翘曲薄片的精密机加工的制作方法

专利名称：翘曲薄片的精密机加工的制作方法
技术领域：
本发明涉及精密机加工零件及其精密机加工的方法，特别涉及精密机加工的光学薄片。
主要由于对非常精确的机加工零件的需求量增加，精密的自动化机加工已成为一种范围广而内容多样的从事领域。机加工零件的尺寸公差与它们的预期寿命性能之间的关系在此工艺的发展过程中早已被认识到。加工成具有紧密公差的零件一般具有较好的性能，且发现它们寿命较长。为了满足精密零件的需要，已发展了以传感器与自动加工机控制器相结合为基础的机加工工艺。
美国专利4,954,022例举了一种较复杂的探测及控制系统。总的来说，由于自动机加工系统的复杂程度和受控制或监测的参数数目的增加，可以预料到其成本及停机时间也会增加。
在美国专利4,636,960中，在机加工前需进行测量工作以便确定准备机加工的表面的位置，在机加工后也需进行测量工作，以检查机加工后的表面的尺寸。
将探头位置信号与实际工具轴线位置之间相关联，这使加工机复杂得多，而且使其操作更加复杂，耗时又耗费。与机加工前后需要两组基准表面，TX、TY、TZ和基准孔，以及两套探测操作。由于需要知道工件相对于支承台和相对于工具的位置，加工机就更昂贵而复杂了。而且，机加工的准确性和可重复性需由工具移动机构及支承台移动机构的准确性及可重复性来决定。
在美国专利5,136,224中，用一单独的装置，比如一触针，在一表面上拾取数据，而使用速度数据则使系统变得复杂。所测量的表面对应于最后的已机加工表面，而不是对应于需要机加工的表面。
上述例子表明，新增加的精确性是以下列两点为代价的(1)增加了完成机加工操作的时间；以及(2)增加了用来对此表面制作模型并控制实际机加工步骤的设备的复杂程度。
当工件形状不规则或者当需从工件上除去的材料数量较小时，就会碰到精密机加工的困难。比如，采用嵌入式光学波导路径的光学薄片可以被机加工以产生用来固定光学纤维引线的表面，引线的端面抵靠着嵌入的路径。在一种人工的已有技术方法中，需要集中的劳动力且耗时的步骤来使纤维引线与嵌入的波导路径对准。首先，薄片被切割成几块小件以减少每一薄片小件内的平面度偏差。单个小件用蜡连接至准备机加工的平的基材上。当蜡变硬时，操作者人工调节薄片小件的位置，试图将小件置于一相对于工具运动的向下方向的水平面内。然后，通过将工具移动穿过薄片小件，同时保持工具的垂直位置，以对小件进行机加工。即使将薄片分成小件和将薄片小件相对于工具下面的一水平面对准时特别小心，机加工的结果有时仍不能令人满意。在图8中，光学图片36的端视图显示出，机加工线40与嵌入的波导路径38的位置之间的距离是变化的。
因此，需要一件精密加机加工方法，它成本较低，构思及操作较简单，且能接受更宽范围的工件尺寸和形状。更具体地，需要一种精密机加工系统，它无需预先知道表面形状，对工具和工件都无需精确的基准点或基准面。同时，一种自动考虑工具磨损的精确机加工的策略是一种合乎需要的对机加工方法的提高。
“切割”一词指一工具从一工件除去材料的动作或结果。“槽口”一词指一类切口，其中切口基本是直的，并且横截面的水平部分基本是平的。水平部分可以与一个或两个侧壁一齐形成或者如图6所示的平面16，或者如图6所示的角部20，或者如图6所示的槽道25。
本发明克服上述已有技术的缺陷，并且满足对成本低、构思及设计简单的精密机加工系统的需求。
更具体地，本发明满足对一种机加工方法的需求，此方法在用传感器/探测仪装置进行表面定位前不需要知道工件表面形状；其中，位置数据以工具的单个基准位置为基准，这样，就不需要对工件进行精确的保持夹紧；以及可利用工具作为探头来自动计入工具磨损。
本发明的一个方面是一机加工零件，具有一不均匀表面，它包括至少一个切入此表面的切口，其中，相对于表面的切口深度基本不变。切口宽度由工具尺寸及沿切口长度所完成的路径数目来决定。
本发明的一个实施例是一机加工的光学薄片，有一不均匀表面，包括一第一槽口和一第二槽口，所述槽口具有相对于表面的第一和第二恒定深度。第一槽口沿薄片的一个边缘机加工入薄片。第二槽口机加工入薄片并接近第一槽口，其深度小于第一槽口深度。这样，以此方法机加工的两个槽口构成了从薄片边缘以下降形式布置的两个台阶。这两个台阶可以用作一平台以将纤维光学引线连接到比如如Dohan等人的美国专利4,765,702中所揭示的薄片。图6是显示第一槽口20和第二槽口16的此实施例的侧视图。此实施例中的较佳深度D16约120微米，它可适合于裸露的光学纤维的目标半径以及适合于粘结剂层。
本发明的另一方面是机加工入一表面而形成一切口的方法，其中，此表面是不均匀的，相对于此表面的切口深度可控制至一日标值。此方法包括下列步骤a)相对于切割工具的基准位置将零件保持在位；
b)移动切割工具使之与零件的表面接触；c)探测工具与表面的接触位置；d)记录工具与表面的接触位置；e)从表面上缩回工具；f)将工具移至表面上的另一位置；g)在表面上多个位置重复步骤b)至f)；h)机加工出至少一个切入平面的切口，其中利用在记录步骤记录的位置由控制机构来控制和加工。
工具和工件表面间的接触位置相对于工具的基准或原始位置进行测量。在此方法的一个实施例中，记录的位置沿着一条线，这样，以所记录的位置获得的切口基本为一槽口。
在本发明的一较佳实施例中，用来探测工具与表面之间的接触的装置是一连接至零件支承装置的超声探测仪。接触产生了一个超声波，传递至探测仪。超声探测仪产生一信号，并被记录下来。用来记录接触信号的装置连接至机器控制装置，它包括根据所记录的接触位置拟合一条曲线的计算装置。在机加工一切口期间，控制装置控制着工具的运动，使之基本沿所拟合的曲线形成一切口。
设想本发明方法还有一个方面，其中，准备机加工的零件是一具有嵌入光路径的光学薄片。本发明这个方面包括下列步骤移动一探测器，以探测从嵌入薄片的光路径发射出的光，以及记录相对于切割工具基准位置的探测器位置。
由超声传感器探测的工具接触用来确定薄片的表面位置。光传感器用来确定相对于薄片表面的光路径的位置。这些信息可用来计算接触点的一拟合曲线，这条曲线补偿着光路径的嵌入深度的变化。


图1是具有拱形表面的光学薄片的端视图。一切割工具位于薄片上方。
图2显示了位于一支承装置上的光学薄片，一超声探测仪连接于此支承装置。一切割工具位于薄片上方。
图3是一方框图，显示了探测表面位置、记录此位置以及控制工具的步骤。
图4图示了工具在切割出一槽口时所走过的路径，此槽口相对于薄片表面有一预定深度。
图5是一流程图，显示了获取表面并对一个或多个槽口进行机加工的步骤。
图6是本发明一实施例的侧视图，其中，光学薄片内的机加工槽口构成了用来连接与薄片内光学路径对准的光学纤维引线的平台。
图7是具有翘曲表面的光学薄片的端视图；图8是拱形光学薄片的端视图，显示出在嵌入的光学路径与位于水平面内的机加工槽口之间的距离是变化的。
应当明白，附图是为了解释本发明并对其进行描述，但不一定需要用来显示全部发明或本发明零件的相对尺寸。
在制造一零件的过程中，依次进行一个或多个机加工步骤，常常零件在通过这类机械时由于成形步骤期间的热循环或不均匀负载而会发生变形。在制造过程中受到扭曲力的一例这种零件是一种玻璃薄片，它具有通过在薄片表层的离子交换而产生的光学波导路径。在某些制造步骤中，薄片体温度升至约300℃至400℃。由于“光学薄片”典型地由具有离子交换表层的基材组成，不同材料的不同膨胀系数使薄片在冷却至室温时会产生不均匀或翘曲。
另一种薄片制造方法是化学蒸镀，其中，通过在基材上光刻掩膜或蒸镀来形成多层薄片。在此方法中，由于存在诸如蒸镀或凝固步骤的高温步骤，也会产生不均匀的薄片。
图1是具有翘曲拱形表面4的光学薄片的端视图。图7显示具有嵌入光路径的更普遍的不均匀表面32。下面的讨论适合于其中任何一种形状。光学路径6嵌于薄片内，总的来说，它横穿过薄片。这些光学路径以一给定深度嵌入于薄片表面的下方，尽管在处理过程中嵌入的深度会有所变化。为了将光学薄片用于具有光学纤维组件的一光学回路，一光学纤维引线与薄片内的一光学路径对齐并且固定在位，以从薄片光学路径接收光。Dannoux等人的美国专利4,979,970描述了一种具有光学纤维引线的光学薄片。将光学路径出口与纤维端面相连接，则产生了困难的精密机加工问题，因为纤维本身是与端面/出口对准的状态固定至机加工表面的。
为了减少在端面/出口接合处的光损失，纤维核心区域必须相对于光学路径从薄片离开的出口基本对中。薄片光学路径和纤维核心区域的横向剖面尺寸在5至10微米的数量级。光学路径嵌入薄片的深度是5至10微米。光学路径在薄片内的嵌入深度的总的变化量可以是+/-3微米。引线的玻璃外径的公差是+/-1至2微米。另外，薄片的翘曲程度是，对于薄片尺寸为40至60毫米来说，可达40至50微米。
基于这些公差，纤维核心中央与薄片光路中心的偏差可达+/-5微米。此偏差可以通过改变将引线连接至薄片的粘结剂的厚度来减小。然而，粘结剂厚度有实际限制，这需要机加工步骤的公差为约+/-2微米。而且，基材与引线之间较薄的粘结层会减小端面/出口连接件对环境改变的灵敏性。而且，机加工必须考虑薄片的翘曲，以在纤维与薄片光学路径之间实现可接受的光连接。同时，保持紧密的机加工公差及补偿薄片的不均匀度有利于引线自动对准。从上面描述人工的已有技术中可以注意到，薄片在机加工前分成小件。保持薄片为一单件，这有利于自动操作。
图2显示了固定于支承件12上的具有翘曲的拱形表面10的薄片。将薄片保持在位的方法是常规的，因此图中未示。支承件位置相对于工具的基准位置而固定。图中，一旋转切割工具位于翘曲表面上方。一起声探测仪8连接于支承件12。超声操测仪，比如石英水晶，这是已有技术所已知的。这些探测仪已用来，比如，通过探测工具与工件之接触情况来改进加工器的使用。朝着工件的快速的工具进给速度在接触前采用，而在从探测仪接收到接触信号后，一控制机构在工具开始从工件切除材料时使工具进给速度降低。
图2左侧的箭头表示工具可以相对于薄片表面自由移动。当工具移动时，图3是所示的控制系统跟踪并记录工具的位置X、Y、Z。当工具移动到与薄片表面接触时，产生了一高频压缩波，即超声波，并被探测器8接收。比如，超声波可以从工件传递至支承件12并继续传递至探测器8。探测器8将超声波能量转换成电脉冲，电脉冲由如图3中的常规的记录装置记录接收。
图3的方框图显示了信息进入加工机控制系统的流程。探测仪8发送一表示工具与表面间已发生接触的信号。此信号由记录仪9接收并继续送至控制器11。控制器11储存此接触点并将其标上坐标Xi、Yi、Zi，相对于工具基准位置为Xo、Yo、Zo。对于线性切割，三个座标之一(比如选择Y座标)是保持恒定的。如图2所示，工具2缩回并移动至薄片表面上的新的一点，在那里发生第二次接触，且另一表面点在控制器11中记录并标上座标。连续的接触点被储存并标上座标，这样，控制器11能使一表面与接触点拟合。总的来说，当接触点数目增加时，拟合的表面更接近实际的薄片表面。
在表面拟合步骤终了时，开始机加工。控制器11向工具定位器15发生位置指令。一般来说，位置指令包括一起始位置、一终了位置和一深度。因此，可在薄片内形成相对于接触位置具有变化的预定深度的切口或槽口。由于接触位置或接触点表示零件的表面，切口的深度相对于此表面进行测量。通过增加或减少用来生成拟合表面所记录的接触点数目，来使相对于表面的切口深度的公差基本符合于任何特定公差。
在机加工期间，工具的位置保持在控制器11内。这样，控制器11可以将连续指令送至定位机，以使工具在表面进行整件的连续切割，其中，切口的第n+1段的起始点是基于切口的第n段的终了点的。
图4为本发明的一较佳实施例的端视图，其中，接触点沿着薄片表面上的一条线。表示实际薄片表面22的这条线在具有Z轴28和X轴26的Z、X座标系内画出。在Z、X座标系内显示出三个接触点23，其中，如上所述，座标Zi、Xi是根据工具的基准位置Zo、Xo作出的。曲线24表示拟合于接触点的曲线。图4中以30所示的目标深度送入图3的计算机11。然后，命令工具切出一深度为Dn的切口30，此切口30跟随着曲线24。如果曲线沿轴线28在沿轴线26的一个几毫米的距离上变化超过几微米，可以需要另外的接触点来实现在切口30的深度Dn相对于表面22的所需公差。本发明的一个实际结果是，曲线22和24之间的距离30沿横轴X轴线26基本保持恒定。与已有技术不同，只需要一个预定基准点，即图2所示工具2的基准点，和一个基准表面，即工件或薄片表面的基准表面。如果薄片表面22在整个横轴X轴上只变化几微米，则只需要更少的接触点来适应Dn的目标公差。
图5的流程图由虚线表示自动精密机加工循环的主要步骤。这些步骤是获取表面、加工具有如图4所示的深度30的切口、标示工具机加工出另一切口。获取表面的步骤已如上所述。在图5中，此获取步骤示出为一循环，进行N次，从而在表面上获取N点。循环的数目N可以编程。较大的N值用来获取更接近实际表面形状的拟合曲线。换句话说，拟合的精确度可设定成程序。
通过指令工具移至由Yj、Xi表示的表面位置而开始机加工步骤，其中Y和X表示位于一与工具向下运动线路垂直的平面内的轴线。参照接触点Zi、Xi在零件内切出一切口，切到座标为Zi-Dj、Xi的点。即，工具切入零件到深度Dj。然后，工具沿着一连接着点Zi-Dj，Xi和Zi+1-Dj，Xi+1的拟合曲线进行切割。在本发明的一实施例中，在Zi-Dj，Xi和Zi+1-Dj，Xi+1之间拟合的曲线是一条直线。工具沿着在接触点之间的拟合曲线继续切割，直到切口连接着N个接触点。最后结果是在零件表面内产生一切口，沿整个切口长度的切口深度基本等于相对于表面的一预定值。在另一实施例中，相对于基准表面的切口深度可以控制成沿切口长度上的不同点的不同目标值。
采用在表面上的不同起始点，不同的目标深度、不同组的接触点或同一组接触点N，切割循环可以重复j次。以此方式，可以自动切入薄片而形成所需数目的具有不同目标深度的槽口。如上所述，唯一所需的预定参数是工具的基准位置。
图6是根据本发明方法精密机加工的本发明机加工薄片的一个实施例的端视图。槽口25被机加工而穿过薄片的波导光路径，从而产生了光路径的出口，具有基本相等的波型场直径。槽口25也同用作粘结剂的溢流槽。通过完成提供具有总宽度23的槽口所需的相邻路径的数目，将槽口20机加工成具有相对于表面14的深度D20。通过完成靠近槽口20的最后路径的一第一路径以及完成到达槽口宽度17所需的相邻路径的数目，将槽口16机加工成具有相对于表面14的深度D16。在此实施例中，槽口20构成了用于纤维引线的涂覆部22的支承件。槽口16构成了用于纤维裸露部的支承件。图中显示出引线与薄片光路径12的对准结果。
具有约10，1×16的光学连接件的一光学薄片(即在薄片一边缘约有160波导路径结束)由上述的离子交换技术来制备。薄片尺寸拱形表面偏离平的基准表面的距离约60微米。
参见图6，例中薄片的53mm尺寸位于图纸平面内，而75mm尺寸与图纸平面垂直。通过沿与75mm尺寸平行的一条线上实现五个工具与表面的接触点，从而获得表面14。这些接触点由一Movo-matic，Gap Control，C Meseltron SA，Division Mouomatic，Av.Beauregard 18，CH-2035，Corcetles，瑞士)超声探测仪来探测，相对于工具基准位置的接触点位置如上所述进行记录和储存。一Siemens 810 M控制器(Siemens，Postfach 4848，D-8500，Narn-berg，德国)用来储存这些接触点并计算这五个接触点的线性拟合。
用一Meyer Bueger，TS 42精密切片及研磨碎机(Meyer+Bn-rger AG Maschinenfabrik，CH-3613 Steffisburg，瑞士)来进行槽口的机加工。对槽口25进行机加工而使得光导路径端部暴露并提供一用于过量粘结剂的槽。槽口16加工到一目标深度122微米。偏离目标的典型值为+/-2微米，最大偏离约5微米。槽口的尺寸17是3毫米。槽口20机加工成深度为210微米，其公差与槽口16类似。尺寸23为2毫米。
利用上述的发明方法，在一连续操作中，在薄片内机加工出六个槽口。机加工出槽口25、16及20，在与图6所示边缘相反的边缘，在薄片内机加工出另一组相对应的三个槽口。如图6所示，并如在Dannoux的美国专利4,979,970详细描述的那样，将光学波导纤维引线粘结到薄片上的位置。1×16的连接件的平均插入损失测量值约14分贝。
本发明是光学薄片的大量引线生产和自动引线连接的有效技术。用精密机加工的槽口使纤维引线端面与相对应的薄片光路径靠近并对准，从而消除了在纤维引线粘结过程中的粗糙对准步骤。同时，可以在将薄片分成单个小件之前将纤维引线连接至整个薄片的光路径。这种方法在时间和费用上的节省在EPO公开号0,544,024中有全面描述。
相对于上述已有技术的人工的机加工方法，本发明方法可将操作者的准备时间减少到九分之一。机加工时间减少二分之一。而且，切口深度的标准偏差减小二分之一。
本发明方法的一些优点是只需要一个基准点，即工具的基准位置；所有机加工相对于所获取的表面受到控制，从而不需要精确的保持装置；由于机器和控制系统简单，与已有技术的方法和装置相比，大量降低了成本；拟合的精确度可以偏程，以及切口的数目和切口的目标形状可以偏程。
在机加工一具有嵌入的光学路径的光学薄片时，还有一个本发明的机加工特征。通过修整获取表面的步骤，可以实现对光学路径的嵌入深度的变化的补偿。修整方法包括使光穿过嵌入的光学路径而传播，用一可移动式探测仪探测从光学路径出口射出的光，可以测量路径出口相对于基准面的位置。嵌入的光学路径相对于基准面的位置和接触点数据一起输入计算机。在计算拟合表面时，对计算机进行偏程，以考虑相对光学路径的位置，从而补偿嵌入的光学路径的深度变化。
权利要求
1.一种机加工零件，具有一表面，其中至少一部分所述表面是不均匀的，其特征在于，至少有一具有一宽度、一长度和一深度的切口切入所述表面，其中，至少在预定点，相对于所述表面的所述深度沿所述长度基本不变。
2.一种构成一光学薄片的机加工零件，具有一表面，且在所述表面下的一深度处嵌入有一波导路径，其中至少一部分所述表面是不均匀的，其特征在于，至少有一具有一宽度、一长度和一深度的切口切入所述表面，其中所述切口深度与由所述切口产生的所述波导出口处的所述波导的嵌入深度之间的关系是基本不变的。
3.如权利要求1或2所述的零件，其特征在于，它有至少两个所述切口，所述切口是槽口，包括机加工入所述薄片所述表面的一第一和一第二槽口。
4.如权利要求3所述的零件，其特征在于，所述第一和第二槽口相邻，从而构成一组合槽口，具有一第一和第二深度和一宽度，此宽度是所述第一和第二槽口的所述宽度之和。
5.如权利要求4所述的零件，其特征在于，所述第一深度大于所述第二深度，所述第一槽口机加工入所述零件的一个边缘，从而所述组合槽构成了沿所述边缘延伸的上升的台阶。
6.如权利要求2所述的光学薄片，其特征在于，所述切口是一槽口，所述槽口深度与所述嵌入深度之间的所述固定关系约为120微米。
7.一种机加工零件表面的方法，其中，切口切入所述表面的深度相对于所述表面是不变的，至少一部分所述表面是不均匀的，其特征在于，包括以下步骤a)将所述零件相对于一切割工具有基准位置固定定位；b)移动所述切割工具以使之与所述零件的所述表面相接触；c)探测所述工具与所述表面之间的接触；c)记录所述工具与所述表面的所述接触的位置；d)从与所述表面相接触的状态缩回所述工具；f)移动所述工具至一位于所述表面上的位置，所述位置与所述接触位置不同；g)在所述表面上的多个位置重复步骤b)至f)，以及h)机加工所述表面，所述机加工由使用所述记录步骤所记录的位置的控制装置来控制。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述记录步骤包括将所述接触位置与所述工具的所述基准位置作相关，以及/或利用计算装置根据所述记录的位置拟合出一条曲线。
9.如权利要求7报述的方法，其特征在于，所述的多个位置沿着所述表面上的一条线。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，相对于与所述基准位置的所述接触位置储存于所述控制装置内。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述控制步骤包括用来探测超声的装置，它可与用来固定地定位所述机加工零件的装置相连。
12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述切口是一槽口，还包括将所述至少一个槽口的目标深度输入所述控制装置的步骤，所述目标深度相对于所述表面来测量。
13.如权利要求7-12中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述零件是一具有光路径的光学薄片，所述方法还包括下列步骤移动一探测仪，以探测来自所述光路径的光；记录相对于所述切割工具的所述基准位置的所述探测器位置。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤根据步骤g的所述多个位置计算出所述薄片表面的一条拟合曲线；切入所述薄片表面以形成一切口，它具有一深度，所述切口横向于所述薄片表面，所述深度相对于所述薄片表面是均匀的。
全文摘要
一种精密机加工的方法，至少加工出一个切入一具有不均匀表面的零件的切口，其中，切口相对于不均匀表面的深度基本不变。本发明一个方面是一具有两个相邻槽口的机加工光学薄片，槽口用作纤维光引线的平台，槽口机加工入薄片边缘。本发明另一方面是在光学薄片上自动机加工出多个槽口的方法。由于光学薄片有嵌入的光路径，从这些光路径测得的光可用来补偿光路径嵌入深度的变化。
文档编号G05B19/401GK1111768SQ9411671
公开日1995年11月15日 申请日期1994年9月28日 优先权日1993年9月28日
发明者帕特里克·简·比尔里·赫夫 申请人:康宁股份有限公司