattenwurfs des zu vermessenden Werkzeugs 200 und eine zweite Lichtquelle B zur Bildung eines Reflexionsbildes des Präzisionswerkzeugs 200 vorgesehen sind. Bezüglich der ersten Lichtquelle A entspricht der Aufbau der Messanordnung, wie sie vorher mit nur einer Art von Lichtquelle beschrieben worden ist, sodass sich hierzu eine weitere Erläuterung erübrigt. Neben der einen dargestellten ersten Lichtquelle A können mehrere erste Lichtquellen A vorgesehen sein.
Die zweite Lichtquelle B, die auf der gegenüberliegenden Seite des Werkzeugs 200 bezogen auf die erste Lichtquelle A angeordnet ist, wird mit einem Strahlteiler 250 in den Strahlengang der Messanordnung eingekoppelt und bildet über die telezentrische Optik 253 ein Reflexionsbild des Werkzeugs 200 auf der Sensoreinrichtung (nicht dargestellt) ab. Wie sich aus der Darstellung der Bilder der Lichtquellen A und B im rechten Bereich der 21 ergeben, handelt es sich um komplementäre Darstellungen des Werkzeugs 200, da einerseits das Schattenbild (Lichtquelle A) und andererseits das Reflexionsbild (Lichtquelle B) erzeugt werden.
In 23 ist durch die zweite Lichtquelle B mittels eines zusätzlichen Spiegels 251 ein Interferometer 252, insbesondere Weiß lichtinterferometer (WLI) ausgebildet, sodass zusätzlich zum Reflexionsbild des Werkzeugs 200 ein Interferenzbild erzeugt werden kann, mittels dem die Rotation des Werkzeugs 200 bzw. die Winkelposition des Werkzeugs 200 bezüglich den Drehachsen X und Y (entspricht den Drehpositionen α und β) anhand der Interferenzmuster ermittelt werden kann.
Insgesamt ergibt sich somit mit der Messanordnung, wie sie in den 21 bis 23 dargestellt ist, die Möglichkeit, eine vollständige Positionsbestimmung des zu vermessenden Werkzeugs 200 durchzuführen.
Die 24 zeigt ein kartesisches X, Y, Z-Koordinatensystem, bei dem die Winkelpositionen mit entsprechender Drehung um die Achsen X, Y und Z mit α, β und γ bezeichnet sind. Die Position des Werkzeugs 200 kann bezüglich der X-Richtung und der Y-Richtung durch einfache Auswertung des Schattenbildes der ersten Lichtquelle A ermittelt werden. Die Z-Position des Werkzeugs 200 kann durch die Parallaxe der Schatten bei gekreuzten Strahlen der Lichtquelle A ermittelt werden, wie dies in den 17, 18 und 19 gezeigt und in der dazugehörigen Beschreibung beschrieben ist. Zusätzlich kann die Z-Position des Werkzeugs 200 mit dem Weißlichtinterferometer 252 aus 23 ermittelt werden. Die Winkelposition bezüglich der α und/oder β-Rotation kann durch das Reflexionsbild der zweiten Lichtquelle B oder das entsprechende Streifenmuster des Weißlichtferometers 252 ermittelt werden. Die Winkelposition bezüglich einer Drehung γ um die Achse Z kann durch das Schattenbild der Lichtquelle A bestimmt werden.
Die Auswertung der Position der Schneidplatte 2 erfolgt über die Auswerteeinheit vollständig automatisch, wobei die Auswerteeinheit konkrete Positionen der Schneidplatte ermitteln kann.
Aufgrund der Vermessung des Präzisionsspanwerkzeugs 1 kann eine Justierung des Präzisionsspanwerkzeugs vorgenommen werden. Hierzu können an dem Präzisionsspanwerkzeug über die Differenzial-Mikrometerschrauben bzw. über das Drehgelenk oder die exzentrische Verstellung der Positionierschrauben die entsprechenden Einstellungen vorgenommen werden, um eine optimale Justierung der Schneidplatte 2 zu erhalten.
Um sicherzustellen, dass an jeder Winkelposition die Bearbeitungsscheibe positioniert werden kann und dort auch entsprechende Einstellungen vorgenommen werden können, weist der Antrieb der Spindel sog. Vektor-Umrichter auf. Diese Umrichter sind so ausgelegt, dass jede Winkelposition angefahren werden kann und die vorgegebene Winkelposition auch entgegen äußerer Kräfte oder Momente gehalten werden kann, so dass eine Justierung des Präzisionsspanwerkzeugs ohne Weiteres möglich ist.
Damit ist ein Verfahren zur Vermessung und/oder Justage eines Präzisionsspanwerkzeugs sowie eine entsprechende Vorrichtung gegeben, die eine unterschiedliche Einstellung, d. h. eine individuelle Einstellung, der Werkzeugposition der einzelnen Schneidplatten bei einem Präzisionsspanwerkzeug mit einer Vielzahl von Schneidplatten in reproduzierbarer Weise ermöglichen, so dass ein Präzisionsspanwerkzeug bereitgestellt werden kann, welches eine hochpräzise Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere von optischen Komponenten ermöglicht.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass unterschiedliche Kombinationen der einzelnen vorgestellten Merkmale realisiert oder dass einzelne Merkmale weggelassen werden können, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird. Insbesondere beansprucht die vorliegende Erfindung sämtliche Kombinationen aller einzeln vorgestellter Merkmale.

Claims

Präzisionsspanwerkzeug mit mehreren Schneidplatten (2 bis 9) zum spanenden Bearbeiten von Werkstücken, die verteilt am Umfang einer Bearbeitungsscheibe (40) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidplatten (2 bis 9) so auf der Bearbeitungsscheibe (40) gelagert sind, dass sie in ihrer Position einzeln in mindestens zwei Freiheitsgraden verstellbar sind.
Präzisionsspanwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidplatten (2) so auf der Bearbeitungsscheibe gelagert sind, dass sie in ihrer Position einzeln in mindestens vier Freiheitsgraden verstellbar sind.
Präzisionsspanwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schneidplatte (2) auf einem Werkzeugschaft (10) angeordnet ist, welcher lösbar an dem Präzisionsspanwerkzeug anordenbar ist.
Präzisionsspanwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Schneidplatte ein Werkzeughalter (11) vorgesehen ist, welcher selbst verstellbar an der Bearbeitungsscheibe (40) anordenbar ist und/oder Einstellmöglichkeiten zur variablen Anordnung der Schneidplatten (2) aufweist.
Präzisionsspanwerkzeug nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugschaft (10) durch mindestens eine über ein Festkörpergelenk (35) am Werkzeughalter angeordnete Klemmbacke (26, 27) gehalten ist.
Präzisionsspanwerkzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugschaft (10) verschiebbar auf einem Schlitten (25) gelagert ist, wobei der Schlitten quer zur Schieberichtung des Werkzeugschafts verschiebbar im Werkzeughalter gelagert ist und der Schlitten zusätzlich eine Drehgelenk (38) mit einer Drehachse senkrecht zu den Schieberichtungen aufweist, so dass der Werkzeugschaft über das Drehgelenk verschwenkbar ist, so dass die Schneidplatte durch Verschiebung des Werkzeugschafts (10) sowie durch Verschiebung des Schlittens (25) und Drehung um das Drehgelenk (38) des Schlittens in drei Freiheitsgraden einstellbar ist.
Präzisionsspanwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsscheibe (40) eine verschleißfeste Präzisionskupplung zur Anordnung der Bearbeitungsscheibe an eine Spindel aufweist, wobei die Kupplung zumindest teilweise aus SiC gebildet ist.
Verfahren zur Bearbeitung eines optischen Elements, bei welchem ein Präzisionsspanwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingesetzt wird.
Vorrichtung zur Justierung und/oder Vermessung eines Präzisionsspanwerkzeugs (1), welches eine rotierbare Bearbeitungsscheibe (40) mit mindestens einer Schneidplatte (2) umfasst, wobei die Vorrichtung eine Aufnahme zur drehbaren Lagerung des Präzisionsspanwerkzeugs, mindestens eine Lichtquelle (52) zur Beleuchtung mindestens eines Teils des Präzisionsspanwerkzeugs, insbesondere einer Schneidplatte, eine insbesondere telezentrische Optik (53) zur Abbildung mindestens eines Teils des Präzisionsspanwerkzeugs auf eine Sensoreinrichtung (54) und eine Auswerteeinheit zur automatischen Auswertung des auf die Sensoreinrichtung abgebildeten Teils des Präzisionsspanwerkzeugs umfasst, wobei die Auswerteeinheit so hergerichtet ist, dass eine automatisierte Positionsbestimmung des Werkzeugs, insbesondere einer Schneidplatte möglich ist, und/oder wobei die Vorrichtung einen Winkelsensor umfasst, so dass mehrere Schneidplatten justiert und/oder vermessen werden können.
Vorrichtung nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkelsensor (51) zur Bestimmung der Drehposition der Bearbeitungsscheibe, insbesondere ein Absolutwerte bestimmender Winkelsensor vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antriebseinheit zum drehenden Antrieb des Präzisionsspanwerkzeugs vorgesehen ist, welche das Präzisionsspanwerkzeug in jeder Drehwinkelposition positionieren kann und insbesondere die Position entgegen von außen ein wirkender Kräfte oder Momente halten kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lichtquelle (52) so ausgestaltet ist, dass mehrere winkelig zueinander ausgerichtete oder einander kreuzende Beleuchtungsstrahlen erzeugbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste Lichtquelle (A) zur Bildung eines Schattenbildes von dem zu vermessenden Werkzeug und mindestens eine zweite Lichtquelle (B) zur Bildung eines Reflexionsbildes von dem zu vermessenden Werkzeug vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Komponente aus der Gruppe umfasst, die einen Spiegel, einen Strahlteiler und ein Interferometer aufweist.
Verfahren zur Justierung und/oder Vermessung eines Präzisionsspanwerkzeugs, welches eine rotierbare Bearbeitungsscheibe mit mindestens einer Schneidplatte umfasst, welches die Schritte umfasst: Bereitstellung einer Vorrichtung zur Justierung und/oder Vermessung des Präzisionsspanwerkzeugs, wobei die Vorrichtung eine Aufnahme zur drehbaren Lagerung des Präzisionsspanwerkzeugs, mindestens eine Lichtquelle zur Beleuchtung mindestens eines Teils des Präzisionsspanwerkzeugs, insbesondere einer Schneidplatte, eine insbesondere telezentrische Optik zur Abbildung mindestens eines Teils des Präzisionsspanwerkzeugs auf eine Sensoreinrichtung und eine Auswerteeinheit zur automatischen Auswertung des auf die Sensoreinrichtung abgebildeten Teils des Präzisionsspanwerkzeugs umfasst, wobei die Auswerteeinheit so hergerichtet ist, dass eine automatisierte Positionsbestimmung des Werkzeugs, insbesondere einer Schneidplatte möglich ist, und/oder wobei die Vorrichtung einen Winkelsensor umfasst, so dass mehrere Schneidplatten justiert und/oder vermessen werden können, Drehen der Bearbeitungsscheibe und Abbildung zumindest eines Teils eines Präzisionsspanwerkzeugs in einer bestimmten Drehposition.
Verfahren nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsscheibe unter Einsatz des Winkelsensors um kleine Drehwinkel gedreht wird und aus den dabei erfassten Abbildungen die Auswerteeinheit automatisch die Winkelposition der Schneidplatten an der Bearbeitungsscheibe ermittelt.
Verfahren nach Anspruch oder, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere zueinander gekreuzte oder winkelig ausgerichtete Beleuchtungsstrahlenbündel genutzt werden, um die Positionsbestimmung des Werkzeugs, insbesondere einer Schneidplatte in Richtung der Abbildungsrichtung zu ermitteln.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsscheibe an beliebigen Positionen angehalten wird und die Winkelposition gegen äußere, einwirkende Drehmomente gehalten wird.