一种激光辅助渐进成形一体化通用装夹装置及成型方法与流程

本发明专利属于金属板材加工领域，涉及一种激光辅助渐进成形一体化通用装夹装置。

背景技术：

金属板材成形近年来在制造业中得到广泛的应用，渐进成形作为一种新型的板材成形技术使得无模成形技术得到了快速的发展，但是普通的板材渐进成形仍有一些不足，比如残余应力使得板材成形的精度降低，而激光辅助渐进成形能够降低残余应力，提高板材成形的精度。

目前激光辅助渐进成形的普遍使用方法是j.r.duflou所设计的激光器与加工压头异侧的装置。在板材的一侧布置一个多自由度机械手装夹着压头进行运动，另外一侧布置一个同步运动的激光加热装置对压头和板材的接触点进行加热。这种加工方法由于采用两套运动机构分别控制压头和激光点的同步运动，结构与控制复杂。激光与压头处在不同的两侧，受热面与工作面不同，使得激光的热效率降低。加工装置两套机构分出两侧，使得空间利用率及可操作性降低，且不能同时使用模具进行异侧辅助正成形。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种激光辅助渐进成形的一体化装夹装置，很好地解决了由于工具压头和加工板料接触产生的不必要的塑性变形与残余应力，使得加工零件的精度得到了提升。同时激光与压头两套装置处在同一侧，激光的热效率极高。两套装置处在同一侧即光斑与压头处在同侧，使得本设计中的激光辅助渐进成形能够实现使用模具的正成形。本发明提供了一种可实现激光辅助渐进成形的一体化装夹装置，可实现激光光斑位置可控并可随工具头加工路径运动，目的在于解决当前激光器与加工面异侧带来的结构复杂及精度不足等问题，该夹具适配于多型号设备，具有结构简单、成本低廉，能更好满足激光辅助成形的要求。

本发明通过以下方案来实现上述目的：

一种激光辅助渐进成形一体化通用装夹装置，包括一个夹具框架，所述的夹具框架包括一个水平架和一个与水平架相连的竖直架，在所述的水平架上安装有驱动整个框架旋转的驱动装置，且所述的驱动装置又与主轴连接装置相连；在所述的竖直架上固定有激光器固定装置和光路调节装置；所述的激光器固定装置包括两套楔形夹具，两套楔形夹具在水平面内运动，且运动方向相互垂直；所述的光路调节装置安装在两套楔形夹具的下方。

进一步的，所述的楔形夹具包括手轮、螺栓、推进导轨、楔形推进块和夹棒；所述的螺栓一端连接手轮，另一端驱动楔形推进块沿着所述的推进导轨前进；所述的楔形推进块包括两个楔形面，两个楔形面各自与一个夹棒配合，两个夹棒在楔形推进块推进或者退出过程中相向或者相反运动。

进一步的，所述的楔形推进块为一个槽型结构。

进一步的，所述的楔形推进块的内部设有支撑结构，所述的夹棒一端与所述的楔形面配合，另一端穿过楔形推进块，用于夹持激光器。

进一步的，所述的夹棒上设有两处环状结构的凸起，其中凸起i用于其与支撑结构内侧面的定位，凸起ii用于其与支撑结构外侧面的定位，且凸起ii与所述的支撑结构外侧面之间设有一个套装在夹棒上的弹性装置，所述的弹性装置主要用于夹棒的回弹，当楔形推进块回退时，两个夹棒在弹簧的作用下也实现自动退回，进而松开激光器；当楔形推进块推进时，两个夹棒在楔形推块的作用下也实现自动前进，进而夹紧激光器。

进一步的，所述的驱动装置包括一个电机，所述的电机驱动一个小齿轮旋转，所述的小齿轮与一个大齿轮啮合，所述的大齿轮内部安装有一个轴承，轴承与夹具框架固定连接，从而使整个夹具固定在机床上工作过程如下：

电机驱动一个小齿轮旋转，所述的小齿轮驱动大齿轮旋转，所述的大齿轮带动轴承旋转，轴承带动夹具框架旋转，进而实现激光装置的旋转。

所述轴承的内圈为两个半圆弧结构，两个半圆弧结构通过两个螺栓连接在一起，半圆弧结构内表面有微小沟槽以增加与主轴摩擦力，通过调节两个螺栓的锁紧，将其与机床中心轴固定连接。

进一步的，所述的电机壳体的外圈安装一个夹具，与机床相连。

进一步的，所述的光路调节装置包括轴承、长型手轮、压紧螺栓以及镜座，所述的镜座与长型手轮相连，所述的长型手轮的外圈安装一个轴承，所述的轴承上设有压紧螺栓，通过松开或者拧紧压紧螺栓，可以实现长型手轮的旋转。

利用所述的激光辅助渐进成形一体化通用装夹装置进行成型的方法，其特征在于，

第一步：利用主轴连接装置与机床主轴进行紧固连接，确保装置在主轴上不会滑落。

第二步：安装电机，电机通过夹具与机床连接在一起，使电机与齿轮相匹配运动，且检查齿轮安装、啮合准确，伺服电机没有松动现象；

第三步：将原有的激光发射器放置在两个楔形夹套中间，旋转两手轮使激光器保持竖直且无法滑落；

第四步：根据不同的加工材料，旋动长型手轮，调节激光光路，使激光光斑的落到距离工具压头指定的长度处；

第五步：使用编程工具使伺服电机按照预定方案带动装夹装置进行旋转运动。

本发明的特点在于通过两套推进楔形块同步推进夹棒，使不同型号尺寸激光器轴心与四根夹棒的中心轴线重合，从而保证光路沿着轴线传播到反射镜。通过旋转镜座，使得竖直向下传播的激光能反射到工具压头附近，根据需要进行激光在板材上聚焦点位置的调节。

本激光辅助渐进成形装夹装置采用与机床主轴相关联并可绕主轴做同轴旋转的运动。激光光路会随着同轴旋转装置的旋转而绕着机床主轴的轴心进行转动。装夹装置上的激光反射镜可以满足不同材料对于不同激光点相对工具压头的距离不同的要求。本发明中的装夹装置能够满足市面上的绝大多数激光器，夹紧机构能够夹紧不同直径的激光器。通过装夹装置的夹紧，激光器的中心轴与激光光路重合而且能够保证激光器竖直向下。

通过具备自锁能力的螺旋夹紧机构带动楔形块的向前推进，楔形面与两夹块的夹棒斜面相接触，楔形块进一步推进时，夹棒便会向中间靠拢，两夹块将按照预设的轨道进行推进，进而夹紧激光器。

与反射镜连接的夹紧机构能够满足以下要求：

能够使激光反射镜绕着自身对称轴进行旋转，而对称轴垂直于竖直光路与主轴轴心构成的面，从而使激光始终在竖直光路与主轴轴心构成的面上，即过工具压头的投影圆心。在装夹装置工作时，通过螺旋锁紧机构能将激光反射镜进行固定，从而使其在加工零件时保持恒定的加热距离。

本发明有益效果在于：

本发明可以实现一种激光辅助加热渐进成形工艺，提高待成形板材的成形能力。

本发明能够使得激光夹具与压头夹具处于同侧，提高空间使用效率，提高激光热效率，能够使用模具成形。

本发明能够适配不同大小的机床主轴和不同型号的激光器；

附图说明

图1、图2：为一体化装夹装置示意图；

图3：为主轴连接装置；

图4、图5、图6：为激光器固定装置；

图7：为光路调节装置；

图中：1为主轴连接装置，2为光路调节装置，3为激光器固定装置，4大齿轮、5定制轴承、6夹具、7丝杠、8夹具框架、9手轮，10楔形推进块，11夹棒，12推进导轨，13螺栓，14长型手轮，15轴承，16专用镜座，17压紧螺栓，18复位弹簧，19小齿轮，20伺服电机，21电机夹具。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

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申请的示例性实施方式。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。

正如背景技术所介绍的，现有技术中的加工方法由于采用两套运动机构分别控制压头和激光点的同步运动，结构与控制复杂。激光与压头处在不同的两侧，受热面与工作面不同，使得激光的热效率降低。加工装置两套机构分出两侧，使得空间利用率及可操作性降低，且不能同时使用模具进行异侧辅助正成形，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种激光辅助渐进成形一体化通用装夹装置及成型方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1、2所示，提供了一种激光辅助渐进成形一体化装夹装置，它包括三大部分；

第一部分为主轴连接装置1，主要作用是为了使机床主轴与夹具框架相连，同时能够连接同步带带动装置。如图3，主轴连接装置主要包括大齿轮4、定制轴承5、夹具6、丝杠7和伺服电机20，大齿轮4与固定轴承的外圈上部分固连，将轴承轴心与机床主轴同轴心配合套入，通过丝杠7上的夹具6，丝杠7与定制轴承5下边缘固连，从而固定机床主轴。夹具框架8与轴承外圈的下半部分固连，从而使夹具框架能与轴承外圈同步旋转。

电机20驱动一个小齿轮19旋转，所述的小齿轮19与一个大齿轮4啮合，所述的大齿轮4内部安装有一个轴承5，轴承与夹具框架8固定连接，从而使整个夹具固定在机床上工作过程如下：

电机驱动一个小齿轮旋转，所述的小齿轮驱动大齿轮旋转，所述的大齿轮带动轴承旋转，轴承待定夹具框架旋转，进而实现激光装置的旋转。

轴承的内圈为两个半圆弧结构，两个半圆弧结构通过两个螺栓连接在一起，半圆弧结构内表面有微小沟槽以增加与主轴摩擦力，通过调节两个螺栓的锁紧，将其与机床中心轴固定连接。

第二部分为激光器固定装置2，主要作用是适配不同尺寸的激光器，固定激光器与装夹装置，满足激光竖直向下传播且激光处于中心线上。如图4-6所示，激光器固定装置包括两套，每一套都包括手轮9、楔形推进块10、夹棒11、推进导轨12、螺栓13；手轮带动螺栓向前推进将楔形推进块沿着推进导轨前进，楔形推进块的楔形面接触到夹棒斜面后，两对称夹棒沿着光滑的导轨向中轴同步推进，从而夹紧激光器。在楔形块退回时，夹棒能在弹簧的弹性作用下自动复位。

具体的连接关系如下：

螺栓13一端连接手轮，另一端驱动楔形推进块10沿着所述的推进导轨12前进；所述的楔形推进块10包括两个楔形面，两个楔形面各自与一个夹棒配合，两个夹棒在楔形推进块推进或者退出过程中相向或者相反运动。

楔形推进块10为一个槽型结构，两个楔形面位于槽型结构的两个侧壁上。

楔形推进块10的内部设有支撑结构，所述的夹棒11一端与所述的楔形面配合，另一端穿过楔形推进块，用于夹持激光器。

夹棒11上设有两处环状结构的凸起，其中凸起i用于其与支撑结构内侧面的定位，凸起ii用于其与支撑结构外侧面的定位，且凸起ii与所述的支撑结构外侧面之间设有一个套装在夹棒上的弹性装置，所述的弹性装置主要用于夹棒的回弹，当楔形推进块回退时，两个夹棒在弹簧的作用下也实现自动退回，进而松开激光器；当当楔形推进块推进时，两个夹棒在楔形推块的作用下也实现自动前进，进而夹紧激光器。

第三部分为光路调节装置3，主要作用是控制激光器发射的激光光路，使得光斑落点处在指定落点。如图7所示，光路调节装置主要包括长型手轮14、轴承15、厂家专用镜座16、螺栓17，本设计使用镜座说明原理，长型手轮与镜座相连，镜座通过轴承得以旋转，旋转至合适角度之后，将螺栓向下旋转，压紧镜座使得激光的光斑落点处在指定落点。

镜座16与长型手轮14相连，所述的长型手轮14的外圈安装一个轴承15，所述的轴承15上设有压紧螺栓17，通过松开或者拧紧压紧螺栓，可以实现长型手轮的旋转。

装夹装置开始工作时，外设齿轮通过啮合计算好的旋转路径到轴承外圈，轴承外圈带动夹具框架，在夹具框架上固定好的激光器随着轴承外圈旋转而旋转，该过程均以机床中心轴即刀具中心为圆心旋转，事先调整好的光路落点也跟随旋转。

主轴连接装置主要由通过拧紧四颗螺母使夹具6产生的夹紧力将轴承与机床中心轴固定连接，轴承外圈与轴承夹具框架固连，从而使整个夹具固定在机床上。

轴承外圈与大齿轮固连，大齿轮与电机上的小齿轮啮合，通过伺服电机带动小齿轮，大齿轮随之转动从而带动轴承外圈与夹具一起运动。

本发明的特点在于通过两套推进楔形块同步推进夹棒，使不同型号尺寸激光器轴心与四根夹棒的中心轴线重合，从而保证光路沿着轴线传播到反射镜。

通过旋转镜座，使得竖直向下传播的激光能反射到工具压头附近，根据需要进行激光在板材上聚焦点位置的调节。

本激光辅助渐进成形装夹装置采用与机床主轴相关联并可绕主轴做同轴旋转的运动。

激光光路会随着同轴旋转装置的旋转而绕着机床主轴的轴心进行转动。

装夹装置上的激光反射镜可以满足不同材料对于不同激光点相对工具压头的距离不同的要求。

本设计中的装夹装置能够满足市面上的绝大多数激光器，夹紧机构能够夹紧不同直径的激光器。

通过装夹装置的夹紧，激光器的中心轴与激光光路重合而且能够保证激光器竖直向下。

通过具备自锁能力的螺旋夹紧机构带动楔形块的向前推进，楔形面与两夹块的夹棒斜面相接触，楔形块进一步推进时，夹棒便会向中间靠拢，两夹块将按照预设的轨道进行推进，进而夹紧激光器。

采用上述装置实现板材单点渐进成形方法，包括以下步骤：

第一步：利用主轴连接装置与机床主轴进行紧固连接，确保装置在主轴上不会滑落。

第二步：安装伺服电机，伺服电机通过夹具与机床连接在一起，使伺服电机与齿轮相匹配运动，且检查齿轮安装、啮合准确，伺服电机没有松动现象；

第三步：将原有的激光发射器放置在四个夹块中间，旋转两手轮9使激光器保持竖直且无法滑落。

第四步：根据不同的加工材料，旋动长型手轮，调节激光光路，使激光光斑的落到距离工具压头指定的长度处。

第五步：使用编程工具使伺服电机按照预定方案带动装夹装置进行旋转运动。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。