CN106077218B - 一种激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械制造微零件研究领域的一种激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置以及方法，包括脉冲激光产生***、碟形件成形***、碟形件控制***和激光光斑定位***；与现有技术相比，本发明基于激光柔性动态加载载荷，完成了高精度碟形零件的制造工艺，本方法过程不需要制造凸模，解决了在传统制造过程中的需要设计复杂的复合模和级进模的问题；模具的可拆卸，实现了成形废料的有效清除，解决了成形废料堵塞模具的问题，延长了模具的使用寿命；利用相机采集图像数据对模具和脉冲激光进行定位，解决了使用肉眼观察带来的误差问题，提高了碟形零件的生产精度，制造出了具有较高精度的碟形零件。

Description

一种激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置及其方法

技术领域

本发明属于机械先进制造微零件领域，尤其指激光柔性加载成形微零件领域中的一种激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置以及方法。

背景技术

近年来，随着工业技术的发展，产品的微型化成为工业制造发展的重要趋势。与之相关的微零件的制造也变得越来越重要，相应的微成形技术也随之发展起来。微冲裁和微拉深作为新型的塑形加工工艺，越来越受到研究者的关注。然而，目前对于微成形的研究仅限于简单零件，只涉及单个加工工艺，对于涉及多种工艺的复杂零件则研究地较少。

高精度碟形零件的生产制造需要涉及多种加工工艺，包括微拉深，微冲裁，以及微落料。在传统的制造技术中，加工这样的零件主要由三种加工方式进行实现：

第一种加工方式，分三个步骤进行加工。先拉深成形，后冲孔，最后实现落料，相当于拉深成形后的切边整形过程。这种方式的缺点是：涉及多次装夹，存在装夹定位误差，精度差，加工耗时较长，生产效率较低，仅适用于小批量加工精度要求不高的零件。所以在批量生产中，一般不会采用这样的加工方式。

第二种加工方式，利用级进模具进行加工。申请号为201310734972.9的中国专利提出了一种用于加工微型电机的多工位级进模，其设计内容包括在下模部分的凸模、在上模部分的凹模、凹模内推出制件的弹性推件装置、卸料板、固定板及设置于所述固定板和卸料板之间的内导柱。这套模具所涉及的结构较为复杂，而且这种级进模的加工方式会产生步距定位误差和凸、凹模加工及装配误差，导致零件的同轴度很难达到要求。在移动过程中，由于零件尺寸微小，会产生微量变形，影响加工精度，重复定位会影响加工效率，夹具的使用也会增加零件的制造成本。

第三种加工方式，利用复合模具进行加工。裴雨滋等人在《电加工与模具》杂志中发表的论文《碟形件微冲裁冲压复合模具设计》中，设计出了一套能够制造高精度碟形零件的复合模具，包括拉深凹模，拉深凸凹模，冲孔凸模，落料凹模等零件，进而实现先拉深成形，再冲孔，最后完成落料。这种加工方式虽然减少了加工过程中由于装夹带来的误差，但是凸模与凹模之间的对中较为复杂且不易于保证精度。此外，构成模具的结构较复杂，延长了制造周期并增加了制造成本，因此这种加工方式也存在着诸多的不便与问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种基于激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置以及方法，本发明无需设计结构复杂的级进模具与复合模具，不存在装配误差，降低了制造复杂模具的成本与周期；利用脉冲激光和柔性薄膜作为加载载荷，利用较高精度的模具来保证高精度碟形零件的同轴度要求；模具的可拆卸，实现了成形废料的有效清除，解决了成形废料堵塞模具的问题，延长了模具的使用寿命；利用高精度相机采集图像数据对模具和脉冲激光进行定位，解决了使用肉眼观察带来的误差问题，提高了碟形零件的生产精度。

本发明的技术方案是：一种激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置，包括脉冲激光产生***、碟形件成形***和碟形件控制***；

所述脉冲激光产生***包括可拆卸安装在固定孔系基座上的第一保持架、安装在第一保持架的平面反射镜和调焦镜，以及脉冲激光器；所述脉冲激光器把光直射到所述平面反射镜上，所述平面反射镜在调焦镜的正上方，且把光反射到调焦镜上；

所述碟形件成形***设置在所述调焦镜的下方；所述碟形件成形***包括落料力控制夹、工艺布置机构、模具和三坐标移动平台；所述工艺布置机构包括从上到下依次叠加的透明约束层、黑漆吸收层、柔性薄膜和金属薄板；所述落料力控制夹呈“回”字形，中间为方形的第四通孔，所述落料力控制夹平整地压在透明约束层之上；所述模具为可装配、多工艺成形模具；

所述工艺布置机构水平放置在模具上，所述模具与下方的三坐标移动平台可拆卸连接，所述三坐标移动平台通过螺钉固定在固定孔系基座上面；

所述碟形件控制***包括脉冲激光控制器、工业计算机和伺服电机控制***；所述脉冲激光控制器的一端与脉冲激光器电连接，另一端与工业计算机电连接，脉冲激光控制器用于控制脉冲激光器的功率密度和脉冲发射频率；所述伺服电机控制***的一端与工业计算机电连接，另一端与三坐标移动平台电连接；工业计算机通过脉冲激光控制器控制脉冲激光器的工作，工业计算机通过伺服电机控制***控制三坐标移动平台的移动。

上述方案中，所述模具包括微拉深冲孔组合模和微落料凹模；所述微拉深冲孔组合模外形为从上到下递增的阶梯状，微拉深冲孔组合模的上部为微拉深处理，微拉深处为浅拉深球面，所述微拉深冲孔组合模的球面底部设有第一通孔；所述微落料凹模的外形呈倒T字型，微落料凹模的中部设有第二通孔，所述微拉深冲孔组合模安装在第二通孔内、且过渡配合，微拉深冲孔组合模的上表面和微落料凹模的上表面保持在同一水平面内。

上述方案中，所述碟形件成形***还包括废料收集器；所述废料收集器为长方体块，所述废料收集器放置在模具的正下方，模具和废料收集器通过六角螺钉与三坐标移动平台相连接；所述废料收集器的正中心位置处设有第三通孔，所述第三通孔的位置与第一通孔相对应。

上述方案中，还包括激光光斑定位***；所述激光光斑定位***包括高精度相机、照明光源、第二保持架、数据信息卡和激光光斑特征采集纸；所述第二保持架的底端通过六角螺栓安装在固定孔系基座上、且位于模具的左侧；所述高精度相机安装在第二保持架上；所述照明光源采用垂直照射的打光方式安装在高精度相机的下方；所述数据信息卡的一端与高精度相机电连接，另一端与工业计算机电连接；所述数据信息卡用于采集高精度相机拍摄的图像，并传送到工业计算机中进行图像处理。

上述方案中，所述透明约束层为亚克力板制成。

上述方案中，所述柔性薄膜为橡胶薄膜。

上述方案中，所述柔性薄膜的单个表面均匀地涂上黑漆作为黑漆吸收层，柔性薄膜涂有黑漆的表面与透明约束层通过水进行密封保持无间隙，未涂有黑漆的表面与成形金属薄板相接触。

上述方案中，第一保持架为可进行三维调整的保持架，所述第一横杆和第二横杆分别与竖杆滑动副连接、且所述第一横杆和第二横杆分别可绕着竖杆旋转。

一种根据所述装置加载成形高精度碟形零件的方法，具体包括以下步骤：

S1、将数据信息卡分别与高精度相机和工业计算机电相连，将脉冲激光控制器分别与脉冲激光器和工业计算机电相连，将伺服电机控制***分别与三坐标移动平台和工业计算机电连接，利用工业计算机统一对脉冲激光器和三坐标移动平台的工作状态进行控制，脉冲激光控制器用于控制脉冲激光器的功率密度和脉冲激光发射频率，伺服电机控制***用于控制三坐标移动平台的位置；

S2、将废料收集器放置在三坐标移动平台上，装配模具保证微拉深冲孔组合模和微落料凹模的上表面保持在同一水平面内，将装配好的模具放置在废料收集器上，通过六角螺钉安装在三坐标移动平台上；将激光光斑特征采集纸平整地贴在模具上的左上角；

S3、将平面反射镜、调焦镜安装在第一保持架上，使得平面反射镜与水平面成45°夹角，保证经由平面反射镜的光束垂直射入调焦镜，工业计算机通过伺服电机控制***调整三坐标移动平台的高度，使其达到设定的离焦量和光斑直径，移动三坐标移动平台的平面位置使从调焦镜出来的光束可以辐照到激光光斑特征采集纸的表面上；

S4、将高精度相机安装在第二保持架上，使高精度相机的视野范围可以覆盖整个模具，对高精度相机进行标定，确定好高精度相机坐标系，同时将照明光源安装在第二保持架上，照明光源位于高精度相机的下方；

S5、打开脉冲激光器的光栅，在激光光斑特征采集纸上预先打出一个光斑后关闭光栅，利用高精度相机拍摄激光光斑的图像数据，并通过数据信息卡将图像数据传输到工业计算机，通过轮廓中心分析软件***对存储的激光光斑图像进行轮廓提取、分析计算，得到激光光斑的中心位置，并将此光斑的中心位置的坐标设定为坐标原点，然后再利用轮廓中心分析软件***对模具的轮廓提取、进行测算分析，得出模具的中心坐标，将模具的中心坐标和设定的坐标原点的差值传输给伺服电机控制***，伺服电机控制***驱动三坐标移动平台，将模具的中心移动到激光光斑的中心位置处，实现了模具的准确定位；

S6、移除激光光斑特征采集纸，在模具上放置工艺布置机构，然后将落料力控制夹套放在工艺布置机构之上，对工艺布置机构施加压边力，阻碍材料在加工过程中的径向流动，提高高精度碟形零件的成形性能；

S7、再次打开脉冲激光器的光栅，加工高精度碟形零件，脉冲激光器发出的脉冲激光透过透明约束层，辐照到黑漆吸收层上，黑漆吸收层吸收高功率密度的激光能量，表面汽化和电离产生高温高压等离子体，等离子体快速地向外喷溅膨胀，并持续地吸收剩余的激光能量，在透明约束层和落料力控制夹的约束下，形成向下的爆轰波，金属薄板受到上方柔性薄膜的挤压和下方模具的剪切作用，从而加工成激光柔性加载成形高精度碟形零件，一次加工完毕后关闭光栅；

S8、完成一次柔性加载成形高精度碟形零件之后，卸掉落料力控制夹，从工艺布置机构中取出高精度碟形零件，即成形的金属薄板，重复步骤S6和S7的过程即可实现多次加工高精度碟形零件。

上述方案中，还包括步骤，所述步骤S9具体为：在完成多次加工之后，将微拉深冲孔组合模和微落料凹模分离开来，利用镊子轻轻地将微落料金属废料从模具中清除，冲孔金属废料可以从废料收集器中直接取出，清除完毕后再次将微拉深冲孔组合模和微落料凹模装配起来，就可以进入下一个激光柔性加载成形高精度碟形零件的周期。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明基于激光柔性动态加载载荷，完成了高精度碟形零件的制造工艺，本过程不需要制造凸模，解决了在传统制造过程中的需要设计复杂的复合模和级进模的问题；模具的可拆卸，实现了成形废料的有效清除，解决了成形废料堵塞模具的问题，延长了模具的使用寿命；利用高精度相机采集图像数据对模具和脉冲激光进行定位，解决了使用肉眼观察带来的误差问题，提高了碟形零件的生产精度，制造出了具有较高精度的碟形零件。

附图说明

图1为本发明一实施方式基于激光动态加载下成形高精度碟形零件的装置示意图；

图2为本发明一实施方式碟形件成形***的安装示意图；

图3为本发明一实施方式模具的外形以及装配示意图；

图4为本发明一实施方式的微拉深冲孔组合模的结构示意图；

图5为本发明一实施方式的微落料凹模的结构示意图；

图6为本发明一实施方式的落料力控制夹、工艺布置机构以及模具安装位置的示意图；

图7为本发明一实施方式的成形的高精度碟形零件的三维结构示意图。

图中：1、固定孔系基座；2、三坐标移动平台；3、第一保持架；301、竖杆；302、第一横杆；303、第二横杆；4、废料收集器；5、模具；6、工艺布置机构；7、落料力控制夹；8、调焦镜；9、平面反射镜；10、照明光源；11、高精度相机；12、第二保持架；13、脉冲激光器；14、脉冲激光控制器；15、工业计算机；16、数据信息卡；17、伺服电机控制***；18、金属薄板；19、柔性薄膜；20、吸收层；21、透明约束层；22、微拉深冲孔组合模；23、微落料凹模；24、第一通孔；25、第二通孔；26、第三通孔；27、第四通孔。

具体实施方式

为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同或相似的部分。附图仅用于说明本发明，不代表本发明的实际结构和真实比例。

图1所示为本发明所述激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置的一种实施方式，所述激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置，包括脉冲激光产生***、碟形件成形***、碟形件控制***和激光光斑定位***。

所述脉冲激光产生***包括固定孔系基座1、第一保持架3、脉冲激光器13、平面反射镜9和调焦镜8；所述第一保持架3的竖杆301通过六角螺栓可拆卸安装在固定孔系基座1的右侧，所述调焦镜8安装在第一保持架3的第一横杆302上，所述平面反射镜9安装第一保持架3的第二横杆303上，所述平面反射镜9在调焦镜8的正上方，平面反射镜9的镜面保持与水平面成45°夹角；脉冲激光产生***所形成的具体光路为：来自脉冲激光器13的光束经由与水平面成45°夹角平面反射镜9的反射、调焦镜8的聚焦之后，激光束将引入到下方的碟形件成形***。优选的，所述第一保持架3为可进行三维调整的保持架，所述第一横杆302和第二横杆303分别与竖杆301滑动副连接，优选的，所述竖杆301为导轨，所述第一横杆302和第二横杆303与述竖杆301连接的一端为滑块，滑块在导轨上滑动，所述第一横杆302和第二横杆303分别可绕着竖杆301旋转，且通过螺丝拧紧，所述第一横杆302和第二横杆303在竖杆301的位置和高度可以调整。

如图2所示，所述碟形件成形***设置在所述调焦镜8的下方；所述碟形件成形***包括落料力控制夹7、工艺布置机构6、模具5、废料收集器4和三坐标移动平台2；所述工艺布置机构6包括从上到下依次叠加的透明约束层21、黑漆吸收层20、柔性薄膜19和金属薄板18；所述落料力控制夹7平整地压在透明约束层21之上，保证在激光柔性加载过程中整个工艺布置机构6的稳定以此产生足够的落料力来保证高精度碟形零件的尺寸精度。所述透明约束层21为亚克力板制成的。所述柔性薄膜19为具有高弹特性的薄膜，优选地，为橡胶薄膜。并在柔性薄膜19单面均匀地涂上一定厚度的黑漆作为吸收层20，所述黑漆吸收层20的厚度为10μm，涂有黑漆的表面与透明约束层21通过水进行密封保持无间隙，未涂有黑漆的表面与成形金属薄板18相接触。所述废料收集器4为长方体块，材料为45钢，其尺寸为50mm×50mm×5mm，所述废料收集器4放置在模具5的正下方，所述模具5和废料收集器4通过六角螺钉与下方的三坐标移动平台2可拆卸连接，所述三坐标移动平台2通过螺钉固定在固定孔系基座1上面。所述废料收集器4的正中心位置处设有直径为0.8mm圆形的第三通孔26，所述第三通孔26的位置与第一通孔24相对应、且直径略大于第一通孔24；来自模具5的冲裁废料在激光柔性加载的过程中落入废料收集器4中，待加工完成后即可取出对废料进行清理。

如图3、4和5所示，所述模具5为可装配、多工艺成形模具；所述模具5包括微拉深冲孔组合模22和微落料凹模23；所述微拉深冲孔组合模22外形为从上到下递增的阶梯状，阶梯底部的圆柱直径为3mm,高度为1mm,中间的圆柱直径为1.8mm,微拉深冲孔组合模22的上部为微拉深处理，微拉深处为浅拉深球面，其球面半径为1.523mm，球心至模具表面的距离为1.4mm，球面深度为0.11mm；球面表面须进行磨削抛光处理等表面处理方式，使Ra表面粗糙度值达到0.4μm，保证生产出表面质量好的碟形零件；所述微拉深冲孔组合模22的球面底部设有第一通孔24，孔直径为0.4mm；所述微落料凹模23的外形呈倒T字型，微落料凹模23的中部设有第二通孔25，上部小孔直径为1.8mm，孔的深度为4mm，下部大孔直径为3.2mm，孔的深度为1mm；且冲孔的外轮廓和球面的外轮廓需保证至少0.01mm的同轴度要求，以此保证成形高精度碟形零件的位置精度；所述微拉深冲孔组合模22安装在第二通孔25内，为了达到便于清除废料的目的，所述微拉深冲孔组合模22与第二通孔25之间须采用过渡配合进行装配，便于拆卸。微拉深冲孔组合模22的上表面和微落料凹模23的上表面保持在同一水平面内，不可出现中间塌陷或者凸起的情况，以此来保证复合成形工艺的顺利完成；模具5所有的边缘均为近直角特征，避免出现倒角的情况，提高制造过程中的冲裁力以便于冲孔和落料工艺的完成。

如图6所示，所述工艺布置机构6水平放置在模具5上，并使用落料力控制夹7对工艺布置机构6和模具5施加压紧力；所述落料力控制夹7呈现“回”字形，中间为方形的第四通孔27，所述第四通孔27的尺寸为25mm×25mm，便于激光通过，辐照到工艺布置机构6上。

所述碟形件控制***包括脉冲激光控制器14、工业计算机15和伺服电机控制***17；所述脉冲激光控制器14的一端与脉冲激光器13电连接，另一端与工业计算机15电连接，脉冲激光控制器14用于控制脉冲激光器13的功率密度和脉冲发射频率等参数；所述伺服电机控制***17的一端与工业计算机15电连接，另一端与三坐标移动平台2电连接；工业计算机15通过脉冲激光控制器14控制脉冲激光器13的工作，工业计算机15通过伺服电机控制***17控制三坐标移动平台2的移动。由于在调整了激光离焦量之后，激光光斑的直径和位置均发生了变化，不再与原先的位置重合，此时需要通过移动三坐标移动平台2将激光光斑的中心与模具5的中心重新恢复到重合的位置。

所述激光光斑定位***包括高精度相机11、照明光源10、第二保持架12、数据信息卡16和激光光斑特征采集纸；所述第二保持架12的底端通过六角螺栓安装在固定孔系基座1上、且位于模具5的左侧与第一保持架3保持对齐；所述高精度相机11可通过位于第二保持架12上的虎口夹钳稳定的安装在所需要的位置坐标上；所述照明光源10采用垂直照射的打光方式安装在高精度相机11的下方，使得目标图像与背景图像呈现出较高的对比度，更加便于数据图像的处理和光斑中心的重新定位。所述照明光源10使用红色LED照明光源，激光光斑特征采集纸的尺寸大小为20mm×20mm×0.1mm。所述数据信息卡16的一端与高精度相机11电连接，另一端与工业计算机15电连接；所述数据信息卡16用于获取来自高精度相机11采集的激光光斑视频信号，即图像数据，然后将图像数据存储并传输到工业计算机15上，工业计算机15上的轮廓中心分析软件***对光斑进行分析和测算，以此找出激光光斑的中心。所述激光光斑特征采集纸为黑色非透明感光纸，当有激光辐照在其表面时，会在采集纸上形成黄色近圆形光斑。

一种根据所述装置加载成形高精度碟形零件的方法，具体包括以下步骤：

S1、将数据信息卡16分别与高精度相机11和工业计算机15电相连，将脉冲激光控制器14分别与脉冲激光器13和工业计算机15电相连，将伺服电机控制***17分别与三坐标移动平台2和工业计算机15电连接，利用工业计算机15统一对脉冲激光器13和三坐标移动平台2的工作状态进行控制，脉冲激光控制器14用于控制脉冲激光器13的功率密度和脉冲激光发射频率等参数，伺服电机控制***17用于控制三坐标移动平台2的位置；

S2、首先，将废料收集器4放置在三坐标移动平台2上，然后，装配微拉深冲孔组合模22和微落料凹模23，且装配完成时需保证微拉深冲孔组合模22和微落料凹模23的上表面保持在同一水平面内，不可出现中间塌陷或者凸起的情况，并最终利用白光干涉方法对其进行检测，如若不合格，需要使用垫片等手段对其进行调整，将装配好的模具5放置在废料收集器4上，并将模具5和废料收集器4保持对齐，并通过六角螺钉稳固地安装在三坐标移动平台2上；在激光光斑特征采集纸的背面贴上双面胶，然后将其平整地贴在模具5上的左上角；

S3、将平面反射镜9、调焦镜8准确稳固地安装在第一保持架3上，利用角度测量工具使得平面反射镜9与水平面成45°夹角，且在调焦镜8正上方50mm，保证经由平面反射镜9的光束垂直射入调焦镜8，工业计算机15通过伺服电机控制***17调整三坐标移动平台2的高度，使其达到设定的离焦量和光斑直径，移动三坐标移动平台2的平面位置使从调焦镜8出来的光束可以辐照到激光光斑特征采集纸24的表面上；

S4、将高精度相机11安装在第二保持架12上，调整高精度相机11至合适的高度和水平位置，使高精度相机11的视野范围可以覆盖整个模具5，高精度相机11安装完毕后，需要对高精度相机11进行标定，确定好高精度相机11坐标系，高精度相机11安装完毕后，在其下方安装用于提高目标图像和背景图像对比度的LED照明光源10；

S5、打开脉冲激光器13和外置的水冷机，待水冷机达到预设的温度值时，调整好脉冲激光参数，等到电压达到630V时，打开光栅，在激光光斑特征采集纸24上预先打出一个光斑，关闭光栅，利用高精度相机11采集所形成的激光光斑的图像数据，并将其数据传输到工业计算机15，通过轮廓中心分析软件***对存储的激光光斑图像进行轮廓提取、分析计算，得到激光光斑的中心位置，并将此光斑的中心位置的坐标设定为坐标原点，然后再利用轮廓中心分析软件***对模具5的轮廓提取、进行测算分析，得出模具5的中心坐标，将模具5的中心坐标和设定的坐标原点的差值传输给伺服电机控制***17，伺服电机控制***17驱动三坐标移动平台2，将模具5的中心移动到激光光斑的中心位置处，由此实现了模具5的准确定位；

S6、移除激光光斑特征采集纸，在模具5上放置工艺布置机构6，然后将落料力控制夹7套放在工艺布置机构6之上，对工艺布置机构6施加压边力，阻碍材料在加工过程中的径向流动，提高高精度碟形零件的成形性能；

S7、再次打开脉冲激光器13的光栅，加工高精度碟形零件，脉冲激光器13发出的脉冲激光透过透明约束层21，辐照到黑漆吸收层20上，黑漆吸收层20吸收高功率密度的激光能量，表面汽化和电离产生高温高压等离子体，等离子体快速地向外喷溅膨胀，并持续地吸收剩余的激光能量，在透明约束层21和落料力控制夹7的约束下，形成向下的爆轰波，金属薄板18受到上方柔性薄膜19的挤压和下方模具5的剪切作用，从而加工成激光柔性加载成形高精度碟形零件，一次加工完毕后关闭光栅；

S8、完成一次柔性加载成形高精度碟形零件之后，卸掉落料力控制夹7，从工艺布置机构6中取出高精度碟形零件，即成形的金属薄板18，如图7所示，重复步骤S6和S7的过程即可实现多次加工高精度碟形零件；

S9、在完成多次加工之后，形成的金属废料可能将微拉深冲孔组合模22和微落料凹模23堵住，此时将微拉深冲孔组合模22和微落料凹模23拆卸开来，利用镊子轻轻地将微落料金属废料从模具5中清除，冲孔金属废料可以从废料收集器4中直接取出，清除完毕后再次将微拉深冲孔组合模22和微落料凹模23装配起来，由此就可以进入下一个激光柔性加载成形高精度碟形零件的周期。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置，其特征在于，包括脉冲激光产生***、碟形件成形***和碟形件控制***；

所述脉冲激光产生***包括可拆卸安装在固定孔系基座(1)上的第一保持架(3)、安装在第一保持架(3)上的平面反射镜(9)和调焦镜(8)，以及脉冲激光器(13)；所述脉冲激光器(13)把光直射到所述平面反射镜(9)上，所述平面反射镜(9)在调焦镜(8)的正上方，且把光反射到调焦镜(8)上；

所述碟形件成形***设置在所述调焦镜(8)的下方；所述碟形件成形***包括落料力控制夹(7)、工艺布置机构(6)、模具(5)和三坐标移动平台(2)；所述工艺布置机构(6)包括从上到下依次叠加的透明约束层(21)、黑漆吸收层(20)、柔性薄膜(19)和金属薄板(18)；所述落料力控制夹(7)呈“回”字形，中间为方形的第四通孔(27)，所述落料力控制夹(7)平整地压在透明约束层(21)之上；所述模具(5)为可装配、多工艺成形模具；

所述工艺布置机构(6)水平放置在模具(5)上，所述模具(5)与下方的三坐标移动平台(2)可拆卸连接，所述三坐标移动平台(2)通过螺钉固定在固定孔系基座(1)上面；

所述碟形件控制***包括脉冲激光控制器(14)、工业计算机(15)和伺服电机控制***(17)；所述脉冲激光控制器(14)的一端与脉冲激光器(13)电连接，另一端与工业计算机(15)电连接，脉冲激光控制器(14)用于控制脉冲激光器(13)的功率密度和脉冲发射频率；所述伺服电机控制***(17)的一端与工业计算机(15)电连接，另一端与三坐标移动平台(2)电连接；工业计算机(15)通过脉冲激光控制器(14)控制脉冲激光器(13)的工作，工业计算机(15)通过伺服电机控制***(17)控制三坐标移动平台(2)的移动；

所述模具(5)包括微拉深冲孔组合模(22)和微落料凹模(23)；所述微拉深冲孔组合模(22)外形为从上到下递增的阶梯状，微拉深冲孔组合模(22)的上部为微拉深处理，微拉深处为浅拉深球面，所述微拉深冲孔组合模(22)的球面底部设有第一通孔(24)；所述微落料凹模(23)的外形呈倒T字型，微落料凹模(23)的中部设有第二通孔(25)，所述微拉深冲孔组合模(22)安装在第二通孔(25)内、且过渡配合，微拉深冲孔组合模(22)的上表面和微落料凹模(23)的上表面保持在同一水平面内。

2.根据权利要求1所述的激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置，其特征在于，所述碟形件成形***还包括废料收集器(4)；所述废料收集器(4)为长方体块，所述废料收集器(4)放置在模具(5)的正下方，模具(5)和废料收集器(4)通过六角螺钉与三坐标移动平台(2)相连接；所述废料收集器(4)的正中心位置处设有第三通孔(26)，所述第三通孔(26)的位置与第一通孔(24)相对应。

3.根据权利要求1所述的激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置，其特征在于，还包括激光光斑定位***；

所述激光光斑定位***包括高精度相机(11)、照明光源(10)、第二保持架(12)、数据信息卡(16)和激光光斑特征采集纸；所述第二保持架(12)的底端通过六角螺栓安装在固定孔系基座(1)上、且位于模具(5)的左侧；所述高精度相机(11)安装在第二保持架(12)上；所述照明光源(10)采用垂直照射的打光方式安装在高精度相机(11)的下方；所述数据信息卡(16)的一端与高精度相机(11)电连接，另一端与工业计算机(15)电连接；所述数据信息卡(16)用于采集高精度相机(11)拍摄的图像，并传送到工业计算机(15)中进行图像处理。

4.根据权利要求1所述的激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置，其特征在于，所述透明约束层(21)为亚克力板制成。

5.根据权利要求1所述的激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置，其特征在于，所述柔性薄膜(19)为橡胶薄膜。

6.根据权利要求1所述的激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置，其特征在于，所述柔性薄膜(19)的单个表面均匀地涂上黑漆作为黑漆吸收层(20)，柔性薄膜(19)涂有黑漆的表面与透明约束层(21)通过水进行密封保持无间隙，未涂有黑漆的表面与成形金属薄板(18)相接触。

7.根据权利要求1所述的激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置，其特征在于，第一保持架(3)为可进行三维调整的保持架，第一横杆(302)和第二横杆(303)分别与竖杆(301)滑动副连接、且所述第一横杆(302)和第二横杆(303)分别可绕着竖杆(301)旋转。

8.一种根据权利要求1所述装置加载成形高精度碟形零件的方法，具体包括以下步骤：

S1、将数据信息卡(16)分别与高精度相机(11)和工业计算机(15)电相连，将脉冲激光控制器(14)分别与脉冲激光器(13)和工业计算机(15)电相连，将伺服电机控制***(17)分别与三坐标移动平台(2)和工业计算机(15)电连接，利用工业计算机(15)统一对脉冲激光器(13)和三坐标移动平台(2)的工作状态进行控制，脉冲激光控制器(14)用于控制脉冲激光器(13)的功率密度和脉冲激光发射频率，伺服电机控制***(17)用于控制三坐标移动平台(2)的位置；

S2、将废料收集器(4)放置在三坐标移动平台(2)上，装配模具(5)保证微拉深冲孔组合模(22)和微落料凹模(23)的上表面保持在同一水平面内，将装配好的模具(5)放置在废料收集器(4)上，通过六角螺钉安装在三坐标移动平台(2)上；将激光光斑特征采集纸平整地贴在模具(5)上的左上角；

S3、将平面反射镜(9)、调焦镜(8)安装在第一保持架(3)上，使得平面反射镜(9)与水平面成45°夹角，保证经由平面反射镜(9)的光束垂直射入调焦镜(8)，工业计算机(15)通过伺服电机控制***(17)调整三坐标移动平台(2)的高度，使其达到设定的离焦量和光斑直径，移动三坐标移动平台(2)的平面位置使从调焦镜(8)出来的光束可以辐照到激光光斑特征采集纸的表面上；

S4、将高精度相机(11)安装在第二保持架(12)上，使高精度相机(11)的视野范围可以覆盖整个模具(5)，对高精度相机(11)进行标定，确定好高精度相机(11)坐标系，同时将照明光源(10)安装在第二保持架(12)上，照明光源(10)位于高精度相机(11)的下方；

S5、打开脉冲激光器(13)的光栅，在激光光斑特征采集纸上预先打出一个光斑后关闭光栅，利用高精度相机(11)拍摄激光光斑的图像数据，并通过数据信息卡(16)将图像数据传输到工业计算机(15)，通过轮廓中心分析软件***对存储的激光光斑图像进行轮廓提取、分析计算，得到激光光斑的中心位置，并将此光斑的中心位置的坐标设定为坐标原点，然后再利用轮廓中心分析软件***对模具(5)的轮廓提取、进行测算分析，得出模具(5)的中心坐标，将模具(5)的中心坐标和设定的坐标原点的差值传输给伺服电机控制***(17)，伺服电机控制***(17)驱动三坐标移动平台(2)，将模具(5)的中心移动到激光光斑的中心位置处，实现了模具(5)的准确定位；

S6、移除激光光斑特征采集纸，在模具(5)上放置工艺布置机构(6)，然后将落料力控制夹(7)套放在工艺布置机构(6)之上，对工艺布置机构(6)施加压边力，阻碍材料在加工过程中的径向流动，提高高精度碟形零件的成形性能；

S7、再次打开脉冲激光器(13)的光栅，加工高精度碟形零件，脉冲激光器(13)发出的脉冲激光透过透明约束层(21)，辐照到黑漆吸收层(20)上，黑漆吸收层(20)吸收高功率密度的激光能量，表面汽化和电离产生高温高压等离子体，等离子体快速地向外喷溅膨胀，并持续地吸收剩余的激光能量，在透明约束层(21)和落料力控制夹(7)的约束下，形成向下的爆轰波，金属薄板(18)受到上方柔性薄膜(19)的挤压和下方模具(5)的剪切作用，从而加工成激光柔性加载成形高精度碟形零件，一次加工完毕后关闭光栅；

S8、完成一次柔性加载成形高精度碟形零件之后，卸掉落料力控制夹(7)，从工艺布置机构(6)中取出高精度碟形零件，即成形的金属薄板(18)，重复步骤S6和S7的过程即可实现多次加工高精度碟形零件。

9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，还包括步骤S9，所述步骤S9具体为：

在完成多次加工之后，将微拉深冲孔组合模(22)和微落料凹模(23)分离开来，利用镊子轻轻地将微落料金属废料从模具(5)中清除，冲孔金属废料可以从废料收集器(4)中直接取出，清除完毕后再次将微拉深冲孔组合模(22)和微落料凹模(23)装配起来，就可以进入下一个激光柔性加载成形高精度碟形零件的周期。