DE69635385T2 - Verfahren und Vorrichtung zum optischen Polieren - Google Patents

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    • B24DTOOLS FOR GRINDING, BUFFING OR SHARPENING
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    • B24D13/14Wheels having flexibly-acting working parts, e.g. buffing wheels; Mountings therefor acting by the front face
    • B24D13/147Wheels having flexibly-acting working parts, e.g. buffing wheels; Mountings therefor acting by the front face comprising assemblies of felted or spongy material; comprising pads surrounded by a flexible material
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B24BMACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B13/00Machines or devices designed for grinding or polishing optical surfaces on lenses or surfaces of similar shape on other work; Accessories therefor
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)
  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft primär das optische Polieren, Läppen und Formen von optischen Oberflächen. Sie ist besonders bei der Herstellung von großen Spiegeln von Nutzen, die sphärisch oder asphärisch sein können und die eine exzentrische Form haben können. Einige der hier beschriebenen Vorrichtungen haben jedoch auch breitere Anwendungsbereiche, etwa die genaue Bewegung eines Roboterarms relativ zu einer im wesentlichen flachen Oberfläche.
  • Der gut ausgebildete Prozeß, den die Erfindung weiter verbessert, besteht aus dem Schleifen, Polieren und Formen mit losen abrasiven Teilchen oder abrasiven Teilchen, die in einer weicheren Matrix eingebettet sind. Zum Aufbringen der abrasiven Mittel auf das Werkstück wird ein Kissen oder Fell verwendet. Das "Formen" besteht aus fortgesetztem Polieren, das über die Oberfläche des Werkstücks unterschiedlich erfolgt, um sehr kleine Änderungen in der Oberflächenhöhe zu erzeugen.
  • Das "Werkzeug" ist Teil der Maschine. Es trägt das Kissen, mit dem das abrasive Mittel auf das Werkzeug aufgebracht wird. Der Durchmesser dieses Kissens oder Polierpads wird im allgemeinen als der Durchmesser des Werkzeugs bezeichnet. Der Prozeß ist gewöhnlich ein nasser Prozeß. Nach etwas Polieren wird das Werkstück gereinigt und optisch getestet. Der optische Test zeigt diejenigen Teile der Oberfläche auf, die trotz Polieren noch zu weit über das gewünschte Profil überstehen. Das weitere Polieren erfolgt vorzugsweise in den überstehenden Bereichen. Dies wird in der Regel durch Verändern des Drucks oder der Geschwindigkeit des Polierpads erreicht. Es können viele Versuche erforderlich sein, um den Fehler immer weiter zu verringern, der Prozeß ist iterativ.
  • Mit der vorliegenden Erfindung sollen die Geschwindigkeit und Genauigkeit dieses iterativen Prozesses erhöht werden. Die Erfindung stellt dafür eine neue Art von Werkzeug zum lokalen Polieren bereit, die eine schnelle, automatische, computergesteuerte Maschine ermöglicht, die auf einem weiten Gebiet von Produkten mit optisch hochwertigen Oberflächen anwendbar ist.
  • Bei Oberflächen, die nicht sphärisch (ein Teil von Kugelflächen) sind, ist das iterative Formen ein langwieriger Prozeß. Es wurde mit einigem Erfolg versucht, den früher rein manuellen Prozeß zu mechanisieren (siehe unten), es gibt jedoch noch keine Technik, die so anpassungsfähig ist wie das Polieren von Hand. Große und kleine Werkzeuge weisen verschiedene Probleme auf.
  • Einerseits wird die beste Qualität mit großen Werkzeugen erreicht. Sie entsprechen im allgemeinen der gewünschten asphärischen Form der Oberfläche. Diese Werkzeuge werden jedoch nur für bestimmte Werkstücke gebaut und oft in einem aufwendigen Forschungs- und Entwicklungsumfeld von den Ingenieuren betrieben, die sie konstruiert haben.
  • Andererseits können kleine Werkzeuge das Polieren von Hand genauer simulieren und sind vielseitiger. Wenn sie automatisch betrieben werden, erzeugen sie jedoch oft Restdefekte, die mit dem gleichen Werkzeug schwierig zu beseitigen sind. Zum Beispiel kann der Rand des Werkzeugs viele Rippen oder Nuten erzeugen, die schmaler sind als das Werkzeug. Sie sind im optischen Test sichtbar, der Versuch, sie mit dem gleichen Werkzeug zu entfernen, kann jedoch dazu führen, daß an anderer Stelle ähnliche Effekte neu entstehen. Auswechseln des Werkzeugs führt zu anderen Problemen. Das Entfernen von durch das Werkzeug erzeugten Fehlern durch allmähliches Anwenden von weniger Arbeit bei jedem Durchgang und durch auslaufende Hübe mit dem Werkzeug ist sehr zeitaufwendig. Diese Probleme machen den Prozeß zwar nicht unmöglich, verlängern jedoch die Reihe von Iterationen und die allgemeine Komplexität erheblich. Mit der vorliegenden Erfindung ist es jedoch möglich, unter fortlaufender Kontrolle eine zielgerichtete Aktion ohne scharfe Kanten und einer Vielzahl von Profilen für die Glasentfernungsfunktion auszuführen.
  • Das US-Patent 4 128 968 (1978) beschreibt eine automatische Poliermaschine, bei der der Kanteneffekt eines kleinen Werkzeugs durch eine lokale Teilbewegung des Werkzeugs verringert wird. Wenn das kleine Werkzeug in seiner Position eine Zitterbewegung ausführt, wird der Mittelpunkt des Kontaktbereichs fortlaufend poliert, der Rand des Bereichs wird jedoch weniger poliert. Das "Entfernungsprofil" wird als kreissymmetrisch bezeichnet. Das Werkzeug weist ein Bewegungsmuster auf, das über die ganze Oberfläche schraubenförmig sein kann. Das Werkzeug selbst kann um eine Nebenachse rotieren, die die lokale Achse des Werkzeugs sein kann. Das Zittern ist ein Operationsverfahren oder Operationsmuster für das ganze Werkzeug, mit dem die Fehler verhindert werden sollen, die es sonst verursacht. Es wurde von der Softwaresteuerung überflüssig gemacht: Das Bewegungsmuster für das Werkzeug kann damit so berechnet werden, daß das jeweilige Werkstück optimal wird, statt ein beliebiges kreisförmiges Entfernungsprofil zu erzeugen, das nicht notwendigerweise das ist, was erwünscht ist. Durch den Zittereffekt werden auch unvermeidlich die lokal polierten Bereiche größer, was wiederum nicht notwendigerweise erwünscht ist.
  • Das US-Patent 5 157 878 (1992) beschreibt ein Polierwerkzeug mit einem laufenden Band, das gegen das Werkstück gedrückt wird.
  • Die UK-Patentanmeldung 2 259 662 (1993) beschreibt eine Maschine für komplexe asphärische Brillenlinsen, die eine Mehrachsen-Fräsmaschine mit einem nicht näher bezeichneten Polierkopf an der Stelle des Schneidkopfes darstellt.
  • Die University of Arizona und das University College London haben Maschinen mit einem komplexen Werkzeug mit einem Durchmesser von etwa der Hälfte oder mehr des Werkstücks vorgestellt. Im wesentlichen steht der ganze aktive Bereich des Werkzeugs die ganze Zeit mit dem Werkstück in Kontakt. Der Kippwinkel des Werkzeugs wird durch seinen Kontakt mit dem Werkstück festgelegt. Ein Beispiel ist in ESO Conference and Workshop Proceedings Nr. 42, Seiten 215–218, ESO Garching, 27.–30. April 1992, "The Production of Highly Aspheric Secondary Mirrors Using Active Laps" von D.D. Walker et al. beschrieben.
  • Die Firma Zeiss hat eine Maschine mit einem länglichen komplexen Werkzeug vorgestellt, dessen Länge etwa die Hälfte des Durchmessers des Werkstücks beträgt. Wie bei dem oben beschriebenen großen Werkzeug steht im wesentlichen der ganze aktive Bereich des Werkzeugs die ganze Zeit mit dem Werkstück in Kontakt. Der Kippwinkel des Werkzeugs wird durch seinen Kontakt mit dem Werkstück festgelegt. In ihrer Patentanmeldung GB-A-2163076 erstreckt sich das komplexe Werkzeug im wesentlichen Seite an Seite mit dem Werkstück.
  • Die US-A-4 958 463 beschreibt die Merkmale im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 14.
  • Die vorliegende Erfindung ist in den Hauptansprüchen 1 und 14 definiert.
  • Die vorliegende Erfindung umfaßt ein Werkzeug zum lokalen optischen Polieren mit einem Positions-Hauptaktuator für eine steuerbare zentrale Verstärkung des angewendeten Drucks des Werkzeugs auf das Werkstück in dem zur Verfügung stehenden Bereich des Werkzeugs derart, daß die Kontaktfläche des Werkzeugs mit dem Werkstück (über den ein brauchbarer Polierdruck aufgebracht wird) innerhalb der Gesamtfläche des Werkzeugs steuerbar ist.
  • Die von dem Werkzeug auf das Werkstück aufgebrachte Gesamtkraft ist steuerbar. Durch Einstellen der Gesamtkraft und der Rate der Druckabnahme kann der Druck an einer festlegbaren Nenngrenze (etwa einem Kreis), die innerhalb der Werkzeugfläche liegt, auf Null abnehmen. Das Werkzeug kann so hergestellt und betrieben werden, daß die interne Verteilung des Polierdrucks eine einzige Spitze aufweist. Bei solchen Ausführungsformen können die Ränder des Werkzeugs außerhalb des effektiven Durchmessers vom Werkstück ganz abgehoben werden.
  • Die vorliegende Erfindung kann auch so angewendet werden, daß der auf das Werkstück einwirkende Druck von der Mitte zu den Rändern des Werkzeugs auf einen niedrigeren Druckwert abfällt, ohne notwendigerweise innerhalb des Werkzeugs den Wert Null zu erreichen. Die Rate, mit der der Druck von der Mitte des Werkzeugs nach außen abnimmt, ist steuerbar. Bei solchen Ausführungsformen kann der Polierdruck an den Rändern des Werkzeugs auf weniger als zehn Prozent des Maximaldrucks im Werkzeug abnehmen. Die Gesamtdruckverteilung kann etwa einer abgeschnittenen Gaußverteilung entsprechen.
  • In einer Ausführungsform umfaßt die vorliegende Erfindung wie oben beschrieben eine Vorrichtung zum lokalen optischen Polieren mit einem Positions-Hauptaktuator und mit einem oder mit mehreren weiteren, ähnlichen Aktuatoren, so daß der von dem Werkzeug normalerweise auf das Werkstück ausgeübte zentrale Druck oder die vom dem Werkzeug normalerweise auf das Werkstück ausgeübte Gesamtkraft unabhängig von der abnehmenden Druckfunktion gesteuert werden kann.
  • Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zum lokalen optischen Polieren derart ausgestattet, daß der Krümmungsradius der Polierfläche einstellbar ist.
  • Vorzugsweise umfaßt die beschriebene Vorrichtung zum lokalen optischen Polieren einen Hauptaktuator und drei weitere Positions-Aktuatoren, so daß der Angriffswinkel des Werkzeugs gegen das Werkstück einstellbar ist.
  • Bei der beschriebenen Vorrichtung zum lokalen optischen Polieren werden vorzugsweise alle Parameter während des Polierens dynamisch kontrolliert.
  • Der Durchmesser des Werkzeugs ist in der Regel kleiner als 25 Prozent des Durchmessers des Werkstücks.
  • Die von dem Werkzeug aufgebrachte Druckverteilung kann achsensymmetrisch sein.
  • Das Werkzeug kann an angetriebenen Lagern angebracht sein, mit denen es in jedem gewünschten Bewegungsmuster und einer steuerbaren Geschwindigkeit über das Werkstück geführt werden kann.
  • Das Werkzeug kann an einer motorisierten Hilfsspindel angebracht sein, die sich in einer Symmetrieachse des Werkzeugs befinden kann. Das Werkzeug kann als Teil seiner Polierbewegung steuerbar auf dieser Spindel rotieren.
  • Das Werkstück kann auf einem Drehtisch angeordnet sein, der sich kontinuierlich dreht.
  • Das Werkzeug kann so gesteuert werden, daß es sich in einem Muster über ein festes Werkstück bewegt, das für die gleiche wirksame Arbeit sorgt als wenn das Werkstück rotieren würde.
  • Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft einige Ausführungsformen anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1A einen schematischen axialen Schnitt durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Läppwerkzeuges;
  • 1B eine Aufsicht auf eine Feder, die quer in dem Werkzeug der 1A angeordnet ist;
  • 1C eine Aufsicht auf einen Satz von ringförmigen Druckringen in dem Werkzeug der 1A;
  • 2 einen axialen Schnitt durch ein Läppwerkzeug gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 3 einen schematischen Querschnitt, der der Ansicht der 2 entspricht, durch die Ausführungsform der 2, der genauer die Anordnung der Halterung für den Werkzeugkopf darstellt;
  • 4 einen schematischen Querschnitt längs der Linie A-A in der 3;
  • 5 einen schematischen Querschnitt, der der Ansicht der 2 entspricht und der den Arbeitsbereich des Werkzeugs in verschiedenen Konfigurationen zeigt; und
  • 6 graphisch das Druckprofil der flexiblen Arbeitsfläche des Werkzeugs der 5 im Gebrauch als Funktion des Abstands von der Mitte des Werkzeugs.
  • In der 1 ist ein Beispiel für die Erfindung dargestellt. Die Polierwirkung wird durch Polierpads (7) bewirkt. Das Werkstück (nicht gezeigt) steht mit der Unterseite der Polierpads in Kontakt.
  • Die Polierpads sind an einer dünnen Membran (6) aus Edelstahl befestigt.
  • Die Membran wird von einer komprimierbaren Lage (5) aus Neopren, Gummi oder Kunststoff oder einem Schaum aus diesen Materialien gehalten und ist daran befestigt. Auf der Oberseite der komprimierbaren Lage ist eine weitere Edelstahlmembran (4) daran angeklebt. Durch einen Satz von ringförmigen Druckringen (8) wird Druck auf diese obere Membran ausgeübt. Die ringförmigen Druckringe (8) sind mittels Punktschweißen an eine flache achtarmige Feder (9) angeschweißt.
  • In seinen Umrissen ist bei (1) ein Haupaktuator dargestellt, er wird hier genauer beschrieben. Es ist ein motorisierter Schraubantrieb in der Form eines kommerziell erhältlichen Schrittmotors mit einem hohlen Gewinderotor, der einen vertikalen Kolben antreibt. Der Kolben selbst ist an seiner Wirkseite (Unterseite) mit einer Druckfeder versehen. In der Druckfeder befindet sich eine kommerziell erhältliche Standard-Kraftmeßzelle. Der Hauptaktuator ermöglicht es, den Druck in der Mitte des Arbeitsbereiches des Werkzeugs zu erhöhen, wenn der Aktuator vertikal nach unten ausgefahren wird.
  • An der Oberseite der achtarmigen Feder (9) ist ein Verstärkungsring (3) angelötet. Der gezeigte Randaktuator (2) ist einer von drei im Winkelabstand angeordneten Randaktuatoren, die ähnlich aufgebaut sind wie der oben beschrieben Hauptaktuator (1). Sie sind entlang des Umfangs in gleichen Abständen angeordnet und ziehen am oder drücken auf den Verstärkungsring (3). Auch sie enthalten Kraftmeßzellen und dienen dazu, zusammen mit dem Hauptaktuator (1) sowohl den Kippwinkel der unteren Polierfläche als auch den Gesamtdruck und die Form zu steuern.
  • Das Werkzeug ist untergebracht in einem Aluminiumgußgehäuse (10) mit einem Zugangsdeckel (12), der auch die elektrischen Anschlüsse und Leitungen aufnimmt (nicht gezeigt). Das Gehäuse (10) weist einen Halteflansch oder Halteansätze (11) auf.
  • Die Schrittmotoren werden jeweils mittels einer Standard-IC-Schrittmotorsteuerung mit einer Leistungsverstärkerstufe von einem Computer angesteuert. Die von den Kraftmeßzellen angezeigten Kraftwerte werden dem Computer durch herkömmliche Analog-Digital-Konverter zugeführt.
  • Das Werkzeug wird mittels des Flansches oder der Ansätze (11) auf zwei XY-Planschlitten befestigt, die von Schrittmotoren und einen Zahnstangentrieb angetrieben werden. Dieses Antriebssystem kann auch eine Einrichtung zum Drehen des Werkzeugs aufweisen. In diesem Fall umfaßt es auch Schleifringe für die elektrischen Zuleitungen zum Werkzeug. Die nach unten gerichtete Gesamtkraft des Werkzeugs auf das Werkstück liegt im Bereich von 8 bis 50 Gramm pro Quadratzentimeter der Arbeitsfläche.
  • Die aktive Steuerung der Bewegung des Werkzeugs umfaßt die Steuerung der Druckverteilung, die von dem Werkzeug auf das Werkstück ausgeübt wird, z.B. auf einen Spiegel, und der Verteilung der Geschwindigkeiten des sich bewegenden Werkzeugs rela tiv zum Spiegel (Hub, Rotation). Wie genauer in unserem oben erwähnten Artikel mit dem Titel "The production of highly aspheric secondary mirrors using active laps" beschrieben ist, wird bei der Steuerung eine Rückkopplung an den Bediener ausgegeben, während die Maschine in Betrieb ist. Die Maschine übermittelt die Druckverteilung, die relativen Geschwindigkeiten zwischen Werkzeug und Spiegel und die gesamte seitliche Reibungskraft (den Widerstand) am Werkzeug (der Polierscheibe). Durch eine Kalibrierung ist es möglich, beim Polieren wiederholt für jeden Punkt der Spiegeloberfläche die Abtragrate zurückzukoppeln. Die Abtragragen werden integriert, um abzuschätzen, wie sich das Spiegelprofil entwickelt; dies wird angezeigt und das Belastungsmuster gegebenenfalls geeignet geändert. Am Ende jedes Durchlaufs wird nicht nur die optische Form mit der gewünschten Form verglichen, sondern es werden auch die vorausgesagten Änderungen mit den beobachteten Änderungen verglichen. Der Algorithmus zum Bestimmen des Abtrags wird dann entsprechend eingestellt. Auf diese Weise lernt das System.
  • Anhand der 2 bis 6 wird nun eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Das (nicht gezeigte) Werkzeug ist an einer flexiblen Membran 21 angebracht, die am Werkzeugkopf 22 befestigt ist. Der Werkzeugkopf rotiert in Lagern 23 um die feste Hohlwelle 24 und wird mittels der flexiblen Metallbalg-Kupplung 25 angetrieben, die es ermöglicht, das Werkzeug axial zu belasten. Der Durchgang in der Hohlwelle ermöglicht es, den Luftdruck hinter der flexiblen Membran zu verändern.
  • Die flexible Kupplung 25 ist mittels einer Rändelmutter 26 mit einer rotierenden Riemenscheibe 27 verbunden. Durch die Rändelmutter 26 können verschieden große Werkzeughalter angebracht werden. Die Riemenscheibe ist an den Kugellagern 28 gelagert und wird über einen Zahnriemen 29 von einer kleineren Riemenscheibe 30 aus angetrieben, die ihrerseits durch die flexible Welle 31 von einem unabhängig davon angebrachten Elektromotor (nicht gezeigt) angetrieben wird.
  • Der Riemenantrieb ist an einer Platte 32 angebracht, die ihrerseits über zwei Gelenke 34 an einer Zwischenbefestigungsplatte 33 angebracht ist. Die beiden Gelenke 34 sind jeweils mit einem Ende an der Platte 33 und mit dem anderen Ende an der Platte 32 angelenkt. Diese Gelenke schränken die Bewegung der Achse der Platte 32 und damit des Werkzeugs auf eine Hin- und Herbewegung in der Ebene der Zeichnung um einen virtuellen Schwenkpunkt P in der Nähe des Mittelpunktes des Werkzeugs ein. Diese mechanische Gelenkverbindung ist auch in der 3 gezeigt, die nur schematisch und nicht maßstäblich ist. Die in der orthogonalen Schnittansicht der 4 gezeigten zusätzlichen Gelenke 44 sind so angeordnet, daß sich eine ähnliche Bewegung in der orthogonalen Ebene ergibt, wobei die relative Bewegung des Werkzeugs auf eine Schwenkbewegung um den virtuellen Schwenkpunkt P beschränkt ist. Der Kippwinkel wird durch zwei doppeltwirkende Hydraulikzylinder 35 (es ist nur einer gezeigt) gesteuert, die mit Positionswandlern (nicht gezeigt) verbunden sind, so daß der Winkel des Werkzeugs unter Verwendung einer Positionsinformationenrückkopplung an eine Steuerschaltung genau eingestellt werden kann.
  • Die feste Hohlwelle 24 ist mit der Belastungsstange 36 verbunden, die sich relativ zu einem starren Gehäuse 45, das mit der Platte 32 verbunden ist, nur axial bewegen kann und von biegbaren Haltern 37 gehalten wird. Die von der Belastungsstange 36 auf die Welle 24 und damit das Werkzeug ausgeübte Axialkraft wird über die Kraftmeßzelle 39, die die Kraft mißt, durch ein Soleniod 38 festgelegt. Die tatsächlich auf das Werkzeug ausgeübte Kraft unterscheidet sich davon wegen der Federkonstanten der biegbaren Halter 37 und der Balg-Kupplung 25, die beide in der axialen Richtung wirken. Der Positionswandler 40, der in diesem Beispiel ein LVDT (linear variabler Differentialtransformer) ist, mißt die axiale Bewegung der Belastungsstange und erzeugt ein Signal, aus dem die axiale Federkraft bestimmt werden kann, um die Werte der Kraftmeßzelle zu korrigieren.
  • Die durch die Reibung am Werkstück erzeugte seitliche Kraft wird von Dehnungsmeßstreifen 41 gemessen, die an der Belastungsstange 36 angebracht sind, die lokal dünner ist, so daß sie sich in Reaktion auf dieser Kraft biegt.
  • Das flexible Rohr 42 ist mit einem zentralen Kanal in der Belastungsstange 36 verbunden und führt die Luft zum Unterdrucksetzen der flexiblen Membran 21 zu. Der Druck wird wie im folgenden beschrieben gesteuert, die Druckluft wird von einer herkömmlichen Pumpe (nicht gezeigt) geliefert. Es können jedoch auch andere Fluide einschließlich Flüssigkeiten verwendet werden.
  • Bei diesem zweiten Beispiel erfolgt die Veränderung der Kontaktfläche für das Polieren durch eine berechnete Kompression des weichen Werkzeugs unter der Steuerung eines Computers. Eine Auswirkung dieses beispielhaften Verfahrens ist, daß der Polierdruck für einen gegebenen Bereich von Kontaktflächen und Gesamtkräften in etwa konstant bleibt.
  • In der 2 ist das weiche Werkzeug eine Gummimembran, die mit Luft aufgeblasen werden kann. Sie hat für ein Werkstück von 250 mm Durchmesser einen Durchmesser von 50 mm und ist 2 mm dick. Sie kann zum Polieren von größeren oder kleineren Bereichen im Verhältnis zur Werkstückgröße auch größer oder kleiner sein. Die Membran wird computergesteuert unter Druck gesetzt oder vorübergehend oder dauerhaft abgedichtet, um sich auszubeulen. Der Luftdruck ist eine enge Annäherung an den erforderlichen Polierdruck. Die Aufwölbung des Werkzeugs ist an der Arbeitsseite mit einem Poliermaterial abgedeckt. Das Poliermaterial kann aus einem Tuch, Fell, weichem Polyurethanschaum oder einem Mosaik aus Polierpadsegmenten auf Tuch bestehen und auf der Membran festgeklebt sein. Durch das Material wird bei der Zugabe eines feinen abrasiven Mittels auf die normale Weise poliert. Das Werkzeug wird von der Maschine computergesteuert auf das Werkstück zu bewegt, bis der erste Kontakt erfolgt, und dann weiter, so daß die Aufwölbung zusammengedrückt wird und sich die Kontaktfläche erhöht. Diese Abfolge ist sehr schematisch in der 5 dargestellt. Dabei wird der aufgeblasene Raum zusammengedrückt. Wenn sich sein Volumen um weniger als 10 Prozent verringert, steigt der Luftdruck um weniger als 10 Prozent an. Der Polierdruck, der vom Luftdruck bestimmt wird, ist somit innerhalb 10 Prozent konstant. Wenn auf diese Weise die erforderliche Kontakt fläche erhalten wird, werden das Werkzeug und das Werkstück durch computergesteuerte Motoren so gedreht oder bewegt, wie es für das Polieren erforderlich ist.
  • Das Werkzeug kann auch in einem anderen Modus verwendet werden. In diesem Fall wird das Werkzeug unter Druck gesetzt oder teilweise evakuiert, so daß die Membran etwa den mittleren Krümmungsradius (konkav oder konvex) des Werkstücks aufweist. Der Luftdruck wird dann leicht geändert, um einen verteilten Druck auszuüben, der von der gesamten (oder einem Teil der) Oberfläche des Werkzeugs ausgeübt wird, das mit dem Werkstück in Kontakt steht. Ein erhöhter Luftdruck ergibt eine Druckverteilung, die zur Mitte des Werkzeugs hin zunimmt. Die tatsächliche Druckverteilung wird sowohl vom Luftdruck als auch der Spannung in der Gummimembran bestimmt. Durch die Wahl einer geeigneten radialen Änderung in der Dicke der Gummimembran kann eine Druckverteilung erhalten werden, die zum Rand der Kontaktfläche mit dem Werkstück hin auf Null abnimmt. Dies ist schematisch in der 6 gezeigt, die das Druckprofil über den Radius darstellt. Umgekehrt wird durch Erhöhen des Luftdrucks ein Effekt ähnlich wie bei einer Ring-Polierscheibe erhalten.
  • Die Maschine trägt das Werkzeug auf drei zueinander senkrechten motorisierten Schlitten. Die Position des Werkzeugs kann so computergesteuert relativ zum Werkstück wie beschrieben verändert werden. Außerdem wird durch den Solenoid-Aktuator 38 eine schnelle Änderung der Position und der Kraft erreicht. Fehler durch die Reibung werden durch die Biegehalter 37 anstelle von Gleitern im Werkzeug verringert.
  • Die Gesamtkraft (Druck mal Fläche), die auf das Werkstück ausgeübt wird, steigt mit zunehmender Kontaktfläche an. Diese Gesamtkraft wird durch eine Kraftmeßzelle ermittelt. Die ausgeübte Kraft, die von der Kraftmeßzelle gemessen wird, kann mit der Kraft verglichen werden, die sich aus der Position ergibt, um die Operation wie beschrieben zu überprüfen. Andere Kraftmeßzellen wie der Dehnungsmeßstreifen 41 geben die Polierkraft in der Richtung parallel zur Oberfläche des Werkstücks an.
  • Die Entfernungsrate für das Glas (der Abtrag) während des Polierens hängt von mehreren Faktoren einschließlich dem Druck, der Geschwindigkeit und der seitlichen Widerstandskraft des Werkzeugs ab. Die Kraftmeßzellen ermitteln Kraftwerte und geben sie an den Computer. Die Position des Werkzeugs wird von den erwähnten drei zueinander senkrechten motorisierten Schlitten bestimmt und durch die Position des Drehtisches für das Werkstück, dessen Drehposition auch übermittelt wird. Die Drehzahl eines rotierenden Werkzeugs (falls verwendet) wird aus dem Motorstrom ermittelt oder von einem Drehzahlmesser festgestellt. Der Computer kann daher das Werkzeug immer mit bekannten Geschwindigkeiten relativ zum Werkstück ansteuern.
  • Für ein bestimmtes Werkstück werden empirisch physikalische Gesetze festgelegt. Nach diesen physikalischen Gesetzen ist die Abtragungsrate proportional dem Produkt aus dem Druck, der Geschwindigkeit und der Polierzeit, oder dem Produkt aus der Widerstandskraft, der Geschwindigkeit und der Zeit. Die Proportionalitätskonstanten werden zu Beginn der Arbeit abgeschätzt. Dazu wird die Entfernungsrate für das Glas mittels eines herkömmlichen optischen Tests vor und nach einer bestimmten Arbeitszeit an einem Teil der Werkstückfläche gemessen. Wenn die physikalischen Gesetze unter den gegebenen Bedingungen bestimmt wurden, kann der Computer die momentane Abtragungsrate numerisch integrieren und daraus eine Konturkarte für die tatsächliche Glasentfernung während der Arbeit erstellen. Die ermittelte Konturkarte kann dazu verwendet werden, um eine gute Annäherung an das gewünschte Ergebnis zu erreichen. Die Proportionalitätskonstanten können in aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen immer wieder neu bestimmt werden.
  • Die über hohen Bereichen aufgewandte Zeit kann erhöht werden, um diese vorzugsweise abzutragen, wie es für rotierende Werkzeuge allgemein bekannt ist.
  • Unter Ausnutzung der vorliegenden Erfindung kann der Computerantrieb das Werkzeug über einem hohen Punkt des Werkstücks positionieren und die Kontaktfläche des Werkzeugs so einstellen, daß sie zu dem hohen Punkt paßt. Der hohe Punkt kann so durch Polieren abgetragen werden, ohne daß gleichzeitig umgebende Bereiche abgetragen werden. Ohne die vorliegende Erfindung erfolgt in Bereichen in der Nähe oder um die hohen Punkte eine fehlerhafte Abtragung, so daß die Oberfläche in diesen Bereichen zu niedrig werden kann. Zu niedrige Bereiche sind schwieriger zu beseitigen als der ursprüngliche hohe Punkt – da kein Glas hinzugefügt werden kann, führen zu niedrige Bereiche dazu, daß die gesamte übrige Oberfläche neu poliert werden muß.
  • Ein anderes Verfahren zum Messen der auf das Werkstück aufgebrachten Kraft ist die Verwendung von Kraftmeßzellen zum Halten des Werkstücks (statt des Werkzeugs). Das Werkstück befindet sich normalerweise auf einem herkömmlichen Drehtisch. Bei diesem Aufbau können die Kraftmeßzellen zwischen dem Drehtisch und dem Werkstück angeordnet werden. Sie können sich mit dem Werkstück drehen und dabei elektrisch über die axiale Rohrwelle, die das Werkstück antreibt, mittels Schleifringen und/oder durch eine optische Datenübertragung durch den freien Raum angeschlossen sein.
  • Für eine Maschine kann eine Vielzahl von Werkzeugen vorgesehen werden, die maximale Kontaktfläche für das Werkzeug beträgt normalerweise weniger als ein Viertel der Fläche der jeweils zu polierenden Oberfläche. Die Gummimembran kann so hergestellt werden, daß sie ohne Druck flach oder gekrümmt ist. Um ein Abnehmen des ausgeübten Drucks am Rand des aufgewölbten Kontaktbereichs zu erhalten, kann die Dicke der Gummimembran zunehmen. Auch kann die Gummimembran eine ungleichförmige Dicke haben.
  • Es ist möglich, das Werkzeug um seine Achse zu drehen. Dies erfolgt, wenn es zum Erhöhen der Poliergeschwindigkeit erforderlich ist.
  • Das zweite Beispiel umfaßt auch ein Verfahren zum Zuführen des Werkzeugs direkt auf das Werkstück unter dem gewünschten Angriffswinkel. Normalerweise verläuft dieser Winkel so, daß die Achse des Werkzeugs im zentralen Kontaktpunkt senkrecht zu der polierten Oberfläche verläuft. Es sind jedoch auch nicht senkrechte Achsen möglich. In diesem Fall erfolgt die Polierwirkung in der Nähe des Randes oder am Rand des Werkzeugs. Das Verfahren zum Steuern des Werkzeugwinkels wird als virtueller Schwenkpunkt beschrieben, wie es oben anhand der 2 bis 4 angegeben wurde. Es besteht aus angelenkten Platten oder Stäben, die so angeordnet und betätigt werden, daß das übrige Werkzeug in etwa um den Mittelpunkt der Werkzeug-Kontaktfläche gekippt wird. Der Vorteil dieses virtuellen Schwenkens ist, daß der Angriffswinkel verändert werden kann, ohne daß das Werkzeug über das Werkstück geschwenkt wird, wie es der Fall ist, wenn der Schwenkpunkt vom Werkzeug entfernt ist. Es gibt außerdem kaum eine oder keine Reaktion auf den Reibungswiderstand des Polierwerkzeugs gegen die Aktuatoren, die den Angriffswinkel verändern, wodurch die Kraftanforderungen für die Aktuatoren minimal sind.
  • Die Erfindung wurde zwar anhand von zwei grundlegenden Maschinen für das optische Polieren erläutert, es sind jedoch auch andere Ausführungsformen der Erfindung möglich, wie es in den folgenden Patentansprüchen definiert ist. Die Vorteile der virtuellen Aufhängung sind auf einen weiten Bereich von Systemen anwendbar, etwa Robotergelenken. Es können viele andere Arten zum Verändern der Kontaktfläche und des Druckprofils von Polierwerkzeugen angewendet werden, ohne auf die genannten hydraulischen, pneumatischen und federmechanischen Beispiele beschränkt zu sein.

Claims (24)

  1. Verfahren zum optischen Polieren der Oberfläche eines Werkstücks, wobei das Verfahren umfaßt: Positionieren eines Werkzeugs (22) mit einer flexiblen Arbeitsfläche (7, 21), die wesentlich kleiner ist als die Oberfläche des Werkstücks, relativ zur Oberfläche des Werkstücks derart, daß eine Kontaktfläche zwischen der flexiblen Arbeitsfläche und der Oberfläche des Werkstücks entsteht; dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug eine starre Halterung (22) umfaßt, die eine Fluidkammer bildet, und daß die flexible Arbeitsfläche (21) eine Membran umfaßt, die von der starren Halterung gehalten wird und die dem Druck in der Fluidkammer ausgesetzt ist, wobei das Verfahren umfaßt: Steuern der Position des Werkzeugs relativ zum Werkstück, um die Größe der Kontaktfläche zu steuern; und Steuern des Drucks in der Fluidkammer, um den über die Kontaktfläche auf die Oberfläche des Werkstücks ausgeübten Druck zu steuern.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der durch die flexible Arbeitsfläche auf die Oberfläche des Werkstücks ausgeübte Druck sich von einem Maximalwert in einem zentralen Bereich der Kontaktfläche auf Null an deren Umfang verringert.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der durch die flexible Arbeitsfläche auf die Oberfläche des Werkstücks ausgeübte Druck einen Spitzenwert hat und progressiv zum Umfang der Kontaktfläche absinkt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der durch die flexible Arbeitsfläche auf die Oberfläche des Werkstücks ausgeübte Druck in der Form einer abgeschnittenen Gauss-Verteilung mit einem Maximum im Mittelpunkt der Kontaktfläche verteilt ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend das Anwenden einer zentralen Kraft auf einen zentralen Abschnitt der flexiblen Arbeitsfläche, um eine zentrale Verstärkung des auf die Oberfläche des Werkstücks ausgeübten Drucks zu erhalten.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, umfassend das Anwenden von Kräften um den zentralen Abschnitt herum in einem Bereich der flexiblen Arbeitsfläche, der einen Querabstand zum zentralen Abschnitt aufweist, um die zentrale Verstärkung des auf die Oberfläche des Werkstücks ausgeübten Drucks zu erhalten.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Membran (21) so ausgewählt ist, daß sie eine Dicke aufweist, die sich über ihre Fläche verändert, um die verlangte Druckverteilung zu erhalten.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend das Rotieren des Werkzeugs um eine Achse, um eine rotierende Poliertätigkeit zu erhalten.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend das Steuern des Angriffswinkels des Werkzeugs gegen die Oberfläche des Werkstücks mittels eines Hauptaktuators (35) sowie das Steuern der Position des Werkzeugs mittels dreier weiterer Aktuatoren.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Werkzeug (22) durch eine Gelenkverbindung (34, 44) in einem Gehäuse (35) gehalten wird und der Werkzeugangriffswinkel so gesteuert wird, daß das Werkzeug um einen virtuellen Schwenkpunkt (P) auf der Oberfläche des Werkstücks geschwenkt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend das Bestimmen des über das Werkstück zurückzulegenden Weges, das Bestimmen der Kontaktfläche und des über die Kontaktfläche an Positionen in dem Weg anzuwendenden Drucks, um das gewünschte Polieren zu erreichen, und das Bewegen des Werkzeugs entlang des Weges während des Steuerns des Drucks und der Kontaktfläche gemäß der Bestimmung.
  12. Herstellungsverfahren für eine optische Komponente, umfassend das optische Polieren einer Oberfläche der optischen Komponente mittels des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  13. Herstellungsverfahren für einen Spiegel, umfassend das optische Polieren der Oberfläche des Spiegels mittels des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
  14. Optische Poliervorrichtung zum optischen Polieren einer Werkstückoberfläche mit einer vorgegebenen Maximalfläche, umfassend eine Halterung zum Halten des Werkstücks mit der Werkstückoberfläche von vorgegebener Maximalgröße; ein Werkzeug, das eine flexible Arbeitsfläche (7, 21) mit einer Fläche umfaßt, die wesentlich kleiner ist als die vorgegebene Maximalfläche; eine Aktuatoreinrichtung (38) zum Bewegen des Werkzeugs (22) relativ zur Oberfläche des Werkstücks, um eine Kontaktfläche zwischen der flexiblen Arbeitsfläche (7, 21) und der Oberfläche des Werkstücks auszubilden, wobei der Werkzeugkopf (22) in einem Abstand zur Oberfläche angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug umfaßt: eine starre Halterung (22), die eine Fluidkammer bildet, wobei die flexible Arbeitsfläche eine von der starren Halterung (22) gehaltene Membran (21) umfaßt; und wobei die Poliervorrichtung umfaßt: eine Steuereinrichtung zum Steuern der Aktuatoreinrichtung (38), um die Position des Werkzeugs relativ zum Werkstück und damit die Größe der Kontaktfläche zu steuern; und eine Steuereinrichtung zum Steuern des Drucks in der Fluidkammer, um den auf die Oberfläche des Werkstücks über die Kontaktfläche ausgeübten Druck zu steuern.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Werkzeug über die flexible Arbeitsfläche (7, 21) eine Druckverteilung auf der Oberfläche des Werkstücks erzeugt, bei der der Druck von einem Maximalwert in einem zentralen Bereich der Kontaktfläche auf Null an deren Umfang abnimmt.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Werkzeug über die flexible Arbeitsfläche (1, 21) eine Druckverteilung auf der Oberfläche des Werkstücks erzeugt, bei der der Druck einen Spitzenwert aufweist und progressiv zum Umfang der Kontaktfläche hin absinkt.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Werkzeug über die flexible Arbeitsfläche eine Druckverteilung auf der Oberfläche des Werkstücks erzeugt, die die Form einer abgeschnittenen Gauss-Verteilung mit einem Maximum im Mittelpunkt der Kontaktfläche hat.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei das Werkzeug einen zentralen Aktuator (1) zum Aufbringen einer zentralen Kraft auf einen zentralen Abschnitt der flexiblen Arbeitsfläche (7) umfaßt, um eine zentrale Verstärkung des auf die Oberfläche des Werkstücks ausgeübten Drucks zu erhalten.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei das Werkzeug mindestens einen weiteren Aktuator (2) zum Aufbringen von Kräften um den zentralen Abschnitt herum in einem Bereich der flexiblen Arbeitsfläche (7) umfaßt, der einen Querabstand zum zentralen Abschnitt aufweist, um die zentrale Verstärkung des auf die Oberfläche des Werkstücks ausgeübten Drucks zu erhalten.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Membran (21) so ausgewählt ist, daß sie eine Dicke aufweist, die sich über ihre Fläche verändert, um die verlangte Druckverteilung zu erhalten.
  21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, umfassend eine Einrichtung (11, 30, 27, 25) zum Rotieren des Werkzeugs um eine Achse, um eine rotierende Poliertätigkeit zu erhalten.
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, umfassend eine Angriffswinkel-Aktuatoreinrichtung (35), die gesteuert werden kann, um den Angriffswinkel des Werkzeugs gegen die Oberfläche des Werkstücks zu steuern, und zwei weitere Aktuatoreinrichtungen, die gesteuert werden können, um die Position des Werkzeugs in einer zur Betriebsrichtung der Aktuatoreinrichtung senkrechten Ebene zu steuern.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei das Werkzeug (45) durch eine Gelenkverbindung (34, 44) in einem Gehäuse (33) gehalten wird, um dem Werkzeug das Schwenken um einen virtuellen Schwenkpunkt (P) auf der Oberfläche des Werkstücks zu ermöglichen.
  24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 23, wobei die Steuereinrichtung; den über das Werkstück zurückzulegenden Weg, die Kontaktfläche und den über die Kontaktfläche an Positionen in dem Weg ausgeübten Druck bestimmt, um das gewünschte Polieren zu erreichen, und die Bewegung des Werkzeugs entlang des Pfads während der dynamischen Steuerung des Drucks und der Kontaktfläche gemäß der Bestimmung steuert.
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