CN102209941A - 用于对材料进行机械加工的***和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于机械加工材料的***、方法和计算机可读介质的实施例。例如，本发明的一个实施例包括沿弯曲刀具路径在工件(100)上机械加工特征的方法，该方法具有步骤：控制刀具台面与工件(100)之间沿弯曲刀具路径的相对平移运动；以及控制刀具台面相对于工件(100)的对应旋转角度，以在刀具台面和所述刀具台面与工件(100)之间沿所述弯曲刀具路径的对应相对平移运动之间维持大致恒定的角度。在另一实施例中，计算机可读介质包括用于实现这种方法的代码。

Description

用于对材料进行机械加工的***和方法
相关申请的交叉引用
本发明要求2008年9月18日提交的名称为“Systems and Methods for Machining Materials”的美国临时专利申请No.61/098,065的优先权，该美国临时专利申请在此以参考的方式并入。
背景技术
已知用于机械加工各种材料的许多***和方法。可编程计算机控制已与机械加工刀具结合使用，以提高机械加工过程的效率(诸如通过减少所包括的熟练劳动力的量)和提高产生的工件上的机械加工特征的尺寸精度或期望的特性。用于机械加工材料的各种方法具有其特有的长处和弱点，并因此可最好地以单独的或以组合的方式适合于一种应用但不太适合于另一种应用。存在对用于机械加工材料的有效率且有效果的***和方法的需求。
发明内容
本发明的实施例提供用于机械加工材料的***和方法。在一个实施例中，一种用于机械加工材料的方法包括：控制刀具台面(tool table)与工件之间沿弯曲刀具路径的相对平移运动；和控制刀具台面相对于工件的对应旋转角度，以在刀具台面和所述刀具台面与所述工件之间沿所述弯曲刀具路径的对应相对平移运动之间维持大致恒定的角度。另一实施例包括控制刀具台面沿弯曲刀具路径的动态进给速率，以大致维持刀具台面相对于工件的目标向心加速度。一种用于将期望的特征刻划到工件的方法的一个实施例可利用这种CNC机械加工设备实现，以便从工件去除材料，并从而形成具有高质量(例如其中减少在表面上产生的不是设计部分的刀具痕迹)的表面的期望的特征。另外，使用这种刻划方法的实施例可产生机械加工废料连续的或大致连续的切屑，以使工件的清洁比采用诸如微铣削的方法容易，该诸如微铣削的方法产生可能难以从完成的工件表面去除的许多较小的废料切屑。有些实施例另外的益处是用于刻划(scribe)过程的刀具的切削刃与被机械加工的工件之间较低的相对速度(当与微铣削过程相比较时)，这能降低在切屑形成期间产生的必须通过热耗散的动能。这种由刻划过程产生的热的减少能降低刀具磨损的速率。
提及的这些说明性实施例不用于限制或限定本发明，而是提供示例以帮助本发明的理解。说明性的实施例在具体实施方式中讨论，并且在具体实施方式中提供本发明进一步的说明。由各种实施例提供的优点可通过研究本说明书得到进一步的理解。
附图说明
当参考附图阅读以下的详细说明时，本发明的实施例的这些及其他的特征、方面和优点得到更好地理解，其中：
图1是待加工的工件的图示，示出X轴、Y轴、Z轴、A轴、B轴和C轴与其的关系；
图2是根据一个实施例的用于机械加工材料的***的方框图；
图3A是根据一个实施例的用于机械加工材料的***的图示的侧向透视图；
图3B是根据一个实施例的用于机械加工材料的***的图示的侧向透视图；
图4是根据一个实施例的安装在用于机械加工材料的***中的工件和刀具的图示的侧向透视图；
图5是根据一个实施例的用于机械加工材料的方法的流程图；
图6示出根据一个实施例的待在单个工件上机械加工的六个螺旋刀具轨迹的示例阵列，其中每个刀具路径均在其中心具有定位X-Y-Z-C坐标轴；
图7示出根据一个实施例的已在上面机械加工有相同特征的阵列的示例工件；
图8以放大图示出图7所示的工件的一部分；
图9是根据一个实施例的具有已机械加工的衍射特征的工件的剖面正视图；以及
图10是根据一个实施例的具有已机械加工的折射衍射特征的工件的剖面正视图；
图11是根据一个实施例的具有已机械加工的凸形衍射特征的工件的剖面正视图；
图12是根据一个实施例的具有已机械加工的凹形衍射特征的工件的剖面正视图；
图13和14示出根据一个实施例的在刻划操作期间位于沿刀具路径的两个不同的位置处的刀具的平面图；以及
图15示出具有倒圆角部的示例矩形刀具路径。
具体实施方式
本发明的实施例包括用于机械加工材料的***和方法。根据本发明的***和方法可通过多种方式实现。通常，由用户选择一种或多种机械加工***或方法，以便在使步骤最少、浪费的工作最少和过剩材料最少的同时，最快速且最具成本效益的形成包括所有期望的特征、特性和公差的所完成的工件。还希望使用可帮助延长所涉及的部件和刀具的预期寿命的***和方法。
例如，本发明的特定实施例可用于机械加工镍或铜复制母版上的特征，所述镍或铜复制母版被设计用于提供光学效果并能结合在微型图像捕获装置中的透镜阵列(或其组成部分)的生产。可利用根据在此公开的实施例机械加工的制造母版生产用于例如包括通信、数据存储和半导体制造的其它应用的光学器件的阵列。另外的在图像捕获装置的生产中的制造母版的使用的说明由国际公开号为WO2008/020899A2、名称为“Arrayed Imaging Systems and Associated Methods”的PCT提供，该PCT的全部内容在此如在以下完全提出一样以参考的方式全文并入。
现在参考图1，示出待机械加工的柱形工件100的图示。工件100包括待机械加工的大致平面表面102。在其他实施例中，待机械加工的工件的表面可包括其他表面形状、特征或质量。例如，这种表面可包括凸形的、凹形的、非球面的、不规则的、***的、带网纹的或其他的形状、特征或质量。在一个示例中，工件可具有利用在此公开的技术进一步机械加工的诸如凹陷或突起的特征阵列。
图1图示了标记为“X”、“Y”、“Z”、“A”、“B”和“C”的六个不同的轴相对于工件100的表面102的关系。X轴平行于工件100的表面102。Y轴同样平行于工件100的表面102，并与X轴正交。Z轴与X轴和Y轴正交，同时与工件100的表面102正交。A轴环绕X轴。类似地，B轴环绕Y轴，而C轴环绕Z轴。
在以下所描述的各种实施例的讨论中，对X轴、Y轴、Z轴、A轴、B轴或C轴中的任何一个或多个的参考应解释成与在图1中所示的这些轴的取向一致。在其他实施例中，可使用替代性的坐标系或基准点。例如，柱面或球面坐标系可单独地使用或彼此结合地使用，或者与如图1中所示的坐标系结合使用。在另一实施例中，例如可参考所使用的机械加工装备描述轴。
用于机械加工材料的***的示例
现在参考图2，示出根据一个实施例用于机械加工材料的***200的方框图。***200包括具有多个可控部件的数字自动CNC(计算机数控)机械加工设备。在其他实施例中，用于机械加工材料的***可包括手动操作***或机械自动***。仍然参考图2，所示的***200例如可包括精密车削刀具，诸如可从Moore Nanotechnology Systems LLC，426A Winchester Street，PO Box 605，Keene，NH 03431-0605 USA，电话1-603-352-3030得到的Precitech Nanoform 700 Ultra四轴金刚石车削机床或具有可选择的C旋转轴的Nanotech 350FG三轴超精自由曲面生成器(freeform generator)。在一个这种实施例中，可修改标准刀具夹具平台以接纳和保持工件，同时可修改标准工件夹具平台以接纳和保持刀具，诸如绝对锋利(dead sharp)的金刚石车刀或倒圆金刚石刀具。
图2所示的***200包括可编程计算机202或处理器，所述可编程计算机202或处理器构造成通过在其间发送和接收信号和电流来控制***200的其他部件。例如，可将如可广泛地从诸如Compaq、Toshiba或Gateway的许多卖主得到的一台或多台PC兼容计算机用于执行程序和控制***200的其他部件。在其他实施例中，计算机202可包括构造成执行预定的控制操作组以控制***200的其他部件的预编程计算机芯片。计算机202可具有包括可由用户使用以对计算机202进行指示或编程的输入装置(诸如触摸屏监视器或具有常规监视器的键盘)的用户接口。
计算机202与存储介质204通信。存储介质204例如可包括硬盘。存储介质204构造成存储计算机程序，所述计算机程序设计成当被计算机202执行时，控制***200的其他部件的操作以便以限定的方式执行机械加工过程。在有些实施例中，计算机202可与一个或多个其他的计算机装置和存储介质(例如在LAN或WAN上)通信，并可构造成经由这种网络接收和执行一个或多个指令或程序。计算机202还可具有构造成接纳编程有用于计算机202的一组指令的数据存储装置(诸如闪存卡或DVD-ROM)的读卡器。
计算机202还与一组可控部件206通信。在本实施例中，部件206包括构造成保持和操纵刀具210的刀具夹具平台208以及构造成保持和操纵工件214的工件夹具平台212。在其他实施例中，部件206在数量上可较大或较小，并且可具有与以下所描述的相比较附加的可控运动的特征或方向。平台208、212均可包括轨道上的一个或多个金属台，并在加压空气或液体的床身或囊上彼此隔离和与地隔离。平台208、212可连接至电动马达(诸如DC或AC马达)或压电致动器，所述电动马达(诸如DC或AC马达)或压电致动器构造成响应于存储在存储器204中的程序的执行、响应于由计算机212控制的电信号和电流使平台208、212的至少一部分在一个或多个方向上移动。
在一个实施例中，在工件夹具平台212构造成控制工件214关于Z轴运动的同时，刀具夹具平台208构造成控制刀具210关于X轴、Y轴和C轴运动。在另一实施例中，在工件夹具平台212可以固定的同时，刀具夹具平台208可构造成控制刀具210关于X轴、Y轴、Z轴和C轴运动。在又一实施例中，在工件夹具平台212可构造成控制工件214关于X轴、Y轴和Z轴运动的同时，刀具夹具平台208可构造成控制刀具210关于C轴运动。在又一实施例中，在工件夹具平台212可构造成控制工件214关于X轴和Y轴运动的同时，刀具夹具平台208可构造成控制刀具210关于Z轴和C轴运动。
在其他实施例中，可使用刀具夹具平台208和工件夹具平台212另外的其他合适的替代性构造。例如，在使用立铣装置的实施例中，在工件夹具平台212可构造成控制工件214关于Y轴运动的同时，刀具夹具平台208可构造成控制刀具210关于X轴、Z轴和B轴运动。在另一实施例中，立铣装置可配置有工件夹具平台212和刀具夹具平台208，该工件夹具平台212构造成控制工件214关于X轴和Y轴运动，而刀具夹具平台208构造成控制刀具210关于Z轴和C轴运动。在又一实施例中，可使用卧铣装置，其中在刀具夹具平台208构造成控制刀具210关于Z轴和C′轴运动的同时(其中C′轴具有与刀具夹具平台208的位置对应的原点)，工件夹具平台212可构造成控制工件214关于X轴、Y轴和C轴运动。
仍然参考图2，***200的可控部件206还包括由计算机202控制的润滑***216。润滑***216可构造成向刀具210与工件214接触的区域提供具有润滑性质的液体或气体材料，以便将刀具210和工件214的运行温度保持在适于所包括的材料的参数内，延长刀具210的寿命，防止对工件214的损坏，或带走由机械加工过程产生的废料的碎片和切屑。例如，润滑***216可包括与计算机202通信的电动泵，该电动泵构造成与连接至该泵的管道一起将润滑材料从储存器输送至安置成将润滑剂喷射到刀具210与工件214接触的位置上的一个或多个喷嘴。
在有些实施例中，可将其他的部件用作可控部件206的一部分，诸如设计成将电动马达(诸如用于实现刀具夹具平台208或工件夹具平台212的运动的马达)的运行温度限制到低于预定值的再循环冷却剂***。
***200从电源220汲取动力。电源220例如可包括120V或220V的AC电源。在另一实施例中，电源220可包括DC电源(例如NiMH电池)。
现在参考图3A，示出根据一个实施例的用于机械加工材料的***300的一部分的侧向透视图。***300包括刀具夹具平台308。刀具夹具平台308由可移动平台307、309、311组成。可移动平台307如图3所示仅沿X轴可移动和可控。可移动平台309如图3所示仅沿Y轴可移动和可控。可移动平台311包括构造成保持刀具310的刀具主轴，其构造成如图3所示绕C轴可移动和可控。
刀具310可包括任何合适的切削刀具。例如，刀具310可由刀具钢、高速钢、碳化钽、碳化钛、碳化钨、氮化钛、陶瓷材料或天然或人造金刚石制成。在一个实施例中，刀具310可包括如可从Chardon Tool，PO Box 291，115 Parker Court，Chardon，OH 44024 USA，电话1-440-286-6440得到的包括200微米半径的超精机械加工单点金刚石车削半球或凹形非球面刀具。在另一实施例中，刀具310可包括如可从TechnoDiamant得到的快刀伺服刀具。
刀具夹具平台308构造成使得可移动平台307、309、311中的每一个可移动平台分开可控。可移动平台307沿X轴的运动还产生平台309、311和刀具310沿X轴的运动。可移动平台309沿Y轴的运动还会产生平台311和刀具310沿Y轴的运动。可移动平台311绕C轴的旋转会产生刀具310绕C轴的旋转。这样，刀具310的切削表面的位置和角度可通过相对于X轴和Y轴位置定位C轴来控制。因此，可写出描述用于刀具310的切削路径的程序，该切削路径对于每组X-Y坐标指定C轴坐标。
***300还包括工件夹具平台312。在图3所示的***300中，工件夹具平台312如图3所示沿Z轴和绕B轴可移动和可控。这样，能相对于X轴、Y轴、Z轴、B轴和C轴控制在刀具310的切削表面与安装在工件夹具312中的工件的表面之间的相对平移和旋转运动。取决于机械加工的特征的类型、机械加工的工件的形状或其他约束，在其他实施例中，可添加附加的可移动平台，以便提供刀具310与工件之间旋转的附加方向和角度。
此外，在其他实施例中，工件夹具可构造成使得联接至该工件夹具的工件能沿另一或附加的一个或多个轴可移动和可控。例如，在图3B中示出了***3000，其中在刀具夹具平台3008示出为构造成相对于Z轴和C′轴被控制的同时，工件3014示出为安装至工件夹具平台3012，该刀具夹具平台3012构造成相对于X轴、Y轴和C轴被控制，其中C′轴平行于C轴。在这种实施例中，在工件3012可独立地关于C轴旋转的同时，安装在刀具夹具平台3008中的刀具3010可关于C′轴旋转，例如以增大工件3012的可机械加工区域。
现在参考图4，示出根据一个实施例安装在图3所示的***300中的工件314和刀具310的图示的侧向透视图。如图4所示，工件314已被可靠地安装至工件夹具平台312。工件314包括具有凸形表面的大致柱形物体，特征可由刀具310刻划在该凸形表面上。如图4所示，刀具310包括倒圆金刚石车削刀具。在其他实施例中，可使用其他类型的刀具，诸如构造成用于单点金刚石车削(SPDT)操作的绝对锋利的单点天然金刚石切削元件。
如以上所述并参考图4所示，可相对于X轴、Y轴、Z轴和C轴控制刀具310的切削表面(刀具台面)相对于工件314的待机械加工的表面的相对位置。因此，可执行诸如以下所描述的刻划过程，其中刀具310相对于C轴的旋转在该过程期间于每一点处与如下角度同步，该角度由刀具310相对于与待加工的特征的中心相关的定位X-Y-Z原点的X-Y位置限定。因此，刀具310的刀具台面(有时也称为前面)在有些实施例中可维持处于与刀具310相对于工件314沿弯曲刀具路径的平移运动大致垂直的取向。这样，可沿大致与刀具310的沿切削路径的平移运动平行的方向从工件314去除材料。在其他实施例中，可调节刀具310相对于工件314的取向，以提供合适的前角、倾侧角和/或倾角。例如，有些特征可能需要与通过维持刀具310的刀具台面与工件314之间大致垂直的取向所能提供的相比更大的切削深度或倾斜角。另外，为了机械加工有些晶体材料，可能更合适的是维持刀具310的刀具台面与工件314之间已知的前角、倾侧角和/或倾角。
给出可用于实现用于机械加工材料的本***和方法的上述示例***(200、300)，以向读者介绍在此讨论的总体主题。本公开不限于这些示例。以下描述关于用于机械加工材料的***和方法的各种实施例的进一步的细节。
用于机械加工材料的示例方法
现在参考图5，示出根据一个实施例的用于机械加工材料的方法500的流程图。在步骤502中，方法500包括设计待机械加工的特征的步骤。例如，用户可使用2D或3D计算机辅助设计和建模程序(诸如AutoCAD、Autodesk Inventor、SolidWorks或Parametric Technology Corporation的Pro/ENGINEER)来设计待机械加工的一个或多个特征。特征例如可包括待用于晶片级折射、反射或衍射透镜的部分的模制的特征。在一个这种实施例中，可利用市场上可买到的计算机辅助光学设计工具、诸如来自Optical Research Associates的CODE V或来自Zemax Development Corp的ZEMAX设计光学表面特征。
在步骤504中，方法500包括产生弯曲X-Y-Z刀具路径的步骤。例如，在一个实施例中，这可包括产生待由CNC机械加工***执行的计算机程序，以便产生在步骤502中设计的特征。例如，可将一个或多个市场上可买到的计算机辅助制造程序用于产生或翻译这种程序，诸如SolidCAM、Parametric Technology Corporation的Pro/ENGINEER软件、Camtek的PEPS软件或由Western Isle Ltd.，North Wales，Great Britain研发的DIFFSYS软件。
在步骤506中，方法500包括为在步骤504中产生的弯曲X-Y-Z刀具路径确定对应的C轴坐标的步骤。例如，在一个实施例中，Mathworks的MATLAB程序设计语言和功能可用于产生后处理例程，该后处理例程将铣削程序的输出(例如限定其中已用逗号替换X、Y和Z字符的X-Y-Z刀具路径的DIFFSYS铣削程序)用作输入，以计算与沿一条或多条刀具路径的每个X-Y-Z坐标相关的一组C轴角度和动态进给速率。在一个这种实施例中，MATLAB的atan2四象限反正切函数可用于为每组X-Y-Z坐标计算对应的C轴坐标。在一个实施例中，C轴坐标可构造成控制刀具台面相对于被机械加工的工件的旋转角度，以维持刀具台面和刀具台面与工件之间沿在步骤504中产生的弯曲X-Y-Z刀具路径的对应相对平移运动之间的大致恒定的角度(例如垂直关系)。
在步骤507中，方法500包括为在步骤504中产生的弯曲X-Y-Z刀具路径确定对应的动态进给速率的步骤。在有些实施例中，动态进给速率可被编程，以例如作为弯曲X-Y-Z刀具路径变化的曲率半径的函数而沿弯曲刀具路径改变。改变沿弯曲X-Y-Z刀具路径的进给速率可起各种作用，诸如提高机械加工精度、解决机械性能限制或控制***或算法中的限制和误差、减少诸如运动误差的不合需要的机械加工副产物、减少将特征机械加工在工件上所需的时间量、在大的刀具路径曲率半径范围上稳定机器和控制***动态特性、和/或使相对重的工件和/或刀具保持主轴的动态效应最小。
例如，在一个实施例中，可利用通过通用软件开发***(诸如Matlab、Labview或C语言编译器)编程的、执行必需的计算的程序，为沿一条或多条弯曲刀具路径的每个X-Y-Z坐标计算线性动态进给速率，以便取决于所使用的机械加工设备设置沿刀具路径变化的曲率半径大致维持刀具相对于工件、或工件相对于刀具的目标向心加速度。
在一个这种实施例中，确定一组动态进给速率包括确定目标向心加速度并从诸如DIFFSYS的CAM***获得一组用于期望的机械加工特征轮廓的X、Y和Z刀具路径坐标，其中刀具路径坐标由“逗号分隔值”(CSV)格式中的X、Y和Z位置组成。
例如可通过如下方式确定目标向心加速度：在待使用的机械加工***上为期望的特征执行一个或多个数据获取机械加工切削；并检查结果以确定切向速度和不引起正被讨论的计算机控制机械加工***过度的轴跟踪误差的刀具路径。一旦识别合适的用于特定的机械加工***的切向速度和刀具路径半径，就能通过将已知切向速度的平方除以已知的刀具路径半径来计算目标向心加速度。
在有些实施例中，确定目标向心加速度可包括将刀具路径的曲率半径的函数与除以刀具路径的曲率半径的切向速度的平方相加，以便减少机械加工过程所需的时间量。
仍然参考图5，并具体参考步骤507，一旦已经确定目标向心加速度，就可将刀具路径后处理例程用于计算一组动态进给速率，以便沿已知刀具路径的至少一部分大致维持目标向心加速度。例如，确定动态进给速率可包括读取已编程的刀具路径已知的X、Y和Z坐标，为每组X-Y-Z坐标确定一组刀具路径曲率半径，然后通过取得由目标切向加速度乘以对于每组X和Y坐标所计算的刀具路径曲率半径形成的乘积的均方根，为沿刀具路径的X-Y-Z坐标中的每一个确定一组切向速度。
一旦已计算对于沿X-Y-Z刀具路径的X和Y坐标中的每一组的沿刀具路径的切向速度组，就能例如利用DIFFSYS计算与每个这种切向速度相关的一组动态进给速率。
在这种实施例中，一旦已对X-Y-Z坐标中的每一个计算构造成大致维持沿X-Y-Z刀具路径的至少期望的部分的目标向心加速度的一组动态进给速率，就可编译可用于CNC机械加工***(诸如Nanotech 350FG)的新的机械加工刀具数字控制程序文件，该机械加工刀具数字控制程序文件包括所计算的X轴和Y轴进给速率项和如以上参考步骤506所描述的所计算的所有C轴坐标，除此之外还包括X、Y和Z坐标。在其他实施例中，对于沿在步骤504中形成的刀具路径的一些或所有已知的X-Y-Z坐标可手动地计算C轴坐标或动态进给速率。
在步骤508中，方法500包括选择和安装要在机械加工过程中使用的刀具的步骤。例如，在一个实施例中，刀具可包括构造成用于衍射单点金刚石车削(SPDT)操作的绝对锋利的单点天然金刚石切削元件。在另一实施例中，刀具可包括如参考图3所描述的刀具310，并且可以可靠地安装至旋转定位轴，诸如如图3和4所示的作为***300的可移动刀具夹具平台308的一部分的主轴311。如此安装，刀具可如***300的刀具310一样沿X轴、Y轴和C轴可控。在其他实施例中，例如，所选择的刀具可包括铣削刀具或具有倒圆切削刃轮廓的金刚石，并且可安装在提供可控运动的不同的或附加的方向的不同构造的刀具夹具(诸如刀座或高速主轴)中。
在步骤510中，方法500包括选择和安装待机械加工的工件的步骤。例如，在一个实施例中，工件可包括包含待机械加工的八英寸直径和大致的平面表面的镍的柱形件。在其他实施例中，可使用尺寸(例如300mm直径)、形状、材料和表面特性不同的工件。例如，在一个实施例中，工件可包括与图4中示出为安装至工件夹具312的工件314类似的工件。在又一实施例中，可安装由玻璃材料组成的工件用于机械加工。在又一实施例中，工件可包括先前已利用另一过程(例如快刀伺服过程或微铣削过程)机械加工的表面，以便提供可利用刻划过程机械加工附加特征的表面。在一个实施例中，可安装第一工件(诸如废料部或缺陷部)，以便机械加工不是完成的工件产品的一部分的设置特征。在这种实施例中，一旦已刻划设置特征，就可移除第一工件，并且可通过用于随后使用的第二工件替换第一工件。
工件可以可靠地安装至可移动工件夹具平台，诸如以上参考图3中的***300所描述的平台312。例如，在安装至工件夹具的工件与工件夹具之间可提供强真空，以将工件可靠地固定至夹具平台。在另一实施例中，可将一个或多个机械夹钳或虎钳用于将工件固定至工件夹具。
在步骤512中，方法500包括关于第一定位X-Y-Z坐标轴将设置特征刻划到工件的步骤。例如，在一个实施例中，设置特征可近似在步骤502中所设计的特征的至少一部分，以便评估CNC机床中的刀具的设置。在另一实施例中，设置特征可与在步骤502中所设计的特征完全一样。
可关于第一定位X-Y-Z坐标轴以轴对称方式刻划设置或设计特征。例如，可通过如下方式将衍射透镜特征刻划到工件的表面：在期望特征的外边缘处开始轴对称的大致螺旋形的切削路径，并使刀具沿具有递减的半径的螺旋路径移动，直到刀具到达期望的特征的中心轴并且已去除不需要的材料为止。在一个这种实施例中，通过这种利用螺旋刀具路径的刻划过程产生废料的连续切屑。利用这种过程，能利用构造成大致维持工件(诸如参考图2所描述的工件214)的表面上沿刀具路径的目标切向加速度的动态进给速率，使刀具(例如安装在如以上参考图2所描述的***200中的刀具210)能相对于X轴、Y轴和C轴移动，使得在刻划过程期间总是将刀具台面与在相同的时间点处刀具沿刀具路径的平移运动之间的角度大致维持在垂直的取向。
在其他实施例中，可使用刀具的切削表面与刀具运动的方向之间替代性的切削路径、特征形状或关系。例如，可通过如下方式刻划折射或反射透镜特征：在期望特征的中心处开始大致的螺旋切削路径，并使倒圆的金刚石刀具沿具有递增的半径的路径移动，直到刀具到达期望的特征的外边缘并且已从工件去除不需要的材料为止。
在另外的其他实施例中，可将附加的机械加工过程用于大致形成设置或设计特征，然后将参考步骤512描述的刻划过程用作随后的过程，以提供具有较高的尺寸精度(例如达到数十纳米)的一个或多个特征中的全部或一部分特征、比能由其他过程(诸如通过快刀伺服过程)所能提供的高的表面斜度、包括比由一些其他的过程(诸如微铣削过程)所能提供的少的刀具痕迹的较平滑的完成特征表面、由特征所提供的多种光学或其他效果(诸如透镜特征上的折射和衍射效果)、和较容易的从完成的工件去除所有金属切屑或其他细屑的过程。
在步骤514中，方法500包括测量和校正形状误差(form error)的步骤。例如，在一个实施例中，可利用干涉仪或其他表面轮廓仪装置(诸如例如可从Taylor Hobson Ltd.，PO Box 36，2New Star Road，Leicester，LE4 9JQ得到的Talysurf***)测量已机械加工成废料工件的设置特征的形状误差，以将设置特征的尺寸与在步骤502中设计的特征的设计尺寸相比较，从而确定安装在CNC机床(诸如以上描述的***200)中的刀具(诸如刀具210)的形状误差。如果确定在所刻划的设置特征中存在形状误差，则可将形状误差信息用于更新在步骤504中(例如利用DIFFSYS软件的功能)产生的X-Y-Z刀具路径，以及为所校正的X-Y-Z刀具路径重新计算所有对应的C轴坐标或动态进给速率信息(例如在步骤506和507中所描述的)。这样，能提高在刻划在步骤502中所设计的特征中的尺寸和位置精度。例如，在一个实施例中，测量和校正形状误差可引起数十纳米范围内的精度。在涉及在单个工件上机械加工多重设计特征的一个实施例中，在多个特征的机械加工期间可一次或多次进行形状误差的测量和校正的步骤，以校正在机械加工的过程中形成的形状误差(例如以考虑刀具磨损)。在一个实施例中，例如当可接受几微米内的设计特征尺寸的精度时，可省略形状误差的测量和校正的步骤。
仍然参考图5，在步骤516中，方法500还包括使用于机械加工设置特征的刀具转位到第二定位X-Y-Z坐标轴的步骤，该第二定位X-Y-Z坐标轴相对于第一定位X-Y-Z坐标轴的位置已知。在一个实施例中，第一与第二X-Y-Z坐标轴之间的关系可以是设计成给工件提供多重特征的程序的一部分。第二定位X-Y-Z坐标轴可与在步骤502中设计的待机械加工在工件上的特征的位置相关。在一个实施例中，能移除机械加工有设置特征的工件，并可选择和安装构造成被刻划以产生在步骤502中设计的一个或多个特征的第二工件。
一旦已将刀具转位到第二定位X-Y-Z坐标轴的位置，则可关于第二定位X-Y-Z坐标轴以轴对称方式重复刻划过程，以产生设计的特征(例如以如以上参考步骤512所描述的方式)。这样，能在不从其可靠的安装位置移除刀具或工件的情况下，将(相同的类型和设计或不同的类型或设计的)多重设计特征机械加工在同一工件上，从而允许在单个工件上的特征之间的较高的尺寸精度和特征阵列的较快的总体机械加工。在有些实施例中，转位和重复的机械加工过程可用于在同一工件上或在相同的定位X-Y-Z坐标轴处产生超过两个的特征。
例如，图6示出根据一个实施例当将阵列中的六个特征机械加工在单个工件上时、刀具所遵循的六个大致相同的螺旋刀具路径635A-F的阵列，其中所示的六个刀具路径中的每个刀具路径均与在待机械加工的特征的中心处唯一的定位X-Y-Z坐标轴640相关。如图6所示，刀具路径635A与定位X-Y-Z坐标轴640A相关。类似地，刀具路径635B与定位X-Y-Z坐标轴640B相关等等。在其他实施例中，可设计和编程较大或较小数量的特征，以包括单个工件上的特征阵列。在另外的其他实施例中，超过一个的待机械加工的特征可共享公共的定位X-Y-Z轴。在一个这种实施例中，单个工件可设计成包含多个特征组，其中每个特征组均共享公共的定位X-Y-Z轴。
图7示出根据一个实施例的机械加工有许多相同的特征718(在图8中更详细地示出)的阵列的示例工件714，其中每个相同的特征均通过与如参考图6所描述的工件714上唯一的定位X-Y-Z坐标轴相关的相同刀具路径产生。图7和8所示的工件714包括具有八英寸直径的制造母版，并由镍材料组成，其设计成用于待结合在微型图像捕获装置中的折射、反射和/或衍射透镜的阵列的生产。
在有些实施例中，特征718可包括反射光学性质。例如，在一个这种实施例中，可(例如利用以上描述的方法500)将凹形或凸形反射特征刻划入不透明材料。在其他这种实施例中，可根据以上描述的方法500刻划复制母版(例如工件714)，并可将不透明材料用于从该复制母版复制透镜，或者可将透明材料用于从母版复制透镜，并可将不透明涂层材料涂覆在由透明材料制成的透明的一面或两面的至少一部分上。可将其他的实施例用于由诸如玻璃或丙烯酸树脂的大致透明的材料制成折射或衍射光学特征718。
可利用在此描述的实施例刻划的光学表面包括凹形的、凸形的、球面的、非球面的和关于定位Z轴非旋转对称的表面。在其他实施例中，可使用其他类型的工件(例如具有特征或特征的阵列的不同的形状、材料或设计)。
现在参考图8，在放大图中示出工件714的一部分716。如图8所示，已将包括阵列的多个相同的特征718机械加工在工件714上。在其他实施例中，可将在各特征之间具有较大或较小的距离的较大或较小数量的特征机械加工在工件上。在其他实施例中，单个工件714可具有机械加工在其中的多个不同的特征设计。例如，工件714可包括用于数据通信应用的多个1×4或1×12的微型透镜阵列。
现在参考图9，示出根据一个实施例的工件914的剖面正视图，该工件914具有机械加工在其中的多重衍射透镜特征918。图9所示的特征918利用绝对锋利的单点金刚石车削刀具被刻划入工件914。根据利用一组螺旋刀具路径并由CNC机械加工***(例如以上所描述的***200)执行的刻划方法(例如根据以上所描述的方法500)制造图9所示的特征918。例如，工件914可由玻璃材料组成。在另一实施例中，工件914可包括金属制造母版。
类似地，图10同样示出根据一个实施例的具有已机械加工的多重特征1018的工件1014的剖面正视图。图10所示的特征1018包括折射衍射透镜特征。通过诸如在先的刻划过程、精细铣削过程或快刀伺服过程的第一制造过程以去除大量材料来提供特征1018，以便在工件1014的表面1015上产生折射透镜特征1017。因此，由于凹形透镜特征1017，在所述凹形特征1017上利用编程为导致与折射透镜特征相关的非平面表面拓扑结构的一组螺旋刀具路径、根据刻划方法(例如以上所描述的方法500)、利用绝对锋利的单点金刚石车削刀具机械加工有衍射特征1018，所以产生的工件1014的表面1015具有大致波形的外观。利用引起表面1015上折射特征1017变化的拓扑结构的CNC机械加工***(例如以上所描述的***200)，在工件1014的表面1015上机械加工图10所示的衍射特征1018，所述拓扑结构如例如由通过利用工件夹具平台的快刀伺服过程提供，该工件夹具平台构造成通过使工件沿Z轴移动来维持刀具与工件之间的接触。例如，可使用以上参考图3所描述的工件夹具平台312。在其他实施例中，可利用机械加工特征的每层的相同过程(诸如参考图5所描述的刻划过程)、但利用多种不同的刀具机械加工具有折射和衍射性质的透镜特征。在又一实施例中，可利用单个刻划过程形成具有折射和衍射性质的透镜特征。
图11和12分别示出根据一个实施例的具有已机械加工的多重折射特征1118、1218的工件1114、1214的剖面正视图。在图11所示的实施例中，折射特征1118为凸形的。比较起来，在图12的实施例中，折射特征1218为凹形的。可根据利用一组螺旋刀具路径并由CNC机械加工***(例如以上所描述的***200)执行的刻划方法(例如根据以上所描述的方法500)制造两种类型的折射光学表面(图11所示的特征1118和图12所示的特征1218)。
现在参考图13和14，示出根据一个实施例在刻划操作期间相对于定位X-Y-Z坐标轴1340位于沿大致圆形的逆时针方向的刀具路径1335的两个不同位置处的刀具1310的平面图。如图13所示，刀具1310位于沿刀具路径1335的第一位置X1、Y1。如图11所示，第一位置X1、Y1限定关于C轴的角度C1。因此，刀具1310已旋转到如所示的位置中，其中刀具1310的切削表面(刀具台面)1325大致垂直于刀具1310沿切削路径1335的平移运动。在一个这种实施例中，刀具1310可包括构造成用于单点金刚石车削(SPDT)操作的倒圆的或绝对锋利的单点天然或人造金刚石切削元件。刀具1310可安装在构造成控制刀具沿X轴、Y轴和C轴的位置的***(诸如以上参考图3所描述的***300)中。
如图14所示，刀具1310位于沿刀具路径1335的第二位置X2、Y2。如图14所示，第二位置X2、Y2限定关于C轴的角度C2。因此，刀具1310已旋转到如所示的位置中，其中刀具1310的切削表面(刀具台面)1325大致垂直于刀具1310沿切削路径1335的平移运动。在图13和14所示的实施例中，由于刀具1310经过完整圆形的切削路径1335，所以刀具1310也完成关于C轴的整整360度的旋转。因此，在图13和14所示的实施例中，在沿关于定位Z轴的刀具路径1335的刀具1310的轨迹与关于C轴的刀具1310的旋转之间存在相关的1∶1的关系。在所示的实施例中，由于刀具1310旋转速度和刀具1310相对于工件的速度相对低(比可比较的精细铣削过程慢一个或多个数量级)，所以使与由热的刀具和工件而产生的并发问题一起的生热最少。
在其他实施例中，刻划过程可设置用于刀具(诸如图13和14所示的刀具1310)旋转到一位置中的旋转，使得刀具1310的切削表面(刀具台面)1325在该时间点与刀具1310沿切削路径的平移运动成不同于垂直的角度，以便设置用于特定的特征、工件表面拓扑结构或所包括的刀具的类型或轮廓。
在另外的其他实施例中，刻划过程可与非轴对称的刀具路径结合使用，以产生一个或多个非轴对称的特征。例如，图15示出包括倒圆角部的非轴对称矩形刀具路径1535。在一个这种实施例中，切削刀具沿非轴对称刀具路径1535的至少一部分的动态进给速率可如上所述相对于图5的步骤507变化，以大致维持刀具的切削表面沿刀具路径1535相对于工件相同的向心加速度。
总结
仅为了描述和说明已介绍了实施例的前述说明，并且所述前述说明不是详尽的或者将本发明限于公开的精确形式。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本发明许多的变型和应用将对本领域的技术人员显而易见。

Claims (33)

1.一种用于沿弯曲刀具路径在工件上机械加工特征的方法，包括：
控制刀具台面与所述工件之间沿所述弯曲刀具路径的相对平移运动；以及
控制所述刀具台面相对于所述工件的对应旋转角度，以在所述刀具台面和所述刀具台面与所述工件之间沿所述弯曲刀具路径的对应相对平移运动之间维持大致恒定的角度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述大致恒定的角度包括垂直关系。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
基于限定沿所述弯曲刀具路径的多个位置的一组坐标，确定所述刀具台面在沿所述弯曲刀具路径的所述多个位置处的所述对应旋转角度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中控制所述刀具台面与所述工件之间的相对平移运动包括控制所述刀具台面沿所述弯曲刀具路径的动态进给速率，以大致维持所述刀具台面相对于所述工件的目标向心加速度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述目标向心加速度包括恒定的向心加速度。
6.根据权利要求4所述的方法，还包括：
基于限定沿所述弯曲刀具路径的多个位置的一组坐标，确定所述刀具台面在沿所述弯曲刀具路径的所述多个位置处的动态进给速率。
7.根据权利要求4所述的方法，还包括：
基于沿所述弯曲刀具路径的多个曲率半径，确定所述刀具台面在沿所述弯曲刀具路径的多个位置处的动态进给速率。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述弯曲刀具路径包括螺旋刀具路径。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述弯曲刀具路径包括含有倒圆角部的矩形刀具路径。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述弯曲刀具路径关于所述工件上的第一定位坐标轴大致轴对称。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述特征包括透镜特征，并且所述弯曲刀具路径还包括大致螺旋的刀具路径，所述大致螺旋的刀具路径开始于所述透镜特征的外边缘、遵循具有递减半径的大致螺旋路径、并终止于所述第一定位坐标轴的中心。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述特征包括折射透镜特征。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述特征包括衍射透镜特征。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述特征包括折射衍射透镜特征。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述工件包括先前机械加工的折射透镜特征，并通过在所述工件上机械加工衍射透镜特征使得所述衍射透镜特征与所述折射透镜特征的至少一部分相叠加，来提供所述折射衍射透镜特征。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法利用计算机数控机械加工设备实现。
17.一种包括程序代码的计算机可读介质，所述程序代码设计成使计算机数控机械加工设备执行用于沿弯曲刀具路径机械加工工件的方法，所述程序代码包括：
用于控制刀具台面与所述工件之间沿所述弯曲刀具路径的相对平移运动的代码；以及
用于控制所述刀具台面相对于所述工件的对应旋转角度、以在所述刀具台面和所述刀具台面与所述工件之间沿所述弯曲刀具路径的对应相对平移运动之间维持大致恒定的角度的代码。
18.根据权利要求17所述的计算机可读介质，其中所述大致恒定的角度包括垂直关系。
19.根据权利要求17所述的计算机可读介质，还包括：
用于控制所述刀具台面沿所述弯曲刀具路径的动态进给速率、以大致维持所述刀具台面相对于所述工件的目标向心加速度的代码。
20.根据权利要求19所述的计算机可读介质，其中所述目标向心加速度包括恒定的向心加速度。
21.一种用于产生用于计算机数控机械加工设备的程序的方法，包括：
确定刀具台面相对于工件的旋转角度，以在所述刀具台面和所述刀具台面与所述工件之间在沿弯曲刀具路径的多个位置处的对应平移运动之间维持大致恒定的角度；
确定所述刀具台面相对于所述工件在沿所述弯曲刀具路径的所述多个位置处的对应动态进给速率，以大致维持所述刀具台面相对于所述工件的目标向心加速度；以及
以由所述计算机数控机械加工设备识别的格式格式化所计算的旋转角度和动态进给速率。
22.根据权利要求21所述的方法，其中确定所述刀具台面的旋转角度包括输入限定沿所述弯曲刀具路径的所述多个位置的一组坐标。
23.根据权利要求22所述的方法，其中确定所述刀具台面的所述对应动态进给速率包括：
确定沿所述弯曲刀具路径的目标向心加速度；
输入限定沿所述弯曲刀具路径的所述多个位置的一组坐标和所述刀具台面在沿所述弯曲刀具路径的所述多个位置处的旋转角度；
为沿所述弯曲刀具路径的所述多个位置中的每个位置确定刀具路径曲率半径；以及
为沿所述弯曲刀具路径的所述多个位置中的每个位置确定切向速度。
24.一种工件，包括：
特征，所述特征是在改变刀具台面相对于所述工件的旋转角度以在所述刀具台面和所述刀具台面与所述工件之间沿弯曲刀具路径的对应相对平移运动之间维持大致恒定的角度的同时被刻划的。
25.根据权利要求24所述的工件，其中所述大致恒定的角度包括垂直关系。
26.根据权利要求24所述的工件，其中所述特征是在改变所述刀具台面相对于所述工件沿所述弯曲刀具路径的动态进给速率、以大致维持所述刀具台面相对于所述工件的目标向心加速度的同时被刻划的。
27.一种用于在透镜阵列的生产中使用的复制母版，包括：
表面，所述表面包括在所述表面上的多个特征，其中，所述多个特征中的至少一个特征是在改变刀具台面相对于所述复制母版的旋转角度、以在所述刀具台面和所述刀具台面与所述复制母版之间沿弯曲刀具路径的对应相对平移运动之间维持大致恒定的角度的同时被刻划的。
28.根据权利要求27所述的复制母版，其中所述大致恒定的角度包括垂直关系。
29.根据权利要求27所述的复制母版，其中所述多个特征中的所述至少一个特征是在改变所述刀具台面相对于所述复制母版沿所述弯曲刀具路径的动态进给速率、以大致维持所述刀具台面相对于所述复制母版的目标向心加速度的同时被刻划的。
30.根据权利要求27所述的复制母版，其中所述多个特征中的所述至少一个特征包括折射透镜特征。
31.根据权利要求27所述的复制母版，其中所述多个特征中的所述至少一个特征包括衍射透镜特征。
32.根据权利要求27所述的复制母版，其中所述多个特征中的所述至少一个特征包括折射衍射透镜特征。
33.一种至少部分地通过应用复制母版而形成的透镜，所述复制母版包括用于限定光学元件的至少一部分的特征，其中所述特征是在改变刀具台面相对于所述复制母版的旋转角度、以在所述刀具台面和所述刀具台面与所述复制母版之间沿弯曲刀具路径的对应相对平移运动之间维持大致恒定的角度的同时被刻划的。
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