CN107716687B - 一种激光间接冲击微成形的精密控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光间接冲击微成形的精密控制装置及其方法，涉及到激光加工微机电系统零件技术领域，该装置包括激光加载系统、超声振动系统、调试光光斑—模具型腔对中组件、工件组件和控制系统；本发明装置可实现采用脉冲激光的冲击力作为能量源，同时将超声振动施加于模具和工件，提高工件的成形极限和成形质量，适用于常规激光冲击微成形方法难以成形或无法成形的材料；同时，本装置可通过编码器监测反馈电机的运动情况和光栅尺位移传感器监测反馈前后、左右平台的运动情况，提高三维移动平台的精密性；此装置适用于实现大面积模具成形和多工位激光冲击成形、使工件精确得复制出模具的形貌，或者同时完成工件的批量成形，提高了工作效率。

Description

一种激光间接冲击微成形的精密控制装置及方法

技术领域

本发明属于激光加工制造及机械先进制造微米级零件领域，尤其指一种激光间接冲击微成形的精密控制装置及方法。

背景技术

随着现代制造业的快速发展，先进制造业越来越受到广泛的关注。微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)和微系统技术(Micro System Technology,MST)等由于具有节省空间、节约能源、易于重组、便携轻巧等优点,在航空航天、精密仪器、汽车工业、生物医学领域、微电子产品等民用和军用诸多领域备受青睐。产品的微型化成为制造业的一个发展趋势，因此，薄板微成形研究得到了广泛的关注。一些轻量化的金属材料，例如镁合金、铝合金、钛合金等，由于其质量轻、性能好成为现代制造业广泛研究和应用的对象。然而，传统的微加工技术，例如LIGA、光刻、蚀刻等难以满足三维复杂形状微器件的加工，可加工材料种类、制造效率和成本方面也受到存在各种不足。并且，目前微塑性成形工艺主要有微弯曲、微拉深、微冲裁和微落料等微塑性成形工艺。在这些利用微刚性冲头和凹模来实现的微塑性成形工艺中，存在一些问题，如冲头容易损坏、冲头与凹模难以对中、冲头与凹模之间有摩擦等缺陷。针对以上微成形的缺点，脉冲激光冲击成形技术成为近年来发展迅速的一项新技术，但是，目前研究的激光冲击微成形技术依然存在着一些缺点，例如工件在微观和宏观上还具有一些缺陷，且尺寸效应的影响使得宏观的成形理论已经不再适用，而高频振动辅助成形已在传统微塑性成形中获得应用，这种方法可降低变形抗力、提高成形质量。因此，设计一种激光间接冲击微成形的装置具有很大意义。

而现在许多模具具有多个阵列型腔，或者模具上有大面积的型腔，而一个激光脉冲只有几毫米，难以实现一个激光脉冲冲击成形，这就需要移动工作平台，并再进行调试调试光光斑与下一个型腔对中，然后进行脉冲激光冲击成形，这一过程非常浪费时间，不适合批量生产工件。因此，设计一种具有可精密控制按一定方向和距离运动等优点的三维精密控制平台具有很大的意义。

公开号为CN105328339A的中国专利采用脉冲激光作为能量源，通过组合凹模实现了两层或多层、同种或异种金属薄板的变形连接，增大了金属薄板之间的卡结量，提高了连接强度。但是该装置只能实现单一能量场成形，对于一些常规激光冲击微成形方法难以成形或无法成形的材料无法进行加工；

公开号为CN104162595A的中国专利采用超声振动辅助箔板微冲裁成形装置从而为解决现有精密箔板普通冲裁成形质量不够高,断面质量和形位公差不能满足要求，以及模具磨损严重、使用寿命低等难题，箔板同时针对大尺寸构件振动辅助成形中能量传递困难、振动系统难以实现等瓶颈问题，完成箔板精密冲裁成形。但是该装置无法实现多工位加工，且利用微刚性冲头和凹模来实现微塑性成形工艺，还存在一些问题，如冲头容易损坏、冲头与凹模难以对中、冲头与凹模之间有摩擦等缺陷。

鉴于此，本发明提出了一种激光间接冲击微成形的的精密控制装置及方法，该装置可实现自动控制、多方向精密控制移动和固定，并通过编码器监测反馈电机的运动情况和光栅尺位移传感器监测反馈前后、左右平台的运动情况，提高三维移动平台的精密性和工件成型质量与效率，适用于批量生产。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种激光间接冲击微成形的的精密控制装置及方法；该装置可实现自动控制、多方向精密控制移动和固定，并通过编码器监测反馈电机的运动情况和光栅尺位移传感器监测反馈前后、左右平台的运动情况，提高三维移动平台的精密性和工件成型质量与效率，适用于批量生产。

一种激光间接冲击微成形的精密控制装置，该装置包括激光加载系统、超声振动系统、调试光光斑—模具型腔对中组件、工件组件和控制系统；

所述激光加载系统包括L型底座、脉冲激光器、透镜调整臂、可调聚焦透镜和全反镜；所述脉冲激光器发出的激光束经45°设置的全反镜反射到可调聚焦透镜上聚焦，聚焦后的激光束照射到调试光光斑—模具型腔对中组件调试好的中心位置上；所述可调聚焦透镜安装在透镜调整臂上，透镜调整臂安装在L型底座的竖直侧面上且与水平面平行，并可通过调整透镜调整臂上的松紧螺栓来可调节聚焦透镜的竖直方向高度；

所述超声振动系统包括支撑箱体、第三垫块、超声换能器、振板、超声发生器、AD50T压电加速度传感器、信号调理器和示波器；所述支撑箱体安装在三维精密控制平台上；所述支撑箱体内左右对称安装有第三垫块；第三垫块上通过螺栓安装有振板；振板下表面安装有超声换能器，且超声换能器置于支撑箱体内；振板上表面安装有AD50T压电加速度传感器，AD50T压电加速度传感器通过信号调理器与示波器相连接，用来实时监测振板的振幅；

所述调试光光斑—模具型腔对中组件包括三维精密控制平台、CCD传感器；所述三维精密控制平台设置在L型底座上；利用激光控制器控制脉冲激光器发出一束调试光，由三维精密控制平台控制前后左右和竖直方向的移动，将经全反镜反射和可调聚焦透镜聚焦后的调试光光斑与微模具中的型腔对中；CCD传感器将调试光光斑与工件组件中的微模具型腔的相对位置输入计算机，计算机再对三维精密控制平台的移动做出控制；

所述工件组件从下至上包括夹具、微模具、工件、软膜、吸收层和约束层；所述夹具通过螺纹连接安装在振板上，且夹具夹紧和定位微模具、工件、软膜、吸收层和约束层；

所述控制系统包括计算机、激光控制器、A/D转换器、图像采集器、液压控制系统和三维移动平台控制器；所述激光控制器、A/D转换器、图像采集器、液压控制系统、三维移动平台控制器均与计算机相连接，激光控制器另一端与脉冲激光器连接，用于控制脉冲激光器的工作状态；A/D转换器的另一端与光栅尺位移传感器、第一编码器、第二编码器连接，用于监测反馈三维精密控制平台在前后、左右方向移动装置的运动情况和第一电机、第二电机的运动情况；图像采集器的另一端与CCD传感器连接，将CCD传感器采集到的信息通过图像采集器处理后输入计算机；液压控制系统与液压缸连接，用于控制三维精密控制平台在竖直方向的移动；三维移动平台控制器与三维精密控制平台连接，用于精密控制三维精密控制平台的前后、左右方向的移动。

优选的，所述三维精密控制平台包括竖直方向移动装置、左右方向移动装置和前后方向移动装置；所述竖直方向移动装置安装在L型底座上方，所述的左右方向移动装置安装在竖直方向移动装置的上方，所述的前后方向移动装置安装在左右方向移动装置的上方；

所述竖直方向移动装置包括第一滑轨、液压缸、耳座和第一基座；所述第一滑轨对称的设置在第一基座四角位置，液压缸左右对称设置在第一基座上，且液压缸置于前后布置的第一滑轨之间；液压缸的活塞杆顶端安装有耳座；耳座上开设的螺纹孔与左右方向移动装置中的第二基座底面的螺栓连接；

所述左右方向移动装置包括第二基座、丝杠Ⅰ、第一滑块、支撑块、第一电机、第二滑轨、第二滑块、第一移动块和第一垫块；所述第二基座的前后两侧设置有第一滑块，且第一滑块可以沿第一滑轨上下滑动；所述第二基座的上端面左右两端设置有支撑块；支撑块之间设置有第二滑轨和丝杠Ⅰ，第二滑轨的上下端面为V型的滑槽；丝杠Ⅰ置于第二滑轨的正下方，且丝杠Ⅰ通过第一电机带动；丝杠Ⅰ上安装有第一移动块；第一移动块可沿丝杠Ⅰ移动，第一移动块上端设置有第一垫块，第一垫块连接第一移动块和第二滑块，第二滑块与第二滑轨滑动连接；

所述前后方向移动装置包括连接架、第三滑块、第二垫块、第二移动块、丝杠Ⅱ、第二电机、第四滑块、第三滑轨、连接柱和物体放置平台；所述连接架一端连接在第一垫块上；连接架的另一端与第二垫块一端固连，第二垫块另一端与第三滑块固连，该第三滑块与第二滑轨滑动连接；第二电机与一侧的连接柱连接，丝杠Ⅱ的一端以联轴器与第二电机相连接，另一端通过滚动轴承与另一侧的连接柱相连接；第二移动块上的孔与丝杠Ⅱ相配合，第二移动块的下端与第二垫块固连，第二移动块的两侧对称固连第四滑块，第四滑块与第三滑轨的矩形滑槽间隙配合；第三滑轨通过两个连接柱连接，物体放置平台的下端四周与第三滑轨和两个连接柱的上端面固连在一起。

优选的，所述吸收层厚度为5-30μm，所述软膜为硅橡胶，所述工件为金属箔板，所述约束层为厚度为3mm的有机玻璃PMMA；所述微模具的设计尺寸均在微米级。

优选的，所述微模具上的型腔是M行、N列呈阵列排列，具体行和列的数量根据生产需求确定；或者微模具是具有大面积的型腔。

优选的，通过超声换能器将由超声波发生器产生的交变电能转换成超声波振动能，然后通过振板传送给微模具和工件，使激励信号由下而上作用于微模具和工件；将AD50T压电加速度传感器固定在振板上，并通过信号调理器和示波器实时显示振板的振幅。

基于一种激光间接冲击微成形的精密控制装置的方法，具体包括如下步骤：

S1.激光控制器、A/D转换器、图像采集器、液压控制系统、三维移动平台控制器均与计算机相连接，将超声振动装置的底部用开槽沉头螺钉固定安装在三维精密控制平台的物体放置平台上，将夹具固定连接在超声振动装置的振板上，在夹具上放上微模具，接着计算机控制激光控制器调控脉冲激光器发出一束调试光，利用三维精密控制平台控制前后左右精密移动和竖直方向的动作，利用CCD传感器拍摄调试光光斑中心相对于微模具型腔中心的位置，并通过图像采集器处理输入计算机，计算机处理信息后再对三维精密控制平台的移动做出对应的控制；这一过程实现了经全反镜反射和可调聚焦透镜聚焦后的调试光光斑与微模具中第一个脉冲激光冲击的型腔对中，保持各部件固定后，控制器关闭调试光；

S2.工件组件的装配、定位、密封和夹紧，将工件毛坯、软膜、吸收层、约束层从下到上依次放置在微模具上，用试管滴一滴水在吸收层上，实现吸收层与约束层之间的密封，然后夹具将从微模具到约束层的组件夹紧；

S3.打开超声波发生器，通过超声换能器将由超声波发生器产生的交变电能转换成超声波振动能，然后通过振板传送给微模具和工件，使激励信号由下而上作用于工件；将AD50T压电加速度传感器固定在振板(上，并通过信号调理器和示波器实时显示振板的振幅；

S4.计算机控制脉冲激光控制器的启动，脉冲激光器发出的激光束通过全反镜、可调聚焦透镜，激光透过约束层照射在吸收层上，吸收层吸收激光能量迅速气化并电离形成等离子体。等离子体继续吸收能量，在约束层和软膜之间的有限空间内迅速膨胀爆炸，诱导产生冲击波。当冲击波作用于软膜时，冲击波会以应力波的形式向内传递。当冲击波压力大于工件的屈服强度时，工件会发生塑性变形，完成一个脉冲下的微零件的成形；一个脉冲后，计算机控制关闭脉冲激光器；

S5.三维精密控制平台竖直方向从调试光光斑与模具型腔中心对中后一直保持不变，根据微模具型腔的特点或者根据多工位的移动距离，计算机根据处理提前编制好的程序，得到三维精密控制平台应该移动的距离和方向，三维移动平台控制器根据移动的距离和方向，产生控制信号，以控制第一电机、第二电机的运行，从而控制三维精密控制平台前后、左右方向移动，通过光栅尺位移传感器监测反馈三维精密控制平台前后、左右的方向移动装置的运动情况和第一编码器、第二编码器监测反馈第一电机、第二电机的运动情况，并将信息通过A/D转换器输入计算机，计算机处理数据判断三维精密控制平台是否到达指定位置，若出现偏差，则计算机继续控制三维精密控制平台作出相应的移动，若无偏差，则重复S4的整个过程，完成第二次脉冲激光的冲击成形；以此循环，直至工件复制出整个微模具的形貌，或者完成全部工位的脉冲激光冲击成形；

S6.当工件完成复制整个微模具的脉冲激光冲击成形，或者完成全部工位的脉冲激光冲击成形后，计算机控制关闭脉冲激光器；接着立刻关闭超声发生器，松开夹具，依次取下约束层、软膜、工件，然后从步骤S1开始进入下一个循环。

本发明的有益效果是：

1.三维精密控制平台通过液压控制系统与竖直方向驱动装置连接，用于控制三维精密控制平台竖直方向的移动；然后，根据模具型腔的特点或者根据多工位的移动距离，计算机根据自动处理提前编制好的程序，得到平台应该移动的距离和方向，三维移动平台控制器根据移动的距离和方向，产生控制信号，以控制电机的运行，从而控制三维精密控制平台前后、左右方向移动；通过光栅尺位移传感器监测反馈前后、左右方向移动装置的运动情况和编码器监测反馈电机的运动情况，并将信息通过A/D转换器输入计算机，计算机处理数据判断三维精密移动工作台是否到达指定位置，若出现偏差，则计算机可继续控制三维精密移动工作台作出相应的移动到预定位置。本发明可实现一次装夹过程中对具有多个阵列型腔的模具，或者有大面积型腔模具的激光冲击成形，无需重复拆卸工件组件进行调试光光斑与模具型腔的对中，提高了工作效率；本发明还适用于多工位高频振动辅助激光间接冲击柔性加载成形，节省时间，适合批量生产。

2.本发明实现了计算机控制三维精密控制平台移动的一个闭环控制，可实现三维平台的前后、左右方向的精确移动，并通过光栅尺位移传感器和编码器监测反馈前后、左右平台的运动情况和电机的运动情况，并将信息输入计算机，再次对三维移动平台进行调节，确定无偏差，再进行激光冲击成形，提高了工件成形的精度，减少了废品率，节省材料的使用。

3.本发明所述的一种激光间接冲击微成形的精密控制方法利用超声振动辅助激光冲击成形可以改善原先激光冲击成形的一些缺陷；第一，超声振动能场可减小工件和模具接触面摩擦力；第二，利用超声振动“软化”机制可降低流动应力、提高充模性和成形能力；第三，超声振动可提升材料塑性变形均匀性，抑制裂纹萌生与扩展以及起皱等缺陷；第四，超声振动可以实现晶粒细化，超声振动辅助激光冲击微成形能够在一定程度上进一步克服介观尺度效应对微塑性成形的影响。

4.另外，本发明通过CCD传感器拍摄调试光光斑中心相对于微模具型腔中心的位置，并通过图像采集器处理输入计算机，计算机处理信息后再对三维精密控制平台的移动做出对应的控制，比起人工调节精度提高很多，提高了工件的成形质量和减少了废品率。

5.本发明有一部分涉及到机械自动控制领域，提高了三维移动平台的精密性，也适用于实现大面积模具成形和多工位激光冲击成形、使工件精确得复制出模具的形貌，或者同时完成工件的批量成形，提高了工作效率。

附图说明

图1是本发明一种激光间接冲击微成形的精密控制装置的结构示意图；

图2是本发明中三维精密控制平台的三维结构示意图；

图3是本发明中三维精密控制平台中竖直方向移动装置的三维示意图；

图4是本发明中三维精密控制平台中左右方向移动装置的三维示意图；

图5是本发明中三维精密控制平台中前后方向移动装置的三维示意图；

图6是本发明中超声振动系统的结构示意图；

图7是本发明中微模具的三维示意图。

附图标记如下：

1-L型底座；2-三维精密控制平台；3-A/D转换器；4-第一编码器；5-第二编码器；6-光栅尺位移传感器；7-超声振动系统；8-工件组件；9-透镜调整臂；10-可调聚焦透镜；11-全反镜；12-计算机；13-液压控制系统；14-三维移动平台控制器；15-图像采集器；16-CCD传感器；17-激光控制器；18-脉冲激光器；19-竖直方向移动装置；20-左右方向移动装置；21-前后方向移动装置；22-第一基座；23-液压缸；24-耳座；25-第一滑轨；26-第二基座；27-第一滑块；28-丝杠Ⅰ；29-支撑块；30-第二滑轨；31-第一电机；32-第一移动块；33-第一垫块；34-第二滑块；35-连接架；36-第三滑轨；37丝杠Ⅱ；38-第三滑块；39-第二垫块；40-物体放置平台；41-连接柱；42-第二电机；43-第二移动块；44-第四滑块；45-支撑箱体；46-第三垫块；47-超声换能器；48-振板；49-夹具；50-微模具；51-工件；52-软膜；53-吸收层；54-约束层；55-超声发生器；56-示波器；57-信号调理器；58-AD50T压电加速度传感器；

具体实施方式

下面结合附图以及4行4列阵列型腔的模具对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明所述的一种激光间接冲击微成形的精密控制装置结合附图1所示，包括激光加载系统、超声振动系统、光斑—模具型腔对中组件、工件组件和控制系统；

结合附图1所示，激光加载系统包括L型底座1、脉冲激光器18、透镜调整臂9、可调聚焦透镜10、全反镜11；脉冲激光器18发出的激光束经45°设置的全反镜11反射到可调聚焦透镜10上聚焦，聚焦后的激光束照射到调试光光斑—模具型腔对中组件调试好的中心位置上；可调聚焦透镜10安装在透镜调整臂9上，透镜调整臂9安装在L型底座1的竖直侧面上且与水平面平行，并可通过调整透镜调整臂9上的松紧螺栓来可调节聚焦透镜10的竖直方向高度，从而实现调节激光光斑大小的目的。

结合附图2所示，三维精密控制平台2包括竖直方向移动装置19、前后方向移动装置21和左右方向移动装置20、光栅尺位移传感器6、第一编码器4、第二编码器5，所述的竖直方向移动装置19安装在L型底座1上方，实现竖直方向的移动，所述的左右方向移动装置20安装在竖直方向移动装置19的上方，实现左右方向的精确移动，所述的前后方向移动装置21安装在左右方向移动装置20的上方，实现前后方向的精确移动。

结合附图3所示，所述的竖直方向移动装置19包括四个对称的竖直方向的第一滑轨25、液压缸23、耳座24和第一基座22；竖直方向移动装置的第一基座22四角位置有四个螺纹孔，用六角头螺栓安装固定在L型底座1上面，所述第一滑轨对称的设置在第一基座四角位置，液压缸左右对称设置在第一基座上，且液压缸置于前后布置的第一滑轨之间；液压缸的活塞杆顶端安装有耳座；耳座上开设的螺纹孔与左右方向移动装置中的第二基座底面的螺栓连接，实现竖直方向移动装置19与左右方向移动装置20的连接；通过液压控制系统13可控制三维精密控制平台2竖直方向的移动。

结合附图4所示，所述的左右方向移动装置20包括第二基座26、丝杠Ⅰ28、第一滑块27、支撑块29、第一电机31、第二滑轨30、第二滑块34、第一移动块32、第一垫块33；所述第二基座26的前后两侧设置有第一滑块27，且第一滑块27可以沿第一滑轨25上下滑动；所述基座26的上端面左右两端设置有支撑块29；支撑块29之间设置有第二滑轨30和丝杠Ⅰ28，第二滑轨30的上下端面为V型的滑槽；丝杠Ⅰ28置于第二滑轨30的正下方，且丝杠Ⅰ28通过第一电机31带动；丝杠Ⅰ28上安装有第一移动块32；第一移动块32可沿丝杠Ⅰ移动，第一移动块32上端设置有第一垫块33，第一垫块33连接第一移动块和第二滑块，第二滑块34与第二滑轨30滑动连接；三维移动平台控制器14根据移动的距离和方向，产生控制信号，以控制第一电机31运行，第一电机31的旋转通过丝杠Ⅰ28实现控制三维精密控制平台2左右方向的移动。

结合附图5所示，所述的前后方向移动21装置包括连接架35、第三滑块38、第二垫块39、第二移动块43、丝杠Ⅱ37、第二电机42、第四滑块44、第三滑轨36、连接柱41、物体放置平台40；所述连接架35一端连接在第一垫块33上；连接架35的另一端与第二垫块39一端固连，第二垫块39另一端与第三滑块38固连，该第三滑块38与第二滑轨30滑动连接；第二电机42与一侧的连接柱41连接，丝杠Ⅱ37的一端以联轴器与第二电机42相连接，另一端通过滚动轴承与另一侧的连接柱41相连接；第二移动块43上的孔与丝杠Ⅱ37相配合，第二移动块43的下端与第二垫块39固连，第二移动块43的两侧对称固连第四滑块44，第四滑块44与第三滑轨36的矩形滑槽间隙配合；第三滑轨36通过两个连接柱41连接，物体放置平台40的下端四周与第三滑轨36和两个连接柱41的上端面固连在一起；物体放置平台40上有四个螺纹孔，用于放置安装超声振动系统7；三维移动平台控制器14根据移动的距离和方向，产生控制信号，以控制第二电机42运行，第二电机42的旋转通过丝杠Ⅱ37实现控制三维精密控制平台2前后方向的移动。

结合附图6所示，所述超声振动系统7包括支撑箱体45、第三垫块46、超声换能器47、振板48、超声发生器55、AD50T压电加速度传感器58、信号调理器57以及示波器56；所述支撑箱体安装在三维精密控制平台上；所述支撑箱体内左右对称安装有第三垫块；第三垫块上通过螺栓安装有振板；振板下表面安装有超声换能器，且超声换能器置于支撑箱体内；振板上表面安装有AD50T压电加速度传感器，AD50T压电加速度传感器通过信号调理器与示波器相连接，用来实时监测振板的振幅。

结合附图1所示，所述调试光光斑—模具型腔对中组件包括所述三维精密控制平台2、CCD传感器16；所述三维精密控制平台2设置在L型底座1上；利用激光控制器17控制激光器18发出一束调试光，由三维精密控制平2控制前后左右和竖直方向的移动，将经全反镜11反射和透镜10聚焦后的调试光光斑与模具50中的型腔对中；CCD传感器16将调试光光斑与模具50型腔的相对位置输入计算机12，计算机12再对三维精密控制平台2的移动做出控制。

结合附图6、7所示，所述的工件组件8从下至上由夹具49、微模具50、工件51、软膜52、吸收层53和约束层54组成。夹具49通过螺纹连接安装在超声振动系统7中的振板48上，将工件毛坯51、能量吸收层53、软膜52、约束层54从下到上依次放置在模具50上，用试管滴一滴水在吸收层53上，实现吸收层53与约束层54之间的密封，然后夹具49将从模具50到约束层54的组件夹紧；所述能量吸收层53厚度为5-30μm，所述软膜52为硅橡胶，所述工件51为金属箔板，所述约束层54为厚度为3mm的有机玻璃PMMA；所述微模具50的型腔为4行4列阵列，如图7所示。

结合附图1所示，所述控制系统包括计算机12、激光控制器17、A/D转换器3、图像采集器15、液压控制系统13、三维移动平台控制器14；所述激光控制器17、A/D转换器3、图像采集器15、液压控制系统13、三维移动平台控制器14均与计算机12相连接，激光控制器17另一端与脉冲激光器18连接，用于控制激光器18的工作状态和控制激光器18发出的脉冲激光的参数，如脉冲宽度、脉冲能量、脉冲形状、光斑大小等，从而控制所需的脉冲激光的冲击力的大小；A/D转换器3的另一端与光栅尺位移传感器6和第一编码器4、第二编码器5连接，用于监测反馈前后方向移动装置21和左右方向移动装置20的运动情况和电机4、5的运动情况，实现三维精密控制平台2的精密、无误的移动；图像采集器15的另一端与CCD传感器16连接，CCD传感器16采集到的调试光光斑与微模具50型腔的相对位置通过图像采集器15处理后输入计算机12，如不对中，计算机12再对三维精密控制平台2的移动做出控制；液压控制系统13与竖直方向移动装置19连接，用于控制三维移动平台2竖直方向的移动；三维移动平台控制器14与三维精密控制平台2连接，三维移动平台控制器14根据移动的距离和方向，产生控制信号，以控制第一电机31、第二电机42运行，电机的旋转通过丝杠Ⅰ28、丝杠Ⅱ37实现控制三维精密控制平台2前后、左右方向的移动。

一种激光间接冲击微成形的精密控制方法，具体包括如下步骤：

S1.激光控制器17、A/D转换器3、图像采集器15、液压控制系统13、三维移动平台控制器14均与计算机12相连接，将超声振动装置7的底部用开槽沉头螺钉固定安装在三维精密控制平台2的物体放置平台40上，将夹具49固定连接在超声振动装置的振板48上，在夹具49上放上微模具50，接着计算机12控制激光控制器17调控脉冲激光器18发出一束调试光，利用三维精密控制平台2控制前后左右精密移动和竖直方向的动作，利用CCD传感器16拍摄调试光光斑中心相对于微模具50型腔中心的位置，并通过图像采集器15处理输入计算机12，计算机12处理信息后再对三维精密控制平台2的移动做出对应的控制；这一过程实现了经全反镜11反射和可调聚焦透镜10聚焦后的调试光光斑与微模具50中第一个脉冲激光冲击的型腔对中，保持各部件固定后，控制器关闭调试光。

S2.工件组件的装配、定位、密封和夹紧，将工件毛坯51、软膜52、能量吸收层53、约束层54从下到上依次放置在微模具50上，用试管滴一滴水在吸收层53上，实现吸收层53与约束层54之间的密封，然后夹具49将从微模具50到约束层54的组件夹紧。

S3.打开超声波发生器55，通过超声换能器47将由超声波发生器55产生的交变电能转换成超声波振动能，然后通过振板48传送给微模具50和工件51，使激励信号由下而上作用于工件51，将AD50T压电加速度传感器58固定在振板48上，并通过信号调理器56和示波器55实时显示振板48的振幅。

S4.计算机12控制Nd:YAG脉冲激光控制器17的启动，Nd:YAG脉冲激光器18发出的激光束通过全反镜11、可调聚焦透镜10，激光透过约束层54照射在吸收层53上，吸收层53吸收激光能量迅速气化并电离形成等离子体。等离子体继续吸收能量，在约束层54和软膜52之间的有限空间内迅速膨胀爆炸，诱导产生冲击波。当冲击波作用于软膜52时，冲击波会以应力波的形式向内传递。当冲击波压力大于工件的屈服强度时，工件51会发生塑性变形，完成一个脉冲下的微零件的成形；一个脉冲后，计算机12控制关闭Nd:YAG脉冲激光器18。

S5.三维精密控制平台2竖直方向从调试光光斑与模具型腔中心对中后一直保持不变，根据4行4列阵列型腔模具的特点编制好程序，计算机处理程序，根据微模具50型腔的特点或者根据多工位的移动距离，计算机12根据处理提前编制好的程序，得到三维精密控制平台2应该移动的距离和方向，三维移动平台控制器14根据移动的距离和方向，产生控制信号，以控制第一电机31、第二电机42运行，从而控制三维精密控制平台2前后、左右方向移动，通过光栅尺位移传感器6监测反馈左右方向移动装置20、前后方向移动装置21的运动情况和第一编码器4、第二编码器5监测反馈第一电机31、第二电机42的运动情况，并将信息通过A/D转换器3输入计算机12，计算机12处理数据判断三维精密控制平台2是否到达指定位置，若出现偏差，则计算机12继续控制三维精密控制平台2作出相应的移动，若无偏差，则重复步骤S4的整个过程，完成第二次脉冲激光的冲击成形；以此循环，直至工件51复制出整个微模具50的形貌，或者完成全部工位的脉冲激光冲击成形；

S6.当工件51完成复制整个微模具50的脉冲激光冲击成形，或者完成全部工位的脉冲激光冲击成形后，计算机12控制关闭脉冲激光器18。接着立刻关闭超声发生器55，松开夹具49，依次取下约束层54、软膜52、工件51，然后从步骤S1开始进入下一个循环。

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。

Claims (6)

1.一种激光间接冲击微成形的精密控制装置，其特征在于，该装置包括激光加载系统、超声振动系统、调试光光斑—模具型腔对中组件、工件组件和控制系统；

所述激光加载系统包括L型底座(1)、脉冲激光器(18)、透镜调整臂(9)、可调聚焦透镜(10)和全反镜(11)；所述脉冲激光器(18)发出的激光束经45°设置的全反镜(11)反射到可调聚焦透镜(10)上聚焦，聚焦后的激光束照射到调试光光斑—模具型腔对中组件调试好的中心位置上；所述可调聚焦透镜(10)安装在透镜调整臂(9)上，透镜调整臂(9)安装在L型底座(1)的竖直侧面上且与水平面平行，并可通过调整透镜调整臂(9)上的松紧螺栓来可调节聚焦透镜(10)的竖直方向高度；

所述超声振动系统(7)包括支撑箱体(45)、第三垫块(46)、超声换能器(47)、振板(48)、超声发生器(55)、AD50T压电加速度传感器(58)、信号调理器(57)和示波器(56)；所述支撑箱体(45)安装在三维精密控制平台(2)上；所述支撑箱体(45)内左右对称安装有第三垫块(46)；第三垫块(46)上通过螺栓安装有振板(48)；振板(48)下表面安装有超声换能器(47)，且超声换能器(47)置于支撑箱体(45)内；振板(48)上表面安装有AD50T压电加速度传感器(58)，AD50T压电加速度传感器(58)通过信号调理器(57)与示波器(56)相连接，用来实时监测振板(48)的振幅；

所述调试光光斑—模具型腔对中组件包括三维精密控制平台(2)、CCD传感器(16)；所述三维精密控制平台(2)设置在L型底座(1)上；利用激光控制器(17)控制脉冲激光器(18)发出一束调试光，由三维精密控制平台(2)控制前后左右和竖直方向的移动，将经全反镜(11)反射和可调聚焦透镜(10)聚焦后的调试光光斑与微模具(50)中的型腔对中；CCD传感器(16)将调试光光斑与工件组件(8)中的微模具(50)型腔的相对位置输入计算机(12)，计算机(12)再对三维精密控制平台(2)的移动做出控制；

所述工件组件(8)从下至上包括夹具(49)、微模具(50)、工件(51)、软膜(52)、吸收层(53)和约束层(54)；所述夹具(49)通过螺纹连接安装在振板(48)上，且夹具(49)夹紧和定位微模具(50)、工件(51)、软膜(52)、吸收层(53)和约束层(54)；

所述控制系统包括计算机(12)、激光控制器(17)、A/D转换器(3)、图像采集器(15)、液压控制系统(13)和三维移动平台控制器(14)；所述激光控制器(17)、A/D转换器(3)、图像采集器(15)、液压控制系统(13)、三维移动平台控制器(14)均与计算机(12)相连接，激光控制器(17)另一端与脉冲激光器(18)连接，用于控制脉冲激光器(18)的工作状态；A/D转换器(3)的另一端与光栅尺位移传感器(6)、第一编码器(4)、第二编码器(5)连接，用于监测反馈三维精密控制平台(2)在前后、左右方向移动装置的运动情况和第一电机(31)、第二电机(42)的运动情况；图像采集器(15)的另一端与CCD传感器(16)连接，将CCD传感器(16)采集到的信息通过图像采集器(15)处理后输入计算机(12)；液压控制系统(13)与液压缸(23)连接，用于控制三维精密控制平台(2)在竖直方向的移动；三维移动平台控制器(14)与三维精密控制平台(2)连接，用于精密控制三维精密控制平台(2)的前后、左右方向的移动。

2.根据权利要求1所述的一种激光间接冲击微成形的精密控制装置，其特征在于，所述三维精密控制平台(2)包括竖直方向移动装置(19)、左右方向移动装置(20)和前后方向移动装置(21)；所述竖直方向移动装置(19)安装在L型底座(1)上方，所述的左右方向移动装置(20)安装在竖直方向移动装置(19)的上方，所述的前后方向移动装置(21)安装在左右方向移动装置(20)的上方；

所述竖直方向移动装置(19)包括第一滑轨(25)、液压缸(23)、耳座(24)和第一基座(22)；所述第一滑轨(25)对称的设置在第一基座(22)四角位置，液压缸(23)左右对称设置在第一基座(22)上，且液压缸(23)置于前后布置的第一滑轨(25)之间；液压缸(23)的活塞杆顶端安装有耳座(24)；耳座(24)上开设的螺纹孔与左右方向移动装置(20)中的第二基座(26)底面的螺栓连接；

所述左右方向移动装置(20)包括第二基座(26)、丝杠Ⅰ(28)、第一滑块(27)、支撑块(29)、第一电机(31)、第二滑轨(30)、第二滑块(34)、第一移动块(32)和第一垫块(33)；所述第二基座(26)的前后两侧设置有第一滑块(27)，且第一滑块(27)可以沿第一滑轨(25)上下滑动；所述第二基座(26)的上端面左右两端设置有支撑块(29)；支撑块(29)之间设置有第二滑轨(30)和丝杠Ⅰ(28)，第二滑轨(30)的上下端面为V型的滑槽；丝杠Ⅰ(28)置于第二滑轨(30)的正下方，且丝杠Ⅰ(28)通过第一电机(31)带动；丝杠Ⅰ(28)上安装有第一移动块(32)；第一移动块(32)可沿丝杠Ⅰ移动，第一移动块(32)上端设置有第一垫块(33)，第一垫块(33)连接第一移动块(32)和第二滑块(34)，第二滑块(34)与第二滑轨(30)滑动连接；

所述前后方向移动装置(21)包括连接架(35)、第三滑块(38)、第二垫块(39)、第二移动块(43)、丝杠Ⅱ(37)、第二电机(42)、第四滑块(44)、第三滑轨(36)、连接柱(41)和物体放置平台(40)；所述连接架(35)一端连接在第一垫块(33)上；连接架(35)的另一端与第二垫块(39)一端固连，第二垫块(39)另一端与第三滑块(38)固连，该第三滑块(38)与第二滑轨(30)滑动连接；第二电机(42)与一侧的连接柱(41)连接，丝杠Ⅱ(37)的一端以联轴器与第二电机(42)相连接，另一端通过滚动轴承与另一侧的连接柱(41)相连接；第二移动块(43)上的孔与丝杠Ⅱ(37)相配合，第二移动块(43)的下端与第二垫块(39)固连，第二移动块(43)的两侧对称固连第四滑块(44)，第四滑块(44)与第三滑轨(36)的矩形滑槽间隙配合；第三滑轨(36)通过两个连接柱(41)连接，物体放置平台(40)的下端四周与第三滑轨(36)和两个连接柱(41)的上端面固连在一起。

3.根据权利要求1所述的一种激光间接冲击微成形的精密控制装置，其特征在于，所述吸收层(53)厚度为5-30μm，所述软膜(52)为硅橡胶，所述工件(51)为金属箔板，所述约束层(54)为厚度为3mm的有机玻璃PMMA；所述微模具(50)的设计尺寸均在微米级。

4.根据权利要求1所述的一种激光间接冲击微成形的精密控制装置，其特征在于，所述微模具(50)上的型腔是M行、N列呈阵列排列，具体行和列的数量根据生产需求确定；或者微模具(50)是具有大面积的型腔。

5.根据权利要求1所述的一种激光间接冲击微成形的精密控制装置，其特征在于：通过超声换能器(47)将由超声波发生器(55)产生的交变电能转换成超声波振动能，然后通过振板(48)传送给微模具(50)和工件(51)，使激励信号由下而上作用于微模具(50)和工件(51)；将AD50T压电加速度传感器(58)固定在振板(48)上，并通过信号调理器(57)和示波器(56)实时显示振板(48)的振幅。

6.一种基于权利要求1至5任一项所述的激光间接冲击微成形的精密控制装置的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

S1.激光控制器(17)、A/D转换器(3)、图像采集器(15)、液压控制系统(13)、三维移动平台控制器(14)均与计算机(12)相连接，将超声振动系统(7)的底部用开槽沉头螺钉固定安装在三维精密控制平台(2)的物体放置平台(40)上，将夹具(49)固定连接在超声振动装置的振板(48)上，在夹具(49)上放上微模具(50)，接着计算机(12)控制激光控制器(17)调控脉冲激光器(18)发出一束调试光，利用三维精密控制平台(2)控制前后左右精密移动和竖直方向的动作，利用CCD传感器(16)拍摄调试光光斑中心相对于微模具(50)型腔中心的位置，并通过图像采集器(15)处理输入计算机(12)，计算机(12)处理信息后再对三维精密控制平台(2)的移动做出对应的控制；这一过程实现了经全反镜(11)反射和可调聚焦透镜(10)聚焦后的调试光光斑与微模具(50)中第一个脉冲激光冲击的型腔对中，保持各部件固定后，控制器关闭调试光；

S2.工件组件的装配、定位、密封和夹紧，将工件毛坯(51)、软膜(52)、吸收层(53)、约束层(54)从下到上依次放置在微模具(50)上，用试管滴一滴水在吸收层(53)上，实现吸收层(53)与约束层(54)之间的密封，然后夹具(49)将从微模具(50)到约束层(54)的组件夹紧；

S3.打开超声波发生器(55)，通过超声换能器(47)将由超声波发生器(55)产生的交变电能转换成超声波振动能，然后通过振板(48)传送给微模具(50)和工件(51)，使激励信号由下而上作用于工件(51)；将AD50T压电加速度传感器(58)固定在振板((48)上，并通过信号调理器(56)和示波器(55)实时显示振板(48)的振幅；

S4.计算机(12)控制脉冲激光控制器(17)的启动，脉冲激光器(18)发出的激光束通过全反镜(11)、可调聚焦透镜(10)，激光透过约束层(54)照射在吸收层(53)上，吸收层(53)吸收激光能量迅速气化并电离形成等离子体，等离子体继续吸收能量，在约束层(54)和软膜(52)之间的有限空间内迅速膨胀爆炸，诱导产生冲击波，当冲击波作用于软膜(52)时，冲击波会以应力波的形式向内传递，当冲击波压力大于工件的屈服强度时，工件(51)会发生塑性变形，完成一个脉冲下的微零件的成形；一个脉冲后，计算机(12)控制关闭脉冲激光器(18)；

S5.三维精密控制平台(2)竖直方向从调试光光斑与模具型腔中心对中后一直保持不变，根据微模具(50)型腔的特点或者根据多工位的移动距离，计算机(12)根据处理提前编制好的程序，得到三维精密控制平台(2)应该移动的距离和方向，三维移动平台控制器(14)根据移动的距离和方向，产生控制信号，以控制第一电机(31)、第二电机(42)的运行，从而控制三维精密控制平台(2)前后、左右方向移动，通过光栅尺位移传感器(6)监测反馈三维精密控制平台(2)前后、左右的方向移动装置的运动情况和第一编码器(4)、第二编码器(5)监测反馈第一电机(31)、第二电机(42)的运动情况，并将信息通过A/D转换器(3)输入计算机(12)，计算机(12)处理数据判断三维精密控制平台(2)是否到达指定位置，若出现偏差，则计算机(12)继续控制三维精密控制平台(2)作出相应的移动，若无偏差，则重复S4的整个过程，完成第二次脉冲激光的冲击成形；以此循环，直至工件(51)复制出整个微模具(50)的形貌，或者完成全部工位的脉冲激光冲击成形；

S6.当工件(51)完成复制整个微模具(50)的脉冲激光冲击成形，或者完成全部工位的脉冲激光冲击成形后，计算机(12)控制关闭脉冲激光器(18)；接着立刻关闭超声发生器(55)，松开夹具(49)，依次取下约束层(54)、软膜(52)、工件(51)，然后从步骤S1开始进入下一个循环。