EP1251997B1 - Polierkopf für eine poliermaschine - Google Patents

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EP1251997B1 EP01909601A EP01909601A EP1251997B1 EP 1251997 B1 EP1251997 B1 EP 1251997B1 EP 01909601 A EP01909601 A EP 01909601A EP 01909601 A EP01909601 A EP 01909601A EP 1251997 B1 EP1251997 B1 EP 1251997B1
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Polierkopf für Poliermaschinen, insbesondere zum Polieren von optischen Flächen, mit einem Polierteller, der mit einer rotatorisch antreibbaren Antriebswelle verbunden ist. Erfindungsgemäss ist der Polierteller (3) mit der Antriebswelle (7) gelenkig und drehfest verbunden. Für die gelenkige drehfeste Verbindung kann ein Kugelimbusgelenk vorgesehen sein. Der Polierteller kann durch die gelenkige Verbindung rotierend der Oberfläche (41) des zu bearbeitenden Werkstückes (39) folgen, so dass stets der Polierbelag (5) auf einer maximal großen Fläche auf der Oberfläche (41) aufliegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Polierkopf für eine Poliermaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Solch ein Folierkopf ist aus der DE 1 239 211 B bekannt.
Aus der EP 727 280 B1 ist eine Poliermaschine zum Polieren sphärischer Linsenoberflächen bekannt. Diese Poliermaschine weist einen oberen in einer x-Richtung verfahrbaren Schlitten auf. Mit diesem Schlitten ist eine Werkzeugspindel, die um eine vertikale Achse drehbar gelagert ist, verbunden. Die Werkzeugspindel dient dabei zur Aufnahme eines Abrichtwerkzeuges. Zur Aufnahme des Werkstückes bzw. der Linse ist eine mit einem weiteren Schlitten verbundene Werkstückspindel vorgesehen. Die Werkstückspindel und die Werkstückspindel mit dem Abrichtwerkzeug sind in einem festen Abstand zueinander angeordnet. Der diese beiden Spindeln tragende Schlitten ist in z-Richtung verfahrbar.
Aus der WO 97/00155 ist eine Poliermaschine und ein Verfahren zum Polieren von optischen Flächen bekannt. Die Poliermaschine weist eine Polierkopf auf, der mit einem elastische Membran versehen ist. Durch Druckbeaufschlagung der Membran wird die Kraftbeaufschlagung der zu polierenden Fläche geregelt. Nachteilig ist bei dieser Poliermaschine, dass die Größe der auf der zu polierenden Fläche aufliegende Fläche des Polierkopfes bzw. der Membran von der Druckbeaufschlagung abhängt. Der Polierkopf mit der elastischem Membran wird durch eine zugeordnete Feder in Richtung der zu polierenden Fläche vorgespannt. Für die Bereitstellung einer Kippbeweglichkeit der elastischen Membran, um eine auf der Drehachse im Bereich der flexiblen Membran liegenden Punkt, sind Hydraulikzylinder vorgesehen. Die Kraftbeaufschlagung der zu polierenden Fläche wird durch zugeordnete Sensoren, Drehstreifen und Solenoit, detektiert.
In dem aus dieser Schrift bekannten Verfahren wird das Polieren der optischen Oberfläche in Abhängigkeit von der Drehzahl des polierenden Kopfes und der auf die zu polierende Oberfläche wirkenden Anpresskraft durch Druckbeaufschlagung gesteuert.
Aus der DE 1 239 211 B ist ein kardanisch gelagertes Optik- Schleif- oder Polierwerkzeug bekannt. Zur Ausrichtung des Poliertellers ist ein Ausrichtglied vorgesehen, das aus elastischem Werkstoff besteht. Dieses Ausrichtglied übt keine das Werkzeug von der Spindel abhebende Kraft aus. Es kann ohne weiteres so ausgebildet werden, dass sogar eine Kraft das Werkzeug an das allseitig bewegliche Gelenk, z. B. ein Kugelgelenk, heranzieht, wobei jedoch die Ausrichtkraft so schwach ist, dass die Einstellung des Werkzeuges auf das Werkstück unter der Wirkung des Arbeitsdruckes möglich ist. Die Verwendung eines solchen Werkzeuges gestattet das automatische Beschicken einer Optik- Schleifmaschine, da das Werkstück starr und axial unbeweglich auf der Spindel verbleibt und ohne seitliches Wegkippen eine genau definierte Lage relativ zu der Beschickungsvorrichtung, einnimmt.
Es ist Aufgabe der Erfindung einen Polierkopf zum Polieren einer Freiformfläche bereitzustellen, durch den eine qualitativ hochwertige optische Oberfläche polierbar ist und durch dessen Einsatz ein konstanter Polierabtrag auf der gesamten zu polierenden optischen Oberfläche gewährleistet werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die im Patentanspruch 1 gegebenen Merkmale gelöst.
Ferner wird eine Poliermaschine mit dem Polierkopf in Anspruch 15 sowie ein Verfahren mit einem derartigen Polierkopf in Anspruch 16 beausprucht.
Durch die Maßnahme den Polierteller drehfest gelenkig mit der Antriebswelle zu verbinden ist es möglich, daß der Polierteller der Oberflächenkontur folgend auf der zu bearbeitenden Oberfläche aufliegt. Durch die gelenkige Verbindung kann der Polierteller Kippbewegungen ausführen, so daß er mit einer maximalen Polierfläche auf der zu polierenden Oberfläche aufliegt.
Zur Übertragung der Drehbewegung der Antriebswelle auf den Polierteller hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, den Polierteller mit der Antriebswelle mittels Formschluß zu verbinden, so daß die Drehbewegung der Antriebswelle aufgrund des Formschlusses auf den Polierteller übertragen wird.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt für die drehfeste gelenkige Verbindung den Polierteller über ein Kugelimbusgelenk mit der Antriebswelle zu verbinden. Durch dieses Kugelimbusgelenk ist es möglich, den Drehpunkt, um den der Polierteller in beliebige Richtungen geschwenkt werden kann, möglichst nah an der zu polierenden Oberfläche des Poliertellers anzuordnen. Die nahe Anordnung der gelenkigen Verbindung zur polierenden Oberfläche des Poliertellers hat den Vorteil, daß der Polierteller den Oberflächenkonturen reaktionsschnell folgen kann.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt der gelenkigen Verbindung ein oder mehrere Rastelement zur Sicherung der Verbindung von Antriebswelle und Polierkopf zuzuordnen. Ist als gelenkige Verbindung ein Kugelimbusgelenk vorgesehen, so wird mittels des Rastelementes sichergestellt, daß der Kugelimbuskopf aus der zugeordneten Ausnehmung nicht herausrutschen kann. Dadurch kann der Polierteller ohne Probleme von der zu polierenden Fläche entfernt werden. Durch die durch das Rastelement gewährleistete Lösbarkeit der Verbindung können außerdem verschiedene Polierteller leicht gegeneinander ausgetauscht werden.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt dem Polierkopf eine Druckkammer zuzuordnen wobei aus einer Druckbeaufschlagung der Druckkammer eine translatorische Bewegung des Poliertellers entlang einer Mittenachse des Polierkopfes resultiert. Liegt der Polierteller auf einer zu polierenden Oberfläche auf, so resultiert aus einer Druckbeaufschlagung ein erhöhter Polierdruck.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn ein der Druckkammer zugeordneter Kolben mit der Antriebswelle in Wirkverbindung steht, so daß eine Druckbeaufschlagung der Druckkammer über die Antriebswelle auf den Polierteller übertragen wird.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt die Antriebswelle mittels eines koaxial angeordneten Hohlzylinders, in dem die Antriebswelle drehfest gelagert ist, über diesen Hohlzylinder anzutreiben. Für die Übertragung der Drehbewegung hat sich eine formschlüssige Verbindung als vorteilhaft erwiesen.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Antriebswelle in dem Hohlzylinder mittels Lagerelementen z.B. einer Wälzlagerung oder einer Kugellagerung translatorisch leicht bewegbar zu lagern. Durch diese Lagerung wird gewährleistet, daß bei Druckbeaufschlagung der Druckkammer sich die Antriebswelle in dem Hohlzylinder leichtgängig translatorisch bewegen kann und somit die eingeleitete translatorische Bewegung bzw. Kraftbeaufschlagung nahezu vollständig auf den Polierteller übertragen wird.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in weiteren abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Anhand eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung im folgenden näher beschrieben.
Es zeigt:
Figur 1
eine schematische Skizze des Polierkopfes in einem dessen Mittenachse enthaltenen Schnittes;
Figur 2
einen Schnitt entlang der Ebene II - II in Figur 1;
Figur 3
einen Schnitt entlang der Ebene III - III in Figur 1; und
Figur 4
Schnitt entlang der Ebene III - III bei einem alternativen Ausführungsbeispiel.
Der in Figur 1 dargestellte Polierkopf (1) weist einen Polierteller (3) mit einem Polierbelag (5) auf. Der Polierbelag (5) liegt auf einer zu polierenden Oberfläche (41) eines Werkstückes (39) auf.
Der Polierteller 3 ist über die gelenkige Verbindung an einer Antriebswelle (7) aufgenommen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist für diese drehfeste gelenkige Verbindung ein Kugelimbusgelenk vorgesehen. Die Antriebswelle (7) ist dazu auf der dem Polierteller zugewandten Seite endseitig mit einem Kugelimbuskopf (19) versehen, der in eine im Polierteller (3) ausgebildete Ausnehmung (13) eingreift.
Zur Sicherung ist die Verbindung zwischen dem Kugelimbuskopf (19) und dem Polierteller (3) mittels eines Rastelementes (15) gesichert ist. Als Rastelement können beispielsweise ein Federelement bzw. Federstift am Polierteller, der in eine Ausnehmung am Kugelimbuskopf hinein ragt, vorgesehen sein.
Es ist auch möglich, den Kugelimbuskopf (19) an dem Polierteller auszubilden; in diesem Fall ist dann in der Antriebswelle (7) eine Ausnehmung zur drehsicheren gelenkigen Aufnahme des Kugelimbuskopfes vorzusehen. Allerdings ist in diesem Fall der Abstand zwischen der Gelenkstelle - also dem Punkt, um den eine Kippung des Poliertellers relativ zur starren Antriebswelle erfolgen kann - und der zu polierenden Fläche (41) größer.
Die Antriebswelle (7) ist über Lagerelement (23) translatorisch verschiebbar und drehfest in einem Hohlzylinder (49) gelagert. Der Hohlzylinder (49) wird rotatorisch angetrieben über einen nicht dargestellten Antrieb der Poliermaschine, wobei die Drehbewegung aufgrund der drehfesten Verbindung durch das Lagerelement (23) vollständig auf die Antriebswelle (7) für den Polierkopf übertragen wird.
Auf der vom Polierkopf abgewandten Seite der Antriebswelle (7) ist in dem Hohlzylinder (49) ein Hydraulik- oder Pneumatiksystem, das zur Beaufschlagung des Polierkopfes mit dem erforderlichen Polierdruck dient, vorgesehen. Dieses weist einen Druckkammerzylinder (31) mit einem darin translatorisch verschiebar aufgenommenen Kolben (33) auf. Zur Entkoppelung des Kolbens (33) von der Drehbewegung der Antriebswelle (7) und des Hohlzylinders können Drehlager zwischen dem Druckkammerzylinder (31) und dem Hohlzylinder (49) sowie zwischen dem vom Kolben (33) angetriebenen Pleul (32) und der Antriebswelle (7) vorgesehen sein. Zur Druckbeaufschlagung des Kolbens (33) ist der im Druckkammerzylinder (31) gebildeten Druckkammer (29) eine Druckversorgung (35) mit einem Druckregelventil (37) und einem Druckreservoir (36) zugeordnet. Durch Druckbeaufschlagung der Druckkammer (29) wird eine entlang einer Mittenachse (2) des Polierkopfes (1) gerichteten Kraft auf den Kolben (33) eingeleitet. Aus dieser Kraft resultiert eine translatorische Bewegung des Poliertellers bzw. eine Erhöhung der wirkenden Polierkraft, sofern der Polierbelag (5)auf einer zu polierenden optischen Fläche (41) eines Werkstückes (39) aufliegt.
Die drehfeste translatorisch bewegbare Kopplung zwischen dem Hohlzylinder (49) und der Antriebswelle (7) erfolgt über ein Wälzlager (23). Die Antriebswelle (7) weist dazu ein nicht rotationssymmetrisches Außenprofil (43), vorzugsweise ein Mehrkantprofil auf. Der Formschluß zwischen dem Außenprofil (43) der Antriebswelle (7) und der Innenwand des Hohlzylinders wird über Rollen oder Walzen (25) erreicht, die in dem Lagerelement (23) symmetrisch zum Außenprofil der Antriebswelle (7) aufgenommen sind und an dem Außenprofil (43) der Antriebswelle abrollen. Die Drehachsen der Rollen oder Walzen sind dabei senkrecht zur Rotationachse der Antriebswelle (7) ausgerichtet.
Anstelle der Wälzlagerung der Antriebswelle (7) in dem Hohlzylinder (49) kann auch eine Kugellagerung, wie in Figur 4 dargestellt, vorgesehen sein. Zur drehfesten translatorisch verschiebbaren Verbindung sind die Kugeln (53) in Längsnuten (51) des Hohlzylinders (49) und weiteren Längsnuten (55) der Antriebswelle (7) gelagert, wobei sich die Längsnuten parallel zur Rotationsachse der Antriebswelle (7) erstrecken. Auch in diesem Fall weist die Antriebsachse wenigstens in einem der Lagerung entsprechenden Bereich ein nichtrotationssysmmetrisches Außenprofil, insbesondere ein Mehrkantprofil auf
Im folgenden wird das Polierverfahren näher beschrieben. Zum Polieren wird der Polierkopf, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der zu polierenden Fläche, in einer Schwenkbewegung in radialer Richtung über die zu polierende optische Fläche (41) bewegt. Sowohl das Werkstück (39) als auch der Polierteller werden dabei mit nahezu gleicher Drehzahl in identischer Richtung angetrieben. Bei Bewegung des Poliertellers über die zu polierende optische Fläche (41) kann vorgesehen sein, daß die Drehzahlen des Poliertellers oder die Drehzahl des Werkstückes, insbesondere in Abhängigkeit von der radialen Position des Poliertellers, zu verändern. Diese Drehzahländerung hat einen positiven Einfluß auf einen konstanten Polierabtrag.
Durch die Wahl eines sehr großen Speichervolumens (36) im Verhältnis zum sich verändernden Volumen des Kolbens (31), werden die Druckschwankungen sehr klein gehalten, so daß der Polierteller mit konstanter Kraft auf der zu polierenden optischen Fläche aufliegt. Das Druckregelventil trägt auch noch zum Ausgleich von Druckschwankungen bei.
Durch die beschriebene Anordnung in Verbindung mit einer Poliermaschine nach dem Stand der Technik sind insbesondere nicht rotationssymmetrische optische Oberflächen (41) polierbar, wobei der Polierabtrag über die gesamte optische Fläche konstant ist. Für den gleichmäßigen Polierabtrag ist es erforderlich, daß der Polierbelag des Poliertellers (3) möglichst großflächig auf der zu polierenden optischen Fläche (41) aufliegt. Dies wird insbesondere dadurch gewährleistet, daß durch die drehfeste gelenkige Verbindung zwischen dem Polierteller und der Antriebswelle (7) der Polierteller um einen auf der Mittenachse (2) des Polierkopfes liegenden Punkt in beliebige Richtungen gekippt werden kann und die Ausrichtung des Poliertellers dadurch der Oberflächenkontur der zu polierenden Fläche (41) folgen kann.
Bezugszeichenliste:
1
Polierkopf
2
Mittenachse
3
Polierteller
5
Polierbelag (∼ Belag)
7
Antriebswelle
9
gelenkige Verbindung
13
Ausnehmung im Polierteller
15
Rastelement
19
Kugelimbuskopf
20
Ausnehmung
23
Lagerelemente
25
Walzen oder Rollen
29
Druckkammer
31
Druckkammerzylinder
32
Pleuel
33
Kolben
35
Druckversorgung
36
Reservoir
37
Druckregelventil
39
Werkstück
41
Optische Fläche
43
Außenprofil
49
Hohlzylinder
51
Längsnuten
53
Kugeln
55
Längsnut in Antriebswelle

Claims (20)

  1. Polierkopf, insbesondere zum Polieren von optischen Flächen, mit einem Polierteller, der mit einer rotatorisch antreibbaren Antriebswelle verbunden ist, und der Polierteller (3) mit der Antriebswelle (7) gelenkig und drehfest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckkammer (29) vorgesehen ist, wobei aus einer Duckbeaufschlagung der Druckkammer (29) eine translatorische Bewegung des Poliertellers (3) entlang einer Mittenachse (2) des Polierkopfes resultiert.
  2. Polierkopf nach Anspruch 1, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehbewegung der Antriebswelle (7) mittels Formschluss auf den Polierteller (3) übertragen wird.
  3. Polierkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Polierteller (3) um einen auf der Mittenachse (2) liegenden Punkt kippbar an der Antriebswelle (7) gelagert ist.
  4. Polierkopf nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formschluss zur Übertragung der Drehbewegung der Antriebswelle (7) auf den Polierteller (3) in der gelenkigen Verbindung hergestellt ist.
  5. Polierkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als gelenkige Verbindung ein Kugelinbusgelenk vorgesehen ist.
  6. Polierkopf nach mindestens einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rastelement (15) zur Sicherung der gelenkigen Verbindung von Polierteller (3) und Antriebswelle (7) vorgesehen ist.
  7. Polierkopf nach mindestens einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (29) einen Druckkammerzylinder (31) umfasst, in dem ein Kolben (33) translatorisch bewegbar angeordnet ist.
  8. Pollierkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (33) mit der Antriebswelle (7) in Wirkverbindung steht.
  9. Polierkopf nach mindestens einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (7) drehfest und translatorisch entlang der Mittenachse (2) des Polierkopfes verschiebbar in einem angetriebenen Hohlzylinder (49) gelagert.
  10. Polierkopf nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (7) drehfest und translatorisch entlang einer Mittenachse (2) des Polierkopfes verschiebbar gelagert ist und mit einem rotatorisch angetriebenen Kolben drehfest verbunden ist.
  11. Polierkopf nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (7) mindestens in einem Teilbereich ein nichtrotationssymmetrisches Außenprofil (43) aufweist.
  12. Polierkopf nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenprofil (43) in Form eines Mehrkantprofils ausgebildet ist.
  13. Polierkopf nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenprofil (43) über eine Wälzlagerung (23, 25) drehfest mit dem Hohlzylinder in Verbindung steht.
  14. Polierkopf nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenprofil (43) Längsnuten (51) aufweist, in denen Kugeln (53) angeordnet sind, über die die Antriebswelle (7) mit dem Hohlzylinder (49), der innenseitig im gegensinnig ausgebildeten Längsnuten (51) versehen ist, verbunden ist.
  15. Poliermaschine mit einem Polierkopf gemäß mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche.
  16. Verfahren zum Polieren einer punktunsymmetrischen Freiformfläche mit einer Poliermaschine nach Anspruch 15, wobei der Polierteller (3), der in gleicher Drehrichtung rotatorisch angetrieben wird, wie die zu polierende optische Fläche.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der zu bearbeitende Körper (3) mit annähernd gleicher Drehfrequenz angetrieben wird wie der Polierteller (3).
  18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehteller (3) eine radiale Bewegung relativ zum zu bearbeitenden Körper (39) ausführt.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der radialen Position des Drehtellers (3) die Drehfrequenz des Drehtellers (3) oder der zu polierenden Fläche (41) verändert wird.
  20. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 - 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Kammer (29) in Abhängigkeit von der Oberflächenkontur der optischen Fläche (41) geregelt wird, so dass der auf der optischen Oberfläche (41) aufliegende Drehteller auf dieselbe einen vorbestimmten konstanten Polierdruck ausübt.
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