CN113523968A - 石英半球谐振子激光和超声辅助磨削制造装备及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种石英半球谐振子激光和超声辅助磨削制造装备及其方法，装备包括：数控微纳移动旋转工作台、磨削装置和激光辅助加工装置，谐振子固定装夹在数控微纳移动旋转工作台上，绕Z轴进行回转，并进行连续圆周进给运动，沿Z轴前后移动，磨削装置沿C轴旋转及沿C轴前后移动，对谐振子上不同区域进行超声振动辅助磨削加工，激光辅助加工装置与C轴成一定偏角，对谐振子上即将加工表面辅助加热。本发明采用的球形磨头是陶瓷结合剂掺杂氧化铈的金刚石砂轮，磨头杆通过超声波换能器和变幅器与气浮主轴连接实现超声辅助加工，磨削过程中采用CO2激光束实现激光辅助加工，从而利用超声振动辅助和激光辅助实现谐振子的磨削、精密磨削和超精密磨削。

Description

石英半球谐振子激光和超声辅助磨削制造装备及其方法
技术领域
本发明涉及机械加工制造技术领域，具体而言，尤其涉及一种石英半球谐振子激光和超声辅助磨削制造装备及其方法。
背景技术
半球谐振陀螺(HRG)是一种高精度、高可靠性、低功耗和长寿命的精密陀螺仪，是目前各个惯导系统领域的重要研究对象，石英半球谐振子是半球谐振陀螺最难加工的核心敏感零件，其加工精度和振动特性直接决定着半球谐振陀螺的工作性能。半球谐振子的异形薄壳结构硬度大，脆性大，对内外球面和支撑杆的形状精度和位置精度要求很高(亚微米级)，制造难度很大，上述因素一直以来是制约半球谐振陀螺发展的瓶颈和难题。由于国外的技术封锁，国内普遍加工石英半球陀螺的方式是采用磨削的方式，这种传统的加工方式产生的应力会对半球陀螺谐振子的性能造成很大的影响，石英半球陀螺的制造属于硬脆薄壁球壳复杂三维结构的制造，国内普遍的制造精度(球度，同轴度和圆度)大于1μm。也有许多人提出一些新的加工工艺，例如：化学机械抛光、磁场辅助抛光、超声波辅助抛光、剪切增稠抛光、磁性磨粒抛光等非传统光整加工技术，但由于设备和技术的不成熟，这些抛光工艺并没有得到广泛的开发。
基于上述原因，本发明自主研发了一种超精密磨削，超声辅助加工和激光辅助加工为一体的数控自动化设备。
发明内容
根据上述提出的传统磨削加工方式产生的应力会对半球陀螺谐振子的性能造成很大的影响，非传统光整加工技术于设备和技术的不成熟，这些抛光工艺并没有得到广泛的开发的技术问题，而提供一种石英半球谐振子激光和超声辅助磨削制造装备及其方法。本发明主要通过采用陶瓷结合剂掺杂氧化铈的金刚石砂轮作为磨削石英半球谐振子的球形磨头，磨头杆通过超声波换能器和变幅器与气浮主轴连接实现超声辅助加工，磨削过程中采用CO2激光束实现激光辅助加工，从而利用超声振动辅助和激光辅助实现谐振子的磨削、精密磨削和超精密磨削。
本发明采用的技术手段如下：
一种石英半球谐振子激光和超声辅助磨削制造装备，包括：数控微纳移动旋转工作台以及安装在数控微纳移动旋转工作台上的磨削装置和激光辅助加工装置，谐振子固定装夹在数控微纳移动旋转工作台上，绕微纳移动旋转工作台(5)的Z轴进行回转，并进行连续圆周进给运动，沿Z轴前后移动；磨削装置沿其C轴旋转以及沿C轴前后移动，对谐振子上不同区域进行超声振动辅助磨削加工，激光辅助加工装置与C轴成一定的偏角，对谐振子上即将加工表面进行辅助加热，利用超声振动辅助和激光辅助实现谐振子的磨削、精密磨削和超精密磨削。
进一步地，所述数控微纳移动旋转工作台上采用气浮主轴；所述磨削装置包括球形磨头、磨头杆和超声椭圆振动换能器，球形磨头设置在磨头杆的端部，磨头杆通过变幅杆和超声椭圆振动换能器与气浮主轴连接，实现超声振动辅助加工；
超声椭圆振动换能器采用两弯曲振动相互叠加的形式产生超声椭圆振动，使球形磨头在相切于球形磨头加工平面内产生椭圆振动，实现球形磨头以超声椭圆振动切削的形式对进行谐振子磨削加工；通过调节驱动电压的高低和相位差，实现椭圆振动的形状和振幅的调节；
球形磨头的轴向振动频率为24～25kHz，振动幅度为5～6μm。
进一步地，所述磨削装置沿C轴旋转0°～180°，沿C轴前后移动，旋转精度小于0.001°；C轴为磨头杆的中心轴；
C轴对应转角在-90°～90°范围内，C轴对应转角为磨削时磨头杆中心轴与谐振子中心线间的夹角；根据球形磨头加工谐振子区域的不同改变角度：加工谐振子内杆ABC段时，C轴对应转角为0°～20°；加工谐振子内表面CD段时，C轴对应转角为20°～45°；加工谐振子内表面DE段时，C轴对应转角为0°～20°；加工谐振子端面EE1段时，C轴对应转角为30°～50°；加工谐振子外表面E1D1段时，C轴对应转角为-35°～-50°；加工谐振子外表面C1D1段时，C轴对应转角为-50°～-90°；加工谐振子外杆C1F段时，C轴对应转角为-80°～-90°。
进一步地，所述球形磨头采用陶瓷结合剂掺杂氧化铈的超细金刚石砂轮，采用氧化铝作为陶瓷结合剂，金刚石砂轮中掺杂的氧化铈的质量百分数为20％～25％，金刚石砂轮粒度为3000～4000#、5000～7000#和8000～10000#，根据磨削工艺更换不同粒度的金刚石砂轮。
进一步地，所述气浮主轴的移动精度小于0.1μm，转动精度小于0.001°。
进一步地，所述激光辅助加工装置采用CO2激光发生器，CO2激光发生器的激光头与磨头杆安装有一段距离和角度，与球形磨头杆形成一定的偏角，激光功率为900～1200W，光斑半径为1.5～2mm，脉冲占空比为40％～50％，激光强度根据工艺过程进行调节。
本发明还提供了一种使用石英半球谐振子激光和超声辅助磨削制造装备制造石英半球谐振子的方法，包括如下步骤：
步骤一：将石英半球谐振子安装在数控微纳移动旋转工作台上，粗磨时采用直径为5mm的球形磨头，该球形磨头是陶瓷结合剂掺杂氧化铈的金刚石砂轮，金刚石砂轮粒度为3000～4000#，粗磨时磨削深度为5～15μm，转速为20～25m/s，进给速度0.1～0.15μm/r；谐振子有一定的圆周进给速度；
步骤二：用数控编程的方式实现轨迹法对谐振子的内半球、内杆和外半球、外杆先后进行磨削和精密磨削，球形磨头的磨削点绕加工曲面包络进行插补运动，谐振子内外杆采取直线插补，半圆曲面根据曲率采用圆弧插补，最后进行端面磨削；磨削过程中，首先使用激光头发射的激光束对谐振子即将加工表面辅助加热，激光束与C轴成一定的偏角，辅助加热时间为1-3s，在激光辅助加热的一定时间内，接着球形磨头接触谐振子表面进行单点磨削，球形磨头磨削轨迹与激光加热轨迹一致，磨削过程中磨头杆通过变幅杆和超声椭圆振动换能器与气浮主轴连接产生超声椭圆振动，实现超声振动辅助磨削；球形磨头的振动频率为24～25kHz，振动幅度为5～6μm；采用CO2激光发生器发射激光束，激光功率为900～1200W，光斑半径为1.5～2mm，脉冲占空比为40％～50％；磨削时磨头杆与谐振子中心线的角度随着磨削区域而改变，加工谐振子内杆ABC段时，角度为0°～20°，加工谐振子内表面CD段时，角度为20°～45°，加工DE段时，角度为0°～20°，加工EE1段时，角度为30°～50°，加工外表面E1D1段时，角度为-35°～-50°，加工C1D1段时，角度为-50°～-90°，加工C1F段时，角度为-80°～-90°；
步骤三：进行精密磨削：采用直径为5mm的球形磨头，该球形磨头是陶瓷结合剂掺杂氧化铈的金刚石砂轮，金刚石砂轮粒度为6000～7000#砂轮；磨削深度为1～4μm，转速为8～15m/s，进给量为0.5～0.8μm/r，磨削方式与粗磨相同，超声振动和激光辅助加热方式和粗磨相同，砂轮振动频率和振幅、激光功率加热时间都有所降低；
步骤三：进行超精密磨削：采用直径为5mm的球形磨头，金刚石砂轮换为8000～10000#粒度掺杂氧化铈的陶瓷结合剂超细金刚石砂轮，砂轮磨削深度为0.1～0.5μm，转速为6～12m/s，进给量为0.05～0.2μm/r；超精密磨削的步骤和精密磨削基本相同，谐振子圆周进给速度降低，超声振动和激光辅助加工都关闭；
步骤四：进行在线检测和修整：加工完成的石英半球谐振子无需卸载，使用激光轮廓测量仪对其进行原位测量；对检测结果进行分析，对超出加工允许误差范围进行单点磨削，直至加工精度满足加工要求；
步骤五：所有工序加工完成，卸载工件。
进一步地，加工后的谐振子达到表面粗糙度和面形小于0.1μm，圆度、圆柱度均小于0.5μm。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的石英半球谐振子激光和超声辅助磨削制造装备及其方法，磨削石英半球谐振子采用的球形磨头是陶瓷结合剂掺杂氧化铈的金刚石砂轮，磨头杆通过超声波换能器和变幅器与气浮主轴连接实现超声辅助加工，磨削过程中采用CO2激光束实现激光辅助加工。
2、本发明提供的石英半球谐振子激光和超声辅助磨削制造装备及其方法，可以实现一次装夹，完成磨削、精密磨削和超精密磨削等几道工序，同时进行超声辅助加工和激光辅助加工，涉及到从宏观的材料去除到微观的纳米材料加工，实现半球陀螺宏微纳一体化制造加工，使谐振子达到表面粗糙度和面形小于0.1μm，圆度、圆柱度均小于0.5μm。
综上，应用本发明的技术方案能够解决现有技术中的传统磨削加工方式产生的应力会对半球陀螺谐振子的性能造成很大的影响，非传统光整加工技术于设备和技术的不成熟，这些抛光工艺并没有得到广泛的开发的问题。
基于上述理由本发明可在超精密零件制造等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明工作状态下的结构示意图。
图2为石英半球谐振子的结构示意图。
图中：1、谐振子；2、球形磨头；3、磨头杆；4、超声椭圆振动换能器；5、数控微纳移动旋转工作台；6、磨削装置；7、激光辅助加工装置；7-1、激光头；7-2、CO2激光发生器；8、气浮主轴。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
现有技术中，精密球面加工通常可分为成型法、球面轨迹法和范成法。成型法即用仿形球面铣削加工，凹球面用凸球托，凸球面用凹球托，适于单件小批量加工，其加工方法直观简单，精度低、效率低、成本高且成品率较低；球面轨迹法是采用数控单点接触磨削，但受数控机床加工精度的制约，加工精度较低；范成法又分为成型刀具磨头铣磨球法、成型刀具磨头展成法和成型磨头弹性球面展成法(即范成法球面弹性展成法)。成型刀具磨头铣磨球法与球面轨迹法类似，是数控机床磨削的常用方法，其同样受机床精密度限制，加工精度约为10μm；成型刀具磨头展成法与成型刀具磨头铣磨球法相比较，增加了磨头绕球心的摆动(如球面车床、球面磨床)，效率高，但受机床精密度限制，加工精度约为3μm。
为解决现有技术存在的问题，如图1-2所示，本发明提供了一种石英半球谐振子激光和超声辅助磨削制造装备，该设备在原有自主研发的数控机床基础进行改造。装备包括：数控微纳移动旋转工作台5、磨削装置6、激光辅助加工装置7等，激光辅助加工装置7安装在磨削装置6另一侧，与磨削装置6的球形磨头杆3形成一定的偏角，整个装置由数控程序控制完成自动化工作。本装备可以实现一次装夹，完成磨削、精密磨削和超精密磨削等几道工序，同时进行超声辅助加工和激光辅助加工，涉及到从宏观的材料去除到微观的纳米材料加工，实现半球陀螺宏微纳一体化制造加工，使谐振子达到表面粗糙度和面形小于0.1μm，圆度、圆柱度均小于0.5μm。
1、数控微纳移动旋转工作台5：工作台上装夹的谐振子1可以实现绕数控微纳移动旋转工作台5的Z轴回转，实现谐振子连续圆周进给运动，可沿Z轴前后移动。数控微纳移动旋转工作台5主轴采用高精度的气浮主轴8，精确度高，灵敏性好。移动精度应小于0.1μm，转动精度应小于0.001°。
2、磨削装置6：包括球形磨头2、磨头杆3和超声椭圆振动换能器4。磨削装置6可以沿C轴(磨头杆3的中心轴)旋转0°～180°，沿C轴前后移动，旋转精度应小于0.001°。旋转轴C轴对应转角在-90°～90°范围内，C轴对应转角为磨削时磨头杆3中心轴与谐振子中心线间的夹角；根据球形磨头2加工谐振子区域的不同改变角度，谐振子内杆ABC段为0°～20°，谐振子内表面CD段为20°～45°，DE段为0°～20°，EE1段为30°～50°，外表面E1D1段为-35°～-50°，C1D1段为-50°～-90°，C1F段为-80°～-90°。
3、球形磨头2：球形磨头2采用氧化铝陶瓷结合剂掺杂氧化铈的超细金刚石砂轮，用氧化铝作为陶瓷结合剂，砂轮中掺杂的氧化铈的质量百分数为20％～25％，金刚石砂轮粒度为3000～4000#、5000～7000#、8000～10000#，根据磨削工艺更换不同粒度的砂轮，磨头杆3由气浮主轴8驱动。
4、超声椭圆振动换能器4：球形磨头2安装在数控微纳移动旋转工作台5上，将以超声椭圆振动切削的形式进行磨削加工，磨头杆3通过变幅杆和超声椭圆振动换能器4与气浮主轴8连接，砂轮的轴向振动频率为24～25kHz，振动幅度为5～6μm。超声椭圆振动换能器4采用两弯曲振动相互叠加的形式产生超声椭圆振动，球形磨头2在相切于球形磨头2加工平面内产生椭圆振动。通过调节驱动电压的高低和相位差，实现椭圆振动的形状和振幅的调节。
5、激光辅助加工装置7：采用CO2激光发生器7-2，CO2激光发生器7-2的激光头7-1与磨头杆3安装有一段距离和角度，激光功率为900～1200W，光斑半径为1.5～2mm，脉冲占空比为40％～50％，激光强度根据工艺过程进行调节。
实施例2
在实施例1的基础上，本发明还提供了一种使用石英半球谐振子激光和超声辅助磨削制造装备制造石英半球谐振子的方法，包括如下步骤：
步骤一：将石英半球谐振子1安装在数控微纳移动旋转工作台5上，粗磨时采用直径为5mm的球形磨头2，该磨头是陶瓷结合剂掺杂氧化铈的金刚石砂轮，金刚石砂轮粒度为3000～4000#，粗磨时磨削深度为5～15μm，转速为20～25m/s，进给速度0.1～0.15μm/r。谐振子有一定的圆周进给速度。
步骤二：用数控编程的方式实现轨迹法对谐振子1的内半球、内杆和外半球、外杆先后进行磨削和精密磨削，球形磨头2的磨削点绕加工曲面包络进行插补运动，谐振子1内外杆采取直线插补，半圆曲面根据曲率采用圆弧插补，最后进行端面磨削。磨削过程中，首先使用激光头7-1发射的激光束对谐振子1即将加工表面辅助加热，激光束与C轴成一定的偏角，辅助加热时间为1-3s，在激光辅助加热的一定时间内，接着球形磨头2接触谐振子1表面进行单点磨削，球形磨头2磨削轨迹与激光加热轨迹一致，磨削过程中磨头杆3通过变幅杆和超声椭圆振动换能器4与气浮主轴8连接产生超声椭圆振动，实现超声振动辅助磨削。球形磨头2的振动频率为24～25kHz，振动幅度为5～6μm；采用CO2激光发生器7-2发射激光束，激光功率为900～1200W，光斑半径为1.5～2mm，脉冲占空比为40％～50％。磨削时磨头杆3与谐振子1中心线的角度随着磨削区域而改变，加工谐振子1内杆ABC段时，角度为0°～20°，加工谐振子1内表面CD段时，角度为20°～45°，加工DE段时，角度为0°～20°，加工EE1段时，角度为30°～50°，加工外表面E1D1段时，角度为-35°～-50°，加工C1D1段时，角度为-50°～-90°，加工C1F段时，角度为-80°～-90°。
步骤三：然后进行精密磨削，采用直径为5mm的球形磨头2，该磨头是陶瓷结合剂掺杂氧化铈的金刚石砂轮，金刚石砂轮粒度为6000～7000#砂轮。磨削深度为1～4μm，转速为8～15m/s，进给量为0.5～0.8μm/r，磨削方式与粗磨相同，超声振动和激光辅助加热方式和粗磨相同，砂轮振动频率和振幅、激光功率加热时间都有所降低。
步骤三：最后进行超精密磨削，采用直径为5mm的球形磨头2，金刚石砂轮换为8000～10000#粒度掺杂氧化铈的陶瓷结合剂超细金刚石砂轮，砂轮磨削深度为0.1～0.5μm，转速为6～12m/s，进给量为0.05～0.2μm/r。超精密磨削的步骤和精密磨削基本相同，谐振子1圆周进给速度降低，超声振动和激光辅助加工都关闭。
步骤四：进行在线检测和修整。将加工完成的石英半球谐振子1无需卸载，使用激光轮廓测量仪对其进行原位测量。对检测结果进行分析，对超出加工允许误差范围进行单点磨削，直至加工精度满足加工要求；
步骤五：所有工序加工完成，卸载工件。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种石英半球谐振子激光和超声辅助磨削制造装备，其特征在于，包括：数控微纳移动旋转工作台(5)以及安装在数控微纳移动旋转工作台(5)上的磨削装置(6)和激光辅助加工装置(7)，谐振子(1)固定装夹在数控微纳移动旋转工作台(5)上，绕微纳移动旋转工作台(5)的Z轴进行回转，并进行连续圆周进给运动，沿Z轴前后移动；磨削装置(6)其沿C轴旋转以及沿C轴前后移动，对谐振子(1)上不同区域进行超声振动辅助磨削加工，激光辅助加工装置(7)与C轴成一定的偏角，对谐振子(1)上即将加工表面进行辅助加热，利用超声振动辅助和激光辅助实现谐振子(1)的磨削、精密磨削和超精密磨削。
2.根据权利要求1所述的石英半球谐振子激光和超声辅助磨削制造装备，其特征在于，所述数控微纳移动旋转工作台(5)上采用气浮主轴(8)；所述磨削装置(6)包括球形磨头(2)、磨头杆(3)和超声椭圆振动换能器(4)，球形磨头(2)设置在磨头杆(3)的端部，磨头杆(3)通过变幅杆和超声椭圆振动换能器(4)与气浮主轴(8)连接，实现超声振动辅助加工；
超声椭圆振动换能器(4)采用两弯曲振动相互叠加的形式产生超声椭圆振动，使球形磨头(2)在相切于球形磨头(2)加工平面内产生椭圆振动，实现球形磨头(2)以超声椭圆振动切削的形式对进行谐振子(1)磨削加工；通过调节驱动电压的高低和相位差，实现椭圆振动的形状和振幅的调节；
球形磨头(2)的轴向振动频率为24～25kHz，振动幅度为5～6μm。
3.根据权利要求2所述的石英半球谐振子激光和超声辅助磨削制造装备，其特征在于，所述磨削装置(6)沿C轴旋转0°～180°，沿C轴前后移动，旋转精度小于0.001°；C轴为磨头杆(3)的中心轴；
C轴对应转角在-90°～90°范围内，C轴对应转角为磨削时磨头杆(3)中心轴与谐振子中心线间的夹角；根据球形磨头(2)加工谐振子(1)区域的不同改变角度：加工谐振子(1)内杆ABC段时，C轴对应转角为0°～20°；加工谐振子(1)内表面CD段时，C轴对应转角为20°～45°；加工谐振子(1)内表面DE段时，C轴对应转角为0°～20°；加工谐振子(1)端面EE1段时，C轴对应转角为30°～50°；加工谐振子(1)外表面E1D1段时，C轴对应转角为-35°～-50°；加工谐振子(1)外表面C1D1段时，C轴对应转角为-50°～-90°；加工谐振子(1)外杆C1F段时，C轴对应转角为-80°～-90°。
4.根据权利要求2或3所述的石英半球谐振子激光和超声辅助磨削制造装备，其特征在于，所述球形磨头(2)采用陶瓷结合剂掺杂氧化铈的超细金刚石砂轮，采用氧化铝作为陶瓷结合剂，金刚石砂轮中掺杂的氧化铈的质量百分数为20％～25％，金刚石砂轮粒度为3000～4000#、5000～7000#和8000～10000#，根据磨削工艺更换不同粒度的金刚石砂轮。
5.根据权利要求2或3所述的石英半球谐振子激光和超声辅助磨削制造装备，其特征在于，所述气浮主轴(8)的移动精度小于0.1μm，转动精度小于0.001°。
6.根据权利要求3所述的石英半球谐振子激光和超声辅助磨削制造装备，其特征在于，所述激光辅助加工装置(7)采用CO2激光发生器(7-2)，CO2激光发生器(7-2)的激光头(7-1)与磨头杆(3)安装有一段距离和角度，与球形磨头(2)杆形成一定的偏角，激光功率为900～1200W，光斑半径为1.5～2mm，脉冲占空比为40％～50％，激光强度根据工艺过程进行调节。
7.一种使用权利要求1-6任意一项权利要求所述的石英半球谐振子激光和超声辅助磨削制造装备制造石英半球谐振子的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将石英半球谐振子(1)安装在数控微纳移动旋转工作台(5)上，粗磨时采用直径为5mm的球形磨头(2)，该球形磨头(2)是陶瓷结合剂掺杂氧化铈的金刚石砂轮，金刚石砂轮粒度为3000～4000#，粗磨时磨削深度为5～15μm，转速为20～25m/s，进给速度0.1～0.15μm/r；谐振子(1)有一定的圆周进给速度；
步骤二：用数控编程的方式实现轨迹法对谐振子(1)的内半球、内杆和外半球、外杆先后进行磨削和精密磨削，球形磨头(2)的磨削点绕加工曲面包络进行插补运动，谐振子(1)内外杆采取直线插补，半圆曲面根据曲率采用圆弧插补，最后进行端面磨削；磨削过程中，首先使用激光头(7-1)发射的激光束对谐振子(1)即将加工表面辅助加热，激光束与C轴成一定的偏角，辅助加热时间为1-3s，在激光辅助加热的一定时间内，接着球形磨头(2)接触谐振子(1)表面进行单点磨削，球形磨头(2)磨削轨迹与激光加热轨迹一致，磨削过程中磨头杆(3)通过变幅杆和超声椭圆振动换能器(4)与气浮主轴(8)连接产生超声椭圆振动，实现超声振动辅助磨削；球形磨头(2)的振动频率为24～25kHz，振动幅度为5～6μm；采用CO2激光发生器(7-2)发射激光束，激光功率为900～1200W，光斑半径为1.5～2mm，脉冲占空比为40％～50％；磨削时磨头杆(3)与谐振子(1)中心线的角度随着磨削区域而改变，加工谐振子(1)内杆ABC段时，角度为0°～20°，加工谐振子(1)内表面CD段时，角度为20°～45°，加工DE段时，角度为0°～20°，加工EE1段时，角度为30°～50°，加工外表面E1D1段时，角度为-35°～-50°，加工C1D1段时，角度为-50°～-90°，加工C1F段时，角度为-80°～-90°；
步骤三：进行精密磨削：采用直径为5mm的球形磨头(2)，该球形磨头(2)是陶瓷结合剂掺杂氧化铈的金刚石砂轮，金刚石砂轮粒度为6000～7000#砂轮；磨削深度为1～4μm，转速为8～15m/s，进给量为0.5～0.8μm/r，磨削方式与粗磨相同，超声振动和激光辅助加热方式和粗磨相同，砂轮振动频率和振幅、激光功率加热时间都有所降低；
步骤三：进行超精密磨削：采用直径为5mm的球形磨头(2)，金刚石砂轮换为8000～10000#粒度掺杂氧化铈的陶瓷结合剂超细金刚石砂轮，砂轮磨削深度为0.1～0.5μm，转速为6～12m/s，进给量为0.05～0.2μm/r；超精密磨削的步骤和精密磨削基本相同，谐振子(1)圆周进给速度降低，超声振动和激光辅助加工都关闭；
步骤四：进行在线检测和修整：加工完成的石英半球谐振子(1)无需卸载，使用激光轮廓测量仪对其进行原位测量；对检测结果进行分析，对超出加工允许误差范围进行单点磨削，直至加工精度满足加工要求；
步骤五：所有工序加工完成，卸载工件。
8.根据权利要求7所述的使用石英半球谐振子激光和超声辅助磨削制造装备制造石英半球谐振子的方法，其特征在于，加工后的谐振子(1)达到表面粗糙度和面形小于0.1μm，圆度、圆柱度均小于0.5μm。
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