專利名稱：一種用于加工自由曲面隱形眼鏡片的裝置及其控制方法
技術領域：
本發明屬于機械加工技術范圍，特別涉及一種用于加工自由曲面隱形眼鏡片的裝置及其控制方法。
背景技術：
隨著科學技術的發展，各種機床設備的需求量越來越多，對機床設備精度要求越來越高。靠傳統的手工或半自動的操作方法無法滿足當今科學技術的發展的需求，普通機床設備的主軸主要靠軸承機械支撐，機械摩擦磨損相當嚴重，隨著加工時間增長，主軸旋轉的平穩性變差，零部件的精密加工精度很難達到要求；特別是在隱形眼鏡片車削加工，隱形眼鏡片是自由曲面，隱形眼鏡片薄而軟，進刀量稍微大一點，隱形眼鏡片就會破裂，若要恰到好處，則車削自由曲面隱形眼鏡片的控制裝置尤其重要，必須全自動控制，才能滿足隱形眼鏡片自由曲面加工要求。
發明內容
本發明的目的是提供一種用于加工自由曲面隱形眼鏡片的裝置及其控制方法，包括在機身支架上固定的具有高剛性、減震和隔振功能的花崗巖平臺，在花崗巖平臺的安裝表面上固定X向運動組件、Z向慢刀組件和Z向快刀組件，在X向運動組件上和Z向快刀組件上安裝的氣浮主軸，在Z向慢刀組件旁邊安裝的工件探測器，在機身支架上安裝的空氣處理裝置、觸摸控制顯示屏、電器控制柜和數控裝置，組成了具有高精度、高頻響的位置加工、高效車削自由曲面的隱形眼鏡片車床。所述X向運動組件包含有由X向導軌和X向溜板組成的導向裝置、以直線電機作為伺服驅動的動力裝置、由光柵尺和光柵尺讀數頭及氣浮主軸內編碼器組成的位置反饋元件及防塵、防撞部件。位置反饋元件將工件主軸的角位移和先位移信息實時地反饋給數控裝置(計算機終端)，數控裝置(計算機終端)對工件在X向運動進行自動監控。所述Z向慢刀組件結構與X向運動組件類似，包含有由Z向導軌和Z向溜板組成導向裝置、以直線電機作為伺服驅動的動力裝置、由光柵尺和光柵尺讀數頭組成的位置反饋元件、刀架刀具調整機構及防塵、防撞部件。所述刀架刀具調整機構安裝在Z向溜板上，安裝在所述花崗石平臺上，用于實現刀具定位、工件的粗加工及簡單面型的精加工。所述工件探測器主要用于探測工件的初始厚度及其初始位置信息，實現工件的初始化定位。所述Z向快刀組件包含有高推重比的音圈電機、低摩擦導向導軌、氣浮主軸、由光柵尺和光柵尺讀數頭組成的位置反饋元件、刀架刀具調整機構及防塵、防撞部件。Z向快刀刀架刀具固定在氣浮主軸前端，通過具有高精度、高頻響的位置反饋功能的光柵尺和編碼器提供高精度、高頻響的位置加工，用于實現高精度高頻響應的面型加工，尤其是自由曲面的加工。一種加工自由曲面隱形眼鏡片的控制方法，其特征在于，具體步驟如下:
I)制備隱形眼鏡片毛坯件；2)在X向運動組件的氣浮主軸前端，將制備的隱形眼鏡片毛坯件由夾具固定，采用Z向慢刀粗加工成簡單型面；3)數控裝置調整控制Z向慢刀運動的參數及刀架刀具進刀量調整，對簡單型面進行精加工；4)采用綜合調整X向運動組件運動的參數、Z向慢刀運動的參數及Z向快刀運動的參數，在數字顯示屏顯示自由曲面模型，數控裝置根據各反饋元件實時反饋溜板所在的位置信息、主軸轉動角度信息，控制Z向快刀，實現對隱形眼鏡片的自由曲面進行全自動車削加工。所述數控裝置的控制方式為終端計算機經過軟件運算后的結果直接輸入到上述各組件內的伺服控制器中，然后再由伺服控制器將控制指令做進一步的處理轉變為動力輸出模擬量給各組件內的伺服電機，進而使伺服電機做相應的運動；其中，由于實際環境和模擬條件不一致，必然產生運動誤差，這時與伺服電機有直接連接的位置反饋元件將運動實際位置實時的反饋給伺服控制器，伺服控制器將信號分兩路分別傳給計算機終端和自帶的比較器，通過比較后將修正后的動力模擬量傳送給伺服電機；達到實時減小理論與實際的偏差，進而提高、保證所需精度等級；其中位置反饋元件為高精度的光柵尺及編碼器。本發明的有益效果是采用花崗巖平臺固定在支架上組成具有高剛性、減震和隔振功能的機身，配置有提供旋轉扭矩的伺服電機以及提供角度的位置及反饋信息的旋轉編碼器的氣浮主軸，氣浮主軸的摩擦力極小，轉動平穩；配備Z向慢刀和Z向快刀及其數字控制裝置，特別是Z向快刀具有高推重比電機低摩擦導向導軌和高精度高頻響的位置反饋元件，可以實現高精度高頻響的加工位置及高效車削自由曲面加工的目的。
圖1為隱形眼鏡片車床立體示意圖。。圖2為隱形眼鏡片車床的俯視3為控制裝置的控制框圖。圖4為隱形眼鏡片車加工示意圖，圖4中W-轉動自由度，X、Z-平動自由度；1-粗刀，2-精刀，3-外圓刀。圖中標號:1機身，2氣浮主軸，3 X向運動組件，4 Z向慢刀組件，5 Z向快刀組件，6電器控制柜，7空氣處理裝置8觸摸控制顯示屏，9數控裝置10花崗巖平臺，11光柵尺讀數頭，12 X向溜板，13光柵尺，14直線電機線圈，15工件卡具，16 Z向慢刀座，17調整機構，18 Z向溜板，19 Z向導軌，20直線電機磁鐵。
具體實施例方式本發明提供一種用于加工自由曲面隱形眼鏡片的裝置及其控制方法。鑒于隱形眼鏡片的特點是質軟而小，但是面型精度要求高。做成自由曲面的時候，一般的插補遠遠不能滿足控制精度，這就造成控制的數據量很大。在控制上采用的方式為高通道的傳輸方式，又因為自由曲面的軌跡不是一般的方程所能描述的，這就對各個伺服控制器的及時反映能力提出了更高的要求。在做隱形眼鏡片的自由曲面設計上采用的是圓柱坐標系系統，即一個回轉軸C、一個矢徑直線軸X和一個厚度(高度)直線軸Z組成。為設計加工方便，我們將想要的面形投影在這個圓柱坐標系中，并且讓回轉軸與矢徑軸做簡單的運動，而在厚度軸上做復雜的運動。下面結合附圖予以說明。在圖1、圖2為隱形眼鏡片車床結構示意圖中，在機身I支架上固定具有高剛性、減震和隔振功能花崗巖平臺 ο ； X向運動組件3、Z向慢刀組件4和Z向快刀組件5固定在花崗巖平臺10上面，在X向運動組件3和Z向快刀組件5上均固定氣浮主軸2，電器控制柜6安裝在機身I后壁，空氣處理裝置7固定在床身I的左側面，觸摸控制顯示屏8固定在左前邊，位于空氣處理裝置7前上方，數控裝置9固定在機身I前面的花崗巖平臺10立面上，從而形成具有高精度、高頻響的位置加工、高效車削自由曲面的隱形眼鏡片車床。上述X向運動組件3由X向導軌19和X向溜板12組成導向裝置、由直線電機線圈14和直線電機磁鐵20組成的直線電機作為伺服電機，驅動X向溜板12在X向導軌19運動，安裝在機身I上的光柵尺13、光柵尺讀數頭11及氣浮主軸2內編碼器作為反饋元件，將X向溜板12所在的位置信息、主軸轉動角度信息實時反饋給數控裝置9 (即圖3中的計算機終端)，對隱形眼鏡片(工件)在X向運動進行自動控制。所述Z向慢刀組件4結構與X向運動組件3類似，由Z向導軌和Z向溜板18組成導向裝置，刀架刀座16及調整機構17安裝在Z向溜板18上，安裝在所述花崗巖平臺10上，用于實現刀具定位、工件的粗加工及簡單面型的精加工。所述Z向快刀組件5包含高推重比的音圈電機(即圖3中的音圈電機)和安裝在低摩擦導向導軌上的氣浮主軸2，Z向快刀固定在氣浮主軸2前端；由具有高精度、高頻響的位置反饋功能的光柵尺和編碼器提供高精度、高頻響的位置加工信息，實施對隱形眼鏡片的自由曲面車削加工，Z向快刀組件是高效車削自由曲面的必需部件。所述車削自由曲面隱形眼鏡片的控制方法，具體步驟如下:
I)制備隱形眼鏡片毛坯件；2)在X向運動組件的氣浮主軸前端，將制備的隱形眼鏡片毛坯件由夾具固定，采用Z向慢刀粗加工成簡單型面；3)數控裝置調整控制Z向慢刀運動的參數及刀架刀具進刀量，對簡單型面進行精加工；4)采用綜合調整X向運動組件運動的參數、Z向慢刀運動的參數及Z向快刀運動的參數，在數字顯示屏顯示自由曲面模型，工藝控制裝置根據各反饋元件實時反饋溜板所在的位置信息、主軸轉動角度信息，控制Z向快刀，實現對隱形眼鏡片的自由曲面進行全自動車削加工。其控制方式為終端計算機經過軟件運算后的結果直接輸入到上述各組件內的伺服控制器中，然后再由伺服控制器將控制指令做進一步的處理轉變為動力輸出模擬量給各組件內的伺服電機，進而使伺服電機做相應的運動；其中，由于實際環境和模擬條件不一致，必然產生運動誤差，這時與伺服電機有直接連接的位置反饋元件將運動實際位置實時的反饋給伺服控制器，伺服控制器將信號分兩路分別傳給計算機終端和自帶的比較器，通過比較后將修正后的動力模擬量傳送給伺服電機；達到實時減小理論與實際的偏差，進而使提高所需精度等級得到保證；其中位置反饋元件為光柵尺及編碼器。實施例隱形眼鏡片的加工流程主要包括切基弧和切前弧兩種表面加工(如圖4為隱形眼鏡片車加工示意圖)，一.切基弧即隱形眼鏡片后表面加工步驟如下:1.機床校正；2.將隱形眼鏡片(工件)夾持在X向運動組件上氣浮主軸前端的夾具上，并手動旋轉，檢測工件端面圓跳動情況，保證在常規技術要求范圍以內；3.工件探測傳感器定位；4.在Z向慢刀組件中選用粗刀進行粗車面型(在伺服控制器控制下，工件繞軸向轉動，X向移動，粗刀Z向隨動進給)；5.在Z向慢刀組件中選用粗刀進行粗車外徑(在伺服控制器控制下，工件繞軸向轉動，X向移動，粗刀Z向進給)；6.在Z向慢刀組件中選用精刀進行精車面型(在伺服控制器控制下，工件繞軸向轉動，X向移動，精刀Z向隨動進給)；二.切前弧即隱形眼鏡片前表面加工步驟如下:若加工鏡片帶散光，則:1.機床校正；2.將隱形眼鏡片(工件)夾持在X向運動組件上氣浮主軸前端的夾具上，并手動旋轉，檢測工件端面圓跳動情況，保證在常規技術要求范圍以內；3.工件探測傳感器定位；4.在Z向慢刀組件中選用粗刀進行切除大量的余料(在伺服控制器控制下，工件繞軸向轉動，X向移動，粗刀Z向隨動進給)；5.在Z向快刀組件中選用粗刀粗車面型(在伺服控制器控制下，粗刀Z向進給和X向保持不動，工件繞軸向轉動);6.在Z向慢刀組件中選用外圓刀進行邊緣倒角(外圓刀安裝時相對于工件軸具有一定的角度，在伺服控制器控制下，夕卜圓刀Z向進給,工件繞軸向轉動)；7.在Z向快刀組件中選用精刀進行精車面型(在伺服控制器控制下，精刀Z向進給和X向保持不動，工件繞軸向轉動)。若加工鏡片無散光，則:1.機床校正；2.將隱形眼鏡片(工件)夾持在X向運動組件上氣浮主軸前端的夾具上，并手動旋轉，檢測工件端面圓跳動情況，保證在常規技術要求范圍以內；3.工件探測傳感器定位；4.在Z向慢刀組件中選用粗刀進行切除大量的余料(在伺服控制器控制下，工件繞軸向轉動，X向移動，粗刀Z向隨動進給)；5.在Z向慢刀組件中選用粗刀進行粗車面型(在伺服控制器控制下，工件繞軸向轉動，X向移動，粗刀Z向隨動進給)；6.在Z向慢刀組件中選用粗刀進行粗車外徑(在伺服控制器控制下，工件繞軸向轉動，X向移動，粗刀Z向進給)；7.在Z向慢刀組件中選用精刀進行精車面型(在伺服控制器控制下，工件繞軸向轉動，X向移動，精刀Z向隨動進給)。
權利要求
1.一種用于加工自由曲面隱形眼鏡片的裝置，其特征在于，所述加工自由曲面隱形眼鏡片的裝置包括在機身支架上固定的具有高剛性、減震和隔振功能的花崗巖平臺，在花崗石平臺的安裝表面上固定的X向運動組件、Z向慢刀組件和Z向快刀組件，在X向運動組件上和Z向快刀組件上安裝的氣浮主軸，在Z向慢刀組件旁邊安裝的工件探測傳感器，在機身支架上安裝的空氣處理裝置、觸摸控制顯示屏、電器控制柜和數控裝置，形成具有高精度、高頻響的位置加工、高效車削自由曲面的隱形眼鏡片車床。
2.根據權利要求1所述用于加工自由曲面隱形眼鏡片的裝置，其特征在于，所述X向運動組件由X向導軌和X向溜板組成導向裝置、以直線電機作為伺服驅動裝置、光柵尺、光柵尺讀數頭及氣浮主軸內編碼器作為反饋元件將溜板所在的位置信息、主軸轉動角度信息實時反饋給數控裝置，實現對工件在X向運動的自動控制。
3.根據權利要求1所述用于加工自由曲面隱形眼鏡片的裝置，其特征在于，所述Z向慢刀組件結構與X向運動組件類似，包含有由Z向導軌和Z向溜板組成導向裝置、以直線電機作為伺服驅動的動力裝置、由光柵尺和光柵尺讀數頭組成的位置反饋元件、刀架刀具調整機構及防塵、防撞部件。所述刀架刀具調整機構安裝在Z向溜板上，安裝在所述花崗石平臺上，用于實現刀具定位、工件的粗加工及簡單面型的精加工，為Z向快刀組件的隱形眼鏡片的自由曲面車削加工做準備。
4.根據權利要求1所述用于加工自由曲面隱形眼鏡片的裝置，其特征在于，所述Z向快刀組件包含有高推重比的音圈電機、低摩擦導向導軌、氣浮主軸、由光柵尺和光柵尺讀數頭組成的位置反饋元件、刀架刀具調整機構及防塵、防撞部件。Z向快刀刀架刀具固定在氣浮主軸前端，通過具有高精度、高頻響的位置反饋功能的光柵尺和編碼器提供高精度、高頻響的位置加工，用于實現高精度高頻響應的面型加工，尤其是自由曲面的加工。
5.一種加工自由曲面隱形眼鏡片的控制方法，其特征在于，具體步驟如下: 1)制備隱形眼鏡片毛坯件； 2)在X向運動組件的氣浮主軸前端，將制備的隱形眼鏡片毛坯件由夾具固定，采用Z向慢刀粗加工成簡單型面； 3)數控裝置調整控制Z向慢刀運動的參數及刀架刀具進刀量調整，對簡單型面進行精加工； 4)采用綜合調整X向運動組件運動的參數、Z向慢刀運動的參數及Z向快刀運動的參數，在數字顯示屏顯示自由曲面模型，工藝控制裝置根據各反饋元件實時反饋溜板所在的位置信息、主軸轉動角度信息，控制Z向快刀，實現對隱形眼鏡片的自由曲面進行全自動車削加工。
6.根據權利要求5所述一種加工自由曲面隱形眼鏡片的控制方法，其特征在于，所述數控控制裝置的控制方式為終端計算機經過軟件運算后的結果直接輸入到上述各組件內的伺服控制器中，然后再由伺服控制器將控制指令做進一步的處理轉變為動力輸出模擬量給各組件內的伺服電機，進而使伺服電機做相應的運動；其中，由于實際環境和模擬條件不一致，必然產生運動誤差，這時與伺服電機有直接連接的位置反饋元件將運動實際位置實時的反饋給伺服控制器，伺服控制器將信號分兩路分別傳給計算機終端和自帶的比較器，通過比較后將修正后的動力模擬量傳送給伺服電機；達到實時減小理論與實際的偏差，進而提高、保證所需精度等級；其中位置反饋元件為光柵尺及編碼器。
全文摘要
本發明公開了屬于機械加工技術范圍的一種用于加工自由曲面隱形眼鏡片的裝置及其控制方法。包括在機身支架上固定的具有高剛性、減震和隔振功能的花崗巖平臺, 在花崗巖平臺的安裝表面上固定X向運動組件、Z向慢刀組件和Z向快刀組件，在機身支架上觸摸控制顯示屏、電器控制柜和數控裝置，由此形成具有高精度、高效車削自由曲面的隱形眼鏡片車床。車削自由曲面隱形眼鏡片的方法為，制備隱形眼鏡片毛坯件；采用Z向慢刀粗加工成簡單型面和簡單型面進行精加工，數控裝置根據各反饋元件實時反饋溜板所在的位置信息、主軸轉動角度信息，控制Z向快刀對隱形眼鏡片的自由曲面進行全自動車削加工；使高效車削自由曲面的高精度得到保證。
文檔編號B23Q5/36GK103182522SQ20131006250
公開日2013年7月3日 申請日期2013年2月28日 優先權日2013年2月28日
發明者陳浩, 瞿佳, 劉紅兵, 王勤美, 厲以宇, 李金明 申請人:溫州醫學院眼視光研究院