专利名称：一种用于加工自由曲面隐形眼镜片的装置及其控制方法
技术领域：
本发明属于机械加工技术范围，特别涉及一种用于加工自由曲面隐形眼镜片的装置及其控制方法。
背景技术：
随着科学技术的发展，各种机床设备的需求量越来越多，对机床设备精度要求越来越高。靠传统的手工或半自动的操作方法无法满足当今科学技术的发展的需求，普通机床设备的主轴主要靠轴承机械支撑，机械摩擦磨损相当严重，随着加工时间增长，主轴旋转的平稳性变差，零部件的精密加工精度很难达到要求；特别是在隐形眼镜片车削加工，隐形眼镜片是自由曲面，隐形眼镜片薄而软，进刀量稍微大一点，隐形眼镜片就会破裂，若要恰到好处，则车削自由曲面隐形眼镜片的控制装置尤其重要，必须全自动控制，才能满足隐形眼镜片自由曲面加工要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于加工自由曲面隐形眼镜片的装置及其控制方法，包括在机身支架上固定的具有高刚性、减震和隔振功能的花岗岩平台，在花岗岩平台的安装表面上固定X向运动组件、Z向慢刀组件和Z向快刀组件，在X向运动组件上和Z向快刀组件上安装的气浮主轴，在Z向慢刀组件旁边安装的工件探测器，在机身支架上安装的空气处理装置、触摸控制显示屏、电器控制柜和数控装置，组成了具有高精度、高频响的位置加工、高效车削自由曲面的隐形眼镜片车床。所述X向运动组件包含有由X向导轨和X向溜板组成的导向装置、以直线电机作为伺服驱动的动力装置、由光栅尺和光栅尺读数头及气浮主轴内编码器组成的位置反馈元件及防尘、防撞部件。位置反馈元件将工件主轴的角位移和先位移信息实时地反馈给数控装置(计算机终端)，数控装置(计算机终端)对工件在X向运动进行自动监控。所述Z向慢刀组件结构与X向运动组件类似，包含有由Z向导轨和Z向溜板组成导向装置、以直线电机作为伺服驱动的动力装置、由光栅尺和光栅尺读数头组成的位置反馈元件、刀架刀具调整机构及防尘、防撞部件。所述刀架刀具调整机构安装在Z向溜板上，安装在所述花岗石平台上，用于实现刀具定位、工件的粗加工及简单面型的精加工。所述工件探测器主要用于探测工件的初始厚度及其初始位置信息，实现工件的初始化定位。所述Z向快刀组件包含有高推重比的音圈电机、低摩擦导向导轨、气浮主轴、由光栅尺和光栅尺读数头组成的位置反馈元件、刀架刀具调整机构及防尘、防撞部件。Z向快刀刀架刀具固定在气浮主轴前端，通过具有高精度、高频响的位置反馈功能的光栅尺和编码器提供高精度、高频响的位置加工，用于实现高精度高频响应的面型加工，尤其是自由曲面的加工。一种加工自由曲面隐形眼镜片的控制方法，其特征在于，具体步骤如下:
I)制备隐形眼镜片毛坯件；2)在X向运动组件的气浮主轴前端，将制备的隐形眼镜片毛坯件由夹具固定，采用Z向慢刀粗加工成简单型面；3)数控装置调整控制Z向慢刀运动的参数及刀架刀具进刀量调整，对简单型面进行精加工；4)采用综合调整X向运动组件运动的参数、Z向慢刀运动的参数及Z向快刀运动的参数，在数字显示屏显示自由曲面模型，数控装置根据各反馈元件实时反馈溜板所在的位置信息、主轴转动角度信息，控制Z向快刀，实现对隐形眼镜片的自由曲面进行全自动车削加工。所述数控装置的控制方式为终端计算机经过软件运算后的结果直接输入到上述各组件内的伺服控制器中，然后再由伺服控制器将控制指令做进一步的处理转变为动力输出模拟量给各组件内的伺服电机，进而使伺服电机做相应的运动；其中，由于实际环境和模拟条件不一致，必然产生运动误差，这时与伺服电机有直接连接的位置反馈元件将运动实际位置实时的反馈给伺服控制器，伺服控制器将信号分两路分别传给计算机终端和自带的比较器，通过比较后将修正后的动力模拟量传送给伺服电机；达到实时减小理论与实际的偏差，进而提高、保证所需精度等级；其中位置反馈元件为高精度的光栅尺及编码器。本发明的有益效果是采用花岗岩平台固定在支架上组成具有高刚性、减震和隔振功能的机身，配置有提供旋转扭矩的伺服电机以及提供角度的位置及反馈信息的旋转编码器的气浮主轴，气浮主轴的摩擦力极小，转动平稳；配备Z向慢刀和Z向快刀及其数字控制装置，特别是Z向快刀具有高推重比电机低摩擦导向导轨和高精度高频响的位置反馈元件，可以实现高精度高频响的加工位置及高效车削自由曲面加工的目的。
图1为隐形眼镜片车床立体示意图。。图2为隐形眼镜片车床的俯视3为控制装置的控制框图。图4为隐形眼镜片车加工示意图，图4中W-转动自由度，X、Z-平动自由度；1-粗刀，2-精刀，3-外圆刀。图中标号:1机身，2气浮主轴，3 X向运动组件，4 Z向慢刀组件，5 Z向快刀组件，6电器控制柜，7空气处理装置8触摸控制显示屏，9数控装置10花岗岩平台，11光栅尺读数头，12 X向溜板，13光栅尺，14直线电机线圈，15工件卡具，16 Z向慢刀座，17调整机构，18 Z向溜板，19 Z向导轨，20直线电机磁铁。
具体实施例方式本发明提供一种用于加工自由曲面隐形眼镜片的装置及其控制方法。鉴于隐形眼镜片的特点是质软而小，但是面型精度要求高。做成自由曲面的时候，一般的插补远远不能满足控制精度，这就造成控制的数据量很大。在控制上采用的方式为高通道的传输方式，又因为自由曲面的轨迹不是一般的方程所能描述的，这就对各个伺服控制器的及时反映能力提出了更高的要求。在做隐形眼镜片的自由曲面设计上采用的是圆柱坐标系系统，即一个回转轴C、一个矢径直线轴X和一个厚度(高度)直线轴Z组成。为设计加工方便，我们将想要的面形投影在这个圆柱坐标系中，并且让回转轴与矢径轴做简单的运动，而在厚度轴上做复杂的运动。下面结合附图予以说明。在图1、图2为隐形眼镜片车床结构示意图中，在机身I支架上固定具有高刚性、减震和隔振功能花岗岩平台 ο ； X向运动组件3、Z向慢刀组件4和Z向快刀组件5固定在花岗岩平台10上面，在X向运动组件3和Z向快刀组件5上均固定气浮主轴2，电器控制柜6安装在机身I后壁，空气处理装置7固定在床身I的左侧面，触摸控制显示屏8固定在左前边，位于空气处理装置7前上方，数控装置9固定在机身I前面的花岗岩平台10立面上，从而形成具有高精度、高频响的位置加工、高效车削自由曲面的隐形眼镜片车床。上述X向运动组件3由X向导轨19和X向溜板12组成导向装置、由直线电机线圈14和直线电机磁铁20组成的直线电机作为伺服电机，驱动X向溜板12在X向导轨19运动，安装在机身I上的光栅尺13、光栅尺读数头11及气浮主轴2内编码器作为反馈元件，将X向溜板12所在的位置信息、主轴转动角度信息实时反馈给数控装置9 (即图3中的计算机终端)，对隐形眼镜片(工件)在X向运动进行自动控制。所述Z向慢刀组件4结构与X向运动组件3类似，由Z向导轨和Z向溜板18组成导向装置，刀架刀座16及调整机构17安装在Z向溜板18上，安装在所述花岗岩平台10上，用于实现刀具定位、工件的粗加工及简单面型的精加工。所述Z向快刀组件5包含高推重比的音圈电机(即图3中的音圈电机)和安装在低摩擦导向导轨上的气浮主轴2，Z向快刀固定在气浮主轴2前端；由具有高精度、高频响的位置反馈功能的光栅尺和编码器提供高精度、高频响的位置加工信息，实施对隐形眼镜片的自由曲面车削加工，Z向快刀组件是高效车削自由曲面的必需部件。所述车削自由曲面隐形眼镜片的控制方法，具体步骤如下:
I)制备隐形眼镜片毛坯件；2)在X向运动组件的气浮主轴前端，将制备的隐形眼镜片毛坯件由夹具固定，采用Z向慢刀粗加工成简单型面；3)数控装置调整控制Z向慢刀运动的参数及刀架刀具进刀量，对简单型面进行精加工；4)采用综合调整X向运动组件运动的参数、Z向慢刀运动的参数及Z向快刀运动的参数，在数字显示屏显示自由曲面模型，工艺控制装置根据各反馈元件实时反馈溜板所在的位置信息、主轴转动角度信息，控制Z向快刀，实现对隐形眼镜片的自由曲面进行全自动车削加工。其控制方式为终端计算机经过软件运算后的结果直接输入到上述各组件内的伺服控制器中，然后再由伺服控制器将控制指令做进一步的处理转变为动力输出模拟量给各组件内的伺服电机，进而使伺服电机做相应的运动；其中，由于实际环境和模拟条件不一致，必然产生运动误差，这时与伺服电机有直接连接的位置反馈元件将运动实际位置实时的反馈给伺服控制器，伺服控制器将信号分两路分别传给计算机终端和自带的比较器，通过比较后将修正后的动力模拟量传送给伺服电机；达到实时减小理论与实际的偏差，进而使提高所需精度等级得到保证；其中位置反馈元件为光栅尺及编码器。实施例隐形眼镜片的加工流程主要包括切基弧和切前弧两种表面加工(如图4为隐形眼镜片车加工示意图)，一.切基弧即隐形眼镜片后表面加工步骤如下:1.机床校正；2.将隐形眼镜片(工件)夹持在X向运动组件上气浮主轴前端的夹具上，并手动旋转，检测工件端面圆跳动情况，保证在常规技术要求范围以内；3.工件探测传感器定位；4.在Z向慢刀组件中选用粗刀进行粗车面型(在伺服控制器控制下，工件绕轴向转动，X向移动，粗刀Z向随动进给)；5.在Z向慢刀组件中选用粗刀进行粗车外径(在伺服控制器控制下，工件绕轴向转动，X向移动，粗刀Z向进给)；6.在Z向慢刀组件中选用精刀进行精车面型(在伺服控制器控制下，工件绕轴向转动，X向移动，精刀Z向随动进给)；二.切前弧即隐形眼镜片前表面加工步骤如下:若加工镜片带散光，则:1.机床校正；2.将隐形眼镜片(工件)夹持在X向运动组件上气浮主轴前端的夹具上，并手动旋转，检测工件端面圆跳动情况，保证在常规技术要求范围以内；3.工件探测传感器定位；4.在Z向慢刀组件中选用粗刀进行切除大量的余料(在伺服控制器控制下，工件绕轴向转动，X向移动，粗刀Z向随动进给)；5.在Z向快刀组件中选用粗刀粗车面型(在伺服控制器控制下，粗刀Z向进给和X向保持不动，工件绕轴向转动);6.在Z向慢刀组件中选用外圆刀进行边缘倒角(外圆刀安装时相对于工件轴具有一定的角度，在伺服控制器控制下，夕卜圆刀Z向进给,工件绕轴向转动)；7.在Z向快刀组件中选用精刀进行精车面型(在伺服控制器控制下，精刀Z向进给和X向保持不动，工件绕轴向转动)。若加工镜片无散光，则:1.机床校正；2.将隐形眼镜片(工件)夹持在X向运动组件上气浮主轴前端的夹具上，并手动旋转，检测工件端面圆跳动情况，保证在常规技术要求范围以内；3.工件探测传感器定位；4.在Z向慢刀组件中选用粗刀进行切除大量的余料(在伺服控制器控制下，工件绕轴向转动，X向移动，粗刀Z向随动进给)；5.在Z向慢刀组件中选用粗刀进行粗车面型(在伺服控制器控制下，工件绕轴向转动，X向移动，粗刀Z向随动进给)；6.在Z向慢刀组件中选用粗刀进行粗车外径(在伺服控制器控制下，工件绕轴向转动，X向移动，粗刀Z向进给)；7.在Z向慢刀组件中选用精刀进行精车面型(在伺服控制器控制下，工件绕轴向转动，X向移动，精刀Z向随动进给)。
权利要求
1.一种用于加工自由曲面隐形眼镜片的装置，其特征在于，所述加工自由曲面隐形眼镜片的装置包括在机身支架上固定的具有高刚性、减震和隔振功能的花岗岩平台，在花岗石平台的安装表面上固定的X向运动组件、Z向慢刀组件和Z向快刀组件，在X向运动组件上和Z向快刀组件上安装的气浮主轴，在Z向慢刀组件旁边安装的工件探测传感器，在机身支架上安装的空气处理装置、触摸控制显示屏、电器控制柜和数控装置，形成具有高精度、高频响的位置加工、高效车削自由曲面的隐形眼镜片车床。
2.根据权利要求1所述用于加工自由曲面隐形眼镜片的装置，其特征在于，所述X向运动组件由X向导轨和X向溜板组成导向装置、以直线电机作为伺服驱动装置、光栅尺、光栅尺读数头及气浮主轴内编码器作为反馈元件将溜板所在的位置信息、主轴转动角度信息实时反馈给数控装置，实现对工件在X向运动的自动控制。
3.根据权利要求1所述用于加工自由曲面隐形眼镜片的装置，其特征在于，所述Z向慢刀组件结构与X向运动组件类似，包含有由Z向导轨和Z向溜板组成导向装置、以直线电机作为伺服驱动的动力装置、由光栅尺和光栅尺读数头组成的位置反馈元件、刀架刀具调整机构及防尘、防撞部件。所述刀架刀具调整机构安装在Z向溜板上，安装在所述花岗石平台上，用于实现刀具定位、工件的粗加工及简单面型的精加工，为Z向快刀组件的隐形眼镜片的自由曲面车削加工做准备。
4.根据权利要求1所述用于加工自由曲面隐形眼镜片的装置，其特征在于，所述Z向快刀组件包含有高推重比的音圈电机、低摩擦导向导轨、气浮主轴、由光栅尺和光栅尺读数头组成的位置反馈元件、刀架刀具调整机构及防尘、防撞部件。Z向快刀刀架刀具固定在气浮主轴前端，通过具有高精度、高频响的位置反馈功能的光栅尺和编码器提供高精度、高频响的位置加工，用于实现高精度高频响应的面型加工，尤其是自由曲面的加工。
5.一种加工自由曲面隐形眼镜片的控制方法，其特征在于，具体步骤如下: 1)制备隐形眼镜片毛坯件； 2)在X向运动组件的气浮主轴前端，将制备的隐形眼镜片毛坯件由夹具固定，采用Z向慢刀粗加工成简单型面； 3)数控装置调整控制Z向慢刀运动的参数及刀架刀具进刀量调整，对简单型面进行精加工； 4)采用综合调整X向运动组件运动的参数、Z向慢刀运动的参数及Z向快刀运动的参数，在数字显示屏显示自由曲面模型，工艺控制装置根据各反馈元件实时反馈溜板所在的位置信息、主轴转动角度信息，控制Z向快刀，实现对隐形眼镜片的自由曲面进行全自动车削加工。
6.根据权利要求5所述一种加工自由曲面隐形眼镜片的控制方法，其特征在于，所述数控控制装置的控制方式为终端计算机经过软件运算后的结果直接输入到上述各组件内的伺服控制器中，然后再由伺服控制器将控制指令做进一步的处理转变为动力输出模拟量给各组件内的伺服电机，进而使伺服电机做相应的运动；其中，由于实际环境和模拟条件不一致，必然产生运动误差，这时与伺服电机有直接连接的位置反馈元件将运动实际位置实时的反馈给伺服控制器，伺服控制器将信号分两路分别传给计算机终端和自带的比较器，通过比较后将修正后的动力模拟量传送给伺服电机；达到实时减小理论与实际的偏差，进而提高、保证所需精度等级；其中位置反馈元件为光栅尺及编码器。
全文摘要
本发明公开了属于机械加工技术范围的一种用于加工自由曲面隐形眼镜片的装置及其控制方法。包括在机身支架上固定的具有高刚性、减震和隔振功能的花岗岩平台, 在花岗岩平台的安装表面上固定X向运动组件、Z向慢刀组件和Z向快刀组件，在机身支架上触摸控制显示屏、电器控制柜和数控装置，由此形成具有高精度、高效车削自由曲面的隐形眼镜片车床。车削自由曲面隐形眼镜片的方法为，制备隐形眼镜片毛坯件；采用Z向慢刀粗加工成简单型面和简单型面进行精加工，数控装置根据各反馈元件实时反馈溜板所在的位置信息、主轴转动角度信息，控制Z向快刀对隐形眼镜片的自由曲面进行全自动车削加工；使高效车削自由曲面的高精度得到保证。
文档编号B23Q5/36GK103182522SQ20131006250
公开日2013年7月3日 申请日期2013年2月28日 优先权日2013年2月28日
发明者陈浩, 瞿佳, 刘红兵, 王勤美, 厉以宇, 李金明 申请人:温州医学院眼视光研究院