CN114226963A - 一种关节轴承球面激光微加工装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种关节轴承球面激光微加工装置及方法，包括机床床身、夹具机构、主轴轴系、框架机构、Y轴旋转机构、激光发射机构和控制系统，夹具机构通过连接器连接主轴轴系，框架机构上安装有主轴轴系，框架机构和激光发射机构分别安装在工作台上，主轴轴系和Y轴旋转机构的旋转轴线与激光束垂直相交于欲加工关节轴承内圈的球心；该一种关节轴承球面激光微加工装置及方法，手动调整至中心位置后启动电磁铁即可夹紧，在主轴电机和Y轴电机的配合下完成关节轴承球面工件姿态调整，即可自动进行关节轴承内圈外球面的微加工，此装置结构简单，针对性强，装夹简单，完成了需要使用普通五轴机床才能进行的关节轴承球面加工的问题。
Description
技术领域
本发明涉及精密加工设备技术领域，具体为一种关节轴承球面激光微加工装置及方法。
背景技术
对于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(三直线轴和一旋转轴)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。
现有技术存在以下缺陷或问题：
中国发明申请CN201610495238.5名称为《一种带微织构的航空关节轴承及其制造方法》公开了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，加工微织构的精度有限。
申请号为CN201520632489.4名称为《三维曲面激光打标机》公开了一种适用于三维曲面的打标装置，包括弧形机架及旋转升降台，工件放置在选装升降台上，激光发射头安装在弧形机架上，可沿弧形机架移动。该装置的打标范围有限，若需要工件各表面都加工，则需要多次装夹。此外高强度激光加工时，激光发射装置的移动易影响加工效果。
申请号为CN201620630905.1名称为《一种曲面激光打标装置》公开了一种适用于曲面的打标装置，其通过工控机控制升降平台在X、Y方向移动，激光器及振镜安装在升降平台上，工件通过夹具固定并可在弧形加工平台上，可沿弧面移动。改装置在进行曲面打标时，针对不同的曲面需要更改弧形加工平台的弧度，不具备通用性。且打标时只能打标单一表面，夹具本身不可转动。
申请号为CN201810698636.6名称为《一种大型复杂曲面动态聚焦激光加工方法及系统》公开了一种复杂曲面的激光加工装置及方法。该装置包括X、Y、Z轴、旋转轴、摆动轴及维动态聚焦振镜扫描组件。其依据激光扫描范围及激光焦点可调范围对复杂曲面进行分片-分块-分层处理现大型复杂曲面动态聚焦激光加工。该装置可实现复杂曲面的激光加工，但机构复杂，造价昂贵。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种关节轴承球面激光微加工装置及方法，以解决背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种关节轴承表面激光微加工装置，包括机床床身、夹具机构、主轴轴系、框架机构、Y轴旋转机构、激光发射机构和控制系统，所述夹具机构通过连接器连接主轴轴系，所述框架机构上安装有主轴轴系，所述框架机构和激光发射机构分别安装在工作台上，所述主轴轴系和Y轴旋转机构的旋转轴线与激光束垂直相交于欲加工关节轴承内圈的球心，所述控制系统分别与夹具机构、主轴轴系、Y轴旋转机构、激光发射机构相连接。
作为本发明的优选技术方案，所述机床床身包括工作台、支架、脚垫，所述支架分别安装在工作台的四个角
作为本发明的优选技术方案，所述夹具机构包括连接器、电磁铁、圆螺母、夹具、螺钉，所述夹具通过螺钉与连接器固定，所述夹具的表面分别设置有螺纹和刻度槽。
作为本发明的优选技术方案，所述主轴轴系包括主轴伺服电机、轴承座、角接触轴承、减速器、第一联轴器、锁紧螺母、主轴、调整垫片，所述主轴伺服电机、轴承座、减速器分别安装在框架上，所述主轴伺服电机与减速器相连接，所述减速器输出轴通过第一联轴器与主轴相连接，所述调整垫片设置在主轴与夹具机构的连接器之间。
作为本发明的优选技术方案，所述框架机构包括框架、配重、支撑架、轴承，所述框架中间位置设置有两个支撑传动轴，所述主轴轴系和配重分别位于框架的两端。
作为本发明的优选技术方案，所述Y轴旋转机构包括Y轴伺服电机、蜗轮蜗杆减速器、第二联轴器，所述Y轴伺服电机与蜗轮蜗杆减速器相相连，所述蜗轮蜗杆减速器通过第二联轴器与框架的支撑传动轴相连接。
作为本发明的优选技术方案，所述激光发射机构包括激光器升降立柱、手轮、丝杠、激光头安装支架、激光头，所述激光器升降立柱安装在工作台上，所述激光器升降立柱内部装有丝杠，所述丝杠顶端与手轮连接，所述激光头安装在激光头安装支架上
一种关节轴承表面激光微加工装置及方法，包括以下步骤：
确定夹具型号：根据关节轴承型号从夹具系中选用合适的大小的夹具，通过螺钉将夹具固定到连接器上。
装夹：将关节轴承安装到夹具上，根据关节轴承的宽度，对应夹具刻度槽内的刻度，计算对应的偏移量，旋转圆螺母使激光束位于关节轴承外表面中心位置，打开电磁铁开关，固定关节轴承。
初始对焦：打开激光发射机构的激光器，激光器发出指示光，转动激光发射机构的手轮，调整激光焦点。
参数输入：根据不同的微形貌，选择不同的激光微加工程序。激光点阵加工模式下，所述控制系统中输入圈数、圆周密度、轴向距离、重复次数、激光加工功率、频率进行激光点阵加工。
左半球加工：初始状态下框架机构处于水平状态，控制系统控制主轴伺服电机旋转使关节轴承开始旋转，同时激光发射机构出光进行左半球第一圈点阵加工。达到指定重复次数后，控制系统控制Y轴旋转机构使框架顺时针旋转一定角度，进行左半球第二圈激光点阵加工，达到指定加工圈数后返回初始加工状态。
右半球加工：控制系统控制主轴伺服电机旋转使关节轴承开始旋转，同时激光发射机构出光进行右半球第一圈点阵加工。达到指定重复次数后，控制系统控制Y轴旋转机构使框架逆时针旋转一定角度，进行右半球第二圈激光点阵加工，达到指定加工圈数后返回初始加工状态
与现有技术相比，本发明提供了一种关节轴承球面激光微加工装置及方法，具备以下有益效果：
1、该一种关节轴承球面激光微加工装置及方法，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关节轴承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、该一种关节轴承球面激光微加工装置及方法，通过夹具表面设置有螺纹和刻度槽，可通过圆螺母调节工件位置进行工件对中，且夹具通过电磁铁对工件进行夹紧固定，方便快捷；
3、该一种关节轴承球面激光微加工装置及方法，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
图1是本发明关节轴承表面激光微加工装置的结构示意图；
图2是本发明关节轴承表面激光微加工装置的主轴轴系示意图；
图3是本发明关节轴承表面激光微加工装置的主轴轴系A-A向剖视图。
图中：101、工作台；102、支架；103、脚垫；201、主轴伺服电机；202、轴承座；203、减速器；204、第一联轴器；205、锁紧螺母；206、主轴；207、调整垫片；208、连接器；209、电磁铁；210、圆螺母；211、夹具；212、螺钉；213、角接触轴承；301、框架；302、配重；303、支撑架；304、轴承；401、Y轴伺服电机；402、蜗轮蜗杆减速器；403、第二联轴器；501、激光器升降立柱；502、手轮；503、丝杠；504、激光头安装支架；505、激光头。
具体实施方式
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。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。
请参阅图1-3，本实施方案中：一种关节轴承表面激光微加工装置，包括机床床身、夹具机构、主轴轴系、框架机构、Y轴旋转机构、激光发射机构和控制系统，夹具机构通过连接器208连接主轴轴系，实现旋转动作，框架机构上安装有主轴轴系，框架机构由Y轴旋转机构带动实现Y向转动，框架机构和激光发射机构分别安装在工作台101上，通过手轮502调节激光头505的位置实现调焦，框架机构通过安装在工作台101上的支撑架303支撑传动，主轴轴系和Y轴旋转机构的旋转轴线与激光束垂直相交于欲加工关节轴承内圈的球心，控制系统分别与夹具机构、主轴轴系、Y轴旋转机构、激光发射机构相连接。
本实施例中，机床床身包括工作台101、支架102、脚垫103，支架102分别安装在工作台101的四个角，支架102底部安装脚垫103以调节工作台101保证水平度。夹具机构包括连接器208、电磁铁209、圆螺母210、夹具211、螺钉212，夹具211通过螺钉212与连接器208固定，可根据不同关节轴承型号进行更换，夹具211的表面分别设置有螺纹和刻度槽，旋转圆螺母210即可将关节轴承调整中心至激光束位置，电磁铁209用来夹紧工件。主轴轴系包括主轴伺服电机201、轴承座202、角接触轴承213、减速器203、第一联轴器204、锁紧螺母205、主轴206、调整垫片207，主轴伺服电机201、轴承座202、减速器203分别安装在框架301上，主轴伺服电机201与减速器203相连接，减速器203输出轴通过第一联轴器204与主轴206相连接，主轴206通过轴承座202内的一对角接触轴承213支撑传动，锁紧螺母205实现角接触轴承213的固定，调整垫片207设置在主轴206与夹具机构的连接器208之间。框架机构包括框架301、配重302、支撑架303、轴承304，框架301中间位置设置有两个支撑传动轴，由支撑架303顶部的轴承支撑传动，主轴轴系和配重302分别位于框架301支撑传动轴两侧对称位置，降低轴上扭矩对电机的负载。Y轴旋转机构包括Y轴伺服电机401、蜗轮蜗杆减速器402、第二联轴器403，Y轴伺服电机401与蜗轮蜗杆减速器402相相连，蜗轮蜗杆减速器402通过第二联轴器403与框架301的支撑传动轴相连接，蜗轮蜗杆减速器402通过第二联轴器403连接框架301的支撑传动轴。激光发射机构包括激光器升降立柱501、手轮502、丝杠503、激光头安装支架504、激光头505，激光器升降立柱501安装在工作台101上，激光器升降立柱501内部装有丝杠503，丝杠503顶端与手轮502连接，激光头安装支架504可在丝杠503带动在进行上下移动激光头505安装在激光头安装支架504上，框架301在初始状态应处于水平状态，在Y轴旋转机构带动下可实现+45°～-45°的摆动，激光器为皮秒激光器或飞秒激光器，选用皮秒光纤激光器，激光波长1064nm，最大输出功率50w，重复频率0-10MHZ，控制系统是基于单片机或工控机或其他控制器，通过上位机软件控制电机动作和激光发射装置，完成对关节轴承内圈外球面的微加工。
一种关节轴承表面激光微加工装置及方法，将关节轴承装夹至夹具211上，调整其位置并夹紧，控制系统控制主轴伺服电机201、Y轴伺服电机401和激光头505配合下完成相应动作，实现关节轴承表面激光微加工。
方法具体包括以下步骤：
确定夹具型号：根据关节轴承型号从夹具系中选用合适的大小的夹具211，通过螺钉212将夹具211固定到连接器208上。
装夹：将关节轴承安装到夹具211上，根据关节轴承的宽度，对应夹具刻度槽内的刻度，计算对应的偏移量，旋转圆螺母210使激光束位于关节轴承外表面中心位置，打开电磁铁209开关，固定关节轴承。
初始对焦：打开激光发射机构的激光器，激光头505发出指示光，转动激光发射机构的手轮502，调整激光焦点。
参数输入：根据不同的微形貌，选择不同的激光微加工程序。激光点阵加工模式下，所述控制系统中输入圈数、圆周密度、轴向距离、重复次数、激光加工功率、频率进行激光点阵加工。
左半球加工：初始状态下框架机构处于水平状态，控制系统控制主轴伺服电机201旋转使关节轴承开始旋转，同时激光发射机构的激光头505出光进行左半球第一圈点阵加工。达到指定重复次数后，控制系统控制Y轴旋转机构的Y轴伺服电机401使框架顺时针旋转一定角度，进行左半球第二圈激光点阵加工，达到指定加工圈数后返回初始加工状态。
右半球加工：控制系统控制Y轴旋转机构的Y轴伺服电机401使框架逆时针旋转一定角度，控制系统控制主轴伺服电机201旋转使关节轴承开始旋转，同时激光发射机构的激光头505出光进行右半球第一圈点阵加工。达到指定重复次数后，控制系统控制Y轴旋转机构的Y轴伺服电机401使框架逆时针旋转一定角度，进行右半球第二圈激光点阵加工，达到指定加工圈数后返回初始加工状态。
实施例1：
以内圈内径30mm，外径47mm，宽度22mm的GE30C关节轴承为实施实例，通过激光加工左半球、右半球完成激光微加工。
第一步，确定夹具型号：根据关节轴承内径30mm，从夹具系中选用合适的大小的夹具211，通过螺钉212将夹具211固定到连接器208上。
第二步，装夹：将关节轴承安装到夹具211上，关节轴承宽度22mm，主轴、Y轴旋转机构的旋转轴线和激光束的交点位于刻度为3cm处，因此计算出调整偏移量为19mm，旋转圆螺母210使激光束位于关节轴承右侧边缘位于刻度44mm处，打开电磁铁209开关，固定关节轴承。
初始对焦：打开激光发射机构的激光器，激光头505发出指示光，转动激光发射机构的手轮502，调整激光焦点位于关节轴承表面。
参数输入：激光点阵加工模式下，所述控制系统中输入圈数、圆周密度、轴向距离、重复次数、激光加工功率、频率进行激光点阵加工。
左半球加工：初始状态下框架机构处于水平状态，控制系统控制主轴伺服电机201旋转使关节轴承开始旋转，同时激光发射机构的激光头505出光进行左半球第一圈点阵加工。达到指定重复次数后，控制系统控制Y轴旋转机构的Y轴伺服电机401使框架顺时针旋转一定角度，进行左半球第二圈激光点阵加工，达到指定加工圈数后返回初始加工状态。
右半球加工：控制系统控制Y轴旋转机构的Y轴伺服电机401使框架逆时针旋转一定角度，主轴伺服电机201旋转使关节轴承开始旋转，同时激光发射机构的激光头505出光进行右半球第一圈点阵加工。达到指定重复次数后，控制系统控制Y轴旋转机构的Y轴伺服电机401使框架逆时针旋转一定角度，进行右半球第二圈激光点阵加工，达到指定加工圈数后返回初始加工状态。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种关节轴承表面激光微加工装置，其特征在于：包括机床床身、夹具机构、主轴轴系、框架机构、Y轴旋转机构、激光发射机构和控制系统，所述夹具机构通过连接器(208)连接主轴轴系，所述框架机构上安装有主轴轴系，所述框架机构和激光发射机构分别安装在工作台(101)上，所述主轴轴系和Y轴旋转机构的旋转轴线与激光束垂直相交于欲加工关节轴承内圈的球心，所述控制系统分别与夹具机构、主轴轴系、Y轴旋转机构、激光发射机构相连接。
2.根据权利要求1所述的一种关节轴承表面激光微加工装置，其特征在于：所述机床床身包括工作台(101)、支架(103)、脚垫(103)，所述支架(102)分别安装在工作台(101)的四个角。
3.根据权利要求1所述的一种关节轴承表面激光微加工装置，其特征在于：所述夹具机构包括连接器(208)、电磁铁(209)、圆螺母(210)、夹具(211)、螺钉(212)，所述夹具(211)通过螺钉(212)与连接器(208)固定，所述夹具(211)的表面分别设置有螺纹和刻度槽。
4.根据权利要求1所述的一种关节轴承表面激光微加工装置，其特征在于：所述主轴轴系包括主轴伺服电机(201)、轴承座(202)、角接触轴承(213)、减速器(203)、第一联轴器(204)、锁紧螺母(205)、主轴(206)、调整垫片(207)，所述主轴伺服电机(201)、轴承座(202)、减速器(203)分别安装在框架(301)上，所述主轴伺服电机(201)与减速器(203)相连接，所述减速器(203)输出轴通过第一联轴器(204)与主轴(206)相连接，所述调整垫片(207)设置在主轴(201)与夹具机构的连接器(208)之间。
5.根据权利要求1所述的一种关节轴承表面激光微加工装置，其特征在于：所述框架机构包括框架(301)、配重(302)、支撑架(303)、轴承(304)，所述框架(301)中间位置设置有两个支撑传动轴，所述主轴轴系和配重(302)分别位于框架(301)的两端。
6.根据权利要求1所述的一种关节轴承表面激光微加工装置，其特征在于：所述Y轴旋转机构包括Y轴伺服电机(401)、蜗轮蜗杆减速器(402)、第二联轴器(403)，所述Y轴伺服电机(401)与蜗轮蜗杆减速器(402)相相连，所述蜗轮蜗杆减速器(402)通过第二联轴器(403)与框架(301)的支撑传动轴相连接。
7.根据权利要求1所述的一种关节轴承表面激光微加工装置，其特征在于：所述激光发射机构包括激光器升降立柱(501)、手轮(502)、丝杠(503)、激光头安装支架(504)、激光头(505)，所述激光器升降立柱(501)安装在工作台(101)上，所述激光器升降立柱(501)内部装有丝杠(503)，所述丝杠(503)顶端与手轮(502)连接，所述激光头(505)安装在激光头安装支架(504)上。
8.一种根据权利要求1-6任意一项所述的一种关节轴承表面激光微加工装置，其特征在于：根据轴承型号选用合适夹具，将关节轴承内圈装到夹具上并调节其中心位置，控制系统打开电磁铁(209)开关夹紧工件，控制系统控制主轴伺服电机(201)和Y轴伺服电机(401)及激光器按指定工艺进行激光微加工。
9.一种关节轴承球面激光微加工方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
确定夹具型号：根据关节轴承型号从夹具系中选用合适的大小的夹具(211)，通过螺钉(212)将夹具(211)固定到连接器(208)上。
装夹：将关节轴承安装到夹具(211)上，根据关节轴承的宽度，对应夹具刻度槽内的刻度，计算对应的偏移量，旋转圆螺母(210)使激光束位于关节轴承外表面中心位置，打开电磁铁(209)开关，固定关节轴承。
初始对焦：打开激光发射机构的激光器，激光头(505)发出指示光，转动激光发射机构的手轮(502)，调整激光焦点。
参数输入：根据不同的微形貌，选择不同的激光微加工程序。激光点阵加工模式下，所述控制系统中输入圈数、圆周密度、轴向距离、重复次数、激光加工功率、频率进行激光点阵加工。
左半球加工：初始状态下框架机构处于水平状态，控制系统控制主轴伺服电机(201)旋转使关节轴承开始旋转，同时激光发射机构的激光头(505)出光进行左半球第一圈点阵加工。达到指定重复次数后，控制系统控制Y轴旋转机构的Y轴伺服电机(401)使框架顺时针旋转一定角度，进行左半球第二圈激光点阵加工，达到指定加工圈数后返回初始加工状态。
右半球加工：控制系统控制Y轴旋转机构的Y轴伺服电机(401)使框架逆时针旋转一定角度，控制系统控制主轴伺服电机(201)旋转使关节轴承开始旋转，同时激光发射机构的激光头(505)出光进行右半球第一圈点阵加工。达到指定重复次数后，控制系统控制Y轴旋转机构的Y轴伺服电机(401)使框架逆时针旋转一定角度，进行右半球第二圈激光点阵加工，达到指定加工圈数后返回初始加工状态。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN115555703A (zh) * | 2022-10-08 | 2023-01-03 | 巨冈精工(广东)股份有限公司 | 一种双摆头式五轴联动激光加工机床以及加工方法 |
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2021
- 2021-12-31 CN CN202111658764.6A patent/CN114226963A/zh not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115555703A (zh) * | 2022-10-08 | 2023-01-03 | 巨冈精工(广东)股份有限公司 | 一种双摆头式五轴联动激光加工机床以及加工方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20220325 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |