TWI533966B - 切削材料之系統及方法 - Google Patents

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大衛 凱勒
布萊特 布羅卡托
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Description

切削材料之系統及方法
本申請案主張2008年9月18日申請之名稱為「Systems and Methods for Machining Materials」之美國臨時專利申請案第61/098,065號的優先權，該案以引用的方式併入本文中。
已知許多切削各種材料的系統及方法。可程式化之電腦控制與切削工具一起組合使用以提高切削程序之效率(諸如藉由減少所涉及之熟練技工的數量)及增加切削特徵部在所得之工件上的尺寸精確性或所需特性。各種切削材料之方法具有各自的優點及弱點，且因此(獨立地或組合地)最適合於一種應用而較不適合於另一應用。需要高效而實際的切削材料之系統及方法。
本發明之實施例提供用於切削材料之系統及方法。在一實施例中，一種切削材料之方法包括：控制工具台與工件之間沿一彎曲工具路徑的相對平移及工具台相對於工件之對應旋轉角度，以使工具台與對應之相對平移(工具台與工件之間沿彎曲工具路徑)之間維持大體上恆定之角度。另一實施例包括：控制工具台沿一彎曲工具路徑之動態饋送速率，以使工具台相對於工件大體上維持目標向心加速度。可使用此一CNC切削裝置實現一種用於將所需之特徵部刻劃至工件中之方法的一個實施例，以從工件中移除材料並藉此產生具有高品質表面(例如，減少所產生之表面上不屬於設計之一部分的工具標記)之所需特徵部。另外，使用此一刻劃方法之實施例可產生切削廢棄材料之一連續或大體上連續之碎片，使得相比於使用諸如微研磨之方法(產生諸多難以從完成之工件表面移除的較小廢棄材料碎片)更容易清洗工件。一些實施例之額外優點係用於刻劃程序之工具的切割邊緣與正在切削之工件之間具有較慢之相對速度(與微研磨程序相比)，此可降低在碎片成形期間形成且必須由熱量驅散之動能。由刻劃程序產生之熱量的此一減少可降低工具磨損速率。
提及此等說明性實施例並不意欲限制或界定本發明，但是提供實例以幫助理解此等實施例。在[實施方式]中討論說明性實施例，並提供本發明之進一步描述。藉由檢查本說明書可進一步理解由各種實施例提供之優點。
參考附圖閱讀[實施方式]時可更好地理解本發明之實施例的此等及其他特徵、態樣及優點。
本發明之實施例包括用於切削材料之系統及方法。可以許多方式體現根據本發明之系統及方法。大體而言，由使用者選擇一種或多種切削系統或方法，以最快速地及最具成本效益地產生包括所有所需之特徵、特性及公差裕度之完成的工件同時減少步驟、浪費之努力及過度之材料。希望使用可幫助延長所涉及之組件及工具的預期壽命之系統及方法。
本發明之特定實施例可(例如)用於切削在鎳或黃銅複製母版上之特徵部，該等特徵部係經設計用於製造提供光學效果且可併入小型影像擷取器件中之透鏡(或其組件部分)的陣列。可使用根據本文中所揭示之實施例切削之製造母版來製造用於其他應用(包含例如通信、資料儲存及半導體製造)之光學器件陣列。由名稱為「Arrayed Imaging Systems and Associated Methods」之PCT國際專利WO 2008/020899 A2號提供在製造影像擷取器件時使用製造母版的進一步描述，該案之全部揭示內容就如同下文完全說明一般以引用的方式併入本文中。
現參考圖1，顯示待切削之圓柱形工件100之圖解。工件100包括待切削之大體上平坦之表面102。在其他實施例中，待切削之工件的表面可包括其他表面形狀、特徵或品質。例如，此一表面可包括凸面、凹面、非球面、不規則面、脊狀、交叉狀或其他形狀、特徵或品質。在一實施例中，工件可具有諸如使用本文揭示之技術進一步切削之凹入部或凸出部之特徵部的陣列。
圖1說明標有「X」、「Y」、「Z」、「A」、「B」及「C」之六個不同的軸相對於工件100之表面102的關係。X軸平行於工件100之表面102。Y軸亦平行於工件100之表面102且垂直於X軸。Z軸垂直於X軸及Y軸兩者且垂直於工件100之表面102。A軸環繞X軸，B軸環繞Y軸，而C軸環繞Z軸。
在討論下文所描述之各種實施例時，對X軸、Y軸、Z軸、A軸、B軸或C軸中之任一者或多者作出參考應理解為與圖1中描繪之此等軸的定向一致。例如，在其他實施例中，可使用替代座標系統或參考點。例如，可獨立或彼此結合或結合圖1描繪之座標系統來使用圓柱或極座標系統。在另一實施例中，(例如)參考所使用之切削設備可描述各軸。
切削材料之系統的實例
現參考圖2，顯示根據一實施例之用於切削材料之系統200的方塊圖。系統200包括具有多個可控組件之數位自動化CNC(電腦數值控制)切削裝置。在其他實施例中，切削材料之系統可包括手動操作系統或機械自動化系統。仍參考圖2，所顯示之系統200可包括(例如)一精確車削工具，諸如Precitech Nanoform 700 Ultra四軸金剛石車床或具有視需要的C旋轉軸之Nanotech 350FG三軸超精密自由形式產生器，其等可購自Moore Nanotechnology Systems LLC,426A Winchester Street,PO Box 605,Keene,NH 03431-0605 USA，電話：1-603-352-3030。在此一實施例中，可修改一標準工具固持件平台以接納及固持一工件，同時可修改一標準工件固持平台以接納及固持一諸如完全銳利之金剛石車削工具及圓角金剛石工具的工具。
圖2所顯示之系統200包括一可程式化之電腦202或處理器，其經組態以藉由發送及接收彼此間的信號及電流而控制系統200之其他組件。例如，可使用廣泛購自諸如Compaq、Toshiba或Gateway之許多供應商的一個或多個PC相容電腦，以執行程式及控制系統200之其他組件。在其他實施例中，電腦202可包括經組態以執行一組預定控制操作以控制系統200之其他組件的預程式化電腦晶片。電腦202可具有包括輸入器件(諸如觸摸螢幕監測器或具有正規監測器之鍵台)之使用者介面，使用者可使用該介面指導或程式化電腦202。
電腦202係與儲存媒體204通信。儲存媒體204可包括(例如)硬碟。儲存媒體204經組態以儲存電腦程式，該等電腦程式係經設計以在由電腦202執行時控制系統200之其他組件的操作以便按一預定方式執行切削程序。在一些實施例中，電腦202可與一個或多個其他電腦器件及儲存媒體通信(例如，透過LAN或WAN)，且可經組態以經由此一網路來接收及執行一個或多個指令或程式。電腦202亦可具有經組態以接納利用針對電腦202之一組指令程式化之資料儲存器件(諸如快閃記憶體卡或DVD-ROM)。
電腦202亦與一組可控組件206通信。在本實施例中，組件206包括經組態以固持及操縱工具210之工具固持件平台208，及經組態以固持及操縱工件214之工件固持件平台212。在其他實施例中，組件206在數量上可更多或更少，且相對於下文描述可具有額外之可控特徵或可控的移動方向。平台208、212兼可包括在軌道上之一個或多個金屬台，且彼此隔離並與加壓空氣或液體之機器或氣泡上的場地隔離。平台208、212可連接至電動馬達(諸如DC或AC馬達)或壓電致動機，該等馬達或致動機係經組態以回應於電信號及電流(由電腦202回應於儲存在記憶體204中之程式的執行而控制)而在一個或多個方向上移動平台208、212之至少一部分。
在一實施例中，工具固持件平台208經組態以控制工具210圍繞X軸、Y軸及C軸之移動，而工件固持件平台212經組態以控制工件214圍繞Z軸之移動。在另一實施例中，工具固持件平台208可經組態以控制工具210圍繞X軸、Y軸及Z軸之移動，而工件固持件平台212可為靜止。在另一實施例中，工具固持件平台208可經組態以控制工具210圍繞C軸之移動，而工件固持件平台212可經組態以控制工件214圍繞X軸、Y軸及Z軸之移動。在另一實施例中，工具固持件平台208可經組態以控制工具210圍繞Z軸及C軸之移動，而工件固持件平台212可經組態以控制工件214圍繞X軸及Y軸之移動。
在其他實施例中，可使用工具固持件平台208及工件固持件平台212之其他適合的替代組態。例如，在使用立式研磨器件之實施例中，工具固持件平台208可經組態以控制工具210圍繞X軸、Z軸及B軸之移動，而工件固持件平台212可經組態以控制工件214圍繞Y軸之移動。在另一實施例中，立式研磨器件可經組態具有經組態以控制工件214圍繞X軸及Y軸移動之工件固持件平台212、及經組態以控制工具210圍繞Z軸及C軸移動之工具固持件平台208。在另一實施例中，可使用水平研磨器件，其中工具固持件平台208經組態以控制工具210圍繞X軸、Y軸及C軸之移動，而工件固持件平台212經組態以控制工件214圍繞Z軸既C'軸(其中C'軸具有對應於工具固持件平台208之位置的原點)之移動。
仍參考圖2，系統200之可控組件206進一步包括由電腦202控制之潤滑系統216。潤滑系統216可經組態以將具有潤滑性質之液體或氣體材料提供至如下區域：其中工具210接觸工件214以將工具210與工件214之操作溫度維持在適合於所涉及之材料的參數內，延長工具210之壽命，防止損壞工件214，或移除自切削程序產生之廢棄材料的碎片或碎料。例如，潤滑系統216可包括與電腦202通信之電動泵，連同經組態以將潤滑劑材料自貯存器輸送至一個或多個噴嘴之管路係連接至該泵，安置該等噴嘴係以將潤滑劑噴灑於工具210與工件214之接觸位置上。
在一些實施例中，可使用其他組件作為可控組件206的一部分，諸如經設計用以將電動馬達(諸如用以實現工具固持件平台208或工件固持件平台212之移動的馬達)之操作溫度限制在一預定值以下之循環冷卻劑系統。
系統200自電源220汲取電力。電源220可包括(例如)120V或220V之AC電源。在另一實施例中，電源220可包括DC電源(例如NiMH電池)。
現參考圖3A，根據一實施例顯示用於切削材料之系統300之一部分的側透視圖。系統300包括工具固持件平台308。工具固持件平台308由可移動平台307、309、311組成。可移動平台307係僅沿如圖3描繪之X軸可移動及可控制。可移動平台309係僅沿如圖3描繪之Y軸可移動及可控制。可移動平台311包括經組態以固持沿如圖3描繪之Z軸可移動及可控制之工具310的工具心軸。
工具310可包括任何適合之切割工具。例如，工具310可由工具鋼、高速鋼、碳化鉭、碳化鈦、碳化鎢、氮化鈦、陶瓷材料或天然或合成金剛石製造而成。在一實施例中，工具310可包括具有200微米之半徑且購自Chardon Tool,PO Box 291,115 Parker Court,Chardon,OH 44024 USA,電話：1-440-286-6440之超精密切削單點金剛石車削半球或凹面球工具。在另一實施例中，工具310可包括購自TechnoDiamant之快速工具伺服工具。
工具固持件平台308經組態使得可移動平台307、309、311之每一者係分別可控。可移動平台307沿X軸之移動亦會導致平台309、311及工具310沿X軸之移動。可移動平台309沿Y軸之移動亦會導致平台311及工具310沿Y軸之移動。可移動平台311圍繞C軸之旋轉會導致工具310圍繞C軸之旋轉。以此方式，藉由相對於X軸及Y軸之位置來定位C軸可控制工具310之切割表面的位置及角度。因此可編寫描述工具310之切割路徑的程式，該切割路徑針對每組X-Y座標指定C軸座標。
系統300進一步包括工件固持件平台312。在圖3所顯示之系統300中，工件固持件平台312係沿圖3描繪之Z軸及B軸可移動及可控制。以此方式，可相對於X軸、Y軸、Z軸、B軸及C軸控制工具310之切割表面與安裝於工件固持件312中之工件的表面之間的相對平移及轉動。視正在切割之特徵部的類型、正在切割之工件的形狀或其他限制條件而定，在其他實施例中可添加額外的可移動平台以提供工具310與工件之間的額外旋轉方向及角度。
此外，在其他實施例中，工件固持件可以致使與其耦接之工件沿另一或額外軸可移動及可控制的方式來組態。例如，如圖3B所顯示之系統3000，其中顯示工件3014為安裝於經組態相對於X軸、Y軸及C軸可控制之工件固持件平台3012上，而顯示工具固持件平台3008為經組態相對於Z軸及C'軸(其中C'軸平行於C軸)可控制。在此一實施例中，安裝於工具固持件平台3008中之工具3010可圍繞C'軸旋轉，而工件3014可圍繞C軸獨立地旋轉，例如以增加工件3014之切削面積。
現參考圖4，根據一實施例顯示安裝於圖3所顯示之系統300中之工件314及工具310的圖解之側透視圖。如圖4所示，工件314固定地安裝於工件固持件平台312上。工件314包括具有一凸起表面之大體上呈圓柱形狀的物件，工具310將特徵部刻劃於該凸起表面上。如圖4所示，工具310包括圓角金剛石車削工具。在另一實施例中，可使用其他類型之工具，諸如經組態以在單點金剛石車削(SPDT)操作中使用之完全銳利的單點天然金剛石切割元件。
如前文所述及關於圖4所示，可相對於X軸、Y軸、Z軸及C軸控制工具310之切割表面(工具台)相對於工件314之待切削表面的相對位置。因此，可執行諸如下文描述之刻劃程序，藉此使工具310相對於C軸之旋轉在該程序期間在各個點處係同步的，且其旋轉角度係由工具310相對於局部X-Y-Z原點(與待切削之特徵部的中心相關)之X-Y位置定義。因此，工具310之工具台(有時亦稱為斜面)在一些實施例中可維持在與工具310相對於工件314沿彎曲工具路徑之平移大體上垂直之定向上。以此方式，可沿大體上平行於工具310沿切割路徑之平移的方向從工件314中移除材料。在其他實施例中，可調整工具310相對於工件314之定向以提供適合之斜面、滾動及/或傾斜角度。例如，一些特徵部需要之切割深度或傾斜角度大於藉由在工具310之工具台與工件314之間維持大體上垂直之定向所提供切割深度或傾斜角度。另外，為切削一些結晶材料，較適合的是在工具310之工具台與工件314之間維持一已知的斜面、滾動及/或傾斜角度。
給出上述可用以執行切削材料之本系統及方法的實例系統(200、300)係為讀者介紹本文所討論之大體標的。本揭示內容並不限於此等實施例。下文描述關於切削材料之系統及方法的各種實施例之其他細節。
切削材料之實例方法
現參考圖5，顯示根據一實施例之切削材料之方法500的流程圖。在步驟502中，方法500包括設計待切削之特徵部的步驟。例如，使用者可使用2-D或3-D電腦輔助設計及模型化程式(諸如AutoCAD、Autodesk Inventor、SolidWorks或Parametric Technology Corporation之Pro/ENGINEER)以設計待切削之一個或多個特徵部。特徵部可包括(例如)用以模製晶圓規模之折射、反射或繞射透鏡之部分的特徵部。在此一實施例中，可使用可購得之電腦輔助光學設計工具(諸如購自Optical Research Associates之CODE V或購自Zemax Development Corp.之ZEMAX)來設計光學表面特徵部。
在步驟504中，方法500包括產生彎曲X-Y-Z工具路徑之步驟。例如，在一實施例中，此步驟可包括產生由CNC切削系統執行之電腦程式以產生步驟502中所設計之特徵部。例如，可使用一個或多個可購得之電腦輔助製造程式來產生或轉譯此一程式，諸如SolidCAM、Parametric Technology Corporation之Pro/ENGINEER軟體、Camtek之PEPS軟體或由Western Isle Ltd.,North Wales,Great Britain開發之DIFFSYS軟體。
在步驟506中，方法500包括決定針對步驟504中產生之彎曲X-Y-Z工具路徑的對應C軸座標之步驟。例如，在一實施例中，可使用Mathworks之MATLAB程式化語言及功能性以產生一後處理常式，該常式將研磨程式之輸出(例如，DIEFSYS研磨程式定義X-Y-Z工具路徑，其中已利用逗號取代X、Y及Z字符)用作輸入以計算與每個X-Y-Z座標相關且沿一個或多個工具路徑之一組C軸角度及動態饋送速率。在此一實施例中，可使用MATLAB之atan2四象限反正切函數計算針對每組X-Y-Z座標之對應C軸座標。在一實施例中，C軸座標可經組態以控制工具台相對於正在切削之工件的旋轉角度，以在工具台與對應之相對平移(工具台與工件之間沿步驟504中所產生的彎曲X-Y-Z工具路徑的相對平移)之間維持大體上恆定之角度(例如，垂直關係)。
在步驟507中，方法500包括決定步驟504中所產生的X-Y-Z工具路徑之對應動態饋送速率的步驟。在一些實施例中，動態饋送速率可經程式化以(例如)隨彎曲X-Y-Z工具路徑之不同曲率而沿一彎曲工具路徑有所改變。沿彎曲X-Y-Z工具路徑改變饋送速率可用作各種目的，諸如增加切削精確性，解決車床效能限制或控制系統或演算法之局限性及不精確性，減少諸如移動誤差之不受歡迎的切削副產品，減少將特徵部切削至工件上所需的時間量，穩定遍及大範圍工具路徑曲率半徑之切削及控制系統動態，及/或減少相對較重之工件、及/或工具固持心軸的動態效果。
例如，在一實施例中，針對沿一個或多個彎曲工具路徑之各個X-Y-Z座標，可使用利用通用軟體開發系統(諸如Matlab、Labview或C語言編譯器)程式化且用以執行必須計算之程式來計算線性動態饋送速率，以根據所使用之切削裝置設置而在沿工具路徑之變化曲率半徑上大體上維持工具相對於工件或工件相對於工具之目標向心加速度。
在此一實施例中，決定一組動態饋送速率包括：決定目標向心加速度，及從CAM系統(諸如DIFFSYS)獲得所需之切割特徵部輪廓的一組X、Y及Z工具路徑座標，其中工具路徑座標由「逗號分隔取值」(CSV)格式之X、Y及Z位置組成。
例如，可藉由對待使用之切削系統執行一次或多次資料擷取切削加工以達成所需之特徵部，並檢查結果以決定不會對所討論之電腦控制切削系統引起過度的軸跟蹤誤差之切向速度及工具路徑半徑，從而決定目標向心加速度。一旦識別到針對特定切削系統之適當的切向速度及工具路徑半徑，即可藉由將已知切向速度之平方除以已知工具路徑半徑來計算目標向心加速度。
在一些實施例中，決定目標向心加速度可包括：對切向速度之平方除以工具路徑的曲率半徑添加一工具路徑之曲率半徑函數，以減少切削程序所需之時間量。
仍參考圖5，且尤其是步驟507，一旦決定目標向心加速度，即可使用工具路徑後處理常式來計算一組動態饋送速率，以在沿已知工具路徑之至少一部分上大體上維持目標向心加速度。例如，決定動態饋送速率可包括：讀取經程式化之工具路徑的已知X、Y及Z座標，針對每組X-Y-Z座標決定一組工具路徑曲率半徑，且其後藉由將目標切向加速度與針對每組X與Y座標之經計算的工具路徑曲率半徑相乘，將所形成之乘積開平方根，從而決定針對沿工具路徑之各個X-Y-Z座標之一組切向速度。
一旦計算出針對沿X-Y-Z工具路徑之每組X及Y座標的該組沿工具路徑之切向速度，即可(例如)藉由使用DIFFSYS來計算與各個此切向速度相關之一組動態饋送速率。
在此一實施例中，一旦針對各個X-Y-Z座標計算出一組動態饋送速率(經組態以在沿X-Y-Z工具路徑之至少所需部分上大體上維持目標向心加速度)，即可編譯在CNC切削系統(諸如Nanotech 350FG)中可用之新型切削工具數值控制程式檔案，除經計算之X軸及Y軸動態饋送速率術語及根據上文關於步驟506之描述所計算的任何C軸座標以外，該程式檔案還包含X、Y及Z座標。在其他實施例中，針對沿步驟504中所產生之工具路徑的一些或所有已知X-Y-Z座標，可手動計算C軸座標或動態饋送速率。
在步驟508中，方法500包括選擇及安裝將在切削程序中使用之工具的步驟。例如，在一實施例中，該工具可包括經組態用於繞射單點金剛石車削(SPDT)操作之一完全銳利之單點天然金剛石切割元件。在另一實施例中，該工具可包括關於圖3所描述之工具310，且可固定地安裝於一旋轉定位軸上，諸如在圖3及圖4中顯示且為系統300之可移動工具固持件平台308之一部分的心軸311。如此安裝後，該工具在X軸、Y軸及C軸中係可控制的，正如系統300之工具310。在其他實施例中，例如，所選定之工具可包括研磨工具或具有圓角切割邊緣輪廓之金剛石，且可以不同組態安裝於工具固持件(諸如夾刀柱或高速心軸)中，以提供不同或額外之可控制移動方向。
在步驟510中，方法500包括選擇及安裝待切削之工件的步驟。例如，在一實施例中，該工件可包括具有八英吋之直徑及大體上平坦之待切削表面的圓柱形鎳片。在其他實施例中，可使用具有不同尺寸(例如300mm之直徑)、形狀、材料及表面特性之工件。例如，在一實施例中，工件可包括類似於在圖4中顯示為安裝於工件固持件312上之工件314的工件。在另一實施例中，可安裝由玻璃材料組成之工件以用於切削。在另一實施例中，工件可包括已使用其他程序(例如，快速工具伺服程序或微研磨程序)預先進行切削之表面，以提供可使用刻劃程序將額外特徵部切削至其上的表面。在一實施例中，可安裝一第一工件(諸如碎屑或缺陷部分)以切削並不意欲成為完成之工件產品的一部分之經設置的特徵部。在此一實施例中，一旦刻出該經設置的特徵部，即可移除該第一工件，並以欲在稍後使用之一第二工件取代之。
工件可固定地安裝於一可移動之工件固持件平台上，諸如上文關於圖3之系統300所描述之平台312。例如，可在經安裝之工件與工件固持件之間設置一強的真空，以將工件固定於固持件平台上。在另一實施例中，可使用一個或多個機械夾鉗或虎鉗以將工件固定於工件固持件上。
在步驟512中，方法500包括圍繞一第一局部X-Y-Z座標軸刻劃一經設置的特徵部至工件中的步驟。例如，在一實施例中，一經設置的特徵部可接近步驟502中所設計的特徵部之至少一部分，以評估CNC機器中之工具的設置。在另一實施例中，一經設置的特徵部可完全類似於步驟502中所設計的特徵部。
可圍繞第一局部X-Y-Z座標軸以軸對稱的方式刻劃一經設置或設計的特徵部。例如，可藉由在所需特徵部之外部邊緣處開始一軸對稱及大體上螺旋之切割路徑，並沿具有一遞減之半徑的螺旋路徑移動工具，直到工具抵達所需特徵部的中心軸且移除不需要之材料為止，從而將一繞射透鏡特徵部刻劃至工件之表面中。在此一實施例中，廢料之連續碎片可藉由利用一螺旋工具路徑而藉由此一刻劃程序來產生。使用此一程序，可利用一動態饋送速率而相對於X軸、Y軸及C軸移動工具(例如，上文關於圖2所描述之安裝於系統200中的工具210)，該動態饋送速率經組態以在沿工件(諸如關於圖2描述之工件214)表面之工具路徑上大體上維持目標向心加速度，其方式使得在刻劃程序期間之所有時刻下工具台與大體上垂直之工具沿工具路徑的平移定向之間在同一點處及時維持一預定角度。
在其他實施例中，可使用替代之切割路徑、特徵部形狀或工具之切割表面與工具之移動方向之間的關係。例如，可藉由在所需特徵部之中心處開始一大體上螺旋之切割路徑，並沿具有逐漸增大之半徑的路徑移動圓角金剛石工具，直到工具抵達所需特徵部的外部邊緣及從工件中移除不需要之材料為止，從而刻劃一折射或反射透鏡特徵部。
在其他實施例中，可使用額外之切削程序以大體上形成一經設置或設計的特徵部，且其後可使用關於步驟512所描述之刻劃程序作為一隨後程序，以對一個或多個特徵部之所有或部分提供：較高之尺寸精確性(例如，至幾十奈米)；較高之表面斜坡，其係與由其他一些程序(諸如快速工具伺服程序)提供之斜坡相比；較平滑之完成的特徵部表面，與由其他一些程序(諸如微研磨程序)提供之工具標記相比，該特徵部表面包括較少之工具標記；多個光學或其他效果，其等係由一特徵部(諸如一透鏡特徵部上之折射及繞射效果)提供；較簡單之程序，其係指從完成之工件中移除金屬碎片或其他金屬屑。
在步驟514中，方法500包括量測及校正形式誤差的步驟。例如，在一實施例中，已切削為碎屑工件之一經設置的特徵部可使用干涉儀或其他表面剖線儀器件(舉例而言，諸如購自TaylorHobson Ltd.,PO Box 36,2 New Star Road,Leicester,LE4 9JQ之Talysurf系統)來量測形式誤差，以將該設計特徵部的尺寸與步驟502中所設計的特徵部之經設計的尺寸進行比較，並藉此決定安裝於CNC機器(諸如上文描述之系統200)中之工具(諸如工具210)的形式誤差。若決定所刻劃之經設置的特徵部中具有形式誤差，則可使用該形式誤差資訊以更新步驟504中所產生的X-Y-Z工具路徑(例如，使用DIFFSYS軟體之功能性)，及針對所校正之X-Y-Z工具路徑重新計算任何對應之C軸座標或動態饋送速率資訊(例如，如步驟506及507中所描述)。以此方式可增加在刻劃步驟502中所設計之該(該等)特徵部時的精確性。例如，在一實施例中，量測及校正形式誤差可導致在幾十奈米範圍內之精確性。在一實施例中，涉及單一工件上之多個設計特徵部的切削時，可在切削複數個特徵部期間分一次或多次地完成量測及校正形式誤差之步驟，以校正在切削過程期間形成之形式誤差(例如，解決工具磨損)。在一實施例中，例如當設計特徵部的尺寸精確性在幾微米內係可接受時，可省略量測及校正形式誤差之步驟。
仍參考圖5，在步驟516中，方法500進一步包括如下步驟：將用於切削經設置之特徵部的工具索引至其位置相對於第一局部X-Y-Z座標軸已知的第二局部X-Y-Z座標軸。在一實施例中，第一與第二X-Y-Z座標軸之間的關係可為經設計以對一工件提供多個特徵部的程式之一部分。第二局部X-Y-Z座標軸可與工件上之一特徵部(在步驟502中設計且待切削)的位置相關。在一實施例中，可移除於其上切削設計特徵部的工件，並選擇及安裝經組態以刻劃及製造步驟502所設計的一個或多個特徵部之一第二工件。
一旦將工具索引至第二局部X-Y-Z座標軸的位置，即可以軸對稱之方式圍繞該第二局部X-Y-Z座標軸來重複刻劃程序，以產生所設計之特徵部(例如，以上文關於步驟512所描述之方式)。以此方式，可將多個經設計之特徵部(具有相同類型之設計或不同類型之設計)切削至同一工件上，而無需從其固定之安裝位置移除工具或工件，藉此容許特徵部與單一工件上之特徵部的陣列之快速總切削之間具有較高尺寸精確性。在一些實施例中，可使用一索引及重複之切削程序以在同一工件上或在同一局部X-Y-Z座標軸處產生多於兩個之特徵部。
例如，圖6顯示六個大體上相同之螺旋工具路徑635a-f的陣列，一工具在將陣列形式之六個特徵部切削至根據一實施例之單一工件上時緊隨該等工具路徑，其中顯示該六個路徑之各者在待切削之特徵部的中心處與唯一的局部X-Y-Z座標軸640相關。如圖6所示，工具路徑635a與局部X-Y-Z座標軸640a相關。類似地，工具路徑635b與局部X-Y-Z座標軸640b相關等等。在其他實施例中，較多或較少數量之特徵部可經設計及程式化以包括單一工件上之若干特徵部的陣列。在其他實施例中，待切削之多於一個特徵部可共用一共同的局部X-Y-Z座標軸。在此一實施例中，單一工件可經設計以包括複數個特徵部群組，其中各個特徵部群組共用一共同的局部X-Y-Z座標軸。
圖7顯示一實例工件714，根據一實施例在其上切削諸多相同特徵部718之陣列(圖8中予以較詳細之顯示)，其中每個相同特徵部由與工件714上之唯一局部X-Y-Z座標軸相關之相同工具路徑所致，如上文關於圖6之描述。圖7及圖8所顯示之工件714包括一製造母版，該製造母版具有八英吋之直徑且由經設計用於製造折射、反射及/或繞射透鏡之陣列以併入小型影像擷取器件中的鎳材料組成。
在一些實施例中，特徵部718可包括反射光學性質。例如，在此一實施例中，凹面或凸面反射特徵部可刻劃至不透明材料中(例如使用上文描述之方法500)。在其他此等實施例中，根據上文描述之方法500可刻劃一複製母版(例如工件714)，且可使用一不透明材料以從母版處複製透鏡，或可使用一透明材料從母版處複製透鏡，並可在由透明材料製造而成之透鏡的一側或兩側的至少一部分上塗覆不透明材料。可使用其他實施例以由一大體上透明之材料(諸如玻璃或丙烯酸)製造折射或繞射光學特徵部718。
使用此處描述之實施例所刻劃之光學表面包含凹面、凸面、球面、非球面及並不圍繞局部Z軸旋轉對稱之表面。在其他實施例中，可使用其他類型之工件(例如，具有不同形狀、材料或設計之特徵部或其陣列)。
現參考圖8，以放大視圖顯示工件714之一部分716。如圖8所示，將包括一陣列之複數個相同特徵部718切削至工件714上。在其他實施例中，可將較多或較少數量之特徵部切削至一工件上，各個特徵部之間具有較大或較小之距離。在其他實施例中，單一工件714可具有在其中切削之複數個不同特徵部設計。例如，工件714可包括用於資料通信應用之複數個1X4或1X12之微透鏡陣列。
現參考圖9，根據一實施例顯示一工件914之橫截面正視圖，其具有在其中被切削之多個繞射透鏡特徵部918。使用一完全銳利之單點金剛石車削工具將圖9所顯示之特徵部918刻劃至工件914中。根據一刻劃方法(例如根據上述之方法500)利用一組螺旋工具路徑製造圖9所顯示之特徵部918，並由一CNC切削系統(例如上文描述之系統200)執行此方法。工件914可由(例如)玻璃材料組成。在另一實施例中，工件914可包括一金屬製造母版。
類似地，圖10亦顯示一工件1014之橫截面正視圖，其具有根據一實施例切削之多個特徵部1018。圖10所顯示之特徵部1018包括若干折射-繞射透鏡特徵部。藉由使用一第一製造程序(諸如先前之刻劃程序、微研磨程序或快速工具伺服程序)而提供特徵部1018，以移除大量材料以便在工件1014之表面1015上產生折射透鏡特徵部1017。由於凹透鏡特徵部1017所致，工件1014之所得表面1015因此具有大體上波狀之外觀；根據刻劃方法(例如上文描述之方法500)使用完全銳利之單點金剛石車削工具並使用經程式化以解決與折射透鏡特徵部相關之非平坦表面形態的一組螺旋工具路徑，從而將繞射特徵部1018切削至凹透鏡特徵部1017上。使用一CNC切削系統(例如上文描述之系統200)在工件1014之表面1015上切削圖10所顯示之繞射特徵部1018；藉由使用經組態以藉由沿Z軸移動工件而維持工具與工件之間的接觸之工件固持件平台，該CNC切削系統可解決因(例如)快速工具伺服程序提供之折射特徵部1017在表面1015上之不同形態。例如，可使用上文關於圖3所描述之工件固持件平台312。在其他實施例中，可使用相同程序(諸如上文關於圖5所描述之刻劃程序)來切削具有折射及繞射性質兩者的透鏡特徵部，以切削特徵部之每一層，但需使用複數個不同之工具。在其他實施例中，可使用單一刻劃程序形成具有折射及繞射性質兩者的透鏡特徵部。
圖11及12分別顯示工件1114、1214之橫截面正視圖，其等具有根據一實施例切削之複數個折射特徵部1118、1218。在圖11顯示之實施例中，折射特徵部1118為凸面。相比之下，在圖12之實施例中，折射特徵部1218為凹面。可根據一刻劃方法(例如根據上文描述之方法500)使用一組螺旋路徑來製造兩種類型之折射光學表面(圖11所顯示之特徵部1118或圖12所顯示之特徵部1218)，並由一CNC切削系統(例如上述之系統200)執行此方法。
現參考圖13及圖14，顯示工具1310在根據一實施例之刻劃操作期間相對於局部X-Y-Z座標軸1340在沿大體上圓形之逆時針工具路徑1335上之兩個不同位置處的平面圖。如圖13所示，工具1310定位於沿工具路徑1335之第一位置X1、Y1處。如圖13所示，第一位置X1、Y1定義圍繞C軸之角度C1。因此工具1310旋轉至如顯示的位置中，藉此工具1310的切割表面(工具台)1325大體上垂直於工具1310沿切割路徑1335之平移。在一此種實施例中，工具1310可包括經組態用於單點金剛石車削(SPDT)操作之一圓角或完全銳利之單點天然或合成金剛石切割元件。工具1310可安裝於經組態以控制工具沿X軸、Y軸及C軸之位置的一系統中(諸如上文關於圖3所描述之系統300)。
如圖14所示，工具1310定位於沿工具路徑1335之第二位置X2、Y2處。如圖14所示，第二位置X2、Y2定義圍繞C軸之一角度C2。因此，工具1310已被旋轉至如顯示的位置中，藉此工具1310的切割表面(工具台)1325大體上垂直於工具1310沿切割路徑1335之平移。在圖13及圖14所顯示之實施例中，當工具1310橫貫整個圓形切割路徑1335時，工具1310亦完成圍繞C軸之完整360度旋轉。因此，在圖13及圖14所顯示之實施例中，在工具1310圍繞局部Z軸沿工具路徑1335之軌道與工具1310圍繞C軸旋轉之間具有一相關聯的1:1之關係。在所顯示之實施例中，由於工具1310之旋轉速度及工具1310相對於工件之速度相對較低(與對比之微研磨程序慢一個或多個量級)，因此減少熱量產生連同自經加熱之工具及工件產生之併發問題。
在其他實施例中，可提供刻劃程序以用於將工具之旋轉(諸如圖13及圖14所顯示之工具1310)被旋轉至一位置，使得工具1310的切割表面(工具台)1325及時在垂直於工具1310沿切割路徑之平移的該點處以外之一角度，以提供所涉及之工具的特定特徵、工件表面形態或類型或輪廓。
在其他實施例中，可結合非軸對稱路徑使用刻劃程序以產生一個或多個非軸對稱之特徵部。例如，圖15顯示包括複數個圓角角落之非軸對稱矩形工具路徑1535。在此一實施例中，切割工具沿非軸對稱矩形工具路徑1535之至少一部分的動態饋送速率可隨關於圖5之步驟507之描述而改變，以使工具之切割表面相對於工件沿工具路徑1535維持大體上相同之向心加速度。
總結
實施例之先前描述係僅為說明及描述而呈現，而並不意欲詳盡性的或將本發明限於所揭示之精確形式。熟習此項技術者應明白在不脫離本發明之精神及範疇下可對其作出諸多修改及調適。
100．．．工件
102．．．表面
200．．．系統
202．．．電腦
204．．．儲存媒體
206．．．組件
208．．．工具固持件平台
210．．．工具
212．．．工件固持件平台
214．．．工件
216．．．潤滑系統
220．．．電源
300．．．系統
307．．．可移動平台
308．．．工具固持件平台
309．．．可移動平台
310．．．工具
311．．．可移動平台
312．．．工件固持件平台
314．．．工件
500．．．方法
635a,635b,635c,635d,635e,635f．．．工具路徑
640a,640b,640c,640d,640e,640f．．．局部X-Y-Z座標軸
714．．．工件
716．．．部分
718．．．特徵部
918．．．繞射透鏡特徵部
1014．．．工件
1015．．．表面
1017．．．折射透鏡特徵部/凹透鏡
1018．．．繞射透鏡特徵部/特徵部
1114．．．工件
1118．．．折射特徵部
1214．．．工件
1218．．．折射特徵部
1310．．．工具
1325．．．切割表面
1335．．．逆時針工具路徑
1340．．．局部X-Y-Z座標軸
1535．．．工具路徑
3000．．．系統
3008．．．工具固持件平台
3010．．．工具
3012．．．工件固持件平台
3014．．．工件
圖1係一待切削之工件的圖解，其說明在其上之X軸、Y軸、Z軸、A軸、B軸及C軸的關係；
圖2係根據一實施例之切削材料之系統的方塊圖；
圖3A係根據一實施例之切削材料之系統的圖解之側透視圖；
圖3B係根據一實施例之切削材料之系統的圖解之側透視圖；
圖4係安裝在根據一實施例之切削材料之系統中的工件及工具之圖解的側透視圖；
圖5係一種根據一實施例之切削材料的方法之流程圖；
圖6顯示待切削至根據一實施例之單一工件上的六個螺旋路徑的實例陣列，其中每個工具路徑在其中心處具有一局部X-Y-Z-C座標軸；
圖7顯示一實例工件，根據一實施例將相同特徵部之一陣列切削至該實例工件上；
圖8以放大視圖顯示圖7所顯示之工件的一部分；
圖9係具有根據一實施例切削之繞射特徵部的一工件之橫截面正視圖；
圖10係具有根據一實施例切削之折射-繞射特徵部的一工件之橫截面正視圖；
圖11係具有根據一實施例切削之凸面折射特徵部的一工件之橫截面正視圖；
圖12係具有根據一實施例切削之凹面折射特徵部的一工件之橫截面正視圖；
圖13及圖14顯示在根據一實施例之刻劃操作期間一工具在沿工具路徑之兩個不同位置處的平面圖；及
圖15顯示具有圓角角落之一實例矩形工具路徑。
300．．．系統
307．．．可移動平台
308．．．工具固持件平台
309．．．可移動平台
310．．．工具
311．．．可移動平台
312．．．工件固持件平台

Claims (22)

  1. 一種沿彎曲工具路徑在工件上切削特徵部之方法，該方法包括：控制工具台與該工件之間沿該彎曲工具路徑之相對平移，包括：控制該工具台沿該彎曲工具路徑之動態饋送速率，以大體上維持該工具台相對於該工件之目標向心加速度；控制該工具台相對於該工件之對應旋轉角度，以在該工具台與該對應之相對平移之間維持大體上恆定之角度，該對應之相對平移係該工具台與該工件之間沿該彎曲工具路徑的相對平移；及基於沿該彎曲工具路徑定義之複數個位置的一組座標，決定該工具台在沿該彎曲工具路徑之該複數個位置處的該動態饋送速率。
  2. 一種沿彎曲工具路徑在工件上切削特徵部之方法，該方法包括：控制工具台與該工件之間沿該彎曲工具路徑之相對平移，包括：控制該工具台沿該彎曲工具路徑之動態饋送速率，以大體上維持該工具台相對於該工件之目標向心加速度；控制該工具台相對於該工件之對應旋轉角度，以在該工具台與該對應之相對平移之間維持大體上恆定之角度，該對應之相對平移係該工具台與該工件之間沿該彎曲工具路徑的相對平移；及 基於沿該彎曲工具路徑之複數個曲率半徑，決定該工具台在沿該彎曲工具路徑之複數個位置處的該動態饋送速率。
  3. 如請求項1或2之方法，其中該大體上恆定之角度包括垂直關係。
  4. 如請求項1或2之方法，其進一步包括：基於沿該彎曲工具路徑定義複數個位置的一組座標，決定該工具台在沿該彎曲工具路徑之該複數個位置處的該對應旋轉角度。
  5. 如請求項1或2之方法，其中該目標向心加速度包括恆定之向心加速度。
  6. 如請求項1或2之方法，其中該彎曲工具路徑包括螺旋工具路徑。
  7. 如請求項1或2之方法，其中該彎曲工具路徑包括具有圓角角落之矩形工具路徑。
  8. 如請求項1或2之方法，其中該彎曲工具路徑係圍繞該工件上之第一局部座標軸而大體上軸對稱。
  9. 如請求項8之方法，其中該特徵部包括透鏡特徵部，且該彎曲工具路徑進一步包括如下之大體上螺旋的工具路徑：從該透鏡特徵部之外部邊緣處開始，沿著具有遞減之半徑的該大體上螺旋之路徑，並在該第局部座標軸之中心處終止。
  10. 如請求項1或2之方法，其中該特徵部包括折射透鏡特徵部。
  11. 如請求項1或2之方法，其中該特徵部包括繞射透鏡特徵部。
  12. 如請求項1或2之方法，其中該特徵部包括折射-繞射透鏡特徵部。
  13. 如請求項1或2之方法，其中該工件包括經預先切削之折射透鏡特徵部，且藉由將繞射透鏡特徵部切削至該工件上而提供該折射-繞射透鏡特徵部，使得該繞射透鏡特徵部與該折射透鏡特徵部之至少一部分重疊。
  14. 如請求項1或2之方法，其中使用CNC切削裝置而執行該方法。
  15. 如請求項1或2之方法，其進一步包括：在複數個局部座標處索引工具台以在該工件上切削出成陣列的複數個特徵部。
  16. 一種沿彎曲工具路徑在工件上切削特徵部之方法，該方法包括：控制工具台與該工件之間沿該彎曲工具路徑之相對平移，包括：控制該工具台沿該彎曲工具路徑之動態饋送速率，以大體上維持該工具台相對於該工件之目標向心加速度；控制該工具台相對於該工件之對應旋轉角度，以在該工具台與該對應之相對平移之間維持大體上恆定之角度，該對應之相對平移係該工具台與該工件之間沿該彎曲工具路徑的相對平移；及在複數個局部座標上索引該工具台以在工件上切削出 成陣列的複數個特徵部。
  17. 如請求項16之方法，其中成該陣列的該複數個特徵部之每一者皆包括相同特徵部。
  18. 如請求項16之方法，其中成該陣列的該複數個特徵部是在沒有從固定地安裝的位置移除該工具台或該工件的情況下被切削的。
  19. 如請求項16之方法，其中成該大體上恆定之角度包括垂直關係。
  20. 如請求項16之方法，其進一步包括：基於沿該彎曲工具路徑定義複數個位置的一組座標，決定該工具台在沿該彎曲工具路徑之該複數個位置處的該對應旋轉角度。
  21. 如請求項16之方法，其進一步包括：基於沿該彎曲工具路徑定義之複數個位置的一組座標，決定該工具台在沿該彎曲工具路徑之該複數個位置處的該動態饋送速率。
  22. 如請求項16之方法，其進一步包括：基於沿該彎曲工具路徑之複數個曲率半徑，決定該工具台在沿該彎曲工具路徑之複數個位置處的該動態饋送速率。
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