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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
US-Patent 5 157 878 (1992) beschreibt ein Polierwerkzeug mit einem
laufenden Band, das gegen das Werkstück gedrückt wird.
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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.
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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.
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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.
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Die
US-A-4 958 463 beschreibt die Merkmale im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 bzw. 14.
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Die
vorliegende Erfindung ist in den Hauptansprüchen 1 und 14 definiert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Erfindungsgemäß ist die
Vorrichtung zum lokalen optischen Polieren derart ausgestattet,
daß der Krümmungsradius
der Polierfläche
einstellbar ist.
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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.
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Bei
der beschriebenen Vorrichtung zum lokalen optischen Polieren werden
vorzugsweise alle Parameter während
des Polierens dynamisch kontrolliert.
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Der
Durchmesser des Werkzeugs ist in der Regel kleiner als 25 Prozent
des Durchmessers des Werkstücks.
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Die
von dem Werkzeug aufgebrachte Druckverteilung kann achsensymmetrisch
sein.
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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.
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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.
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Das
Werkstück
kann auf einem Drehtisch angeordnet sein, der sich kontinuierlich
dreht.
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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.
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Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft einige Ausführungsformen
anhand der Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen:
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1A einen
schematischen axialen Schnitt durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Läppwerkzeuges;
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1B eine
Aufsicht auf eine Feder, die quer in dem Werkzeug der 1A angeordnet
ist;
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1C eine
Aufsicht auf einen Satz von ringförmigen Druckringen in dem Werkzeug
der 1A;
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2 einen
axialen Schnitt durch ein Läppwerkzeug
gemäß einer
weiteren Ausführungsform der
Erfindung;
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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;
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4 einen
schematischen Querschnitt längs
der Linie A-A in der 3;
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5 einen
schematischen Querschnitt, der der Ansicht der 2 entspricht
und der den Arbeitsbereich des Werkzeugs in verschiedenen Konfigurationen
zeigt; und
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6 graphisch
das Druckprofil der flexiblen Arbeitsfläche des Werkzeugs der 5 im
Gebrauch als Funktion des Abstands von der Mitte des Werkzeugs.
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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.
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Die
Polierpads sind an einer dünnen
Membran (6) aus Edelstahl befestigt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die über hohen
Bereichen aufgewandte Zeit kann erhöht werden, um diese vorzugsweise
abzutragen, wie es für
rotierende Werkzeuge allgemein bekannt ist.
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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.
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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.
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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.
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Es
ist möglich,
das Werkzeug um seine Achse zu drehen. Dies erfolgt, wenn es zum
Erhöhen
der Poliergeschwindigkeit erforderlich ist.
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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.
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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.