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Sub-cell turning to accomplish micron-level alignment of precision assemblies

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On Machine Metrology for the Alignment Turning Process
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Kundenspezifische Präzisionsobjektive kosteneffizient fertigen
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Anwenderbericht
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Erfahrungsbericht

Qualitätssprung in der Präzisionsfertigung bei Wild

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ATS – Justierdrehmaschinen für hochpräzises bearbeiten von gefassten Linsen

ATS – Alignment Turning Station

Justierdrehmaschinen für hochpräzises Zentrieren, Ausrichten und Bearbeiten von gefassten Linsen und Linsengruppen

Beim Justierdrehen werden der Fassungsrand und die Flanschflächen von gefassten sphärischen, asphärischen und zylindrischen Linsen so gefertigt, dass die Symmetrieachse der Fassung mit der optischen Achse der Linse übereinstimmt. Auch gefasste UV- oder IR-Linsen können ebenso präzise bearbeitet werden. In den Justierdrehmaschinen ATS wird das bewährte Zentriermess-System OptiCentric® mit einer ultrapräzisen Drehmaschine kombiniert. Dadurch ist es möglich, beim Bearbeiten der Fassung alle relevanten Parameter wie Durchmesser der Fassung oder die Abstände der Linse zu den Auflageflächen der Fassung einzustellen und zu kontrollieren. Die hochpräzise Messung der Dezentrierung und die sehr genaue Bearbeitung der Fassung vermeiden aufwendige iterative Ausrichtschritte im optischen Gesamtsystem und führen zu einer justagefreien Montage von Linsen. Die intuitive Benutzung liefert bedienerunabhängigen Ergebnissen bei Messung und Bearbeitung.

Produktübersicht

ATS 100

Die kompakte Justierdrehmaschine

ATS 100

Die ATS 100 ist optimiert für die Bearbeitung von Linsen mit einem Durchmesser von bis zu 100 mm und einem Gewicht von bis zu 3 kg.

  • Automatisiertes Justierfutter

  • Reproduzierbare Fertigung mit einer Wiederholgenauigkeit von besser als 2,5 µm
  • Einfache Reinigung über integrierte Spanabsaugung

  • Geeignet für zykluszeit-optimierte Bearbeitung hoher Losgrößen

ATS 200

Die hochpräzise Justierdrehmaschine

ATS 200 Die hochpräzise Justierdrehmaschine

ATS 200 ist ausgelegt auf die Bearbeitung von kleinen und mittelgroßen Linsen in Fertigungen mit mittleren Losgrößen.

  • Optional mit hydrostatischer Spindel

  • Automatisiertes Justierfutter

  • Große Steifigkeit und thermische Stabilität durch optimierte Granit-Basis

  • Reproduzierbare Fertigung mit einer Wiederholgenauigkeit von besser als 1,0 µm

Die ATS 200 UP stellt eine Variante der ATS 200 dar und entspricht dieser in ihrem Grundaufbau. Jedoch wird hier eine äußerst stabile, hydrostatisch gelagerte Spindel verwendet. Bei nochmals gesteigerter Steifigkeit.

ATS 300 UP

Flexibilität beim Linsendurchmesser

ATS 300 UP

Gefasste Linsen bis zu einem Durchmesser von 300 mm werden von der ATS 300 UP hochpräzise bearbeitet.

  • Hydrostatische Spindel

  • Hervorragende Dämpfung für sehr hohe Genauigkeitsanforderungen von bis zu 0,5 µm

  • Umfassendes Zubehör

ATS-C

CNC-Justierdrehmaschine für kurze Zykluszeiten

ATS 100

Die ATS-C ist horizontal aufgebaut und bietet volle CNC-Fähigkeiten, die eine rasche Integration der Maschine in bestehende Produktionsprozesse ermöglichen.

  • Optimierte Zykluszeiten für kleine, gefasste Linsen

  • Bearbeitung von Freiform-Fassungs-Designs

  • Intuitive Maschinenbedienung ermöglicht schnelle und einfache Umsetzung vom Entwurf bis zum Werkstück

Coffee Break

Keine Zeit für lange Erklärvideos?

Wir fassen für Sie ein Thema kurz und prägnant zusammen. Während einer Kaffeepause erhalten Sie die Kernaussagen zu den unterschiedlichsten Technologiethemen.

Anwendungen

Gefasste Linsen

Mit ihrem universellen Design und den vielseitigen messtechnischen Möglichkeiten können die Justierdrehmaschinen der ATS-Serie alle gefassten Linsen und Linsenbaugruppen bearbeiten – auch solche, die im Infrarotbereich arbeiten, asphärischen Oberflächen haben oder nicht in ihre Fassungen geklebt werden können. Gerade wenn es um die Effizienzsteigerung geht, fällt die Wahl so immer auf das Justierdrehen mit ATS. Hier hat sich das System nicht nur in der Massenproduktion, sondern auch bei der Herstellung von kundenspezifischen Objektive bewährt.

Laserdioden

Ebenso wie für gefassten Linsen kann die ATS für Laserdioden eingesetzt werden und erspart auch hier eine aufwendige Ausrichtung bei der Montage. Der Laserstrahl dieser aktiven Prüfling dient als Zentrierachse für die Ausrichtung der gefassten Diode zur Rotationsachse der Drehmaschine. Während die Korrektur der Neigung bereits in der Standardkonfiguration möglich ist, erlaubt ein zweiter optischer Messarm zusätzlich die Korrektur der Verschiebung. Die Bearbeitung der Fassung erfolgt ebenso wie bei den passiven Elementen durch Präzisionszerspanung mit Diamantwerkzeugen.

Success Story

ATS100 Videodemo

Sill

ATS erhöht bei Sill die Präzision der Objektive auf ein Maximum

Sill Optics hat erfolgreich die TRIOPTICS Justierdrehmaschine in Ihren Produktionsprozess eingeführt. Martin Kolb, Projektmanager Laser Optics, erläutert den Nutzen: “Beim Versuch der exakten Ausrichtung von mechanischer und optischer Achse, kann es mit herkömmlichen Bearbeitungsverfahren zu Abweichungen von wenigen Winkelminuten kommen. Diese Kippfehler würden in unseren hochpräzisen Mehrfachlinsensystemen für inakzeptable Ungenauigkeiten sorgen. Dank der ATS von TRIOPTICS können wir die Toleranzen der Restkippfehler auf wenige Bogensekunden reduzieren. Das Justierdrehen erhöht die Präzision unserer Objektive auf ein Maximum. Für unsere Hochpräzisionsobjektive haben wir die ATS deshalb regelmäßig im Einsatz.”

Qualitätssprung in der Präzisionsfertigung bei WILD

WILD hat kürzlich eine neue Zentrierdrehmaschine – die ATS 200 UP – in Betrieb genommen. Sie ist Dreh- und Angelpunkt für höchste Präzision und Effizienz in der Fertigung komplexer Optiken.

„Justierdrehen in der Qualität, wie wir es nun anbieten, wird künftig die Tür zu neuen optischen Designs mit sehr geringen Luftabständen öffnen.“

Stefan Werkl, WILD Geschäftsbereichsleiter Optische Technologien

Software

ATS Control

Eine Software für alle Mess- und Fertigungsvorgänge

Die ATS Control vereint die Bedienung der Maschinenfunktionen mit den Routinen zur Messung des Zentrierfehlers und der Ausrichtung. Sowohl zur Einrichtung der Prüflingsgeometrie, als auch zur Durchführung beider Bearbeitungsprozesse wird der Nutzer Schritt für Schritt geführt. Die Software überwacht außerdem fortlaufend die Ergebnisse des Fertigungsprozesses.

Technische Daten

ParameterATS 100ATS 200ATS 200 UPATS 300 UP
MaschinentypMineralgussbettGranitbettGranitbettGranitbett
SpindelAerostatischAerostatischHydrostatischHydrostatisch
Durchmesser WerkstückBis zu 100 mmBis zu 200 mmBis zu 200 mmBis zu 300 mm
Max. Gewicht des Werkstücks3 kg5 kg5 kg15 kg
WerkstückmaterialMessing, Aluminium, NiP-beschichteter StahlMessing, Aluminium, NiP-beschichteter StahlMessing, Aluminium, NiP-beschichteter Stahl, Invar, TitanMessing, Aluminium, NiP-beschichteter Stahl, Invar, Titan
FertigungsgenauigkeitBis zu < 2,5 µmBis zu < 1,0 µmBis zu < 0,5 µmBis zu < 0,5 µm
Abmessungen
(H x B x T)
ca. 2,0 m x 1,0 m x 1,0 mca. 2,20 m 1,55 m x 1,10 mca. 2,20 m 1,55 m x 1,10 m + 1,65 m x 0,87 m x 0,65 m ca. 2,20 m 1,85 m x 1,10 m + 1,65 m x 0,87 m x 0,65 m
Gewichtca. 1.400 kgca. 2.500 kgca. 3.000 kg
TypStandgerätStandgerätStandgerätStandgerät
ParameterATS-C
Verfahrgeschwindigkeit UP-Achsen> 15 m/min
Drehzahl Spindel2500 min-1
Prozessdrehzahl beim Justierdrehen ≥1200 min-1
Werkstückdurchmesser Max. 200 mm
WerkstücklängeMax. 150 mm
Werkstückgewicht Max. 2.5 kg
Fertigungsgenauigkeit Justierdrehen Roundness ≤ 1 μm
Flatness ≤ 1 μm
Programmierauflösung 1 nm

Upgrades & Zubehör

  • Aerostatische Spindel
  • Hydrostatische Spindel
  • Taktiler Sensor
  • Optischer Sensor
  • Temperatursensor
  • Werkstücktemperatursensor
  • Sensor für asphärische Linsen
  • Zweiter Autokollimator
  • Vierfach Werkzeugwechsler
  • Vorsatzoptikenwechsler
  • Minimalmengenschmierung
  • Absaugung
  • 2D-Code Leser
  • Effizienzsteigerung durch Erweiterung um einen Roboter zum automatischen Be- und Entladen

Knowledge Base

Messen und Justierdrehen von optischen Baugruppen

Das Justierdrehen ist das einzige Verfahren, mit dem alle relevanten Parameter einer gefassten Linse justiert werden können, insbesondere auch der Abstand zwischen beiden Scheitelpunkten und der Anlagefläche. Außerdem kann eine große Anzahl unterschiedlicher Fassungsgrößen bearbeitet werden. Und zu guter Letzt erreichen hochpräzise Drehmaschinen sehr gute Fertigungsgenauigkeiten von bis zu 0,5 µm.

Mehr Wissen für Experten

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Justierdrehen mit Justierfutter

Das Justierdrehverfahren wird in den nachfolgenden Abbildungen (Abb. 3) beschrieben.
Beim Justierdrehen wird als erstes die Linsenfassung mit der eingeklebten Linse in ein Justierfutter eingespannt und anschließend die Lage der optischen Achse der Linse zur Spindelachse mit dem OptiCentric® System gemessen. Mit Hilfe des Justierfutters wird die Linse dann so ausgerichtet, dass ihre beiden Krümmungsmittelpunkte möglichst genau auf der Drehachse der Spindel liegen.

Anschließend wird die Spindel gedreht und die Anlageflächen der Fassung werden mit einem scharfen (Diamant-) Drehmeißel bearbeitet.  Hierdurch entsteht eine präzise bearbeitete Oberfläche der Fassung, die parallel zur Spindelachse ausgerichtet ist. Neben der Außenfläche der Fassung können beim Drehvorgang auch die vordere und hintere Anlagefläche bearbeitet werden. Dazu wird das Drehwerkzeug nicht entlang der optischen Achse, sondern senkrecht zur Spindelachse bewegt.

ATS-Knowledge

Abb.1: Die optischen Achsen der Linsen stimmen nicht mit der Achse des Objektivtubus überein, Linsenabstände sind nicht korrekt

ATS-Knowledge

Abb. 2: Die optischen Achsen stimmen mit der Tubusachse überein, die Linsenabstände sind korrekt

Zeichnungsgruppe-gesamt-beschriftet-01

Abb. 3: Prozess des Justierdrehens. A) Optische Achse der Linse wird ermittelt, B) und C) Fassung wird zur optischen Achse der Linse ausgerichtet, der Rand der Fassung wird so bearbeitet, dass er parallel zur optischen Achse steht.

CNC-Justierdrehen

Das Justierdrehen an der ATS-C wird ohne Justierfutter realisiert. Die montierte Linse wird auf der horizontal montierten Spindel gehalten und die optische Achse mit OptiCentric®-Messtechnik vermessen. Um die Montageflächen zur optischen Achse auszurichten, bewegt sich das Drehwerkzeug in x- und z-Richtung.

Funktionsgrafik Justierdrehmaschine

Variable Bedingungen und Optionen

Beim Justierdrehen ist die Linse bereits in ihrer Fassung fixiert. Das bedeutet, dass für sehr präzise Optiken spannungsarme Klebstoffe mit sehr langen Aushärtezeiten verwendet werden können. Ebenso können die Linsen gebördelt oder durch Schraubringe gehalten werden, wenn die verfügbaren Klebstoffe für die geplante Anwendung nicht geeignet sind. Da die Linse zu Beginn des Prozesses ausgerichtet wurde, liegen die optische Achse der Linse und die mechanische Achse der Fassung präzise übereinander, wenn diese auf der Drehmaschine entsprechend der optischen Achse der Linse bearbeitet werden. Um eine hohe Genauigkeit zu erreichen, hat TRIOPTICS neben hochauflösenden Autokollimatoren weitere Messtechnik in seine Justierdrehmaschinen integriert. Hierzu zählen taktile und optische Messgeräte, welche eine hochgenaue Messung der relevanten mechanischen Parameter gewährleisten. So wird höchste Präzision durch einen schrittweisen Bearbeitungsprozess erreicht, bei dem die Fassungsgenauigkeit nach jedem Bearbeitungsschritt überprüft wird. Die beim Justierdrehen eingesetzten Fassungen müssen vor der Bearbeitung keine außergewöhnlich engen Toleranzen erfüllen. Das Aufmaß muss lediglich groß genug sein, um die geforderte Toleranz nach der Bearbeitung zu erfüllen.

Der Abstand des Linsenvertex zur oberen Anlagefläche kann mit einer Genauigkeit von bis zu ±1 µm (ATS 200) gefertigt werden. Ebenso kann der Durchmesser mit einer absoluten Genauigkeit von bis zu ±2 µm gefertigt werden. Der verbleibende Zentrierfehler lässt sich beim Einsatz eines geeigneten Justierfutters auf weniger als 0,5 µm verringern. Zudem kann mit einem Kurzkohärenzinterferometer die Mittendicke der gefassten Linse auf der Maschine gemessen werden, so dass die Anlageflächen jeweils hochgenau in Bezug zu jeder einzelnen Linse gefertigt werden können. Mehrere durch Justierdrehen gefertigte, gefasste Linsen können übereinander in einen Tubus eingesetzt werden. Durch die Art der Bearbeitung im Mikrometerbereich ist die Ausrichtung aller Linsen zueinander sichergestellt. Dadurch können gefasste Linsen ohne weitere Justageschritte in einen Tubus montiert werden.

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