本发明属于精密加工设备领域，具体涉及一种关节轴承球面激光微加工装置及方法。
背景技术：
对于关节轴承球面等三维曲面的加工通常需要五轴设备来完成，针对不同的工件需要设计专门的夹具，如果设备加工时的回转中心不在工件的中心则需要四轴联动操作，增加了控制难度。若使用四轴设备(三移动轴和一旋转轴)加工球面微织构，则会出现被加工面与激光束不垂直的现象，从而影响加工效果。
中国专利(cn201610495238.5)公开了一种带微织构的航空关节轴承及其制造方法，涉及一种关节轴承微织构的加工方法，其必须进行两个步骤：采用光滑表面的超声滚压工具滚压关节轴承内圈外表面和外圈内表面来降低表面粗糙度，采用带有微凸起的超声滚压工具滚压关节轴承内圈的外表面和外圈的内表面，实现表面微织构的成形；其加工步骤复杂，加工微织构的形貌及精度受到滚压工具表面凸体形貌及分布的限制。
技术实现要素：
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种关节轴承球面激光微加工装置及方法，加工过程容易控制，提高了加工效果。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种关节轴承球面激光微加工装置，包括工作台、旋转机构、夹紧机构、夹具机构、激光发射机构和控制系统；
所述旋转机构包括第一旋转机构和第二旋转机构，所述第一旋转机构包括固定在工作台上的第一伺服电机和蜗杆减速器，所述第一伺服电机通过联轴器b与蜗杆减速器的输入端连接，蜗杆减速器的输出端连接夹紧机构的安装面板；所述第二旋转机构包括固定在工作台上的第二伺服电机，所述第二伺服电机通过联轴器a连接夹具机构的推杆a；
所述夹紧机构包括两个第一滚珠丝杠和固定在安装面板上的第三伺服电机，第三伺服电机输出轴末端安装有锥齿轮，所述锥齿轮与两个第一滚珠丝杠末端的锥齿轮啮合，驱动滑台a和滑台b相对移动；两第一滚珠丝杠安装在安装面板上；
所述夹具机构包括推杆a、推杆b、滑台a和滑台b，推杆a通过轴承固定在滑台a上，推杆b通过轴承固定在滑台b上；滑台b、滑台a均能够沿安装面板滑动，且滑台b、滑台a背部均分别与两个第一滚珠丝杠配合；
所述第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机和激光发射机构均由控制系统控制。
优选的，所述激光发射机构设置在工作台上，激光发射机构包括第四伺服电机，第四伺服电机通过第二滚珠丝杠与激光器支架形成螺旋副，激光器支架上安装有激光发射头。
优选的，所述工作台包括基座和支脚，支脚固定在基座底角处。
优选的，所述安装面板在第一伺服电机的带动下，实现 45°～-45°的摆动。
优选的，所述激光器为纳秒激光器，激光波长为1064nm或532nm，激光器的输出功率为10～100w，脉冲宽度为70～130ns，重复频率为1～100khz。
一种关节轴承球面激光微加工方法，将球面工件放置在推杆a和推杆b中间，控制夹紧机构使两推杆完全夹紧工件；在控制系统中输入加工参数，控制系统控制第一伺服电机和第二伺服电机转动调整工件姿态，并控制激光发射机构发射激光，实现球面工件微加工。
进一步，所述工件夹紧由控制系统控制第三伺服电机工作，通过锥齿轮之间动力传动，使得两第一滚珠丝杠反向转动，使滑台a和滑台b缓慢同步向中心移动实现夹紧。
进一步，所述激光发射机构发射激光由控制系统控制第四伺服电机调整激光焦点至球面工件被加工面，实现激光对焦。
进一步，所述微加工具体为：初始状态下安装面板处于水平状态，第一伺服电机带动安装面板逆时针旋转1/2轴承球心角，使激光发射机构发射的激光正对轴承左上角点，第二伺服电机转动一周，激光进行一圈点阵加工，并重复多次，完成该圈加工；控制系统根据横向点距控制第一伺服电机使安装面板顺时针旋转一定角度，完成第二圈激光点阵加工，依次类推，完成整个球面的加工。
进一步，所述激光与旋转机构两个旋转轴线垂直且相交于球面工件中心。
本发明有益效果为：
(1)本发明中旋转机构的两个旋转轴线与激光光束线相互垂直且相交于球面工件球心，减少了普通机床使用夹具加工时球面工件球心不在回转中心所引起的加工过程中多轴联动问题，从而减少了控制难度。
(2)本发明中夹紧机构通过第三伺服电机带动的锥齿轮与两滚珠丝杠末端锥齿轮啮合，滚珠丝杠安装在控制面板上，且滚珠丝杠与安装在滑台上的推杆配合动作，保证第三伺服电机工作时，可实现两推杆同步向中心移动，减少因夹具设计造成的工件不对中问题。
(3)本发明的加工方法在激光加工过程中仅需一次装夹即可完成整个激光微加工程序，有效降低了多次装夹带来的累积误差。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明球面激光微加工装置的主视图；
图2是本发明球面激光微加工装置的俯视图；
图3是本发明球面激光微加工装置a-a向剖视图；
图4是本发明球面激光微加工装置b向视图；
图中：101、支脚；102、m8内六角螺栓；103、基座；104、m12内六角螺栓；105、第一m5内六角螺栓；201、推杆a；202、推杆b；203、滑台a；204、滑台b；207、轴承座盖板a；208、轴承座盖板b；209、第一角接触轴承；210、第二角接触轴承；211、轴承座a；212、轴承座b；301、光轴；302、光轴座；303、轴承座c；304、第三角接触轴承；305、第一滚珠丝杠；306、锥齿轮；307、安装面板；308、第三伺服电机固定板；309、伺服电机压板；310、第三伺服电机；401、第二伺服电机；402、第二伺服电机固定板；403、联轴器a；404、m4内六角螺栓；405、联轴器b；406、第一伺服电机固定板；407、第一伺服电机；408、蜗杆减速器；409、法兰盘；501、立柱；502、激光器支架；503、第二滚珠丝杠；504、联轴器c；505、第四伺服电机。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1、2、3、4所示，一种关节轴承球面激光微加工装置，包括工作台、旋转机构、夹紧机构、夹具机构、激光发射机构和控制系统。
所述工作台包括基座103和支脚101，所述基座103四个底角分别设有支脚101，支脚101通过m8内六角螺栓102固定在基座103底角。
所述旋转机构包括第一旋转机构和第二旋转机构，所述第一旋转机构包括第一伺服电机407、第一伺服电机固定板406、联轴器b405、蜗杆减速器408和法兰盘409，所述第一伺服电机407通过第一伺服电机固定板406和m5内六角螺栓105安装于基座103上，所述蜗杆减速器408通过m12内六角螺栓固定在基座103上，所述第一伺服电机407通过联轴器b405与蜗杆减速器408的输入端连接，蜗杆减速器408的输出端通过法兰盘409连接夹紧机构的安装面板307；所述第二旋转机构包括第二伺服电机401、联轴器a403和第二伺服电机固定板402，所述第二伺服电机401通过第二伺服电机固定板402和m4内六角螺栓404固定在夹具机构的滑台a203上，第二伺服电机401通过联轴器a403连接夹具机构的推杆a201，推杆a201还通过轴承固定在滑台a203上。
所述夹紧机构包括轴承座c303、第三角接触轴承304、两个第一滚珠丝杠305、两个锥齿轮306、安装面板307、第三伺服电机固定板308、伺服电机压板309和第三伺服电机310，所述第三伺服电机310通过伺服电机压板309和第三伺服电机固定板308固定于安装面板307上，第三伺服电机310输出轴末端装有锥齿轮(图中未标出)，所述锥齿轮与两第一滚珠丝杠305末端的两锥齿轮306啮合，所述第一滚珠丝杠305通过轴承座c303固定在安装面板307上，轴承座c303里面配合第三角接触轴承304。
所述夹具机构包括推杆a201、推杆b202、滑台a203、滑台b204、轴承座盖板a207、轴承座盖板b208、第一角接触轴承209、第二角接触轴承210、轴承座a211和轴承座b212；推杆b202通过轴承座a211和轴承座b212固定在滑台b204上，轴承座a211和轴承座b212里面分别配合第一角接触轴承209和第二角接触轴承210，第一角接触轴承209和第二角接触轴承210上分别设有轴承座盖板a207、轴承座盖板b208，避免灰尘进入轴承内部，影响轴承工作；滑台b204、滑台a203沿光轴301滑动，光轴301通过光轴座302固定在安装面板307上，滑台b204、滑台a203背部分别与第一滚珠丝杠305配合。推杆a201和推杆b202均为锥形压头。
所述激光发射机构包括立柱501、激光器支架502、第二滚珠丝杠503、联轴器c504和第四伺服电机505，所述立柱501通过m12内六角螺栓104固定于基座103上，立柱501上端固定有第四伺服电机505，所述第四伺服电机505通过联轴器c504连接第二滚珠丝杠503，第二滚珠丝杠503与激光器支架502形成螺旋副，激光器支架502随滚珠丝杠503实现在立柱501上下移动；所述激光器支架502用于安装激光发射头，激光发射头发射的光束与旋转机构两个旋转轴线垂直且相交于球面工件中心。
所述安装面板307初始状态处于水平状态，且在第一伺服电机407的带动下可实现 45°～-45°的摆动。
激光器为纳秒激光器，优选地，选用激光波长1064nm或532nm，输出功率10～100w，脉冲宽度70～130ns，重复频率1～100khz。
所述控制系统基于单片机或工控机或其他控制器，通过上位机软件控制第一伺服电机407、第二伺服电机401、第三伺服电机310和第四伺服电机505的动作，完成对球面工件的微加工。
一种关节轴承球面激光微加工方法，将球面工件放置在夹具机构推杆a201和推杆b202中间，控制夹紧机构使两推杆完全夹紧工件；在控制系统中输入加工参数，控制系统控制旋转机构两伺服电机(第一伺服电机407和第二伺服电机401)转动调整工件姿态，并控制激光发射机构发射激光，实现球面工件微加工。
所述方法具体包括以下步骤：
装夹：将球面工件大致放置于推杆a201和推杆b202中间，控制系统控制第三伺服电机310工作，通过锥齿轮之间动力传动，两第一滚珠丝杠305反向转动，从而使滑台a203和滑台b204缓慢同步向中心移动，直至推杆a201和推杆b202完全夹紧工件。
激光对焦：打开激光器指示光，控制系统控制第四伺服电机505调整激光焦点至球面工件被加工面。
参数输入：在控制系统界面输入圈数、周向点距、轴向点距、重复次数、激光加工功率、频率，进行激光点阵加工。
加工：初始状态下安装面板307处于水平状态，第一伺服电机407带动安装面板307逆时针旋转1/2轴承球心角，使激光发射机构发射的激光正对轴承左上角点，第二伺服电机402转动一周，激光进行一圈点阵加工，并重复多次(次数由轴承表面织构参数决定，并事先设定在控制系统中)，完成该圈加工；控制系统根据轴向点距(轴向点距由轴承表面织构参数决定，并事先设定在控制系统中)控制第一伺服电机407使安装面板307顺时针旋转一定角度，完成第二圈激光点阵加工，依次类推，直至完成整个球面的加工。
实施例
以内径为100mm、外径为150mm、宽度为70mm的向心关节轴承为例，通过激光加工左半球、右半球完成激光微加工。
(1)装夹
将关节轴承欲加工面竖直向上，大致放在推杆a和推杆b中间，缓慢调整第三伺服电机310使滑台a203和滑台b204同步向中心移动，直至完全夹紧工件。
(2)激光调焦
打开激光器指示光，控制系统控制第四伺服电机505，使激光焦点至被加工面。
(3)参数输入
在控制系统界面输入圈数、周向点距、轴向点距、重复次数，设置激光波长为532nm、输出功率15w、脉冲宽度75ns、激光功率15w、重复频率2khz。
(4)加工
初始状态下安装面板307处于水平状态，第一伺服电机407带动安装面板307逆时针旋转1/2轴承球心角，使激光发射机构发射的激光正对轴承左上角点，第二伺服电机402转动一周，激光进行一圈点阵加工，并重复多次(次数由轴承表面织构参数决定，并事先设定在控制系统中)，完成该圈加工；控制系统根据轴向点距(轴向点距由轴承表面织构参数决定，并事先设定在控制系统中)控制第一伺服电机407使安装面板307顺时针旋转一定角度，完成第二圈激光点阵加工，依次类推，直至完成整个球面的加工。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
1.一种关节轴承球面激光微加工装置，其特征在于，包括工作台、旋转机构、夹紧机构、夹具机构、激光发射机构和控制系统；
所述旋转机构包括第一旋转机构和第二旋转机构，所述第一旋转机构包括固定在工作台上的第一伺服电机(407)和蜗杆减速器(408)，所述第一伺服电机(407)通过联轴器b(405)与蜗杆减速器(408)的输入端连接，蜗杆减速器(408)的输出端连接夹紧机构的安装面板(307)；所述第二旋转机构包括固定在工作台上的第二伺服电机(401)，所述第二伺服电机(401)通过联轴器a(403)连接夹具机构的推杆a(201)；
所述夹紧机构包括两个第一滚珠丝杠(305)和固定在安装面板(307)上的第三伺服电机(310)，第三伺服电机(310)输出轴末端安装有锥齿轮，所述锥齿轮与两个第一滚珠丝杠(305)末端的锥齿轮啮合，驱动滑台a(203)和滑台b(204)相对移动；两第一滚珠丝杠(305)安装在安装面板(307)上；
所述夹具机构包括推杆a(201)、推杆b(202)、滑台a(203)和滑台b(204)，推杆a(201)通过轴承固定在滑台a(203)上，推杆b(202)通过轴承固定在滑台b(204)上；滑台b(204)、滑台a(203)均能够沿安装面板(307)滑动，且滑台b(204)、滑台a(203)背部分别与两第一滚珠丝杠(305)配合；
所述第一伺服电机(407)、第二伺服电机(401)、第三伺服电机(310)和激光发射机构均由控制系统控制。
2.根据权利要求1所述的关节轴承球面激光微加工装置，其特征在于，所述激光发射机构设置在工作台上，激光发射机构包括第四伺服电机(505)，第四伺服电机(505)通过第二滚珠丝杠(503)与激光器支架(502)形成螺旋副，激光器支架(502)上安装有激光发射头。
3.根据权利要求1所述的关节轴承球面激光微加工装置，其特征在于，所述工作台包括基座(103)和支脚(101)，支脚(101)固定在基座(103)底角处。
4.根据权利要求1所述的关节轴承球面激光微加工装置，其特征在于，所述安装面板(307)在第一伺服电机(407)的带动下，实现 45°～-45°的摆动。
5.根据权利要求1所述的关节轴承球面激光微加工装置，其特征在于，所述激光器为纳秒激光器，激光波长为1064nm或532nm，激光器的输出功率为10～100w，脉冲宽度为70～130ns，重复频率为1～100khz。
6.一种根据权利要求1-5所述的关节轴承球面激光微加工装置的加工方法，其特征在于，将球面工件放置在推杆a(201)和推杆b(202)中间，控制夹紧机构使两推杆完全夹紧工件；在控制系统中输入加工参数，控制系统控制第一伺服电机(407)和第二伺服电机(401)转动调整工件姿态，并控制激光发射机构发射激光，实现球面工件微加工。
7.根据权利要求6所述的关节轴承球面激光微加工方法，其特征在于，所述工件夹紧由控制系统控制第三伺服电机(310)工作，通过锥齿轮之间动力传动，两第一滚珠丝杠(305)转动，使滑台a(203)和滑台b(204)缓慢同步向中心移动实现夹紧。
8.根据权利要求6所述的关节轴承球面激光微加工方法，其特征在于，所述激光发射机构发射激光由控制系统控制第四伺服电机(505)调整激光焦点至球面工件被加工面，实现激光对焦。
9.根据权利要求6所述的关节轴承球面激光微加工方法，其特征在于，所述微加工具体为：初始状态下安装面板(307)处于水平状态，第一伺服电机(407)带动安装面板(307)逆时针旋转1/2轴承球心角，使激光发射机构发射的激光正对轴承左上角点，第二伺服电机(402)转动一周，激光进行一圈点阵加工，并重复多次，完成该圈加工；控制系统根据横向点距控制第一伺服电机(407)使安装面板(307)顺时针旋转一定角度，完成第二圈激光点阵加工，依次类推，直至完成整个球面的加工。
10.根据权利要求6所述的关节轴承球面激光微加工方法，其特征在于，所述激光与旋转机构两个旋转轴线垂直且相交于球面工件中心。
技术总结