WO2017178110A1 - Werkzeugspindel für eine vorrichtung zur feinbearbeitung von optisch wirksamen flächen an werkstücken - Google Patents

Werkzeugspindel für eine vorrichtung zur feinbearbeitung von optisch wirksamen flächen an werkstücken Download PDF

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WO2017178110A1
WO2017178110A1 PCT/EP2017/000470 EP2017000470W WO2017178110A1 WO 2017178110 A1 WO2017178110 A1 WO 2017178110A1 EP 2017000470 W EP2017000470 W EP 2017000470W WO 2017178110 A1 WO2017178110 A1 WO 2017178110A1
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WO
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tool
spindle
holding portion
axis
guide
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/000470
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English (en)
French (fr)
Inventor
Steffen Wallendorf
Holger Schäfer
Michael LEITZ
Original Assignee
Satisloh Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Satisloh Ag filed Critical Satisloh Ag
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Priority to EP17723924.1A priority patent/EP3442746B1/de
Priority to CN201780029880.7A priority patent/CN109153102B/zh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B41/00—Component parts such as frames, beds, carriages, headstocks
    • B24B41/04—Headstocks; Working-spindles; Features relating thereto
    • B24B41/047—Grinding heads for working on plane surfaces
    • B24B41/053—Grinding heads for working on plane surfaces for grinding or polishing glass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B13/00—Machines or devices designed for grinding or polishing optical surfaces on lenses or surfaces of similar shape on other work; Accessories therefor

Definitions

  • the present invention relates generally to a tool spindle for a device for fine machining of optically effective surfaces on workpieces.
  • the invention relates to a tool spindle for a device for fine machining the optically effective surfaces of spectacle lenses, as used in so-called "RX workshops", i.
  • Production facilities for the production of individual spectacle lenses are widely used according to prescriptions.
  • this should not be understood in any way restrictive, but is also intended for use in fine optics (lens, mirror and mold production), where a strong trend towards more complex components, especially with aspherical surfaces and free-form surfaces is observed.
  • the machining of the optically active surfaces of spectacle lenses can be roughly subdivided into two processing phases, namely first the pre-processing of the optically effective surface for the production of the recipe-based macrogeometry
  • the optically effective surfaces of spectacle lenses are usually subjected during fine machining a fine grinding, lapping and / or polishing, including you use a corresponding machine.
  • Fine grinding and lapping operations include, in the example so fine grinding or lapping tools.
  • hand-fed polishing machines in RX workshops are usually designed as "twin machines", so that advantageously the two spectacle lenses of an "RX job" - a spectacle lens prescription always consists of a pair of spectacle lenses - can be finished simultaneously.
  • a "twin” polishing machine is known for example from the publication WO 2012/123120 AI.
  • the polishing machine on a machine housing which defines a working space, projecting into the two workpiece spindles, on the two lenses to be polished by means of a rotary drive about substantially mutually parallel workpiece Rotary axes Cl, C2 can be driven in rotation.
  • the polishing machine On the tool side, the polishing machine has a first linear drive unit, by means of which a first tool carriage is movable along a linear axis X, which extends substantially perpendicular to the workpiece axes of rotation Cl, C2, a pivot drive unit which is arranged on the first tool carriage and by means of a pivot yoke a pivot axis B can be pivoted in the
  • a second linear drive unit which is arranged on the pivot yoke and by means of a second tool carriage along a linear adjusting axis Z is movable, which is substantially perpendicular to the pivoting adjusting axis B, and two tool spindles each having a tool-receiving portion, wherein the tool Receiving sections each one of the workpiece spindles assigned projecting into the work space.
  • Each tool spindle has a spindle shaft, on which the respective tool-receiving portion is formed and which is rotatably mounted about a tool axis of rotation AI, A2 in a spindle housing, which in turn is guided axially displaceably defined in a guide tube in the direction of the tool axis of rotation.
  • the guide tubes are mounted on the pivot yoke, so that as a result the tool rotation axis AI or A2 of each tool spindle forms a plane with the workpiece rotation axis C1 or C2 of the associated workpiece spindle in which the respective tool rotation axis AI or A2 with respect to the workpiece rotation axis Cl or C2 of the associated workpiece spindle axially displaceable (linear axis X, linear adjustment axis Z) and tiltable (pivoting adjustment axis B).
  • the prior art polishing machine allows at a kom ⁇ compact structure the pairwise processing of spectacle lenses both with a so-called "tangential polishing kinematics", in which the tool spindles axially delivered (Z) polishing tools under a preset but Fixed pivot angle (B) of the tool spindles are moved oscillating with relatively small strokes across (X) over the lenses, as well as with a polishing kinematics, in which the supplied (Z) polishing tools while their oscillating transverse movement (X) at the same time continuously pivot (B ) to the surface curvature follow the lenses, with the lenses and
  • Polishing tools the same or opposite directions with the same or different speeds around their axes of rotation (AI, A2, Cl, C2) can be driven (at least in the case of polishing tools but not need).
  • the spindle shaft of each tool spindle is designed as a hollow shaft, via which the tool receiving section designed for receiving a membrane chuck tool-as is known, for example, from document EP 2 014 412 A1-can be charged with a fluid, so that
  • the spindle housing - and thus the provided on the spindle shaft tool-receiving portion - a total of axially guided in the guide tube in the direction of the tool axis of rotation axially so that a membrane chuck tool held in the tool receiving section can be moved, rather slowly, over relatively large axial paths and positioned relative to the workpiece to be machined.
  • a polishing plate held on the membrane chuck tool can perform correspondingly fast or sensitive axial compensation movements to the respective processing requirements, for example when workpieces with very large curvatures or larger changes in curvature are processed over the circumference.
  • the axial movement of the polishing tool should be as smooth as possible.
  • This property is particularly important for the polishing of spectacle lenses with toric, atoric or progressive surfaces with high deviation from the rotational symmetry, so that the polishing tool is always full or flat and with sensitively adjustable polishing force (or pressing force) is applied to the spectacle lens. If, in fact, the polishing tool would lose the surface contact to the workpiece surface during its high-speed rotary motion only for a short time, the coarser grains and agglomerates present in the polishing agent could cause scratching of the polished spectacle lens surface.
  • each tool spindle for the axial feed of the respective polishing tool along the associated tool rotation axis A A 'has a piston-cylinder arrangement, with a recorded in a cylinder housing piston, the actuating effect in a very compact manner in coaxial arrangement with a central spindle shaft is connected, which is rotatably mounted together with the piston-cylinder assembly in a spindle housing about the respective tool axis of rotation A, A 'and end carries a tool-receiving head for the polishing tool.
  • groove shaft guides are readily commercially available, for example, from Nippon Bearing Co., Ltd., Ojiya-City, Japan, there is a disadvantage in that - compared to the prior art described in WO 2012/123120 AI, in which the torque transmission is on the spindle shaft from the polishing tool from behind the axial guide (guide member 176) of the membrane chuck tool - the axial mobility of the tool-receiving head is not quite so sensitive.
  • a tool spindle for a device for fine machining of optically effective surfaces on workpieces has a spindle housing and a tool holding section projecting above it, which can be axially fed along the tool axis of rotation A via a guide arrangement which can be driven in rotation in the spindle housing about a tool rotation axis A. (Zustellachse Z) and possibly tilted about a tilting point K on the tool axis of rotation A, wherein the guide assembly for the axial Zu- position of the tool-holding portion has a plurality of uniformly distributed around the tool axis of rotation A linear bearing elements and respectively associated guide rods , the tensile and pressure-resistant connected to the tool-holding section.
  • a torque transmission between the closely tolerable linear bearing elements and the guide rods is further according to the invention according to the number of these pairings distributed over several locations, so that the individual guide rods in relation may have small cross-sections, not least compared to that provided in the prior art Grooved shaft guide leads to a lower friction. It has further been shown that - -
  • the guide arrangement can have a receiving part which can be driven in rotation about the tool rotation axis A and has recesses for receiving the linear bearing elements in parallel.
  • the guide arrangement comprises a first and a second guide plate, of which the first guide plate on the side facing away from the tool holding portion of the receiving part to the extending through the linear bearing elements therethrough Guide rods is attached and these rigidly connected to each other at a first end, while the second guide plate is mounted on the tool-holding portion facing side of the receiving part on the guide rods and rigidly interconnects at a second end.
  • the guide arrangement has exactly three guide rods which are assigned to three linear bearing elements which are angularly spaced from one another by 120 ° with respect to the tool axis of rotation A common circle are arranged.
  • linear bearing elements e.g. Linear plain bearings or linear ball bearings with ball cage.
  • the linear bearing elements are ball bushings.
  • a piston-cylinder arrangement is provided for axially advancing the tool-holding portion along the tool axis of rotation A, with a piston received in a cylinder housing, operating in a series arrangement with the guide rods of the guide assembly is connected, which is rotatably mounted in the spindle housing together with the piston-cylinder arrangement about the tool rotation axis A.
  • This construction is characterized in particular by a low weight.
  • the cylinder housing of the pneumatically actuated piston-cylinder arrangement is preferably formed in two parts and lined with a barrel sleeve made of mineral glass, in which the existing on its tread of a graphite material piston is received longitudinally displaceable.
  • a barrel sleeve made of mineral glass, in which the existing on its tread of a graphite material piston is received longitudinally displaceable.
  • the cylinder housing may be provided on the outer peripheral side with an oblique toothing for attacking a helical gear which is rotatably driven by a motor to rotate the piston-cylinder assembly and thus the guide assembly in the spindle housing about the tool axis of rotation A.
  • a rotary drive means of standard drive elements is not only very smooth and inexpensive, but has - compared to a also conceivable coaxial with the guide arrangement arranged rotary drive - the advantage of low moving masses, which in turn is a high quality of the polished surface conducive to short process times.
  • the guide arrangement of the tool spindle for the tilting of the tool holding portion with respect to the tool rotation axis A may comprise a ball joint. This allows a simple tilting of the tool relative to the tool rotation axis A of the tool spindle in, for example, the polishing machining, so that the tool the various workpiece geometries, even e.g. cylindrical surfaces or
  • the tiltability of the tool advantageously allows the execution of polishing processes with the already mentioned “tangential” Polishing kinematics ", wherein the tool is able to align the workpiece angularly.
  • the ball joint having a ball head accommodated in a ball socket can be constructed such that the ball head is formed on a ball pin which can be fastened to the guide rods of the guide arrangement, while the ball socket is formed in the tool holding section.
  • a reverse arrangement of the ball joint, with ball socket on the side of the guide rods and ball pin on the side of the tool-holding portion, of course, is also conceivable.
  • the ball head may have a receiving bore for a transverse pin, which extends through the ball head and engages on both sides of the ball head with associated recesses in the ball socket to connect the tool-holding portion by positive engagement rotatable takeaway with the ball pin ,
  • a transverse pin which extends through the ball head and engages on both sides of the ball head with associated recesses in the ball socket to connect the tool-holding portion by positive engagement rotatable takeaway with the ball pin
  • the tool holding section is resiliently supported by a resilient ring element on a ball pin side support flange in such a way that the tool holding section is endeavored with its center axis with the ball pin and so that the tool rotation axis A of the tool spindle Consfluraum.
  • the tool is prevented from excessive tilting movements, which on the one hand, in particular during the reversal of motion in the mentioned oscillation of the tool on the workpiece has a favorable effect, since the tool can not buckle and jam in the sequence on the workpiece.
  • such an elastic support of the tool-holding portion during mounting or placement of the tool is advantageous because the tool-holding portion assumes a defined position with slight pressure.
  • the collision of the tool and workpiece can also be due to the elastic (pre-) orientation of the tool-holding section done so that the tool is substantially axially oriented on the workpiece touches, and not tilted, which, for example, in particularly thick or naval coordinate polishing plates could lead to problems.
  • pre- orientation of a polishing plate by means of a pneumatically actuated rubber bellows on the tool-holding portion, but this would be much more complex.
  • the ball joint of the guide arrangement can be formed in a queravysok and unbiased, ie without the above-described elastic (pre-) orientation of the tool-holding portion in an imaginary especially for fine optical applications alternative.
  • a rotational drive of the tool-holding portion with the guide assembly takes place only due to the friction in the joint gap between the ball and ball socket of the ball joint. This makes a polishing process less aggressive.
  • the tool holding section can easily follow the geometry of the machined workpiece, in particular because the gimbal errors associated with the transverse pin solution are avoided.
  • a polishing plate can be exchangeably held on the tool holding section, for which purpose a base body of the polishing plate and the tool holding section are provided with complementary structures for axial locking and for rotational drive of the polishing plate with the tool holding section.
  • Fig. 1 is a longitudinal sectional view of a tool spindle for a
  • a tool holding portion releasably holds a polishing plate, with a to machined surface on the workpiece is in machining engagement, wherein the polishing plate is in a relation to the tool spindle extended (Z delivery axis), lower position and an associated bellows at the factory - - tool holding section has been omitted for ease of illustration;
  • Fig. 2 is a sectional view of the tool spindle of Fig. 1 corresponding to the section line II-II in Fig. 1, wherein a ball joint of a guide arrangement of the tool spindle has been omitted, which holds the tool-holding portion with respect to the tool rotation axis A tilted on the tool spindle ;
  • Fig. 3 is a sectional view of the tool spindle of Fig. 1 corresponding to the section line III-III in Fig. 1, for further illustration of evenly distributed around the tool axis of rotation
  • Tool holding portion connected guide rods, which includes the guide arrangement of the tool spindle for the axial feed (Z Zustellachse) of the tool holding portion;
  • FIG. 4 is a perspective view of the tool spindle separated from the linear bearing elements and guide rods of the guide assembly of the tool spindle of FIG. 1 obliquely from above, which illustrates how the guide rods are rigidly connected to each other via upper and lower guide plates and the guide arrangement for axial feed ( Infeed axis Z) is coupled to a piston of a piston-cylinder arrangement; 5 is a perspective view of the assembly of Figure 4 obliquely from below. and
  • Fig. 6 is a view corresponding to the section line of Fig. 1 corresponding longitudinal sectional view of a tool spindle for a device for fine machining of optical effective surfaces on workpieces according to a second embodiment of the invention, in which in particular the ball joint of the guide arrangement of the tool spindle formed differently and the tool-holding portion is part of another polishing tool, which is in machining engagement with a surface to be machined on the workpiece, in the position and with the simplifications of FIG. 1.
  • Fig. 1 is - as a possible application or use of a tool spindle according to the invention 10 - a device for fine machining optically effective surfaces cc, cx on workpieces, such as lenses L generally numbered 12.
  • the apparatus 12 only partially shown in FIG. 1 forms a subassembly of a polishing machine, which is explained in detail in the earlier international application PCT / EP2015 / 001857 (WO 2016/058663 A1).
  • the device 12 and the polishing machine will be described below only insofar as it appears necessary for the understanding of the present invention.
  • the tool spindle 10 has a spindle housing 14 and a tool holding portion 16 protruding above it, which can be axially fed along the tool axis of rotation A (feed axis Z) via a guide arrangement 18 rotatably drivable about a tool rotation axis A (feed axis Z) and - at least in this case illustrated embodiment - a tilting point K on the tool axis of rotation A is tilted. It is essential that - The guide assembly 18, which will be described in more detail below, for the axial delivery of the tool holding portion 16 a plurality of evenly distributed around the work ⁇ axis rotation axis A linear bearing elements 20 and associated guide rods 22, the tensile and compression resistant are connected to the tool holding portion 16.
  • the tool spindle 10 protrudes into a working space 24 of the polishing machine, indicated by dashed lines in FIG. 1, where it bears at its end
  • Tool holding portion 16 a polishing tool 25, which is consequently driven to rotate about the tool axis of rotation A and along the tool axis of rotation A is axially deliverable (Z delivery axis).
  • the device 12 further comprises a tool spindle 10 associated with and projecting into the working space 24 projecting workpiece spindle 26 via which a to be polished lens L, which usually by means of a Blockmate ⁇ rials M on a block piece S for inclusion in a chuck 28 of Workpiece spindle 26 is held, about a workpiece axis of rotation C with a predetermined speed and direction of rotation can be driven to rotate.
  • the tool spindle 10 is relative to the workpiece spindle 26 along a substantially perpendicular to the workpiece axis of rotation C extending linear axis X by means of a driven tool carriage (not shown) CNC-position-controlled movable and pivotable about a pivoting adjusting axis B, which is substantially perpendicular to the workpiece Rotation axis C and substantially senk ⁇ right to the linear axis X runs.
  • the tool spindle 10 is mounted on or in a manner not shown here on the tool slide pivot yoke 30 which pivots about the pivot axis B by means of a fork-shaped pivot arm 32 of the pivot yoke 30 engaging linear drive (not shown) is.
  • the tool spindle 10 is flanged on the spindle housing 14 of FIG. 1 from below on the pivot yoke 30.
  • the dash-dotted lines shown in FIG. 1 indicate a screw connection.
  • the other components or assemblies of the tool spindle 10 are rotatably mounted in the spindle housing 14 via a bearing arrangement of rolling bearings, which comprises a lower fixed bearing 33 and an upper floating bearing 34, which are mounted by means of a spacer sleeve 35 spaced apart in the spindle housing 14.
  • the floating bearing 34 is in this case over a plurality of evenly distributed on the circumference and screwed into the threaded bores 36 of the spindle housing 14 end cap screws 37 against the spacer sleeve 35, as shown in Fig. 2, while the fixed bearing 33 at one in Figs. 1 and 2 supported below in the spindle housing 14 annular shoulder 38 is supported.
  • the guide arrangement 18 has a receiving part 40 which can be driven in rotation about the tool rotation axis A and which is mounted in the spindle housing 14 via the fixed bearing 33 for this purpose.
  • the receiving part 40 is provided with recesses 42 for axially parallel receiving the linear bearing elements 20.
  • the guide assembly 18 in the illustrated embodiment exactly three guide rods 22 of a metallic solid material, which are associated with a total of three linear bearing elements 20, which with respect to the tool axis of rotation A at 120 ° angularly spaced from each other in the recesses 42 on a are arranged common circle, so that the linear bearing elements 20 all have the same radial distance from the tool axis of rotation A.
  • the linear bearing elements 20 are ball bushings of the type commercially available, for example, from Nippon Bearing Co., Ltd., Ojiya-City, Japan under the name "SM-W Type - Double-Wide Type" , - -
  • the guide assembly 18 further includes first and second guide plates 45, 46 at the first and second ends 43, 44 of the cylindrical guide rods 22.
  • the substantially triangular, as seen in plan view, The first guide plate 45 is fixed on the side facing away from the tool-holding portion 16 side of the receiving part 40 to the extending through the linear bearing elements 20 guide rods 22 frontally by means of screws 47 so that it connects the guide rods 22 at their first ends 43 rigidly together.
  • the second guide plate 46 is fastened on the guide rods 22 on the front side by means of screws 48 on the side of the receiving part 40 facing the tool holding section 16 and connects them rigidly to each other at their second ends 44.
  • the tool spindle 10 furthermore has a piston-cylinder arrangement 50.
  • the piston-and-cylinder arrangement 50 has a piston 54 received in a cylinder housing 52 and operatively connected in a rearward arrangement with the guide rods 22 of the guide arrangement 18.
  • the piston-cylinder assembly 50 via a standard rotary feedthrough 55 on the in Figs. 1 and 2 upper end of the cylinder housing 52 can be pneumatically acted upon.
  • the piston-cylinder arrangement 50, together with the guide arrangement 18, is rotatably mounted in the spindle housing 14 about the tool rotation axis A, as already indicated.
  • the cylinder housing 52 is further formed in two parts according to FIGS. 1 and 2, with an upper housing part 56 and a lower housing part 57, which are connected to each other at 58 centered together, for example, are screwed.
  • an upper housing part 56 and a lower housing part 57 which are connected to each other at 58 centered together, for example, are screwed.
  • Screwed connections 62, 63 to the piston 54 and the first guide plate 45 Screwed connections 62, 63 to the piston 54 and the first guide plate 45.
  • the lower housing part 57 of the cylinder housing 52 is supported at the top in Figs. 1 and 2 rotatably via the movable bearing 34 in the radial direction on the spindle housing 14 from. 1 and 2 below, the receiving part 40 is flanged by means of a screw 64 on the lower housing part 57, which together with the lower housing part 57 axially clamps the inner ring of the fixed bearing 33.
  • the receiving part 40 forms with the underside of the spindle housing 14 at 65 and a sealing labyrinth with narrow gaps and also has radially within the labyrinth seal 65 a ring recess 66 for receiving a sealing ring 67, the sealing lip also cooperating sealingly with the underside of the spindle housing 14.
  • the receiving part 40 has a central passage 68, which connects an area above the receiving part 40 to an area below the receiving part 40, such that, when the guide arrangement 18, or more precisely its guide rods 22, is displaced axially - - And plates 45, 46 with respect to the spindle housing 14 no movement obstructing, additional air spring effect can arise. As shown in FIG.
  • FIG. 1 shows the cylinder housing 52 of the piston-cylinder assembly 50 engages through an opening formed in the pivot yoke 30 69 and projects beyond this with its upper housing part 56 in FIG. 1 upwards.
  • the upper housing part 56 of the cylinder housing 52 is provided on the outer peripheral side with an oblique toothing 70 for the attack of a very smooth running, for example, 20 ° helical gear 71 of the same diameter.
  • the gear wheel 71 can be driven via a motor 72 flanged on the pivot yoke 30 in order to controllably rotate the piston-cylinder arrangement 50 and thus the guide arrangement 18 in the spindle housing 14 about the tool rotation axis A in rotational speed and direction of rotation.
  • the torque transmission takes place from the thus rotatably drivable cylinder housing 52 of the piston-cylinder assembly 50 via the screw 64 on the receiving part 40 and from there via the linear bearing elements 20 on the guide rods 22 of the guide assembly 18, which in turn take the second guide plate 46.
  • the lower guide plate 46 of the tool spindle 10 in rotational speed and direction controllable about the tool rotation axis A is rotatably driven and / or along the tool rotation axis A, if necessary, also very sensitively deliverable (Z delivery axis).
  • Z delivery axis To detect the raised position of the guide plate 46 / the polishing tool 25 - and thus a tool loading position of the tool spindle 10 - a ring magnet RM is glued into the piston 54 of the piston-cylinder assembly 50, which with a magnetic sensor (not shown) in the vicinity the rotary feedthrough 55 cooperates.
  • the guide arrangement 18 for the tilting of the tool-holding portion 16 with respect to the tool axis of rotation A includes - - A ball joint 74, which defines the tilting point K for the tool holding portion 16 on the tool axis of rotation A.
  • the ball joint 74 has a spherical head 76 received in a ball socket 75, which is formed on a ball pin 77 attachable to the guide rods 22 of the guide assembly 18, while the ball socket 75 is formed in the tool holding portion 16.
  • the ball pin 77 is connected to a flange portion 78, for example by integral formation, which is screwed axially and non-rotatably to the lower guide plate 46. As best seen in Figs.
  • the guide plate 46 is for this purpose within the circle formed by the screws 48 provided with three with respect to the tool rotation axis A by 120 ° angularly spaced through holes 79 which on the bottom of the Guide plate 46 in an axially over the screws 48 projecting portion of the guide plate 46 with annular collars 80 for positive reception in the associated annular recesses 81 (see FIG. 1) in the flange 78 end.
  • the through holes 79 are between see the ends 44 of the guide rods 22 from above by fastening screws 82 penetrated, which are screwed into associated, adjoining the annular recesses 81 threaded holes 83 in the flange portion 78 to pull the flange 78 firmly against the guide plate 46 and thus form and locks on the guide plate 46.
  • the ball head 76 has in the embodiment shown in FIG. 1 a receiving bore 84 for a transverse pin 85 which extends through the ball head 76 with rounded ends and arranged diametrically on both sides of the ball head 76 with associated recesses 86 and K with respect to the tilting point Slits in the ball socket 75 engages to the tool holding portion 16 in the manner of a universal joint rotatable takeaway with the ball pin 77 and thus to connect with the guide rods 22 of the tool spindle 10.
  • a base body 90 of the polishing plate 25 and the tool holding portion 16 with complementary structures 91 for axial locking and for rotational drive of the polishing plate 25 are provided with the tool holding portion 16.
  • This interface formed by the complementary structures 91 between the polishing plate 25 and the tool-holding section 16 is the subject of EP 2 464 493 B1, to which express reference is made at this point with regard to the structure and function of the interface for avoiding repetitions.
  • a softer intermediate layer 92 of an elastic material relative to the base body 90 is fixed, on which a polishing agent carrier 93 rests, which forms the actual, outer processing surface 94 of the polishing plate 25.
  • This embodiment of the polishing plate 25 is particular in that the intermediate layer 92 has at least two areas of different hardness, which are arranged one behind the other in the direction of the center axis of the pole piece 25, wherein the area of the intermediate layer 92 adjacent to the base body 90 is softer than the area the intermediate layer 92, on which the polish carrier 93 rests. More specifically, the two regions of the intermediate layer 92 are defined here by mutually different foam layers 95, 96 of respectively - along the middle _ -
  • a softer foam layer 95 is formed on the base body 90, more precisely its spherical end surface 97, and a harder foam slide 96 under the polishing agent carrier 93.
  • the individual components (90, 95, 96, FIG. 93) of the polishing plate 25 glued together.
  • This polishing plate 25, which can be used universally for a large range of workpiece curvatures, in particular its specific design and dimensioning, is the subject of the earlier international patent application PCT / EP2015 / 001849, to which reference is expressly made at this point in order to avoid repetition.
  • polishing tools or polishing plates with the tool spindle 10 can be used in accordance with the respective polishing requirements.
  • tools according to the document US 7,559,829 B2 without rigid rotary drive.
  • the bore of a slightly longer ball pin receiving bore and transverse pin would be omitted as well as the Abstützflansch and the elastic ring member of the polishing tool shown in Fig. 1.
  • a similar but somewhat larger diameter flange would have an outer radial groove for receiving a crimp - - bellows for use.
  • the possible rotary drive of the ball head would be ensured in this case, that no high relative velocities occur in the joint gap between ball and ball socket of the ball joint, which could otherwise cause severe wear under the action of highly abrasive polishing.
  • FIG. 6 shows a further variant of the tool spindle 10, as can be used for fine-optical polishing machining operations, for example, and which will be explained below only insofar as it differs from the tool spindle 10 described above with reference to FIGS. 1 to 5 ,
  • differences only exist in the design of the ball joint 74 'of the guide arrangement 18' and of the polishing tool 25 '.
  • Tool-holding portion 16 ' is not resiliently supported relative to the bolted to the second guide plate 46 of the guide assembly 18' at 82 flange portion 78 'due to the omission of the ring member of FIG. Accordingly, a transfer of the rotational movement of the tool spindle 10 from the second guide plate 46 to the polishing tool 25 'merely by friction in the joint gap between the ball head 76' and the
  • the polishing tool 25 'itself has in the exemplary embodiment of FIG. 6-unlike the custom-shaped polishing tools otherwise used in the fine-optical production-in the radial direction to the tool-holding portion 16' subsequent, indicated at 98 'spring arms, the an elastic intermediate layer 92 'of eg axially resiliently supporting a uniform foam, to which the polishing agent carrier 93 'forming the actual working surface 94' of the polishing tool 25 'is fastened.
  • the intermediate layer 92' is supported on the solid, spherical end face 97 'of the tool-holding section 16'.
  • the distance between the tilting point K of the guide arrangement 18 'and the working surface 94' of the polishing tool 25 ' is significantly smaller, despite the absence of the tool holding section 16 'elastically supporting ring element avoids the danger that the polishing tool 25' accidentally tilts away and it comes in the consequence to damage or excessive deformation of the tool and workpiece, so that a high process reliability is always given.
  • a tool spindle for a device for fine machining of optically effective surfaces on workpieces has a spindle housing and an overhanging tool holding section.
  • the tool-holding section can be axially delivered (feed axis Z) along the tool rotational axis with respect to the workpiece by means of a guide arrangement which can be driven in rotation in the spindle housing about a tool axis of rotation A and possibly by a tilting point K. - - the tool rotation axis are tilted.
  • the guide arrangement for the axial delivery of the tool-holding portion has a plurality of evenly distributed around the tool axis of rotation linear bearing elements and respectively associated guide rods, which are tensile and pressure-resistant connected to the tool holding portion.
  • a tool rotation axis polishing tool (speed controlled)

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Abstract

Eine Werkzeugspindel (10) für eine Vorrichtung (12) zur Feinbearbeitung von optisch wirksamen Flächen (cc, cx) an Werkstücken (L) hat ein Spindelgehäuse (14) und einen darüber vorstehenden Werkzeug-Halteabschnitt (16). Der Werkzeug-Halteabschnitt kann über eine im Spindelgehäuse um eine Werkzeug-Drehachse (A) drehend antreibbare Führungsanordnung (18) entlang der Werkzeug-Drehachse bezüglich des Werkstücks axial zugestellt (Zustellachse Z) und ggf. um einen Kipppunkt (K) auf der Werkzeug-Drehachse verkippt werden. Dabei weist die Führungsanordnung für die axiale Zustellung des Werkzeug-Halteabschnitts eine Mehrzahl von gleichmäßig um die Werkzeug-Drehachse verteilten Linearlagerelementen (20) und jeweils zugeordnete Führungsstangen (22) auf, die zug- und druckfest mit dem Werkzeug-Halte-abschnitt verbunden sind. Hierdurch vermag der Werkzeug-Halte-abschnitt bei der Bearbeitung der Mikrogeometrie des Werkstücks sehr leichtgängig und feinfühlig der Makrogeometrie des Werkstücks zu folgen.

Description

WERKZEUGSPINDEL FÜR EINE VORRICHTUNG ZUR FEINBEARBEITUNG VON OPTISCH WIRKSAMEN FLÄCHEN AN WERKSTÜCKEN
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Werkzeugspindel für eine Vorrichtung zur Feinbearbeitung von op- tisch wirksamen Flächen an Werkstücken. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Werkzeugspindel für eine Vorrichtung zur Feinbearbeitung der optisch wirksamen Flächen an Brillengläsern, wie sie in sogenannten "RX-Werkstätten" , d.h. Produktionsstätten zur Fertigung von individuellen Brillengläsern nach Rezept in großem Umfang zum Einsatz kommen. Dies soll aber in keiner Weise beschränkend verstanden werden, vielmehr ist auch an einen Einsatz in der Feinoptik gedacht (Linsen-, Spiegel- und Gießformenproduktion) , wo ein starker Trend hin zu komplexeren Bauteilen, namentlich mit asphärischen Flächen und Freiformflächen zu beobachten ist.
Soweit nachfolgend beispielhaft für Werkstücke mit optisch wirksamen Flächen von "Brillengläsern" die Rede ist, sollen darunter nicht nur Brillenlinsen aus Mineralglas, sondern auch Brillenlinsen aus allen anderen gebräuchlichen Materialien, wie Polycarbonat , CR 39, HI-Index, etc., also auch Kunststoff verstanden werden. STAND DER TECHNIK
Die spanende Bearbeitung der optisch wirksamen Flächen von Brillengläsern kann grob in zwei Bearbeitungsphasen unterteilt werden, nämlich zunächst die Vorbearbeitung der optisch wirk- samen Fläche zur Erzeugung der rezeptgemäßen Makrogeometrie
(bzw. Topographie) und sodann die Feinbearbeitung der optisch wirksamen Fläche, um Vorbearbeitungsspuren zu beseitigen und die gewünschte Mikrogeometrie zu erhalten. Während die Vorbearbeitung der optisch wirksamen Flächen von Brillengläsern u.a. in Abhängigkeit vom Material der Brillengläser durch Schleifen, Fräsen und/oder Drehen erfolgt, werden die optisch wirksamen Flächen von Brillengläsern bei der Feinbearbeitung üblicherweise einem Feinschleif-, Läpp- und/oder Poliervorgang unterzogen, wozu man sich einer entsprechenden Maschine bedient.
Insofern soll im Sprachgebrauch der vorliegenden Anmeldung der Begriff "Polieren", auch in Wortzusammensetzungen wie z.B.
"Polierwerkzeug" od.dgl., Feinschleif- und Läppvorgänge mit umfassen, in dem Beispiel also Feinschleif- oder Läppwerkzeuge.
Insbesondere handbeschickte Poliermaschinen in RX-Werkstätten werden meist als "Zwillingsmaschinen" ausgeführt, so dass vor- teilhaft die zwei Brillengläser eines "RX-Jobs" - ein Brillenglasrezept besteht stets aus einem Brillenglaspaar - gleichzeitig feinbearbeitet werden können. Eine solche "Zwillings"- Poliermaschine ist beispielsweise aus der Druckschrift WO 2012/ 123120 AI bekannt.
Gemäß diesem Stand der Technik (siehe dort insbesondere die Fig. 1 bis 5) weist die Poliermaschine ein Maschinengehäuse auf, das einen Arbeitsraum begrenzt, in den zwei Werkstückspindeln hineinragen, über die zwei zu polierende Brillengläser mittels eines Drehantriebs um im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Werkstück-Drehachsen Cl, C2 drehend angetrieben werden können. Werkzeugseitig hat die Poliermaschine eine erste Linearantriebseinheit, mittels der ein erster Werkzeugschlitten entlang einer Linearachse X bewegbar ist, die im Wesentlichen senkrecht zu den Werkstück-Drehachsen Cl, C2 verläuft, eine Schwenkantriebseinheit, die auf dem ersten Werkzeugschlitten angeordnet ist und mittels der ein Schwenkjoch um eine Schwenk-Stellachse B verschwenkt werden kann, die im
Wesentlichen senkrecht zu den Werkstück-Drehachsen Cl, C2 und im Wesentlichen senkrecht zu der Linearachse X verläuft, eine zweite Linearantriebseinheit, die auf dem Schwenkjoch angeordnet ist und mittels der ein zweiter Werkzeugschlitten entlang einer Linear-Stellachse Z bewegbar ist, die im Wesentlichen senkrecht zur Schwenk-Stellachse B verläuft, sowie zwei Werk- zeugspindeln mit jeweils einem Werkzeug-Aufnahmeabschnitt , wobei die Werkzeug-Aufnahmeabschnitte jeweils einer der Werkstückspindeln zugeordnet in den Arbeitsraum hineinragen.
Jede Werkzeugspindel weist eine Spindelwelle auf, an welcher der jeweilige Werkzeug-Aufnahmeabschnitt ausgebildet ist und die um eine Werkzeug-Drehachse AI, A2 drehangetrieben in einem Spindelgehäuse gelagert ist, das seinerseits in einem Führungsrohr in Richtung der Werkzeug-Drehachse definiert axial verschiebbar geführt ist. Während die Spindelgehäuse der beiden Werkzeugspindeln an dem zweiten Werkzeugschlitten angeflanscht sind, sind die Führungsrohre an dem Schwenkjoch angebracht, so dass im Ergebnis die Werkzeug-Drehachse AI bzw. A2 jeder Werkzeugspindel mit der Werkstück-Drehachse Cl bzw. C2 der zugeordneten Werkstückspindel eine Ebene bildet, in der die jeweilige Werkzeug-Drehachse AI bzw. A2 bezüglich der Werkstück-Drehachse Cl bzw. C2 der zugeordneten Werkstückspindel axial verschiebbar (Linearachse X, Linear-Stellachse Z) und verkippbar (Schwenk- Stellachse B) ist. Aufgrund der insoweit gegebenen Bewegungsmöglichkeiten gestattet die vorbekannte Poliermaschine bei einem im Verhältnis kom¬ pakten Aufbau die paarweise Bearbeitung von Brillengläsern sowohl mit einer sogenannten "Tangential-Polierkinematik" , bei der die mit den Werkzeugspindeln axial zugestellten (Z) Polier- Werkzeuge unter einem voreingestellten aber festen Schwenkwinkel (B) der Werkzeugspindeln oszillierend mit relativ kleinen Hüben quer (X) über die Brillengläser bewegt werden, als auch mit einer Polierkinematik, bei der die zugestellten (Z) Polierwerkzeuge während ihrer oszillierenden Querbewegung (X) zu- gleich kontinuierlich verschwenken (B) , um der Flächenkrümmung der Brillengläser zu folgen, wobei die Brillengläser und
Polierwerkzeuge gleich- oder gegensinnig mit gleichen oder verschiedenen Drehzahlen um ihre Drehachsen (AI, A2, Cl, C2) angetrieben werden können (zumindest im Falle der Polierwerkzeuge aber nicht müssen) .
Bei diesem Stand der Technik ist ferner die Spindelwelle jeder Werkzeugspindel als Hohlwelle ausgebildet, über die der zur Aufnahme eines Membranfutterwerkzeugs - wie es etwa aus der Druckschrift EP 2 014 412 AI bekannt ist - ausgeführte Werkzeug-Aufnahmeabschnitt mit einem Fluid beaufschlagt werden kann, so dass bezüglich der axialen Verstellmöglichkeit des Werkzeugs quasi eine Zweiteilung vorgesehen ist, was freilich auch einen gewissen Mehraufwand bedingt: Zum einen ist das Spindelgehäuse - und damit der an der Spindelwelle vorgesehene Werkzeug-Aufnahmeabschnitt - insgesamt in dem Führungsrohr in Richtung der Werkzeug-Drehachse axial verschiebbar geführt, so dass ein im Werkzeug-Aufnahmeabschnitt gehaltenes Membranfutterwerkzeug - eher langsam - über relativ große Axialwege be- wegt und bezüglich des zu bearbeitenden Werkstücks positioniert werden kann. Zum anderen vermag beispielsweise ein am Membranfutterwerkzeug gehaltener Polierteller den jeweiligen Bearbeitungserfordernissen entsprechend schnelle bzw. feinfühlige axiale Ausgleichsbewegungen auszuführen, wenn etwa Werkstücke mit sehr starken Krümmungen oder größeren Krümmungsänderungen über den Umfang bearbeitet werden.
In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass z.B. für einen Einsatz der Werkzeugspindel in einer Poliermaschine für Brillengläser die Axialbewegung des Polierwerkzeugs möglichst leichtgängig sein sollte. Diese Eigenschaft ist insbesondere für die Politur von Brillengläsern mit torischen, atorischen oder Gleitsichtflächen mit hoher Abweichung von der Rotationssymmetrie wichtig, damit das Polierwerkzeug stets satt bzw. flächig und mit feinfühlig einstellbarer Polierkraft (bzw. An- presskraft) am Brillenglas anliegt. Falls nämlich das Polierwerkzeug während seiner hochtourigen Drehbewegung den Flächenkontakt zur Werkstückoberfläche auch nur kurzzeitig verlieren würde, könnte es durch die im Poliermittel vorhandenen gröberen Körner und Agglomerate zu einer Verkratzung der polierten Brillenglasfläche kommen.
Von der Maschinenkinematik her aufbauend auf dem Stand der Technik gemäß der Druckschrift WO 2012/123120 AI wird in der der vorliegenden Erfindung nächstliegenden, älteren internationalen Anmeldung PCT/EP2015/001857 (WO 2016/058663 AI) insbesondere zur Vereinfachung des Werkzeughandlings und damit im Hinblick auf eine Optimierung der Prozesszeiten vorgeschlagen, jeder Werkstückspindel der Vorrichtung zwei Werkzeugspindeln zuzuordnen, an denen jeweils ein Polierwerkzeug um eine Werkzeug-Drehachse A, A' drehend antreibbar und entlang der Werkzeug-Drehachse A, A' axial zustellbar (Z) gehalten ist und die relativ zur Werkstückspindel gemeinsam entlang einer im Wesentlichen senkrecht zu der Werkstück-Drehachse C verlaufenden Linearachse X bewegbar und um verschiedene Schwenk-Stellachsen B, B1 schwenkbar sind, die im Wesentlichen senkrecht zu der Werkstück-Drehachse C und im Wesentlichen senkrecht zu der Linearachse X verlaufen, wobei die Werkzeugspindeln in Richtung der Linearachse X gesehen hintereinander angeordnet sind.
Hierbei weist jede Werkzeugspindel für die axiale Zustellung des jeweiligen Polierwerkzeugs entlang der zugehörigen Werkzeug-Drehachse A, A' eine Kolben-Zylinder-Anordnung auf, mit einem in einem Zylindergehäuse aufgenommenen Kolben, der in sehr kompakter Weise in koaxialer Anordnung mit einer zentralen Spindelwelle betätigungswirksam verbunden ist, die zusammen mit der Kolben-Zylinder-Anordnung in einem Spindelgehäuse um die jeweilige Werkzeug-Drehachse A, A' drehbar gelagert ist und endseitig einen Werkzeug-Aufnahmekopf für das Polierwerkzeug trägt. Zur Drehmomentübertragung von dem Zylindergehäuse der Kolben-Zylinder-Anordnung auf die zentrale Spindelwelle ist dabei eine Nutwellenführung vorgesehen, mit in der Spindelwelle ausgebildeten Führungsnuten und einer damit über ein Linearlagerelement eingreifenden Flanschmutter, die drehfest mit dem Zylindergehäuse verbunden ist.
Wenngleich derartige Nutwellenführungen beispielsweise von der Firma Nippon Bearing Co., Ltd., Ojiya-City, Japan problemlos im Handel erhältlich, besteht hier ein Nachteil darin, dass - ver- glichen zu dem eingangs geschilderten Stand der Technik gemäß der Druckschrift WO 2012/123120 AI, bei dem sich die Drehmomentübertragung auf die Spindelwelle vom Polierwerkzeug aus gesehen hinter der axialen Führung (Führungsglied 176) des Membranfutterwerkzeugs befindet - die Axialbeweglichkeit des Werkzeug-Aufnahmekopfs nicht ganz so feinfühlig ist.
AUFGABENSTELLUNG Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst einfach und kompakt ausgebildete Werkzeugspindel für eine Vorrichtung zur Feinbearbeitung von optisch wirksamen Flächen an Werkstücken zu schaffen, deren Werkzeug-Halteabschnitt bei der Bearbeitung der Mikrogeometrie des Werkstücks sehr leichtgängig und feinfühlig der Makrogeometrie des Werkstücks zu folgen vermag .
- -
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte oder zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 15.
Erfindungsgemäß weist eine Werkzeugspindel für eine Vorrichtung zur Feinbearbeitung von optisch wirksamen Flächen an Werkstücken ein Spindelgehäuse und einen darüber vorstehenden Werk- zeug-Halteabschnitt auf, der über eine im Spindelgehäuse um eine Werkzeug-Drehachse A drehend antreibbare Führungsanordnung entlang der Werkzeug-Drehachse A axial zustellbar (Zustellachse Z) und ggf. um einen Kipppunkt K auf der Werkzeug-Drehachse A verkippbar ist, wobei die Führungsanordnung für die axiale Zu- Stellung des Werkzeug-Halteabschnitts eine Mehrzahl von gleichmäßig um die Werkzeug-Drehachse A verteilten Linearlagerelementen und jeweils zugeordneten Führungsstangen aufweist, die zug- und druckfest mit dem Werkzeug-Halteabschnitt verbunden sind. Dadurch, dass mehrere Linearlagerelemente mit zugeordneten Führungsstangen um die Werkzeug-Drehachse A gleichmäßig verteilt sind, d.h. bezüglich der Werkzeug-Drehachse A den gleichen ra¬ dialen Abstand besitzen und zudem mit um die Werkzeug-Drehachse A gesehen gleichen Winkeln voneinander beabstandet sind, be- steht zunächst von daher keine Gefahr von Unwuchten bei der Rotation der erfindungsgemäßen Führungsanordnung um die Werkzeug-Drehachse A, welche der Leichtgängigkeit der axialen Relativbewegung abträglich wären. Eine Drehmomentübertragung zwischen den eng tolerierbaren Linearlagerelementen und den Füh- rungsstangen erfolgt ferner erfindungsgemäß nach Maßgabe der Anzahl dieser Paarungen verteilt auf mehrere Stellen, so dass die einzelnen Führungsstangen im Verhältnis kleine Querschnitte aufweisen können, was nicht zuletzt im Vergleich zu der im Stand der Technik vorgesehenen Nutwellenführung zu einer gerin- geren Reibung führt. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass sich - -
die Leichtgängigkeit und Laufruhe der erfindungsgemäßen Führungsanordnung unter Last, d.h. mit Drehmomentbeaufschlagung sogar noch verbessert, da es in Drehrichtung gesehen zwischen dem Linearlagerelement und der Führungsstange jeder Paarung hiervon lediglich zu einer im Wesentlichen linienförmigen Anlage kommt.
Im Ergebnis können insbesondere Axialbewegungen des Werkzeug- Halteabschnitts mit hoher Dynamik gefahren werden, was wiederum im Einsatz der erfindungsgemäßen Werkzeugspindel in einer Poliermaschine kurze Bearbeitungszeiten bei sehr hoher Polierqualität ermöglicht, da das Polierwerkzeug stets dem Werkstück folgen kann, auch bei relativ starken Abweichungen von der Rotationssymmetrie am Werkstück. Damit ist die Werkzeugspindel vielfältig einsetzbar und erlaubt unterschiedliche Bearbeitungsstrategien, ohne dass dies längere Prozesszeiten erfordert.
In einer besonders einfachen Ausführung kann die Führungsanord- nung ein um die Werkzeug-Drehachse A drehend antreibbares Aufnahmeteil mit Aussparungen zur parallelen Aufnahme der Linearlagerelemente aufweisen.
Im Hinblick auf eine besonders steife Ausgestaltung der Füh- rungsanordnung ist es ferner bevorzugt, wenn die Führungsanordnung eine erste und eine zweite Führungsplatte umfasst, von denen die erste Führungsplatte auf der vom Werkzeug-Halteabschnitt abgewandten Seite des Aufnahmeteils an den sich durch die Linearlagerelemente hindurch erstreckenden Führungsstangen befestigt ist und diese an einem ersten Ende starr miteinander verbindet, während die zweite Führungsplatte auf der dem Werkzeug-Halteabschnitt zugewandten Seite des Aufnahmeteils an den Führungsstangen befestigt ist und diese an einem zweiten Ende starr miteinander verbindet. -
Insbesondere hinsichtlich geringer bewegter Massen und einer vorteilhaften Massenverteilung um die Werkzeug-Drehachse A bevorzugt ist es ferner, wenn die Führungsanordnung genau drei Führungsstangen aufweist, die drei Linearlagerelementen zuge- ordnet sind, welche bezüglich der Werkzeug-Drehachse A um 120° winkelbeabstandet voneinander auf einem gemeinsamen Kreis angeordnet sind.
Als Linearlagerelemente kommen grundsätzlich alle linear füh- renden, leichtgängigen Lager in Frage, z.B. Lineargleitlager oder Linearkugellager mit Kugelkäfig. Im Hinblick auf eine gute Verfügbarkeit und geringe Kosten bevorzugt ist es indes, wenn es sich bei den Linearlagerelementen um Kugelbuchsen handelt. Was die axiale Zustellbewegung des Werkzeugs angeht, ist vorzugsweise eine Kolben-Zylinder-Anordnung für die axiale Zustellung des Werkzeug-Halteabschnitts entlang der Werkzeug-Drehachse A vorgesehen, mit einem in einem Zylindergehäuse aufgenommenen Kolben, der in einer Hintereinanderanordnung mit den Führungsstangen der Führungsanordnung betätigungswirksam verbunden ist, die in dem Spindelgehäuse zusammen mit der Kolben- Zylinder-Anordnung um die Werkzeug-Drehachse A drehbar gelagert ist. Diese Konstruktion zeichnet sich insbesondere durch ein geringes Gewicht aus.
Hierbei ist das Zylindergehäuse der pneumatisch betätigbaren Kolben-Zylinder-Anordnung vorzugsweise zweiteilig ausgebildet und mit einer Laufhülse aus Mineralglas ausgekleidet, in der der an seiner Lauffläche aus einem Graphitmaterial bestehende Kolben längsverschieblich aufgenommen ist. Ein wesentlicher Vorteil eines solchen "Glaszylinders" resultiert aus seiner sehr geringen Stick-Slip-Neigung: So kann die Werkzeugspindel auch mit sehr geringen Polierdrücken feinfühlig arbeiten. - -
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann der Kolben der Kolben-Zylinder-Anordnung über einen dünnen Stab aus einem Federstahl zug- und druckfest mit den Führungsstangen der Führungsanordnung verbunden sein. Ein solches sehr leichtes und spielfreies Kraftübertragungselement sorgt in einfacher Weise für eine radiale Ausgleichsmöglichkeit, wodurch es nicht zu einem Klemmen kommen kann, falls die Mittelachsen des Kolbens bzw. der Kolben-Zylinder-Anordnung und der Führungsanordnung nicht korrekt fluchten.
Für den Drehantrieb des Werkzeugs kann das Zylindergehäuse außenumfangsseitig mit einer schrägen Verzahnung zum Angriff eines schrägverzahnten Zahnrads versehen sein, das über einen Motor drehend antreibbar ist, um die Kolben-Zylinder-Anordnung und damit die Führungsanordnung im Spindelgehäuse um die Werkzeug-Drehachse A zu drehen. Ein solcher Drehantrieb mittels Standardantriebselementen ist nicht nur sehr laufruhig und kostengünstig, sondern hat - gegenüber einem ebenfalls denkbaren, koaxial zur Führungsanordnung angeordneten Drehantrieb - den Vorteil geringer bewegter Massen, was wiederum einer hohen Qualität der polierten Fläche bei kurzen Prozesszeiten förderlich ist .
Des Weiteren kann die Führungsanordnung der Werkzeugspindel für die Verkippung des Werkzeug-Halteabschnitts bezüglich der Werkzeug-Drehachse A ein Kugelgelenk umfassen. Dies ermöglicht auf einfache Weise eine Verkippung des Werkzeugs gegenüber der Werkzeug-Drehachse A der Werkzeugspindel bei beispielsweise der Polierbearbeitung, so dass das Werkzeug den unterschiedlichsten Werkstückgeometrien, selbst z.B. zylindrischen Flächen oder
Progressivflächen mit hohen Additionen an etwa Brillengläsern, auch winkelmäßig leicht folgen kann. Darüber hinaus gestattet die Verkippbarkeit des Werkzeugs vorteilhaft die Durchführung von Polierprozessen mit der bereits angesprochenen "Tangential- Polierkinematik" , wobei sich das Werkzeug am Werkstück winkelmäßig auszurichten vermag.
Hierbei kann das einen in einer Kugelpfanne aufgenommenen Ku- gelkopf aufweisende Kugelgelenk derart aufgebaut sein, dass der Kugelkopf an einem an den Führungsstangen der Führungsanordnung befestigbaren Kugelstift ausgebildet ist, während die Kugelpfanne in dem Werkzeug-Halteabschnitt ausgeformt ist. Eine umgekehrte Anordnung des Kugelgelenks, mit Kugelpfanne auf der Seite der Führungsstangen und Kugelstift auf der Seite des Werkzeug-Halteabschnitts, ist freilich ebenfalls denkbar.
In einer besonderen Ausgestaltung kann der Kugelkopf eine Aufnahmebohrung für einen Querstift aufweisen, der sich durch den Kugelkopf hindurch erstreckt und auf beiden Seiten des Kugelkopfs mit zugeordneten Aussparungen in der Kugelpfanne eingreift, um den Werkzeug-Halteabschnitt durch Formschluss dreh- mitnahmefähig mit dem Kugelstift zu verbinden. Eine derartige Ausgestaltung des Kugelkopfs als Kardangelenk gestattet es auf einfache Weise, das Werkzeug drehend anzutreiben, was, verglichen zu einer ebenfalls denkbaren, bloßen reibungsbewirkten Drehmitnahme des Werkzeugs mit dem Werkstück, wesentlich kürzere Bearbeitungszeiten ermöglicht. Hinsichtlich Verkippbarkeit und Drehantriebsmöglichkeit Ähnliches, aber mit verbesserter Leichtgängigkeit bei großen Kippwinkeln, könnte mittels eines Kugelgelenks realisiert werden, welches als Kugel-Sechskant- Gelenk ausgebildet ist, mit einem Kugelstift ähnlich einem Kugelinbusschlüssel auf der einen Seite und einer Innensechskantschraube, z.B. nach DIN 912, auf der anderen Seite.
In weiterer Ausgestaltung der Werkzeugspindel kann vorgesehen sein, dass sich der Werkzeug-Halteabschnitt über ein elastisches Ringelement an einem kugelstiftseitigen Abstützflansch derart federnd abstützt, dass der Werkzeug-Halteabschnitt be- strebt ist, sich mit seiner Mittelachse mit dem Kugelstift und damit der Werkzeug-Drehachse A der Werkzeugspindel auszufluchten. Hierdurch wird das Werkzeug an zu starken Kippbewegungen gehindert, was sich zum einen insbesondere während der Bewegungsumkehr bei dem erwähnten Oszillieren des Werkzeugs über dem Werkstück günstig auswirkt, da das Werkzeug nicht wegknicken und in der Folge am Werkstück verklemmen kann. Zum anderen ist eine solche elastische Abstützung des Werkzeug-Halteabschnitts beim Montieren bzw. Aufsetzen des Werkzeugs von Vorteil, weil der Werkzeug-Halteabschnitt mit leichtem Zwang eine definierte Lage einnimmt. Das Zusammenfahren von Werkzeug und Werkstück kann darüber hinaus infolge der elastischen (Vor-) Orientierung des Werkzeug-Halteabschnitts so erfolgen, dass das Werkzeug im Wesentlichen axial orientiert auf dem Werkstück aufsetzt, und nicht etwa verkippt, was z.B. bei besonders dicken bzw. hochbauenden Poliertellern zu Problemen führen könnte. Grundsätzlich wäre es zwar auch möglich, eine solche (Vor) Orientierung eines Poliertellers mittels eines pneumatisch beaufschlagbaren Gummibalgs an dem Werkzeug-Halteabschnitt zu bewerkstelligen, dies wäre jedoch ungleich aufwändiger.
Im weiteren Verfolg des Erfindungsgedankens kann das Kugelgelenk der Führungsanordnung in einer insbesondere für feinoptische Anwendungen gedachten Alternative querstiftsfrei und unvorgespannt, d.h. ohne die vorbeschriebene elastische (Vor-) Orientierung des Werkzeug-Halteabschnitts ausgebildet sein. Eine Drehmitnahme des Werkzeug-Halteabschnitts mit der Führungsanordnung erfolgt dabei lediglich aufgrund der Reibung im Gelenkspalt zwischen Kugelkopf und Kugelpfanne des Kugelgelenks. Damit kann ein Polierprozess weniger aggressiv durch- geführt werden. Zugleich kann der Werkzeug-Halteabschnitt auch bei großen Kippwinkeln bezüglich der Werkzeug-Drehachse A leichtgängig der Geometrie des bearbeiteten Werkstücks folgen, insbesondere weil die mit der Querstiftlösung verbundenen Kardanfehler vermieden werden. _ _
Schließlich kann an dem Werkzeug-Halteabschnitt ein Polierteller auswechselbar gehalten sein, wozu ein Grundkörper des Poliertellers und der Werkzeug-Halteabschnitt mit komplementären Strukturen zur axialen Verrastung und zur Drehmitnahme des Poliertellers mit dem Werkzeug-Halteabschnitt versehen sind.
Dies bewirkt zum einen eine unkomplizierte Austauschbarkeit des Poliertellers sowie einen sicheren Halt des Poliertellers an der Werkzeugspindel, zum anderen eine definierte, formschlüssige Drehmomentübertragung zwischen Werkzeug-Halteabschnitt und Polierteller während der Polierbearbeitung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten, teilweise vereinfachten bzw. schematischen und nicht maßstabsgerechten
Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind, ggf. ergänzt um einen hochgestellten Strich (')# um anzudeuten, dass es sich um eine Variante handelt. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer Werkzeugspindel für eine
Vorrichtung zur Feinbearbeitung von optisch wirksamen Flächen an Werkstücken nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, die in einem teilweise aufgebrochen dargestellten Schwenkjoch der Vorrichtung aufgenommen ist und an einem um eine Werkzeug-Drehachse A drehbaren Werkzeug-Halteabschnitt einen Polierteller lösbar hält, der sich mit einer zu bearbeitenden Fläche am Werkstück in Bearbeitungseingriff befindet, wobei sich der Polierteller in einer gegenüber der Werkzeugspindel ausgefahrenen (Zustellachse Z), unteren Stellung befindet und ein zugeordneten Faltenbalg am Werk- - - zeug-Halteabschnitt zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen wurde;
Fig. 2 eine Schnittansicht der Werkzeugspindel von Fig. 1 ent- sprechend der Schnittverlaufslinie II-II in Fig. 1, wobei ein Kugelgelenk einer Führungsanordnung der Werkzeugspindel weggelassen wurde, das den Werkzeug-Halteabschnitt bezüglich der Werkzeug-Drehachse A verkippbar an der Werkzeugspindel hält;
Fig. 3 eine Schnittansicht der Werkzeugspindel von Fig. 1 entsprechend der Schnittverlaufslinie III-III in Fig. 1, zur weiteren Veranschaulichung von gleichmäßig um die Werkzeug-Drehachse A verteilten Linearlagerelementen und jeweils zugeordneten, zug- und druckfest mit dem
Werkzeug-Halteabschnitt verbundenen Führungsstangen, welche die Führungsanordnung der Werkzeugspindel für die axiale Zustellung (Zustellachse Z) des Werkzeug- Halteabschnitts umfasst;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der von der Werkzeugspindel separierten Linearlagerelemente und Führungsstangen der Führungsanordnung der Werkzeugspindel gemäß Fig. 1 von schräg oben, die veranschaulicht, wie die Führungs- Stangen über obere und untere Führungsplatten starr miteinander verbunden sind und die Führungsanordnung zur axialen Zustellung (Zustellachse Z) mit einem Kolben einer Kolben-Zylinder-Anordnung gekoppelt ist; Fig. 5 eine perspektivische Ansicht der Baugruppe von Fig. 4 von schräg unten; und
Fig. 6 eine hinsichtlich des Schnittverlaufs der Fig. 1 entsprechende Längsschnittansicht einer Werkzeugspindel für eine Vorrichtung zur Feinbearbeitung von optisch wirksamen Flächen an Werkstücken nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem insbesondere das Kugelgelenk der Führungsanordnung der Werkzeugspindel anders ausgebildet und der Werkzeug-Halteabschnitt Bestandteil eines anderen Polierwerkzeugs ist, das sich mit einer zu bearbeitenden Fläche am Werkstück in Bearbeitungseingriff befindet, in der Stellung und mit den Vereinfachungen von Fig. 1.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
In Fig. 1 ist - als ein möglicher Anwendungsfall bzw. Einsatzort einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel 10 - eine Vorrich- tung zur Feinbearbeitung von optisch wirksamen Flächen cc, cx an Werkstücken, wie z.B. Brillengläsern L allgemein mit 12 beziffert. Die in Fig. 1 nur teilweise dargestellte Vorrichtung 12 bildet eine Unterbaugruppe einer Poliermaschine, welche in der älteren internationalen Anmeldung PCT/EP2015/001857 (WO 2016/058663 AI) ausführlich erläutert ist. Die Vorrichtung 12 und die Poliermaschine sollen nachfolgend nur insoweit beschrieben werden, als es für das Verständnis der vorliegenden Erfindung erforderlich erscheint. Im Übrigen sei an dieser Stelle im Hinblick auf Aufbau und Funktion der Vorrichtung 12 und der Poliermaschine zur Vermeidung von Wiederholungen aus¬ drücklich auf die ältere internationale Anmeldung PCT/EP2015/ 001857 (WO 2016/058663 AI) Bezug genommen und verwiesen.
Die Werkzeugspindel 10 weist ein Spindelgehäuse 14 und einen darüber vorstehenden Werkzeug-Halteabschnitt 16 auf, der über eine im Spindelgehäuse 14 um eine Werkzeug-Drehachse A drehend antreibbare Führungsanordnung 18 entlang der Werkzeug-Drehachse A axial zustellbar (Zustellachse Z) und - zumindest im hier dargestellten Ausführungsbeispiel - um einen Kipppunkt K auf der Werkzeug-Drehachse A verkippbar ist. Wesentlich ist, dass - - die Führungsanordnung 18, die nachfolgend noch detailliert beschrieben werden wird, für die axiale Zustellung des Werkzeug- Halteabschnitts 16 eine Mehrzahl von gleichmäßig um die Werk¬ zeug-Drehachse A verteilten Linearlagerelementen 20 und jeweils zugeordneten Führungsstangen 22 aufweist, die zug- und druckfest mit dem Werkzeug-Halteabschnitt 16 verbunden sind.
Wie in Fig. 1 gezeigt ragt die Werkzeugspindel 10 in einen - in Fig. 1 mit gestrichelten Linien angedeuteten - Arbeitsraum 24 der Poliermaschine hinein und trägt dort endseitig an seinem
Werkzeug-Halteabschnitt 16 ein Polierwerkzeug 25, welches folglich um die Werkzeug-Drehachse A drehend antreibbar und entlang der Werkzeug-Drehachse A axial zustellbar ist (Zustellachse Z) . Die Vorrichtung 12 weist ferner eine der Werkzeugspindel 10 zu- geordnet und gegenüberliegend in den Arbeitsraum 24 hineinragende Werkstückspindel 26 auf, über die ein zu polierendes Brillenglas L, welches üblicherweise mittels eines Blockmate¬ rials M an einem Blockstück S zur Aufnahme in einem Spannfutter 28 der Werkstückspindel 26 gehalten ist, um eine Werkstück- Drehachse C mit vorbestimmter Drehzahl und Drehrichtung drehend angetrieben werden kann.
Die Werkzeugspindel 10 ist relativ zur Werkstückspindel 26 entlang einer im Wesentlichen senkrecht zu der Werkstück-Drehachse C verlaufenden Linearachse X mittels eines angetriebenen Werkzeugschlittens (nicht gezeigt) CNC-lagegeregelt bewegbar und um eine Schwenk-Stellachse B schwenkbar, die im Wesentlichen senkrecht zu der Werkstück-Drehachse C und im Wesentlichen senk¬ recht zu der Linearachse X verläuft. Hierbei ist die Werkzeug- spindel 10 an bzw. in einem auf hier nicht dargestellte Weise an dem Werkzeugschlitten angelenkten Schwenkjoch 30 montiert, das um die Schwenk-Stellachse B mittels eines an einem gabelförmigen Schwenkarm 32 des Schwenkjochs 30 angreifenden Linearantriebs (nicht gezeigt) definiert verschwenkbar ist. Genauer gesagt ist die Werkzeugspindel 10 über das Spindelgehäuse 14 gemäß Fig. 1 von unten am Schwenkjoch 30 angeflanscht. Die dort in Fig. 1 gezeigten, strichpunktierten Linien deuten eine Schraubverbindung an. Die weiteren Bauteile bzw. Baugrup- pen der Werkzeugspindel 10 sind im Spindelgehäuse 14 über eine Lageranordnung aus Wälzlagern drehbar gelagert, welche ein unteres Festlager 33 und ein oberes Loslager 34 umfasst, die mittels einer Distanzbuchse 35 voneinander beabstandet im Spindelgehäuse 14 montiert sind. Das Loslager 34 ist hierbei über mehrere, gleichmäßig am Umfang verteilte und stirnseitig in Gewindebohrungen 36 des Spindelgehäuses 14 eingeschraubte Linsenkopfschrauben 37 gegen die Distanzbuchse 35 gezogen, wie in Fig. 2 gezeigt, während sich das Festlager 33 an einer in den Fig. 1 und 2 unten im Spindelgehäuse 14 ausgebildeten Ring- schulter 38 abstützt.
Gemäß den Fig. 1 bis 3 weist die Führungsanordnung 18 ein um die Werkzeug-Drehachse A drehend antreibbares Aufnahmeteil 40 auf, das hierfür in dem Spindelgehäuse 14 über das Festlager 33 gelagert ist. Das Aufnahmeteil 40 ist mit Aussparungen 42 zur achsparallelen Aufnahme der Linearlagerelemente 20 versehen. Wie Fig. 3 ferner zeigt, weist die Führungsanordnung 18 im dargestellten Ausführungsbeispiel genau drei Führungsstangen 22 aus einem metallischen Vollmaterial auf, die insgesamt drei Linearlagerelementen 20 zugeordnet sind, welche bezüglich der Werkzeug-Drehachse A um 120° winkelbeabstandet voneinander in den Aussparungen 42 auf einem gemeinsamen Kreis angeordnet sind, so dass die Linearlagerelemente 20 alle denselben radialen Abstand zur Werkzeug-Drehachse A haben. Bei den Linear- lagerelementen 20 handelt es sich hier um Kugelbuchsen, wie sie beispielsweise von der Firma Nippon Bearing Co., Ltd., Ojiya- City, Japan unter der Bezeichnung "SM-W Type - Double-Wide Type" im Handel erhältlich sind. - -
Wie am besten in den Fig. 4 und 5 zu erkennen ist umfasst die Führungsanordnung 18 ferner an den ersten und zweiten Enden 43, 44 der zylindrischen Führungsstangen 22 eine erste und eine zweite Führungsplatte 45, 46. Die in einer Draufsicht gesehen im Wesentlichen dreieckige, erste Führungsplatte 45 ist auf der vom Werkzeug-Halteabschnitt 16 abgewandten Seite des Aufnahme- teils 40 an den sich durch die Linearlagerelemente 20 hindurch erstreckenden Führungsstangen 22 stirnseitig mittels Schrauben 47 befestigt, so dass sie die Führungsstangen 22 an ihren ersten Enden 43 starr miteinander verbindet. Die in einer
Draufsicht gesehen kreisrunde, zweite Führungsplatte 46 hingegen ist auf der dem Werkzeug-Halteabschnitt 16 zugewandten Seite des Aufnahmeteils 40 an den Führungsstangen 22 stirnseitig mittels Schrauben 48 befestigt und verbindet diese an ihren zweiten Enden 44 starr miteinander.
Für die axiale Zustellung (Zustellachse Z) des Werkzeug-Halteabschnitts 16 entlang der Werkzeug-Drehachse A weist die Werkzeugspindel 10 des Weiteren eine Kolben-Zylinder-Anordnung 50 auf. Die Kolben-Zylinder-Anordnung 50 hat einen in einem Zylindergehäuse 52 aufgenommenen Kolben 54, der in einer Hinterein- anderanordnung mit den Führungsstangen 22 der Führungsanordnung 18 betätigungswirksam verbunden ist. Zum Ausfahren des Werkzeug-Halteabschnitts 16 relativ zum Spindelgehäuse 14 ist die Kolben-Zylinder-Anordnung 50 über eine handelsübliche Drehdurchführung 55 an dem in den Fig. 1 und 2 oberen Ende des Zylindergehäuses 52 pneumatisch beaufschlagbar. Dabei ist die Kolben-Zylinder-Anordnung 50 zusammen mit der Führungsanordnung 18 im Spindelgehäuse 14 um die Werkzeug-Drehachse A drehbar ge- lagert, wie bereits angedeutet.
Das Zylindergehäuse 52 ist gemäß den Fig. 1 und 2 ferner zweiteilig ausgebildet, mit einem Gehäuseoberteil 56 und einem Gehäuseunterteil 57, die bei 58 aneinander zentriert miteinander verbunden, z.B. verschraubt sind. Hierbei ist im Inneren zur _ _
Auskleidung des Zylindergehäuses 52 eine Laufhülse 59 aus Mine¬ ralglas aufgenommen, die mittels einer unterhalb der Drehdurchführung 55 vorgesehenen Gewindemutter (nicht gezeigt) am Gehäuseoberteil 56 befestigt sowie unter Zuhilfenahme eines O-Rings 60 im Gehäuseoberteil 56 zentriert ist und in der der an seiner Lauffläche aus einem Graphitmaterial bestehende Kolben 54 längsverschieblich aufgenommen ist. Derartige, sehr leichtgängige und im Wesentlichen Stick-Slip-freie "Glaszylinder" sind z.B. von der Firma Airpot Corporation, Norwalk, CT, USA kommer- ziell erhältlich. Zur Vermeidung von Verklemmungen, die aus
Achsfluchtfehlem der (idealerweise) koaxial angeordneten Bauteile resultieren können, ist der Kolben 54 der Kolben-Zylinder-Anordnung 50 über einen dünnen Stab 61 aus einem Federstahl zug- und druckfest mit der ersten Führungsplatte 45 der Füh- rungsanordnung 18 verbunden, und zwar über die in den Fig. 1, 2, 4 und 5 oben und unten am Stab 61 gezeigten, zentralen
Schraubverbindungen 62, 63 zum Kolben 54 bzw. zur ersten Führungsplatte 45. Das Gehäuseunterteil 57 des Zylindergehäuses 52 stützt sich oben in den Fig. 1 und 2 drehbar über das Loslager 34 in radialer Richtung am Spindelgehäuse 14 ab. In den Fig. 1 und 2 unten ist am Gehäuseunterteil 57 das Aufnahmeteil 40 vermittels einer Verschraubung 64 angeflanscht, welches dabei zusammen mit dem Gehäuseunterteil 57 den Innenring des Festlagers 33 axial einspannt. Das Aufnahmeteil 40 bildet dabei mit der Unterseite des Spindelgehäuses 14 bei 65 auch ein Dichtlabyrinth mit engen Spaltmaßen aus und hat zudem radial innerhalb des Dichtlabyrinths 65 eine Ringaussparung 66 zur Aufnahme eines Dichtrings 67, dessen Dichtlippe ebenfalls mit der Unterseite des Spindelgehäuses 14 dichtend zusammenwirkt. Das Aufnahmeteil 40 besitzt schließlich einen zentralen Durchgang 68, der einen Bereich oberhalb des Aufnahmeteils 40 mit einem Bereich unterhalb des Aufnahmeteils 40 verbindet, so dass bei einer axialen Verlage- rung der Führungsanordnung 18, genauer deren Führungsstangen 22 - - und -platten 45, 46 bezüglich des Spindelgehäuses 14 kein die Bewegung behindernder, zusätzlicher Luftfedereffekt entstehen kann . Wie die Fig. 1 zeigt durchgreift das Zylindergehäuse 52 der Kolben-Zylinder-Anordnung 50 eine im Schwenkjoch 30 ausgebildete Öffnung 69 und steht über diese mit seinem Gehäuseoberteil 56 in Fig. 1 nach oben vor. Dort ist das Gehäuseoberteil 56 des Zylindergehäuses 52 außenumfangsseitig mit einer schrägen Ver- zahnung 70 für den Angriff eines sehr laufruhig unter z.B. 20° schrägverzahnten Zahnrads 71 gleichen Durchmessers versehen. Das Zahnrad 71 ist über einen am Schwenkjoch 30 von oben angeflanschten Motor 72 antreibbar, um die Kolben-Zylinder-Anordnung 50 und damit die Führungsanordnung 18 im Spindelgehäuse 14 um die Werkzeug-Drehachse A in Drehzahl und Drehrichtung steuerbar zu drehen. Die Drehmomentübertragung erfolgt hierbei von dem somit drehend antreibbaren Zylindergehäuse 52 der Kolben- Zylinder-Anordnung 50 über die Verschraubung 64 auf das Aufnahmeteil 40 und von dort über die Linearlagerelemente 20 auf die Führungsstangen 22 der Führungsanordnung 18, die ihrerseits die zweite Führungsplatte 46 mitnehmen.
Insoweit ist festzuhalten, dass die untere Führungsplatte 46 der Werkzeugspindel 10 in Drehzahl und Drehrichtung steuerbar um die Werkzeug-Drehachse A drehend antreibbar ist und/oder entlang der Werkzeug-Drehachse A ggf. auch sehr feinfühlig zustellbar ist (Zustellachse Z) . Zur Erkennung der hochgefahrenen Position der Führungsplatte 46 / des Polierwerkzeugs 25 - und damit einer Werkzeug-Ladeposition der Werkzeugspindel 10 - ist ein Ringmagnet RM im Kolben 54 der Kolben-Zylinder-Anordnung 50 eingeklebt, der mit einem Magnetsensor (nicht gezeigt) in der Nähe der Drehdurchführung 55 zusammenwirkt.
Ferner umfasst die Führungsanordnung 18 für die Verkippung des Werkzeug-Halteabschnitts 16 bezüglich der Werkzeug-Drehachse A - - ein Kugelgelenk 74, welches den Kipppunkt K für den Werkzeug- Halteabschnitt 16 auf der Werkzeug-Drehachse A definiert. Gemäß Fig. 1 hat das Kugelgelenk 74 einen in einer Kugelpfanne 75 aufgenommenen Kugelkopf 76, der an einem an den Führungsstangen 22 der Führungsanordnung 18 befestigbaren Kugelstift 77 ausgebildet ist, während die Kugelpfanne 75 in dem Werkzeug-Halteabschnitt 16 ausgeformt ist. Zur Befestigung des Kugelstifts 77 an den Führungsstangen 22 ist der Kugelstift 77 - z.B. durch einstückige Ausbildung - mit einem Flanschabschnitt 78 verbun- den, der mit der unteren Führungsplatte 46 axial- und drehfest verschraubt ist. Wie am besten in den Fig. 4 und 5 zu erkennen ist, ist die Führungsplatte 46 hierfür innerhalb des durch die Schrauben 48 gebildeten Kreises mit drei bezüglich der Werkzeug-Drehachse A um 120° winkelbeabstandeten Durchgangsbohrun- gen 79 versehen, die auf der Unterseite der Führungsplatte 46 in einem axial über die Schrauben 48 überstehenden Bereich der Führungsplatte 46 mit Ringbünden 80 zur formschlüssigen Aufnahme in zugeordneten Ringaussparungen 81 (siehe Fig. 1) im Flanschabschnitt 78 enden. Die Durchgangsbohrungen 79 sind zwi- sehen den Enden 44 der Führungsstangen 22 von oben von Befestigungsschrauben 82 durchgriffen, welche in zugeordneten, sich an die Ringaussparungen 81 anschließenden Gewindebohrungen 83 im Flanschabschnitt 78 eingeschraubt sind, um den Flanschabschnitt 78 fest gegen die Führungsplatte 46 zu ziehen und somit form- und kraftschlüssig an der Führungsplatte 46 festzulegen.
Der Kugelkopf 76 hat in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Aufnahmebohrung 84 für einen Querstift 85, der sich durch den Kugelkopf 76 mit abgerundeten Enden hindurch erstreckt und auf beiden Seiten des Kugelkopfs 76 mit zugeordneten Aussparungen 86 bzw. bezüglich des Kipppunkts K diametral angeordneten Schlitzen in der Kugelpfanne 75 eingreift, um den Werkzeug-Halteabschnitt 16 in der Art eines Kardangelenks dreh- mitnahmefähig mit dem Kugelstift 77 und damit mit den Führungs- Stangen 22 der Werkzeugspindel 10 zu verbinden. Dabei stützt - - sich der Werkzeug-Halteabschnitt 16 über ein elastisches Ringelement 87 aus z.B. einem geeigneten Schaumstoff an einem kugelstiftseitigen Abstützflansch 88 am Flanschabschnitt 78 derart federnd ab, dass der Werkzeug-Halteabschnitt 16 bestrebt ist, sich mit seiner Mittelachse mit dem Kugelstift 77 und damit der Werkzeug-Drehachse A der Werkzeugspindel 10 auszufluchten .
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist an dem Werkzeug-Halte- abschnitt 16 als Polierwerkzeug 25 ein Polierteller axial- und drehmitnahmefähig - gleichwohl lösbar, d.h. auswechselbar - gehalten. Hierfür sind ein Grundkörper 90 des Poliertellers 25 und der Werkzeug-Halteabschnitt 16 mit komplementären Strukturen 91 zur axialen Verrastung und zur Drehmitnahme des Polier- tellers 25 mit dem Werkzeug-Halteabschnitt 16 versehen. Diese durch die komplementären Strukturen 91 gebildete Schnittstelle zwischen Polierteller 25 und Werkzeug-Halteabschnitt 16 ist Gegenstand der Druckschrift EP 2 464 493 Bl, auf die an dieser Stelle bezüglich Aufbau und Funktion der Schnittstelle zur Ver- meidung von Wiederholungen ausdrücklich verwiesen sei.
An dem Grundkörper 90 des hier dargestellten Poliertellers 25 ist eine im Verhältnis zum Grundkörper 90 weichere Zwischenschicht 92 aus einem elastischen Material befestigt, auf der ein Poliermittelträger 93 aufliegt, der die eigentliche, äußere Bearbeitungsfläche 94 des Poliertellers 25 bildet. Diese Ausgestaltung des Poliertellers 25 ist insofern besonders, als die Zwischenschicht 92 wenigstens zwei Bereiche unterschiedlicher Härte aufweist, die in Richtung der Mittelachse des Poliertel- lers 25 hintereinander angeordnet sind, wobei der an den Grundkörper 90 angrenzende Bereich der Zwischenschicht 92 weicher ist als der Bereich der Zwischenschicht 92, auf dem der Poliermittelträger 93 aufliegt. Genauer gesagt sind die zwei Bereiche der Zwischenschicht 92 hier durch voneinander verschiedene Schaumstoffschichten 95, 96 von jeweils - entlang der Mittel- _ -
achse des Poliertellers 25 gesehen - konstanter Dicke ausgebildet, nämlich einer weicheren SchaumstoffSchicht 95 auf dem Grundkörper 90, genauer dessen sphärischen Stirnfläche 97, und einer härteren Schaumstoffschient 96 unter dem Poliermittelträ- ger 93. Dabei sind die einzelnen Bestandteile (90, 95, 96, 93) des Poliertellers 25 miteinander verklebt. Dieser Polierteller 25, der universell für einen großen Bereich an Werkstückkrümmungen einsetzbar ist, insbesondere seine konkrete Ausgestaltung und Dimensionierung, sind Gegenstand der älteren inter- nationalen Patentanmeldung PCT/EP2015/001849, auf die an dieser Stelle diesbezüglich zur Vermeidung von Wiederholungen ausdrücklich verwiesen sei.
Die verschiedenen, mit der vorbeschriebenen Kinematik der Vor- richtung 12 vermittels der Werkzeugspindel 10 durchführbaren Polierprozes.se - bei denen . im .Übrigen ein . flüssiges .Poliermittel über an der Werkstückspindel 26 vorgesehene Poliermitteldüsen (nicht gezeigt) an die Eingriffsstelle zwischen Werkzeug und Werkstück zugeführt wird - sind dem Fachmann hinlänglich bekannt und sollen daher an dieser Stelle nicht näher beschrieben werden (siehe hierzu auch schon die oben in der Beschreibungseinleitung zum Stand der Technik beschriebenen Polierkinematiken mit insbesondere "tangentialer" und/oder "schwenkender" Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück) .
Den jeweiligen Poliererfordernissen entsprechend können natürlich auch andere Polierwerkzeuge bzw. Polierteller mit der Werkzeugspindel 10 verwendet werden. So wäre es z.B. möglich, Werkzeuge gemäß der Druckschrift US 7,559,829 B2 ohne starren Drehantrieb einzusetzen. In diesem Fall würden im Kugelkopf eines etwas längeren Kugelstifts Aufnahmebohrung und Querstift ebenso entfallen wie der Abstützflansch und das elastische Ringelement des in Fig. 1 dargestellten Polierwerkzeugs. Stattdessen käme ein ähnlicher, aber im Durchmesser etwas größerer Flansch mit einer äußeren Radialnut zur Aufnahme eines Falten- - - balgs zum Einsatz. Durch den möglichen Drehantrieb des Kugelkopfs wäre bei diesem Einsatzfall gewährleistet, dass keine hohen Relativgeschwindigkeiten im Gelenkspalt zwischen Kugelkopf und Kugelpfanne des Kugelgelenks auftreten, die andern- falls unter Einwirkung des stark abrasiv wirkenden Poliermittels einen starken Verschleiß bedingen könnten.
Die Fig. 6 zeigt eine weitere Variante der Werkzeugspindel 10, wie sie etwa für feinoptische Polierbearbeitungsvorgänge zum Einsatz kommen kann und die nachfolgend nur insoweit erläutert werden soll, als sie sich von der oben unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 5 beschriebenen Werkzeugspindel 10 unterscheidet. Unterschiede bestehen hier lediglich in der Ausgestaltung des Kugelgelenks 74' der Führungsanordnung 18' und des Polierwerk- zeugs 25 ' .
Gemäß Fig. 6 ist das Kugelgelenk 741 der •Führungsanordnung 18' nämlich querstiftsfrei und unvorgespannt ausgeführt, so dass der Werkzeug-Halteabschnitt 16' sowohl spielarm als auch leichtgängig bezüglich der Werkzeug-Drehachse A verkippen kann. Demgemäß fehlen bei dem Kugelgelenk 74' von Fig. 6 verglichen mit der Ausgestaltung nach Fig. 1 der Querstift, die Aufnahme— bohrung hierfür im Kugelkopf 76' sowie die zugeordneten Aussparungen an der Kugelpfanne 75' des Werkzeug-Halteabschnitts 16'. Ferner fehlt eine Vorspannung am Kugelgelenk 74', d.h. der
Werkzeug-Halteabschnitt 16' ist gegenüber dem mit der zweiten Führungsplatte 46 der Führungsanordnung 18' bei 82 verschraubten Flanschabschnitt 78' infolge des Wegfalls des Ringelements von Fig. 1 nicht elastisch abgestützt. Demnach kann eine Über- tragung der Drehbewegung der Werkzeugspindel 10 von der zweiten Führungsplatte 46 auf das Polierwerkzeug 25' lediglich durch Reibung im Gelenkspalt zwischen dem Kugelkopf 76' und der
Kugelpfanne 75' am Werkzeug-Halteabschnitt 16' erfolgen. _ -
Das Polierwerkzeug 25' selbst weist im Ausführungsbeispiel von Fig. 6 - anders als die sonst in der feinoptischen Fertigung eingesetzten, individuell formgebundenen Polierwerkzeuge - sich in radialer Richtung an den Werkzeug-Halteabschnitt 16' an- schließende, bei 98' angedeutete Federarme auf, die eine elastische Zwischenschicht 92' aus z.B. einem einheitlichen Schaumstoff axial federnd abstützen, an welcher der die eigentliche Bearbeitungsfläche 94' des Polierwerkzeugs 25' ausbildende Poliermittelträger 93' befestigt ist. In einem mittleren Be- reich des Polierwerkzeugs 25' hingegen stützt sich die Zwischenschicht 92' an der festen, sphärischen Stirnfläche 97' des Werkzeug-Halteabschnitts 16' ab.
Da bei der Ausgestaltung von Fig. 6 verglichen zu der Ausbil- dung gemäß Fig. 1 der Abstand zwischen dem Kipppunkt K der Führungsanordnung 18 ' und der Bearbeitungsfläche 94 ' des Polierwerkzeugs 25' deutlich kleiner ist, ist trotz Entfalls des den Werkzeug-Halteabschnitt 16' elastisch abstützenden Ringelements die Gefahr gebannt, dass das Polierwerkzeug 25' ungewollt weg- kippt und es in der Folge zu einer Beschädigung bzw. übermäßigen Deformierung von Werkzeug und Werkstück kommt, so dass eine hohe Prozesssicherheit stets gegeben ist.
Bei dieser Variante könnte anstelle des angedeuteten Spannfut- ters 28 (Spannzange) im Übrigen auch ein Hydrodehnfutter zur
Halterung von auf Präzisionskittstücken nach DIN 58767 gekitteten Bauteilen vorgesehen sein.
Eine Werkzeugspindel für eine Vorrichtung zur Feinbearbeitung von optisch wirksamen Flächen an Werkstücken hat ein Spindelgehäuse und einen darüber vorstehenden Werkzeug—Halteabschnitt. Der Werkzeug-Halteabschnitt kann über eine im Spindelgehäuse um eine Werkzeug-Drehachse A drehend antreibbare Führungsanordnung entlang der Werkzeug-Drehachse bezüglich des Werkstücks axial zugestellt (Zustellachse Z) und ggf. um einen Kipppunkt K auf - - der Werkzeug-Drehachse verkippt werden. Dabei weist die Führungsanordnung für die axiale Zustellung des Werkzeug-Halteabschnitts eine Mehrzahl von gleichmäßig um die Werkzeug-Drehachse verteilten Linearlagerelementen und jeweils zugeordnete Führungsstangen auf, die zug- und druckfest mit dem Werkzeug- Halteabschnitt verbunden sind. Hierdurch vermag der Werkzeug- Halteabschnitt bei der Bearbeitung der Mikrogeometrie des Werkstücks sehr leichtgängig und feinfühlig der Makrogeometrie des Werkstücks zu folgen.
-
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Werkzeugspindel
12 Vorrichtung
14 Spindelgehäuse
16, 16' Werkzeug-Halteabschnitt
18, 18' Führungsanordnung
20 Linearlagerelement
22 Führungsstange
24 Arbeitsraum
25, 25' Polierwerkzeug / Polierteller
26 Werkstückspindel
28 Spannfutter
30 Schwenkjoch
32 Schwenkarm
33 Festlager
34 Loslager
35 Distanzbuchse
36 Gewindebohrung
37 Linsenkopfschraube
38 Ringschulter
40 Aufnahmeteil
42 Aussparung
43 erstes Ende
44 zweites Ende
45 erste Führungsplatte
46 zweite Führungsplatte
47 Schraube
48 Schraube
50 Kolben-Zylinder-Anordnung
52 Zylindergehäuse
54 Kolben
55 Drehdurchführung
56 Gehäuseoberteil
57 Gehäuseunterteil - -
58 Verbindung
59 Laufhülse
60 O-Ring
61 Stab
62 obere Schraubverbindung
63 untere Schraubverbindung
64 Verschraubung
65 Dichtlabyrinth
66 Ringaussparung
67 Dichtring
68 Durchgang
69 Öffnung
70 Verzahnung
71 Zahnrad
72 Motor
74, 74 ' Kugelgelenk
75, 75' Kugelpfanne
76, 76' Kugelkopf
77, 77 ' Kugelstift
78, 78 ' Flanschabschnitt
79 Durchgangsbohrung
80 Ringbund
81, 81 * Ringaussparung
82 Befestigungsschraube
83, 83' Gewindebohrung
84 Aufnahmebohrung
85 Querstift
86 Aussparung
87 Ringelement
88 Abstützflansch
90 Grundkörper
91 komplementäre Strukturen
92, 92 ' Zwischenschicht
93, 93' Poliermittelträger
94, 94 ' Bearbeitungsfläche - -
95 weichere SchaumstoffSchicht
96 härtere Schaumstoffschicht
97, 97' Stirnfläche
98 ' Federarm
A Werkzeug-Drehachse Polierwerkzeug (drehzahlgesteuert)
B Schwenk-Stellachse Polierwerkzeug
C Werkstück-Drehachse (drehzahlgesteuert)
cc zweite optisch wirksame Fläche
cx erste optisch wirksame Fläche
K Kipppunkt
L Werkstück/Brillenglas
M Blockmaterial
RM Ringmagnet
S Blockstück
X Linearachse Werkzeugschlitten (lagegeregelt)
Z Zustellachse Polierwerkzeug (ungesteuert)

Claims

PATENTANSPRÜCHE :
1. Werkzeugspindel (10) für eine Vorrichtung (12) zur Feinbearbeitung von optisch wirksamen Flächen (cc, cx) an Werkstücken (L) , mit einem Spindelgehäuse (14) und einem darüber vorstehenden Werkzeug-Halteabschnitt (16, 16'), der über eine im Spindelgehäuse (14) um eine Werkzeug-Drehachse (A) drehend antreibbare Führungsanordnung (18, 18') entlang der Werkzeug- Drehachse (A) axial zustellbar (Zustellachse Z) und ggf. um einen Kipppunkt (K) auf der Werkzeug-Drehachse (A) verkippbar ist, wobei die Führungsanordnung (18, 18') für die axiale Zu- Stellung des Werkzeug-Halteabschnitts (16, 16") eine Mehrzahl von gleichmäßig um die Werkzeug-Drehachse (A) verteilten
Linearlagerelementen (20) und jeweils zugeordneten Führungsstangen (22) aufweist, die zug- und druckfest mit dem Werkzeug- Halteabschnitt (16, 16') verbunden sind.
2. Werkzeugspindel (10) nach Anspruch 1, wobei die Führungsanordnung (18, 18') ein um die Werkzeug-Drehachse (A) drehend antreibbares Aufnahmeteil (40) mit Aussparungen (42) zur parallelen Aufnahme der Linearlagerelemente (20) aufweist.
3. Werkzeugspindel (10) nach Anspruch 2, wobei die Führungsanordnung (18, 18') eine erste und eine zweite Führungsplatte (45, 46) umfasst, von denen die erste Führungsplatte (45) auf der vom Werkzeug-Halteabschnitt (16, 16') abgewandten Seite des Aufnahmeteils (40) an den sich durch die Linearlagerelemente
(20) hindurch erstreckenden Führungsstangen (22) befestigt ist und diese an einem ersten Ende (43) starr miteinander verbindet, während die zweite Führungsplatte (46) auf der dem Werkzeug-Halteabschnitt (16, 16') zugewandten Seite des Aufnahme- teils (40) an den Führungsstangen (22) befestigt ist und diese an einem zweiten Ende (44) starr miteinander verbindet.
4. Werkzeugspindel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Führungsanordnung (18, 18') genau drei Führungsstangen (22) aufweist, die drei Linearlagerelementen (20) zugeordnet sind, welche bezüglich der Werkzeug-Drehachse (A) um 120° winkelbeabstandet voneinander auf einem gemeinsamen Kreis angeordnet sind.
5. Werkzeugspindel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei den Linearlagerelementen (20) um Kugel- buchsen handelt.
6. Werkzeugspindel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die axiale Zustellung des Werkzeug-Halteabschnitts (16, 16') entlang der Werkzeug-Drehachse (A) eine Kol- ben-Zylinder-Anordnung (50) vorgesehen ist, mit einem in einem Zylindergehäuse (52) aufgenommenen Kolben (54), der in einer Hintereinanderanordnung mit den Führungsstangen (22) der Führungsanordnung (18, 18') betätigungswirksam verbunden ist, die in dem Spindelgehäuse (14) zusammen mit der Kolben-Zylinder- Anordnung (50) um die Werkzeug-Drehachse (A) drehbar gelagert ist .
7. Werkzeugspindel (10) nach Anspruch 6, wobei das Zylindergehäuse (52) der pneumatisch betätigbaren Kolben-Zylinder-An- Ordnung (50) zweiteilig ausgebildet und mit einer Laufhülse (59) aus Mineralglas ausgekleidet ist, in der der an seiner Lauffläche aus einem Graphitmaterial bestehende Kolben (54) längsverschieblich aufgenommen ist.
8. Werkzeugspindel (10) nach Anspruch 6 oder 7, wobei der
Kolben (54) der Kolben-Zylinder-Anordnung (50) über einen dünnen Stab (61) aus einem Federstahl zug- und druckfest mit den Führungsstangen (22) der Führungsanordnung (18) verbunden ist.
9. Werkzeugspindel (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Zylindergehäuse (52) außenumfangsseitig mit einer schrägen Verzahnung (70) zum Angriff eines schrägverzahnten Zahnrads (71) versehen ist, das über einen Motor (72) drehend antreibbar ist, um die Kolben-Zylinder-Anordnung (50) und damit die Führungsanordnung (18, 18') im Spindelgehäuse (14) um die Werkzeug-Drehachse (A) zu drehen.
10. Werkzeugspindel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, wobei die Führungsanordnung (18, 18') für die Verkippung des Werkzeug-Halteabschnitts (16, 16') bezüglich der Werkzeug- Drehachse (A) ein Kugelgelenk (74, 74') umfasst.
11. Werkzeugspindel (10) nach Anspruch 10, wobei das Kugel- gelenk (74, 74') einen in einer Kugelpfanne (75, 75') aufgenommenen Kugelkopf (76, 76') aufweist, der an einem an den Führungsstangen (22) der Führungsanordnung (18) befestigbaren Kugelstift (77, 77') ausgebildet ist, während die Kugelpfanne (75, 75') in dem Werkzeug-Halteabschnitt (16, 16') ausgeformt ist.
12. Werkzeugspindel (10) nach Anspruch 11, wobei der Kugelkopf (76) eine Aufnahmebohrung (84) für einen Querstift (85) aufweist, der sich durch den Kugelkopf (76) hindurch erstreckt und auf beiden Seiten des Kugelkopfs (76) mit zugeordneten Aussparungen (86) in der Kugelpfanne (75) eingreift, um den Werkzeug- Halteabschnitt (16) drehmitnahmefähig mit dem Kugelstift (77) zu verbinden.
13. Werkzeugspindel (10) nach Anspruch 11 oder 12, wobei sich der Werkzeug-Halteabschnitt (16) über ein elastisches Ringelement (87) an einem kugelstiftseitigen Abstützflansch (88) derart federnd abstützt, dass der Werkzeug-Halteabschnitt (16) bestrebt ist, sich mit seiner Mittelachse mit dem Kugelstift (77) und damit der Werkzeug-Drehachse (A) der Werkzeugspindel (10) auszufluchten.
14. Werkzeugspindel (10) nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Kugelgelenk (74') der Führungsanordnung (18') querstiftsfrei und unvorgespannt ist.
15. Werkzeugspindel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei an dem Werkzeug-Halteabschnitt (16) ein Poliertelle (25) auswechselbar gehalten ist, wozu ein Grundkörper (90) des Poliertellers (25) und der Werkzeug-Halteabschnitt (16) mit komplementären Strukturen (91) zur axialen Verrastung und zur Drehmitnahme des Poliertellers (25) mit dem Werkzeug-Halteabschnitt (16) versehen sind.
PCT/EP2017/000470 2016-04-13 2017-04-11 Werkzeugspindel für eine vorrichtung zur feinbearbeitung von optisch wirksamen flächen an werkstücken WO2017178110A1 (de)

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