Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02655636 2008-12-17
WO 2007/147958 PCT/FR2007/000982
1
Procédé et machine d'usinage pour objet optique
L'invention concerne le domaine de la fabrication des objets optiques,
tels que, par exemple, des lentilles ophtalmiques, des moules, ou des inserts.
L'invention concerne plus particulièrement un procédé d'usinage d'une
face d'un tel objet optique.
L'usinage des objets optiques nécessite généralement une attention
particulière quant à la précision et à la régularité des formes usinées.
Notamment,
les défauts d'usinage liés à l'usure de l'outil employé pour cet usinage
doivent être
évités.
Dans ces conditions, des machines complexes, coûteuses et
nécessitant un étalonnage délicat sont généralement employées dans ce
domaine.
Par exemple, le document US 5,231,587 décrit une machine d'usinage
pour lentilles comportant un outil sphérique monté tournant autour de son axe
longitudinal, appelé premier axe, cet outil étant de plus orientale
angulairement
par son pivotement autour d'un deuxième axe perpendiculaire au premier axe. Un
porte-pièce, destiné à supporter la lentille, est agencé de manière similaire
et
permet une rotation de la lentille autour d'un troisième axe, coplanaire au
premier
axe, et permet l'orientation angulaire de la lentille par son pivotement
autour d'un
quatrième axe perpendiculaire au troisième axe.
On connaît par ailleurs du document JP 2005 22 49 27 une méthode
d'usinage au cours de laquelle un outil d'usinage est positionné par rapport à
une
pièce à usiner de telle sorte que le vecteur reliant un point d'usinage et le
centre
de l'outil forment avec le vecteur normal à la surface à usiner audit point
d'usinage
un angle constant durant toute la procédure d'usinage.
Le but de l'invention est d'améliorer les procédés et dispositifs
d'usinage dont la précision est adaptée à l'usinage des objets optiques.
A cet effet, l'invention vise un procédé d'usinage d'une face d'un objet
optique, comportant une étape de fourniture d'une machine d'usinage qui
comporte elle-même :
CA 02655636 2008-12-17
WO 2007/147958 PCT/FR2007/000982
2
- un plateau pour le montage d'un objet à usiner, ce plateau, qui
comporte une surface de réception, étant orientable angulairement autour d'un
axe transversal à la surface de réception ;
- une broche adaptée à entraîner un outil d'usinage en rotation
autour d'un axe sensiblement parallèle à la surface de réception du plateau et
adaptée à déplacer cet outil d'usinage en translation dans un plan
sensiblement
parallèle ou perpendiculaire à la surface de réception du plateau ;
ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes
suivantes :
a) fixation d'un support sur le plateau de sorte que ce support saille
transversalement au plateau ;
b) fixation sur le support de l'objet optique à usiner de sorte que ladite
face à usiner soit disposée transversalement à la surface de réception du
plateau ;
c) usinage de ladite face par l'outil d'usinage selon une trajectoire
sensiblement parallèle à la surface de réception du plateau, le plateau étant
angulairement orienté au fur et à mesure de l'usinage de sorte que l'outil
d'usinage soit au contact de ladite face toujours selon un même parallèle
prédéterminé et qu'un angle prédéterminé soit maintenu entre l'axe de rotation
de
l'outil d'usinage et la normale à ladite face au point de contact avec l'outil
d'usinage.
Un tel procédé permet de s'affranchir des défauts de type écart de
forme de l'outil d'usinage. Il garantit au final un meilleur respect de la
surface
usinée et une meilleure durabilité de l'outil d'usinage.
Le procédé s'affranchit des défauts de l'outil d'usinage en assurant que
le point de contact entre cet outil et la face à usiner soit toujours situé
sur un
même parallèle de l'outil, et ce sur une machine disposant d'un plateau
tournant et
d'un outil d'usinage mobile en translation.
Ce procédé permet en outre une trajectoire de l'outil d'usinage qui
implique, d'une part, des niveaux. d'accélération moindres et qui est, d'autre
part,
dépourvu de problèmes d'inversion de trajectoire. Les axes de la machine
d'usinage n'ont ainsi pas besoin d'être surdimensionnés et l'usure des outils
est
plus régulière.
CA 02655636 2008-12-17
WO 2007/147958 PCT/FR2007/000982
3
Par exemple, par rapport à une trajectoire d'usinage classique en
spirale, ces avantages liés aux niveaux d'accélération et aux problèmes
d'inversion sont complétés par le fait que, suivant les trajectoires
cartésiennes
permises par l'invention, il n'y a pas de point singulier au centre de la
lentille, là
où, suivant une trajectoire en spirale, la vitesse d'avance est nulle au
centre. De
plus, la machine d'usinage selon l'invention permet de n'usiner que la portion
nécessaire de la lentille.
Selon des caractéristiques préférées, prises seules ou en combinaison
- le procédé comporte en outre les étapes suivantes, après l'étape
c):
= déplacement de l'outil d'usinage en translation selon une
direction sensiblement perpendiculaire à la surface de réception du plateau ;
= répétition éventuelle de l'étape c) ;
- le procédé d'usinage comporte en outre l'étape suivante, avant
l'étape c) :
= usinage de ladite face par l'outil d'usinage selon une trajectoire
sensiblement perpendiculaire à la surface de réception du plateau, le plateau
étant
angulairement orienté au fur et à mesure de l'usinage de sorte que l'outil
d'usinage soit au contact de ladite face toujours selon un même parallèle
prédéterminé et qu'un angle prédéterminé soit maintenu entre l'axe de rotation
de
l'outil d'usinage et la normale à ladite face au point de contact avec l'outil
d'usinage ;
- le procédé d'usinage comporte en outre, avant l'étape c), une étape
de relevé du contour dynamique de l'outil d'usinage ;
- le relevé du contour dynamique de l'outil d'usinage est effectué en
entraînant l'outil d'usinage en vis-à-vis de moyens pour relever un profil ;
- l'étape de relevé du contour dynamique de l'outil d'usinage est
suivie d'une étape de sélection d'un parallèle prédéterminé ;
- ledit parallèle prédéterminé est sélectionné parmi les plans
perpendiculaires à l'axe de rotation de l'outil d'usinage et qui coupent le
contour
dynamique de l'outil d'usinage ;
- l'étape de sélection d'un parallèle prédéterminé est suivie par une
étape de détermination du centre dynamique de l'outil d'usinage ;
CA 02655636 2008-12-17
WO 2007/147958 PCT/FR2007/000982
4
- l'étape de détermination du centre dynamique est effectuée en
déterminant l'intersection entre la normale au contour dynamique de l'outil
d'usinage à l'un des points d'intersection entre le parallèle prédéterminé et
le
contour de l'outil d'usinage, et l'axe de rotation de l'outil d'usinage ;
- l'étape c) est réalisée en orientant angulairement le plateau au fur
et à mesure de l'usinage de sorte que la normale à ladite face à usiner au
point de
contact entre l'outil d'usinage et ladite face, passe par le centre dynamique
de
l'outil d'usinage ;
- la distance entre le point de contact et le centre dynamique est
sensiblement égale au rayon dynamique de l'outil d'usinage ;
- le procédé d'usinage comporte en outre l'étape suivante :
= usinage de ladite face par l'outil d'usinage selon une trajectoire
parallèle à la surface de réception du plateau et dans le sens inverse de
celui de
l'étape c), l'outil d'usinage tournant dans le même sens.
Selon un autre objet, l'invention vise une machine d'usinage adaptée à
la mise en oruvre du procédé indiqué précédemment, caractérisée en ce qu'elle
comporte un plateau tournant comportant une surface de réception ainsi qu'une
broche adaptée à entraîner un outil d'usinage en rotation autour d'un axe
sensiblement parallèle à la surface de réception du plateau tournant et
adaptée à
déplacer cet outil d'usinage en translation dans un plan sensiblement
parallèle à la
surface de réception du plateau, ainsi qu'un support fixé sur le plateau de
sorte
que ce support saille transversalement au plateau, ce support comportant des
moyens de maintien de l'objet optique de sorte que la face à usiner de l'objet
optique soit disposée transversalement à la surface de réception du plateau
tournant.
Selon des caractéristiques préférées, prises seules ou en combinaison
- la broche est de plus adaptée à déplacer l'outil d'usinage en
translation selon une direction sensiblement perpendiculaire à la surface de
réception du plateau ;
- la machine comporte en outre des moyens d'entraînement en
rotation de l'outil d'usinage disposés en vis-à-vis de moyens pour relever un
contour.
CA 02655636 2008-12-17
WO 2007/147958 PCT/FR2007/000982
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaissent à la
lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préféré donné
à
titre d'exemple non limitatif, description faite en référence aux dessins
annexés
dans lesquels :
5 - la figure 1 est une vue schématique des organes opératoires d'une
machine d'usinage selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue de la face à usiner d'un objet optique sur
laquelle est schématiquement représentée la trajectoire de l'outil d'usinage ;
- la figure 3 est une vue en trois dimensions illustrant la coopération
entre l'objet optique et l'outil d'usinage ;
- les figures 4 et 5 sont des vues schématiques illustrant le principe
théorique de l'usinage selon un même parallèle prédéterminé ;
- les figures 6 et 7 sont des vues schématiques illustrant la mise en
oeuvre du principe illustré aux figures 3 et 4 par la machine de la figure 1;
- la figure 8A est une vue en trois dimensions similaire à la figure 3
illustrant sous la forme d'une flèche la normale au point de contact de la
surface à
usiner ;
- les figures 8B et 8C sont des vues en deux dimensions,
respectivement de dessus et de face, de la figure 8A ;
- les figures 9A, 9B et 9C sont respectivement similaires aux figures
8A, 8B et 8C mais pour un autre point de contact entre l'objet optique et
l'outil
d'usinage.
Sur la vue schématique de la figure 1, la machine d'usinage
représentée comporte un plateau tournant 1(vu de profil sur cette figure) de
forme
circulaire. Ce plateau 1 est orientable angulairement autour d'un axe
perpendiculaire à son centre dans les deux sens (flèche 2 de la figure 1).
Le plateau tournant 1 présente une surface de réception 3 sur sa partie
supérieure.
Une équerre 4 est fixée, par exemple par vissage, sur la surface de
réception 3 de sorte qu'une surface de montage 5 de l'équerre 4 saille
perpendiculairement à la surface de réception 3.
L'équerre 4 comporte des mors (non représentés) adaptés à maintenir
un objet optique, qui est dans le préserit exemple une lentille ophtalmique 6,
de
CA 02655636 2008-12-17
WO 2007/147958 PCT/FR2007/000982
6
telle manière qu'une surface à usiner 7 de la lentille ophtalmique 6 soit
disposée
transversalement à la surface de réception 3.
Cette machine d'usinage comporte également une broche 8 sur
laquelle est monté un outil d'usinage 9, qui est dans le présent exemple une
fraise
à portée sphérique. La broche 8 est adaptée à entraîner l'outil 9 en rotation
selon
la flèche 10 et à déplacer cet outil 9 en translation selon les trois
directions X, Y et
Z pour permettre à l'outil 9 d'usiner toute la surface 7 de la lentille
ophtalmique 6.
La broche 8 est ici parallèle à l'axe Z.
Selon une variante, la broche 8 est inclinée par rapport à l'axe Z.
En variante également, le déplacement de l'outil 9 selon les trois
directions X, Y et Z peut être réalisé par l'intermédiaire d'une broche 8 fixe
et d'un
plateau tournant 1 qui est lui-même mobile en translation selon les directions
X, Y
et Z.
D'une manière générale, on peut admettre en variante toute
combinaison de déplacements de l'outil 9 et du plateau tournant 1 permettant
un
tel mouvement relatif de l'outil 9 et du plateau tournant 1.
La surface à usiner 7, qui est vue en plan sur la figure 2, est ici usinée
selon une trajectoire cannelée représentée schématiquement par la ligne 11.
Ainsi, l'usinage est réalisé sous la forme d'une suite de passes de l'outil 9
entraîné
en rotation et déplacé suivant une trajectoire parallèle à la surface de
réception 3.
Sur cette figure 2, la surface à usiner apparaît de face comme un
disque, étant entendu que la lentille 6 est courbe et que cette surface à
usiner 7
n'est donc pas plane.
L'usinage de la surface 7 d'une lentille ophtalmique 6 selon le montage
de la figure 1 se déroule de manière indiquée ci-après.
La position angulaire relative de la surface 7 par rapport à l'outil 9 se
fait selon un même parallèle prédéterminé. La figure 3 illustre en trois
dimensions
le positionnement relatif outil-pièce selon un même parallèle P de l'outil 9.
Le principe de l'usinage selon un même parallèle P prédéterminé de
l'outil 9 est illustré de manière théorique en deux dimensions aux figures 4
et 5.
Avant d'être monté sur la broche 8, l'outil 9 est monté sur un
équipement permettant de déterminer son profil dynamique. Cet équipement est
adapté.à mettre en rotation l'outil 9. Le profil dynamique de l'outil est
relevé, par
CA 02655636 2008-12-17
WO 2007/147958 PCT/FR2007/000982
7
exemple en plaçant l'outil 9 entre un faisceau lumineux parallèle et un écran
de
manière que l'ombre de l'outil 9 projetée sur l'écran rende compte de ce
profil
dynamique 12, ou encore en filmant l'outil 9 en rotation et en affichant cette
image
sur un écran.
L'équipement de mesure de profil dynamique permet également de
travailler sur cette image, manuellement ou électroniquement, et d'effectuer
des
mesures et des tracés sur ce profil dynamique 12.
Pour une meilleure précision, surtout dans le cas où l'outil 9 est un outil
de finition, on peut rectifier et équilibrer cet outil directement sur la
broche, puis
mesurer son profil dynamique.
On choisit ensuite un parallèle P sur ce profil dynamique qui apparaît
sur les figures sous la forme d'un segment perpendiculaire à l'axe de rotation
13
de l'outil 9 autour duquel le profil dynamique 12 est symétrique.
Ce parallèle P est déterminé par l'intersection d'un plan perpendiculaire
à l'axe de rotation 13 de l'outil 9 et le profil dynamique 12 de l'outil 9.
On détermine ensuite sur le profil 12 la tangente 14 au contour du profil
dynamique au point d'intersection entre l'une des extrémités du parallèle P et
le
contour du profil 12.
La perpendiculaire 15 à la tangente 14 au point C coupe l'axe de
rotation 13 en un point RD qui est le rayon dynamique de l'outil 9. Cette
perpendiculaire 15 est donc la normale au profil dynamique 12 au point C.
L'usinage est ensuite réalisé de sorte que, d'une part, l'outil 9 soit en
contact avec la surface à usiner toujours au point C, c'est-à-dire, l'outil
étant rotatif,
selon toujours le même parallèle P et que, d'autre part, l'orientation
angulaire
relative entre l'outil et la surface à usiner soit telle que la normale N à la
surface à
usiner au point de contact C passe par le point' RD, c'est-à-dire qu'elle soit
confondue avec la perpendiculaire 15.
La figure 5 montre deux positions possibles de l'outil 9 le long d'une
surface à usiner 7 respectant les principes ci-dessus.
Sur la machine de la figure 1, ces principes sont appliqués
conformément aux figures 6 et 7 qui sont des vues de dessus par rapport à la
représentation de la figure 1.
CA 02655636 2008-12-17
WO 2007/147958 PCT/FR2007/000982
8
Lorsque l'outil 9 est approché pour venir au contact de la surface 7,
comme sur la figure 6, le plateau tournant 1 est angulairement orienté de
manière
que la surface 7 vienne se placer conformément à cette figure 6, c'est-à-dire
de
manière que la normale N à la surface 7 au point de contact C passe par le
centre
RD, ce qui implique que l'angle A est toujours conservé entre cette normale N
et
l'axe de rotation 13 de l'outil 9.
On effectue un usinage de type ponctuel. C'est-à-dire que l'on utilise
toujours le même lieu sur la génératrice sphérique de la meule. L'ensemble des
points de contact meule/pièce formera donc un cercle contenu dans un plan
orthogonal à l'axe de l'outil. La position de ce plan par rapport au centre de
meule
est définie par l'angle A.
L'outil 9 est ensuite déplacé selon une trajectoire parallèle à la surface
de réception 3 du plateau tournant 1, c'est-à-dire dans le plan X, Z.
La figure 7 montre une autre position de l'outil 9 après déplacement. Le
plateau tournant 1 a été orienté angulairement, de même que précédemment,
pour que la normale N2 au point C2 passe par le point Rp. Cette orientation
angulaire du plateau tournant 1 se fait au fur et à mesure du parcours de
l'outil 9
sur la surface à usiner 7. Une fois ce parcours réalisé d'une extrémité
latérale de
la lentille ophtalmique à l'autre, l'outil 9 est déplacé en translation
perpendiculairement à la surface de réception 3, c'est-à-dire selon l'axe Y,
conformément à la figure 2, puis une nouvelle passe dans le plan X, Z est
réalisée
de la même manière. Ces opérations sont répétées jusqu'à l'usinage complet de
la surface 7.
On impose donc que la normale au contact doit être confondue avec la
normale de l'outil. Ce qui signifie que, l'outil étant ici quasi sphérique, la
normale à
la pièce doit passer par le centre de la meule.
Exemple d'une configuration d'usinage
On connaît le point d'usinage C(X, Y, Z) pi,Ce ainsi que sa normale
Np (U,V,W)pïèce dans le repère pièce.
On recherche le point centre meule RD (X m,Ym ,Zm )piéce ainsi que sa
direction IRp(Um,Vm,W,n)pièce dans le repère pièce.
Calcul de l'angle B
CA 02655636 2008-12-17
WO 2007/147958 PCT/FR2007/000982
9
On définit le repère meule ( X tneule ~Y teule ~ Zmeule )t un repère
orthonormé
d'origine le centre de la meule, et colinéaire à la direction de la meule.
On recherche la valeur de la rotation autour de l'axe Y à appliquer pour
qu'au point C, la normale à la surface passe par la génératrice du cône de
sommet de centre de meule et d'angle 2- A. Soit B cet angle.
La normale au point C exprimée dans le repère pièce est telle que:
N=UXp +VYp +WZp.
Ce qui nous donne après basculement d'angle B dans le repère meule :
N=U(Zm cosB-Xm sinB)+V m +W(Zm sinB+Xm cosB).
On obtient les coordonnée du vecteur N dans le repère meule après
basculement sous la forme :
N = (-UsinB+W cosB)Xm +V m +(UcosB+W sinB)2m
On souhaite que cette normale basculée fasse un angle de 2- A
avec l'axe orienté de la meule, on peut donc écrire que le produit scalaire de
Xmeule par N est égal au cosinus de l'angle du cône formé par A.
X m.N = cos( ~- A) = sin(A)
Ce qui s'écrit :
-UsinB+WcosB=sinA
- sinB+w cosB=sinA
U W
On pose ~= tant, l'équation devient :
- sin B+ tan t cos B= sinA
W
- cos t sin B+ sin t cos B= sinA cost
U
Si la condition -1 <_ S1U cost -<1 est respectée, on peut poser :
sinA
cost = sin q
U
CA 02655636 2008-12-17
WO 2007/147958 PCT/FR2007/000982
l'équation devient alors :
- cos t sin B+ sin t cos B= sinA cost
sin(t - B) = sin q
Soit :
5 t-B=q ou t-B=7r-q
Donc :
B=-z + aresin S1U cos arctanU J+ arctan ~
C
ou
B= -aresin sl~ cosCarctan ~I+ arctan W
10 On sait que cos arctan W 1= U , dont on en déduit :
C UJ U2+W2
B=-ir + aresin sin A + arccos U
UZ +WZ UZ +WZ
B = - aresin sinA + arccos U
U2 +WZ UZ +W2
Soit :
B=-7r + aresin sin A + aresin W
UZ+Wa UZ+WZ
ou
B = -aresin sinA + aresin w
U2 +WZ U2 +Wa
Nous avons supposé que:
-1_ sin A cost<-1
U
-1< sinA
UZ +W2
sin2 A<- U2 + WZ
cosZA>_V2
CA 02655636 2008-12-17
WO 2007/147958 PCT/FR2007/000982
11
La condition à vérifier pour que l'angle soit correct est cosZ A _ V2.
On choisira pour B :
B=-z + Are sin W + Arc sin sin A
U2 +W2 U2 +W2
Avec la condition suivante :
cosZ A >- VZ
Calcul de la direction de la meule
L'angle B étant défini, on peut en déduire la direction de la meule
N=(Um,Vm,Wm )pièce dans le repère pièce.
Um = sin B
IV = Vm = 0
Wm = cosB
reperepièce
Calcul de la position du centre meule
Il s'agit de calculer la position à donner au centre de meule
Ro(Xm,Ym,Zm)pièce de façon à venir usiner le point C(X,Y,Z)pièce de normale
N(U,V,W) pièce dans le repère pièce.
O: origine du repère pièce
C: le point d'usinage
Ro : centre de la meule.
Ona:
-~ --> -~
ORD =OC+CRD
~ _ _
OC = XX p+YYp + ZZ p
CRD - RmeuleN
CRD - (RmeuleU)X p + (RmeuleV )~,,p + (R meuleW )Z p
avec Rmeule : le rayon de la meule
D'où la position du centre meule :
ORD =(X +R meule U)X p+(Y + RmeuleV )Y p+(Z + RmeuleW ) p
CA 02655636 2008-12-17
WO 2007/147958 PCT/FR2007/000982
12
X +Rmeule U
C = Y + RmeuleV
Z + RtneuleW reperemeule
L'usinage peut se faire en deux étapes :
Une première étape dans laquelle on vient positionner l'outil de sorte
que la normale du point à usiner soit parallèle à la surface du cône .
Une deuxième étape dans laquelle le point d'usinage est mis en contact
avec le point à usiner.
Durant l'usinage, l'outil est ainsi usé de manière symétrique de part et
d'autre du parallèle P qui a été choisi, ce qui permet de mieux prévoir et
maîtriser
cette usure. De plus, l'outil 9 usine la surface 7 en attaquant la matière
perpendiculairement à la trajectoire de déplacement de l'outil 9, ce qui
permet de
s'affranchir des défauts d'usinage inhérents au mode d'usinage dans lequel la
matière est soit avalée , soit repoussée , lorsque l'outil attaque la
matière
parallèlement à sa trajectoire de déplacement.
Le parallèle P est choisi en fonction de la forme de la surface à usiner 7
de sorte qu'aucune portion de cette surface 7 ne soit inaccessible à ce
parallèle P
compte-tenu des mouvements angulaires possibles entre l'outil 9 et le plateau
tournant 1, et en prenant en compte l'encombrement de la broche 8.
Les opérations d'usinage décrites en référence aux figures 6 et 7 ont
bien entendu lieu en trois dimensions comme l'illustrent les figures 8A à 9C.
Les
figures 8A à 8C montrent l'usinage de la lentille 6 par l'outil 9 selon un
premier
point C1 de contact (comme sur la figure 6), tandis que les figures 9A à 9C
montrent l'usinage de la lentille 6 par l'outil 9 selon un deuxième point C2
de
contact (comme sur la figure 7).
Sur chacune de ces figures 8A à 9C, la normale N au point de contact
C de la surface à usiner 7 est représentée. Le passage du point de contact C1
des
figures 8A à 8C au point de contact C2 des figures 9A à 9C entraîne bien
entendu
un déplacement de la normale N de sa position NI à sa position N2. Cette
normale N évolue en fonction du point de contact C, dans un volume en forme de
cône.
Des variantes de réalisation de la machine et du procédé d'usinage
peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
CA 02655636 2008-12-17
WO 2007/147958 PCT/FR2007/000982
13
Notamment, la machine d'usinage peut comporter deux broches distinctes, une
première broche pour l'ébauchage et une seconde pour la finition et la demi-
finition de l'objet optique tel qu'une lentille ophtalmique, un moule ou un
insert.
Avantageusement, la machine d'usinage peut en outre comprendre un changeur
d'outils adapté à venir positionner un outil 9 sur la broche.
La description ci-dessus se rapporte à une trajectoire outil-pièce
conforme à la figure 2, qui présente l'avantage d'usiner sans avaler ou
repousser
la matière, étant entendu que l'invention peut également être mise en oruvre
selon
une trajectoire 11' outil-pièce angulaire décalée de 90 par rapport à celle
de la
figure 2 (voir figure 10).
