CN104138949B - 一种金属板材多点复合渐进成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属板材多点复合渐进成形装置，包括控制系统、机械系统、成形力检测系统及显示面板；控制系统发出指令，由机械系统带动上下两层工具头按照预设成形轨迹在振动台的激振下进行板材加工，当工具头加工时，成形力检测系统立即返回成形力信号通知其中的中央处理器进行信号的去噪和滤波处理，经处理得到的成形力信号，在显示面板上显示出测量结果，同时将结果送上位机。本发明简单实用，操作方便、设备造价低，较好的解决了传统的单点渐进成形和多点成形中存在的工艺缺陷，改善了板材在成形过程中的平面受力情况，使板材在成形过程中的应力应变分布更加的均匀一致，保证了金属板材成形的精密性，提高了成形效率。

Description

一种金属板材多点复合渐进成形装置

技术领域

本发明属于板材渐进成形领域，尤其涉及一种金属板材多点复合渐进成形装置。

背景技术

金属板材成形技术是制造业及材料加工行业的重要组成部分，广泛应用于航天航空、船舶、汽车、生物医学、家用电器，以及一些新产品的开发、样品试制等领域。进入新世纪以来，产品更新速度快，生命周期短，人们对产品的多样化、个性化提出了更高的要求，这就需要企业能够快速响应市场需求，生产出低成本、高质量的产品。然而传统的板材成形工艺由于对模具过分依赖，一组模具只对应一种产品，如此便存在着制造周期长、生产成本高等不足，难以适应市场对小批量、多品种和新产品试制的需求。渐进成形技术是一种先进柔性加工工艺，在少使用模具甚至不使用模具的情况下便能成形出所需产品，由于对模具的依赖性小，具有制造成本低、生产周期短、成形范围广、适应强等突出优点。

目前比较典型的渐进成形技术主要有单点渐进成形和多点成形。单点渐近成形技术主要是利用分层制造的思想，将复杂的三维形状离散成一系列简单的二维层，由计算机控制形状简单的工具头在每一层上按照预定的轨迹进行局部塑形加工，经过变形成形出所需的产品。因此该工艺对产品的形状和结构没有特殊要求，能最大程度的缩短生产周期，降低制造成本，满足多样化、个性化的市场需要。但是在单点渐进成形过程中由于板材的成形平面受力不均，局部成形区域易出现失稳，极易出现破裂、压痕、凹陷、起皱和回弹等成形缺陷，严重影响成形件的尺寸精度和表面质量；并且工具头逐层成形路径较长，成形效率低。这些因素的存在很大程度的限制了单点渐进成形技术的实际运用。

多点成形是将整体模具离散成一系列规则排列、高度可调的基本体组成的离散模具，由计算机控制和调整每个基本体的高度，从而成形出所需的目标形状。由于每个基本体高度可调，且在成形过程中与成形件始终保持接触，因此具有改善成形缺陷，优化板料变形路径，小设备加工大型件，易实现自动化，效率高等优点。但同时由于需要控制的基本体较多，在加工复杂三维曲面件的时候，精度难以控制，且压痕严重，设备开发成本高。这些因素也限制了多点成形在生产上的广泛运用。

在汲取金属板材单点渐进成形工艺和多点成形两种成形方式的优点的基础上，结合振动塑性成形原理，开发出多点复合渐进成形装置，从而到在板材渐进成形过程中降低失稳、减少加工能耗，改善加工质量，提高板料成形能力、成形精度、成形效率等目的。

发明内容

本发明的目的在于利用一种金属板材多点复合渐进成形装置，旨在解决现有板材加工方法存在的加工效率低、失稳严重、成形表面质量差、设备昂贵等问题。

本发明的目的在于提供一种金属板材多点复合渐进成形装置，所述装置包括：显示面板、控制系统、机械系统、成形力检测系统；

所述控制系统连接所述机械系统，并对其步进电机实施控制实现工具头按照预定的成形轨迹运动，所述成形力检测系统连接所述机械系统，并对其工具头在成形过程中的成形力实施实时检测、数据分析、存储、获取测量结果，所述控制系统及所述成形力检测系统同时连接所述显示面板。

进一步，所述控制系统由硬件子系统与软件子系统组成；硬件子系统构建控制系统的硬件电路，主要由具有强大运动控制功能的运动控制卡、通信接口电路、稳流电源、接线端子板、抗干扰电路、行程控制开关、步进电机及其驱动器、结果显示器件组成；软件子系统主要由系统初始化模块、系统自动加工控制模块、手动加工控制模块、运行参数设置模块和系统退出模块、友好的人机控制界面组成，主要完成对成形系统的初始化、加工运行参数的设置、加工控制、加工运行状态显示、系统各轴速度和位置信息显示。

进一步，所述机械系统包括安装在机架上的上层传动结构、下层传动结构和升降机构；

所述上层传动结构包括安装在机架上层的滑轨I、滑轨II、步进电机I、步进电机II、左旋丝杆I、右旋丝杆I、丝杆I以及分别安装在左旋丝杆I和右旋丝杆I上的滑块；步进电机I安装在滑轨I上并连接左旋丝杆I，左旋丝杆I和右旋丝杆I通过联轴器连接，右旋丝杆另一端通过轴承座连接在丝杆I上，丝杆与步进电机II连接安装在滑轨II上；

所述下层传动结构包括安装在上层传动结构下方的机架上的滑轨III、滑轨IV、步进电机III、步进电机IV、同步带I、同步带II、左旋丝杆II、右旋丝杆II、传动轴、丝杆II以及分别安装在左旋丝杆II和右旋丝杆II上的滑块；步进电机III与同步带连接，驱动右旋丝杆II，右旋丝杆II一端通过轴承座与左旋丝杆II连接，另一端通过轴承座安装在机架上的滑轨III上，步进电机III通过传动轴和同步带来驱动左旋丝杆II，左旋丝杆II另一端通过轴承座连接在丝杆II上，丝杆II与步进电机IV连接安装在机架上的滑轨IV上；

所述上层传动结构和下层传动结构的各滑块的下方均连接有连接杆，各连接杆的下端分别设置有工具头，工具头和滑块之间的连接杆上设置有力传感器；

所述升降结构包括安装在工具头正下方机架上的工具台、振动台、升降台、减速器和步进电机V；所述工具台设置在振动台上，所述振动台设置在升降台的正上方，所述升降台通过减速器由步进电机V驱动。

进一步，所述成形力检测系统由硬件子系统与软件子系统组成；硬件子系统主要由压力传感器、动态电阻应变仪、信号采集仪、上位机、通信接口电路组成；软件子系统主要由振动及动态信号采集系统组成，主要完成成形力的实时检测、数据分析，并显示出测量结果。

本发明提供的金属板材多点复合渐进成形装置，通过行程开关探测工具头的行程和位置，为控制系统提供原点信号和限位信号，控制系统通过预先设定的程序进行计算判断，对对称分布的成形工具头进行插补控制，使其按照预定轨迹运行，精度高，结构简单，操作方便，可以克服单点渐进成形中成形区受力不均、失稳严重、成形效率低和多点成形中操作控制系统复杂、成形精度低、压痕严重、设备制造成本高等的影响，机械系统和控制系统及成形力检测装置既可以开环布置，成形力检测装置检测的成形力信号直接传到PC机上就行数据显示和记录，也可以闭环布置，成形力检测装置检测的成形力信号反馈给控制系统，对控制系统中的参数进行修正，同时行程开关也可以根据需要安装在机械系统的不同位置，由此成形不同成形区域的制件，发明稍加改进就可以应用于同类型的不同工艺尺寸和形状制件的加工，有着很好的应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的金属板材多点复合渐进成形装置的实现流程图；

图2是本发明实施例提供的金属板材多点复合渐进成形装置机构的结构示意图；

图中：1、显示面板；2、控制系统；3、机械系统；4、成形力检测系统；5、减速器；6、升降台；7、振动台；8、工具台；9、板材；10、工具头；11、步进电机V；12、力传感器；13、连接杆；14、同步带I；15、同步带II；16、丝杆II；17、传动轴；18、滑轨IV；19、步进电机IV；20、滑块；21、左旋丝杆I；22、步进电机I；23、滑轨I；24、步进电机II；25、步进电机III；26、左旋丝杆II；27、右旋丝杆II；28、滑轨III；29、丝杆I；30、滑轨II；31、右旋丝杆I。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。然而本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为仅仅局限于此处所描述的具体实施例。此处提供的实施例，只是将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种金属板材多点复合渐进成形装置，该装置包括：显示面板1、控制系统2、机械系统3、成形力检测系统4；

控制系统2连接所述机械系统3，并对其步进电机实施控制实现工具头按照预定的成形轨迹运动，成形力检测系统4连接所述机械系统，并对其工具头在成形过程中的成形力实施实时检测、数据分析、存储、获取测量结果，所述控制系统2及成形力检测系统4同时连接显示面板1。

在本发明实施例中，控制系统2由硬件子系统与软件子系统组成；硬件子系统2构建控制系统的硬件电路，主要由具有强大运动控制功能的运动控制卡、通信接口电路、稳流电源、接线端子板、抗干扰电路、行程控制开关、步进电机及其驱动器、结果显示器件组成；软件子系统主要由系统初始化模块、系统自动加工控制模块、手动加工控制模块、运行参数设置模块和系统退出模块、友好的人机控制界面组成，主要完成对成形系统的初始化、加工运行参数的设置、加工控制、加工运行状态显示、系统各轴速度和位置信息显示。

在本发明实施例中，机械系统3包括安装在机架上的上层传动结构、下层传动结构和升降机构；

所述上层传动结构包括安装在机架上层的滑轨I23、滑轨II30、步进电机I22、步进电机II24、左旋丝杆I21、右旋丝杆I31、丝杆I29以及分别安装在左旋丝杆I21和右旋丝杆I31上的滑块20；步进电机I22安装在滑轨I23上并连接左旋丝杆I21，左旋丝杆I21和右旋丝杆I31通过联轴器连接，右旋丝杆31另一端通过轴承座连接在丝杆I29上，丝杆I29与步进电机II24连接安装在滑轨II30上；

所述下层传动结构包括安装在上层传动结构下方的机架上的滑轨III28、滑轨IV18、步进电机III25、步进电机IV19、同步带I14、同步带II15、左旋丝杆II26、右旋丝杆II27、传动轴17、丝杆II16以及分别安装在左旋丝杆II26和右旋丝杆II27上的滑块20；步进电机III25与同步带I14连接，驱动右旋丝杆II27，右旋丝杆II27一端通过轴承座与左旋丝杆II26连接，另一端通过轴承座安装在机架上的滑轨III28上，步进电机III25通过传动轴17和同步带II15来驱动左旋丝杆II26，左旋丝杆II26另一端通过轴承座连接在丝杆II16上，丝杆II16与步进电机IV19连接安装在机架上的滑轨IV18上；

所述上层传动结构和下层传动结构的各滑块20的下方均连接有连接杆13，各连接杆13的下端分别设置有工具头10，工具头10和滑块20之间的连接杆13上设置有力传感器12；

所述升降结构包括安装在工具头10正下方机架上的工具台8、振动台7、升降台6、减速器5和步进电机V11；所述工具台8设置在振动台7上，所述振动台7设置在升降台6的正上方，所述升降台6通过减速器5由步进电机V驱动。

在本发明实施例中，成形力检测系统4由硬件子系统与软件子系统组成；硬件子系统主要由压力传感器、动态电阻应变仪、信号采集仪、上位机、通信接口电路组成；软件子系统主要由振动及动态信号采集系统组成，主要完成成形力的实时检测、数据分析，并显示出测量结果。

以下参照附图，对本发明实施例金属板材多点复合渐进成形装置作进一步详细描述。

如图1、图2所示，本发明的金属板材多点复合渐进成形装置，包括：显示面板1、控制系统2、机械系统3、成形力检测系统4；

控制系统2连接机械系统3，并对其步进电机实施控制实现工具头按照预定的成形轨迹运动，成形力检测系统4连接所述机械系统，并对其工具头在成形过程中的成形力实施实时检测、数据分析、存储、获取测量结果，所述控制系统2及成形力检测系统4同时连接显示面板1。

控制系统2由硬件子系统与软件子系统组成；硬件子系统2构建控制系统的硬件电路，主要由具有强大运动控制功能的运动控制卡、通信接口电路、稳流电源、接线端子板、抗干扰电路、行程控制开关、步进电机及其驱动器、结果显示器件组成；软件子系统主要由系统初始化模块、系统自动加工控制模块、手动加工控制模块、运行参数设置模块和系统退出模块、友好的人机控制界面组成，主要完成对成形系统的初始化、加工运行参数的设置、加工控制、加工运行状态显示、系统各轴速度和位置信息显示。

机械系统3包括安装在机架上的上层传动结构、下层传动结构和升降机构；

上层传动结构包括安装在机架上层的滑轨I23、滑轨II30、步进电机I22、步进电机II24、左旋丝杆I21、右旋丝杆I31、丝杆I29以及分别安装在左旋丝杆I21和右旋丝杆I31上的滑块20；步进电机I22安装在滑轨I23上并连接左旋丝杆I21，左旋丝杆I21和右旋丝杆I31通过联轴器连接，右旋丝杆I31另一端通过轴承座连接在丝杆I29上，丝杆I29与步进电机II24连接安装在滑轨II30上；

下层传动结构包括安装在上层传动结构下方的机架上的滑轨III28、滑轨IV18、步进电机III25、步进电机19IV、同步带I14、同步带II15、左旋丝杆II26、右旋丝杆II27、传动轴17、丝杆II16以及分别安装在左旋丝杆II26和右旋丝杆II27上的滑块20；步进电机III25与同步带I14连接，驱动右旋丝杆II27，右旋丝杆II27一端通过轴承座与左旋丝杆II26连接，另一端通过轴承座安装在机架上的滑轨III28上，步进电机III25通过传动轴17和同步带II15来驱动左旋丝杆II26，左旋丝杆II26另一端通过轴承座连接在丝杆II16上，丝杆II16与步进电机IV19连接安装在机架上的滑轨IV18上；

上层传动结构和下层传动结构的各滑块20的下方均连接有连接杆13，各连接杆13的下端分别设置有工具头10，工具头10和滑块20之间的连接杆13上设置有力传感器12；

升降结构包括安装在工具头10正下方机架上的工具台8、振动台7、升降台6、减速器5和步进电机V11；所述工具台8设置在振动台7上，所述振动台7设置在升降台6的正上方，步进电机V11通过减速器5驱动升降台6,使工具台8能够上下运动。

成形力检测系统4由硬件子系统与软件子系统组成；硬件子系统主要由压力传感器、动态电阻应变仪、信号采集仪、上位机、通信接口电路组成；软件子系统主要由振动及动态信号采集系统组成，主要完成成形力的实时检测、数据分析，并显示出测量结果。

本发明的金属板材多点复合渐进成形装置在工作时，控制系统2除通过给定相关成形工艺参数和运行参数，驱动机械系统3中上下两层结构中的步进电机，使4个工具头按照预定成形轨迹行进外，还驱动机械系统3中升降机构中的步进电机，使工具台按照预定轨迹实时进给，同时控制机械系统3中升降机构中的振动台，使振动台按照着给定振型参数振动；控制系统中的硬件电路部分安装在控制柜内。控制系统1可以是由运动控制卡，步进电机及其驱动器，稳流电源，PC机及相关控制器件和数显器件组成。机械系统3通过步进电机驱动工具头和工具台。成形力检测系统4实时跟踪检测成形过程中成形力的大小。

本发明实施例提供的金属板材多点复合渐进成形装置，利用控制系统2的电路根据需要设定相关工艺参数和运行参数，驱动机械系统3中上下两层结构的步进电机，使4个工具头按照预定成形轨迹行进，当工具头触发到安装在支架上的对应行程开关时，行程开关便向控制系统2反馈原点信号和限位信号，控制系统2继而改变工具头的行进的状态；控制系统2除控制工具头运行外，还同步控制升降机构中的步进电机V11，通过减速器5驱动升降台6使工具台8按照预定程序实时进给到达指定高度；同时控制系统2也控制振动台7的各个振型向量参数，使工具台8上的板材9在成形过程中也跟随着振动台7同步振动；成形力检测系统4将安装在工具头上的力传感器检测采集到的成形力信号经过相应的放大、去噪滤波处理和相应的数据处理后通过数显系统显示到显示面板1上。

本发明提供的金属板材多点复合渐进成形装置，通过行程开关探测工具头的行程和位置，为控制系统提供原点信号和限位信号，控制系统通过预先设定的程序进行计算判断，对对称分布的成形工具头进行插补控制，使其按照预定轨迹运行，精度高，结构简单，操作方便，可以克服单点渐进成形中成形区受力不均、失稳严重、成形效率低和多点成形中操作控制系统复杂、成形精度低、压痕严重、设备制造成本高等的影响，机械系统和控制系统及成形力检测装置既可以开环布置，成形力检测装置检测的成形力信号直接传到PC机上就行数据显示和记录，也可以闭环布置，成形力检测装置检测的成形力信号反馈给控制系统，对控制系统中的参数进行修正，同时行程开关也可以根据需要安装在机械系统的不同位置，由此成形不同成形区域的制件，发明稍加改进就可以应用于同类型的不同工艺尺寸和形状制件的加工，有着很好的应用价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种金属板材多点复合渐进成形装置，所述装置包括：显示面板、控制系统、机械系统、成形力检测系统；

所述控制系统连接所述机械系统，并对其步进电机实施控制实现工具头按照预定的成形轨迹运动，所述成形力检测系统连接所述机械系统，并对其工具头在成形过程中的成形力实施实时检测、数据分析、存储、获取测量结果，所述控制系统及所述成形力检测系统同时连接所述显示面板；其特征在于，

所述机械系统包括安装在机架上的上层传动结构、下层传动结构和升降机构；

所述上层传动结构包括安装在机架上层的滑轨I、滑轨II、步进电机I、步进电机II、左旋丝杆I、右旋丝杆I、丝杆I以及分别安装在左旋丝杆I和右旋丝杆I上的滑块；步进电机I安装在滑轨I上并连接左旋丝杆I，左旋丝杆I和右旋丝杆I通过联轴器连接，右旋丝杆I另一端通过轴承座连接在丝杆I上，丝杆I与步进电机II连接安装在滑轨II上；

所述下层传动结构包括安装在上层传动结构下方的机架上的滑轨III、滑轨IV、步进电机III、步进电机IV、同步带I、同步带II、左旋丝杆II、右旋丝杆II、传动轴、丝杆II以及分别安装在左旋丝杆II和右旋丝杆II上的滑块；步进电机III与同步带I连接，驱动右旋丝杆II，右旋丝杆II一端通过轴承座与左旋丝杆II连接，另一端通过轴承座安装在机架上的滑轨III上，步进电机III通过传动轴和同步带II来驱动左旋丝杆II，左旋丝杆II另一端通过轴承座连接在丝杆II上，丝杆II与步进电机IV连接安装在机架上的滑轨IV上；

所述上层传动结构和下层传动结构的各滑块的下方均连接有连接杆，各连接杆的下端分别设置有工具头，工具头和滑块之间的连接杆上设置有力传感器；

所述升降机构包括安装在工具头正下方机架上的工具台、振动台、升降台、减速器和步进电机V；所述工具台设置在振动台上，所述振动台设置在升降台的正上方，所述升降台通过减速器由步进电机V驱动。

2.如权利要求1所述的金属板材多点复合渐进成形装置，其特征在于，所述控制系统由硬件子系统与软件子系统组成；硬件子系统构建控制系统的硬件电路，主要由具有强大运动控制功能的运动控制卡、通信接口电路、稳流电源、接线端子板、抗干扰电路、行程控制开关、步进电机及其驱动器、结果显示器件组成；软件子系统主要由系统初始化模块、系统自动加工控制模块、手动加工控制模块、运行参数设置模块和系统退出模块、友好的人机控制界面组成，主要完成对成形系统的初始化、加工运行参数的设置、加工控制、加工运行状态显示、系统各轴速度和位置信息显示。

3.如权利要求1所述的金属板材多点复合渐进成形装置，其特征在于，所述成形力检测系统由硬件子系统与软件子系统组成；硬件子系统主要由压力传感器、动态电阻应变仪、信号采集仪、上位机、通信接口电路组成；软件子系统主要由振动及动态信号采集系统组成，主要完成成形力的实时检测、数据分析，并显示出测量结果。