CN102211121A - 板材数控精密渐进成形装置及精密渐进成形方法 - Google Patents

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Abstract

一种板料加工技术领域的板材精密渐进成形装置及其板料精密渐进成形方法，该装置包括：五轴数控成形机床、板料夹具、数据采集系统与优化控制模块，板料夹具设置于机床的工作台上，数据采集系统分别与五轴数控成形机床及优化控制模块相连接并传输加工参数和控制指令，五轴数控成形机床的主轴的末端设有成形压头或激光测距系统，该激光测距系统与数据采集系统相连并传输激光测距信号。本发明通过交替使用成形压头与激光测量系统，完成包括板料渐进成形、误差测量、成形路径修正成形在内的循环操作。该装置既可以节省模具的开发费用，避免占用压力机，还可以保证钣金件的尺寸精度，降低实际生产中因几何误差而导致的材料损失。

Description

板材数控精密渐进成形装置及精密渐进成形方法
技术领域
本发明涉及的是一种板料加工技术领域的装置及方法，，具体是一种板材数控精密渐进成形装置及精密渐进成形方法。
背景技术
金属板材在航空、航天、汽车、船舶和家电等行业有着广泛的应用。传统的板材冲压成形方法适用于大批量的生产加工，而针对小批量、多品种以及样品的试制加工，传统的板料冲压成形技术因需要开发模具，成形时需要专门的压力机，因此制造成本显著上升。而且一件钣金产品需要一副或几副模具才能加工出所需要的形状，缺乏加工的柔性。板料渐进成形成为小批量多品种冲压件制造的有效技术。
对现有渐进成形技术及装置的检索发现：华中科技大学莫建华等提出了一种多功能数控成形加工机，南京航空航天大学高霖等提出的板料电加热数控渐进成形装置。德国亚琛工业大学金属塑性成形研究所(IBF，RWTH Aachen)开发了一种压头与支撑模结合的渐进成形装置，德国波鸿鲁尔大学(Ruhr-Bochum)等通过在板料两边放置两个6轴串联机器人形成双压头板料渐进成形装置。这些装置都针对具有某种固定特征的曲面开发，只考虑了板料的成形功能，未考虑板料的回弹补偿，难以加工几何精密度较为严格的板料产品。
在工件测量方面，现有测量技术已经较为成熟，如三坐标测量、线阵CCD测量，激光测量等。就目前的测量技术来说，三坐标测量速度较慢且需在专门的测量机上进行，CCD测量主要用于物体实体尺寸，难以在深度方向上测量板料的回弹与翘曲。
针对目前板料渐进成形中板料几何误差较大的问题，本发明基于一种补偿优化算法提出将渐进成形和激光测量集成到一台装置，实现板料的柔性无模渐进成形和板料回弹补偿。该装置既可以节省模具的开发费用，避免占用压力机，还可以保证钣金件的尺寸精度。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种板材数控精密渐进成形装置及精密渐进成形方法，能够实现板材的精密渐进成形。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种板材数控精密渐进成形装置，包括：五轴数控成形机床、板料夹具、数据采集系统与优化控制模块，其中：板料夹具设置于机床的工作台上，数据采集系统分别与五轴数控成形机床及优化控制模块相连接并传输加工参数和控制指令。
所述的五轴数控成形机床的主轴的末端设有成形压头或激光测距系统，该激光测距系统与数据采集系统相连并传输激光测距信号。
所述的板料夹具由压边圈、空心的支撑台、支柱以及底座构成，其中：板料固定设置于压边圈与支撑台之间。
所述的数据采集系统采集激光测距系统输出的激光测距信号以及五轴成形单元的主轴的末端的当前位置信号。
所述的优化控制模块通过补偿优化算法生成优化成形路径并以控制指令的形式输出至数据采集系统。
本发明涉及上述装置的精密渐进成形方法，包括以下步骤：
第一步、优化控制模块按三维数字模型生成初始加工轨迹，将成形压头对准板料夹持工作台，按照初始加工轨迹完成渐进成形；
第二步、五轴数控成形机床的主轴换装激光测距系统，按原始加工轨迹扫描，获取初始加工轨迹上每一点到激光测距系统的距离并生成激光测距信号输出至数据采集系统；
第三步、数据采集系统将扫描得到的每一点的距离减去第一步中初始轨迹点的位置，获取描述板材形状的点集合并输出至优化控制模块；
第四步、优化控制模块将点集合中的各个坐标与三维数字模型中的初始设计对比，得到每一点的误差，当误差的最大值小于容差则加工完成，否则将初始轨迹上每一点的坐标向该点所在面的法向移动该点的测得误差一半的距离并生成含有更新的加工轨迹的控制指令后输出至数据采集系统，由数据采集系统发送至五轴数控成形机床，并重复第一步进行操作，直至加工轨迹上所有点的误差收敛于容差范围之内。
本发明基于渐进成形补偿优化算法，将渐进成形和激光测量集成到一台装置，通过交替使用成形压头与激光测量系统，完成包括板料渐进成形、误差测量、成形路径修正成形在内的循环操作。该装置既可以节省模具的开发费用，避免占用压力机，还可以保证钣金件的尺寸精度，降低实际生产中因几何误差而导致的材料损失。
附图说明
图1是本发明加工方法流程图。
图2是实施例中加工过程示意图。
图3是实施例中板材测量示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图2和图3所示，本实施例包括：五轴数控成形机床1、板料夹具2、数据采集系统3与优化控制模块4，其中：板料夹具2设置于机床的工作台上，数据采集系统3分别与五轴数控成形机床1及优化控制模块4相连接并传输加工参数和控制指令。
所述的五轴数控成形机床1的主轴的末端设有成形压头5或激光测距系统6，该激光测距系统6与数据采集系统3相连并传输激光测距信号。
所述的板料夹具2由压边圈7、空心的支撑台8、支柱9以及底座10构成，其中：板料固定设置于压边圈7与支撑台8之间。
所述的数据采集系统3采集激光测距系统6输出的激光测距信号以及五轴成形单元的主轴的末端的当前位置信号。
所述的优化控制模块4通过补偿优化算法生成优化成形路径并以控制指令的形式输出至数据采集系统3。
本实施例涉及上述装置的精密渐进成形方法，包括以下步骤：
第一步、优化控制模块4按三维数字模型生成初始加工轨迹，将成形压头5对准板料夹持工作台，按照初始加工轨迹完成渐进成形；
第二步、五轴数控成形机床1的主轴换装激光测距系统6，按原始加工轨迹扫描，获取初始加工轨迹上每一点到激光测距系统6的距离并生成激光测距信号输出至数据采集系统3；
第三步、数据采集系统3将扫描得到的每一点的距离减去第一步中初始轨迹点的位置，获取描述板材形状的点集合并输出至优化控制模块4；
第四步、优化控制模块4将点集合中的各个坐标与三维数字模型中的初始设计对比，得到每一点的误差，当误差的最大值小于容差则加工完成，否则将初始轨迹上每一点的坐标向该点所在面的法向移动该点的测得误差一半的距离并生成含有更新的加工轨迹的控制指令后输出至数据采集系统3，由数据采集系统3发送至五轴数控成形机床1，并重复第一步进行操作，直至加工轨迹上所有点的误差收敛于容差范围之内。
实施例2
如图2、3所示，本实施例加工方法包括以下步骤：
1)产品尺寸为300mm×300mm，采用厚度为1mm铝板；
2)利用NX6.0软件的CAD功能对钣金件进行CAD建模，并利用该软件的CAM功能，对板料生成加工轨迹；
3)五轴成形单元上设置直径为10mm的球头成形压头5；
4)板料下料成320mm×320mm见方，用压边圈7压住板料四周10mm；
5)将数控加工轨迹代码输入五轴机床，将成形压头5对好加工坐标；
6)开动机床进行渐进成形；
7)成形结束后五轴成形单元换装激光测量装置；
8)开动机床按加工轨迹进行扫描，将扫描结果通过数据采集系统3保存在计算机中；
9)将扫描获取的轨迹与初始加工轨迹进行对比，计算板料误差；
10)如果误差小于设计容差，成形完成；否则将轨迹上每一点的坐标每一点的坐标向该点所在面的法向移动该点的测得误差一半的距离并生成更新的加工轨迹；
11)五轴成形单元设置成形压头5，开动机床进行渐进成形；
重复步骤6-11；一般经过3-4次误差补偿，板料误差即可收敛至设计容差内。

Claims (5)

1.一种板材数控精密渐进成形装置，包括：五轴数控成形机床、板料夹具、数据采集系统与优化控制模块，其中：板料夹具设置于机床的工作台上，数据采集系统分别与五轴数控成形机床及优化控制模块相连接并传输加工参数和控制指令，其特征在于：所述的五轴数控成形机床的主轴的末端设有成形压头或激光测距系统，该激光测距系统与数据采集系统相连并传输激光测距信号。
2.根据权利要求1所述的板材数控精密渐进成形装置，其特征是，所述的板料夹具由压边圈、空心的支撑台、支柱以及底座构成，其中：板料固定设置于压边圈与支撑台之间。
3.根据权利要求1所述的板材数控精密渐进成形装置，其特征是，所述的数据采集系统采集激光测距系统输出的激光测距信号以及五轴成形单元的主轴的末端的当前位置信号。
4.根据权利要求1所述的板材数控精密渐进成形装置，其特征是，所述的优化控制模块通过补偿优化算法生成优化成形路径并以控制指令的形式输出至数据采集系统。
5.一种根据上述任一权利要求所述装置的精密渐进成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、优化控制模块按三维数字模型生成初始加工轨迹，将成形压头对准板料夹持工作台，按照初始加工轨迹完成渐进成形；
第二步、五轴数控成形机床的主轴换装激光测距系统，按原始加工轨迹扫描，获取初始加工轨迹上每一点到激光测距系统的距离并生成激光测距信号输出至数据采集系统；
第三步、数据采集系统将扫描得到的每一点的距离减去第一步中初始轨迹点的位置，获取描述板材形状的点集合并输出至优化控制模块；
第四步、优化控制模块将点集合中的各个坐标与三维数字模型中的初始设计对比，得到每一点的误差，当误差的最大值小于容差则加工完成，否则将初始轨迹上每一点的坐标加上该点的测得误差的一半并生成含有更新的加工轨迹的控制指令后输出至数据采集系统，由数据采集系统发送至五轴数控成形机床，并重复第一步进行操作，直至加工轨迹上所有点的误差收敛于容差范围之内。
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