一种用于球体表面激光微造型的装置及其方法与流程

本发明涉及表面微造型领域，尤其涉及到一种用于球体表面激光微造型的装置及其方法。

背景技术：

表面微造型技术就是在摩擦副工作表面进行合适的规则的几何形貌的微观造型,这样可以显著改善摩擦副表面摩擦性能,延长使用寿命,减少能耗。现有在球体表面进行微造型的方法主要是金刚石压刻工艺，即用金刚石工具通过压刻工艺在零件表面制造规则排列的各种微形貌，所加工的表面微细形貌由压印工具表面的形貌决定，但金刚石压印工具制作工艺复杂,成本高,表面金刚石容易脱落破裂。

激光微造型技术利用激光在工件表面进行微细形貌的造型。激光微造型技术的优点是加工速度快,对环境无污染，无刀具磨损，而且可以通过改变激光参数调节微造型的形状和尺寸。中国专利文件CN200810124514.2公开了一种激光表面造型发动机活塞环及其制备方法，该文件在活塞环上、下端面进行激光微造型，即在平面上进行激光微造型，但没有涉及到在球体表面进行激光微造型。中国专利文件CN201310265852.9公开了一种轴承的自润滑处理方法，该文件对轴承表面采取激光微造型处理，但没有涉及到对轴承滚子进行激光微造型处理。

技术实现要素：

本发明为了解决目前难以对球体表面进行微造型处理的问题，提供了一种利用球体表面激光微造型装置及其方法，该装置及其方法可适用于不同大小的球体类工件外表面进行微造型，且微造型的形状、尺寸及深度可控。

本发明的技术方案如下：

一种用于球体表面激光微造型的装置，包括激光器、导光管、激光头、圆柱台和进给与旋转系统；

所述激光器发出激光端与导光管相连接；所述导光管与激光头相垂直，所述激光头包括反射镜和聚焦镜；所述反射镜镜面与聚焦镜成45°，且聚焦镜与导光管平行；所述激光头上端设置有CCD摄像机；所述激光头的正下方设置有圆柱台；

所述圆柱台固定在机床底座上；且以圆柱台为中心四周均布有四个进给与旋转系统；

所述进给与旋转系统包括底座、导轨、U形导轨架、丝杠轴、压力传感器、套筒、第一联轴器、步进电机、第二联轴器、伺服电机、丝杠螺母、支撑架和支撑块；

所述底座上安装有两条相互平行的导轨；所述两条导轨之间设置有丝杠轴；所述丝杠轴两端分别通过支撑架支撑；丝杠轴中间与丝杠螺母相连接；丝杠轴可相对支撑架和丝杠螺母转动；且丝杠轴一端通过第二联轴器与伺服电机相连接；

所述导轨上安装有U形导轨架；所述U形导轨架可以沿导轨移动；所述U形导轨架上端面上安装有支撑块；下端面上固定有丝杠螺母；所述支撑块中心开有孔A，所述套筒安装在孔A内，套筒一端通过第一联轴器与步进电机相连接；另一端端部安装有压力传感器。

进一步的，所述激光器安装在电源箱上。

进一步的，所述圆柱台为T形结构。

进一步的，所述圆柱台上端面中心开设有圆柱槽B。

进一步的，所述圆柱台上端和下端为螺纹连接。

用于球体表面激光微造型的装置的方法，包括如下步骤：

S1、将待加工的球体工件放置在圆柱台上；

S2、使得左右两侧的两个伺服电动机同时转动，通过丝杠轴推动导轨架沿导轨向球体工件所在圆柱台运动，利用压力传感器检测左右两个套筒与球体工件之间夹紧力，当压紧力达到一定数值时，左右两侧的两个伺服电动机停止转动；

S3、当步骤S2中的两个伺服电动机停止转动后，利用CCD摄像机对经过聚集镜聚焦激光束进行对焦，调节激光器输出参数，输出脉冲激光；

S4、控制器输出信号，左右两个步进电动机同时转动，使球体工件下一点转到以球心O为坐标原点的ZOX平面，左右两侧的两个伺服电动机同时转动松开球体工件；

S5、前后两个伺服电动机同时转动，使前后两个套筒夹紧球体工件，然后前后两个步进电动机同时转动，使球体工件下一点转到ZOY平面，然后前后两个伺服电动机同时转动松开球体工件，完成一个工作过程，然后重复上述工作过程，从而在球体工件表面任意位置打出深度可控的微坑。

有益效果：

1.能够适用于不同大小的球体类工件外表面进行微造型，且微造型的形状，尺寸及深度可控。得到的球体零件摩擦系数小，微坑还可以起到贮油的作用，从而降低磨损，延长球体工件的使用寿命。

2.在机床底座上放置4个以圆柱台为中心对称分布的进给与旋转系统，通过4个对称分布的进给与旋转系统的相互配合将球体工件上要加工的点转到激光头的正下方，然后采用CCD摄像机对焦，激光器输出脉冲激光完成加工，通过重复这个过程可以在球体表面任意位置打出深度可控的微坑，从而实现球体表面的激光微造型。

3.解决了激光在球体类工件表面进行微造型的难题，具有加工速度快，效率高而且准确性高等优点。

4.本发明自动化程度高，可加入自动上料和下料系统，容易实现自动化加工，进一步提升效率，降低成本。

5.圆柱台上端和下端为螺纹连接，通过旋转，可以改变圆柱台的高度。

6.圆柱台上端面中心开设有槽B，球形工件可以放置在槽内，起到很好的定位作用。

附图说明

图1为本发明用于球体表面激光微造型的装置的结构示意图；

图2为传动与旋转系统和圆柱台的俯视图；

图3为传动与旋转系统的结构示意图；

图4为传动与旋转系统部分部件的示意图；

图5为激光头内部光路图；

图6为圆柱台示意图；

图7为球体工件微造型效果示意图；

图8为工作流程图。

附图标记如下：

1-电源箱；2-激光器；3-导光管；4-CCD摄像机；5-激光头；6-圆柱台；7-进给与旋转系统；8-机床底座；9-反射镜；10-聚焦镜；11-球形工件；7.1-底座；7.2-导轨；7.3-U形导轨架；7.4-丝杠轴；7.5-压力传感器；7.6-套筒；7.7-第一联轴器；7.8-步进电动机；7.9-第二联轴器；7.10-伺服电动机；7.11-丝杠螺母，7.12-支撑架；7.13-支撑块。

具体实施方式

为对本发明做进一步的描述，现结合附图1至8对本发明的技术方案做进一步的介绍。

一种用于球体表面激光微造型的装置，包括激光器2、导光管3、激光头5、圆柱台6和进给与旋转系统7；

所述激光器2发出激光端与导光管3相连接；所述导光管3与激光头5相垂直，所述激光头5包括反射镜9和聚焦镜10；所述反射镜9镜面与聚焦镜10呈45°，且聚焦镜10与导光管3平行；所述激光头5上端设置有CCD摄像机4；所述激光头5的正下方设置有圆柱台6；

所述圆柱台6固定在机床底座8上；且以圆柱台6为中心四周均布有四个进给与旋转系统7；

所述进给与旋转系统7包括底座7.1、导轨7.2、U形导轨架7.3、丝杠轴7.4、压力传感器7.5、套筒7.6、第一联轴器7.7、步进电机7.8、第二联轴器7.9、伺服电机7.10、丝杠螺母7.11、支撑架7.12和支撑块7.13；

所述底座7.1上安装有两条相互平行的导轨7.2；所述两条导轨7.2之间设置有丝杠轴7.4；所述丝杠轴7.4两端分别通过支撑架7.12支撑；丝杠轴7.4中间与丝杠螺母7.11相连接；丝杠轴7.4可相对支撑架7.12和丝杠螺母7.11转动；且丝杠轴7.4一端通过第二联轴器7.9与伺服电机7.10相连接；

所述导轨7.2上安装有U形导轨架7.3；所述U形导轨架7.3可以沿导轨7.2移动；所述U形导轨架7.3上端面上安装有支撑块7.13；下端面上固定有丝杠螺母7.11；所述支撑块7.13中心开有孔A，所述套筒7.6安装在孔A内，套筒7.6一端通过第一联轴器7.7与步进电机7.8相连接；另一端端部安装有压力传感器7.5。

所述激光器2安装在电源箱1上。

所述圆柱台6为T形结构。

用于球体表面激光微造型的装置的方法，包括如下步骤：

S1、将待加工的球体工件11放置在圆柱台6上；

S2、使得左右两侧的两个伺服电动机7.10同时转动，通过丝杠轴7.4推动导轨架7.3沿导轨7.2向球体工件11所在圆柱台6运动，利用压力传感器7.5检测左右两个套筒7.6与球体工件11之间夹紧力，当压紧力达到一定数值时，左右两侧的伺服电动机7.10停止转动；

S3、当步骤S2中的左右两侧的伺服电动机7.10停止转动后，利用CCD摄像机4对经过聚集镜10聚焦激光束进行对焦，调节激光器2输出参数，输出脉冲激光；

S4、左右两侧的步进电动机7.8同时转动，使球体工件11下一点转到以球心O为坐标原点的ZOX平面，然后控制器输出信号，左右两侧的伺服电动机7.10同时转动松开球体工件11；

S5、前后两个伺服电动机7.10同时转动，使前后两个套筒7.6夹紧球体工件11，然后前后两个步进电动机7.8同时转动，使球体工件11下一点转到ZOY平面，然后前后两个伺服电动机7.10同时转动松开球体工件11，完成一个工作过程，然后重复上述工作过程，从而在球体工件11表面任意位置打出深度可控的微坑。

如图1所示，电源箱1、激光器2、导光管3、CCD摄像机4、激光头5、圆柱台6、进给与旋转系统7，机床底座8；激光器2位于电源箱1上方，CCD摄像机4位于激光头5的正上方，所述圆柱台6可以通过旋转沿螺杆上下调整高度；

如图2所示，机床底座8上放置4个沿圆柱台6的前后左右方向对称分布的进给与旋转系统7。

如图3所示，进给与旋转系统7包括导轨7.2，导轨架7.3，丝杠轴7.4、压力传感器7.5、套筒7.6、联轴器7.7、第二联轴器7.9和伺服电动机7.10及控制器，导轨架7.3由伺服电动机7.10通过丝杠轴7.4驱动沿导轨7.2移动，丝杠轴7.4与伺服电动机7.10通过第二联轴器7.9连接；套筒7.6由步进电动机7.10驱动；套筒7.6与步进电动机7.10之间通过第一联轴器7.7连接。

如图4所示，导轨架7.3与丝杠轴7.4通过丝杠螺母7.11连接，丝杠轴7.4与支撑架7.12通过螺纹连接。

如图5所示，激光器2发射的激光通过导光管3传输到反射镜9上，然后反射到聚焦镜10上，激光经过聚焦镜10聚焦到工件表面，CCD摄像机4位于反射镜9和聚焦镜10的正上方，即位于激光头5的上端部。

如图6所示，圆柱台6与机床底座9之间通过螺纹连接，通过旋转圆柱台6可以对圆柱台6高度进行调整，圆柱台6上表面中心开设有一个圆柱槽B，安装时可将球体放置在圆柱槽B内。

如图7所示，为加工后的球体工件11。

如图8所示，将待加工的球体放置在圆柱台6上，控制器输出信号，左右两侧的伺服电动机7.10同时转动，利用丝杠轴7.4推动导轨架7.3沿导轨7.2向球体工件11所在位置运动，套筒7.6上有压力传感器7.5，当左右套筒7.6与球体工件11之间夹紧力达到一定数值时，左右两侧的伺服电动机7.10停止转动；然后利用CCD摄像机4进行对焦，判断是否调节激光器2输出参数，若是则调节激光器2输出参数，若否则激光器2输出脉冲激光；然后判断是否加工下一个点，若否则左右两侧的伺服电动机7.10转动松开球体工件11，取下球体工件11，若是则控制器输出信号，左右两侧的步进电动机7.8同时转动，使要加工的点转到ZOX平面上；然后左右两侧的伺服电动机7.10同时转动松开球体工件1，前后两个伺服电动机7.10同时转动，使前后套筒7.6夹紧球体工件11，然后前后两个步进电动机7.8同时转动，使要加工的点转到ZOY平面上；然后前后两个伺服电动机7.10同时转动，使前后套筒7.6松开球体；然后控制器输出信号，左右两个伺服电动机7.10同时转动，使左右套筒7.6夹紧球体，然后重复CCD摄像机4对焦到激光器2输出脉冲激光步骤，完成加工下一个点；然后重复上述过程，便可以在球体工件11表面任意位置打出深度可控的微坑。

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。