CN105234233A - 用于带凸台三维曲面件柔性成形系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于带凸台三维曲面件柔性成形系统及方法，包括步骤1：对目标三维曲面进行数模提取，获得所述目标三维曲面的形状信息；步骤2：根据目标三维曲面的形状信息进行多点成形模具调形，控制多点成形模具运动后形成对应的目标形状曲面；步骤3：对放置在多点成形模具上的待加工板材进行柔性压边处理；步骤4：将待加工板材进行多点对压成形；步骤5：对已成形的板材的局部位置进行单点渐进成形处理后得到对应的曲面凸台。本发明实现了三维曲面件的柔性、快速成形；且曲面凸台成形的精度高，能够根据曲面的形状实时调整模具形状，相比传统带凸台三维曲面模具的制造成本更低，效率更高。

Description

用于带凸台三维曲面件柔性成形系统及方法

技术领域

本发明涉及机械模具领域，具体地，涉及一种用于带凸台三维曲面件柔性成形系统及方法。

背景技术

航天是典型的多品种、小批量行业，为了满足航天低成本快速发射和市场化竞争的需求，针对航天钣金件成形方式落后、成形精度不高、成形方式通用性差和材料利用率不高等问题，急需寻找一种柔性通用成形方式来满足航天三维钣金件成形。目前，国内航天领域带凸台三维蒙皮件主要通过拉深成形+翻边方式来实现，拉深成形和翻边成形均需要特定模具，不同型号航天器需要不同的成形模具，模具制造成本高、周期长、存储空间大，不适合航天钣金零件制造需求。而多点成形方法是将传统的实体模具离散成一系列规则排列、高度可调的基本体，通过基本体的包络面实现冲压成形，是一种将柔性制造技术和计算机技术相结合的先进制造技术，利用灵活、高效的多点成形设备，实现了无需更换模具就可以对不同三维曲面件无模、快速、数字化制造；单点渐进成形是融合快速成形、数字化控制和塑性成形的一种柔性成形方法，其特点是将复杂的三维模型分解成一系列二维断面层，在二维层上对板材进行局部塑性加工的方法，主要应用于生产小批量、外形复杂以及多样化程度较高的产品，该技术可以摆脱模具的束缚，节约大量的时间和费用，同时还可以生产传统模具无法加工的产品，具有较强的灵活性和适用性。经过检索，发现名称为“板材无模多点成形装置”，专利申请号为：00110773.9；名称为“快速调形板材多点成形装置”，专利申请号为：02109865.4；名称为“方形压头可调活络模具板材曲面成形装置”，专利申请号为：200910014794.6；这些专利文献集中于多点成形装备的研制。名称为“板材动圈电磁渐进成形方法及装置”，专利申请号为：200610018492.2的专利文献主要涉及单点渐进成形技术。名称为：“一种汽车覆盖件样件成形方法”，专利申请号为：201110376051.0的专利文献公开了单点渐进成形装备研制、加热单点渐进成形、整体模具-单点渐进成形模具复合成形工艺的一些实现方法。

本发明中将多点成形与单点渐进成形相结合，实现带凸台三维曲面件的柔性快速成形，这样不仅能实现不同型号或规格三维曲面件数字化无模成形，还能大幅缩短制造周期、节约制造成本。并可以用于航天运载火箭贮箱瓜瓣成形，也可用于其它带凸台三维曲面零件成形。

在现有技术中，传统的刚性模具成形可以实现三维曲面件成形，但是成形精度无法得到有效保证，需要人工校形；此外不同形状需要不同模具，对于新产品开发或小批量零件研制成本高、响应周期长。传统的拉深方式可以实现凸台成形，但是定位困难，形位精度难以保证。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于带凸台三维曲面件柔性成形系统及方法。

根据本发明提供的用于带凸台三维曲面件柔性成形方法，包括如下步骤：

步骤1：对目标三维曲面进行数模提取，获得所述目标三维曲面的形状信息；

步骤2：根据目标三维曲面的形状信息进行多点成形模具调形，控制多点成形模具运动后形成对应的目标形状曲面；

步骤3：对放置在多点成形模具上的待加工板材进行柔性压边处理；

步骤4：将待加工板材进行多点对压成形；

步骤5：对已成形的板材的局部位置进行单点渐进成形处理后得到对应的曲面凸台。

优选地，所述步骤1包括：获得多点对压成形和曲面上凸台单点成形的目标三维曲面的形状信息；

具体地，以三维点云形式来表征目标三维曲面的形状信息，采用基于高斯曲率的采样型值点拟合出目标三维曲面。

优选地，所述步骤2包括：读取目标三维曲面的形状信息，得到多点成形模具基本体的高度，将所点模具基本体的高度数据转换成数控代码，传送到控制系统，控制多点成形模具运动，形成目标形状曲面。

优选地，所述步骤3包括：将待加工板材放置于多点成形模具上，对待加工板材进行定位后获取所述待加工板材各区域的压边力大小，根据压边力的大小对待加工板材进行柔性压边处理。

优选地，所述柔性压边处理采用离散压边圈，所述离散压边圈的压边力大小能够进行无级调节，且所述压边圈的高度能够根据目标三维曲面形状进行柔性调节。

优选地，所述步骤4包括：设置所述多点成形模具的补偿模具，将待加工的板材放置在所述多点成形模具与补偿模具之间，进行反复的多点对压处理。

优选地，所述步骤5包括：调节已成形的板材的局部位置的多点成形模具的基本体高度，形成凸台成形所需的空间，利用单点渐进模具对板材的局部位置进行加压处理，得到对应的曲面凸台。

根据本发明提供的用于带凸台三维曲面件柔性成形系统，包括多点成形模具、单点渐进成形模具、模具调形模块、柔性压边模块、数模提取模块；

-所述数模提取模块提取得到目标三维曲面的形状信息输送至模具调形模块；

-所述模具调形模块将目标三维曲面的形状信息转换成多点成形模具基本体的高度并控制多点成形模具运动形成目标形状曲面；

-所述柔性压边模块根据待加工板材各区域的压边力大小对待加工板材进行柔性压边处理；

-所述多点成形模具用于对待加工板材进行多点对压成形处理；

-所述单点渐进成形模具用于对已成形的板材的局部位置进行单点渐进成形处理后得到对应的曲面凸台。

优选地，所述多点成形模具的基本体的高度能够根据目标三维曲面进行实时调整，所述单点渐进成形模具的位置能够在360°范围内调节，通过编制工具头运动轨迹成形不同型面，所述单点渐进成形模具还能够实现工具头滚动成形。

优选地，所述待加工板材为具有延展性、能够进行塑性加工的板状材料。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明中的方法将板材在柔性压边、多点成形和单点渐进成形的共同作用下，可成形任意形状任意位置带凸台三维曲面件，并且，成形精度被控制为所期望的大小。

2、本发明中的多点成形模具的基本体高度可调，可快速调节形成不同模具型面，满足任意三维曲面件柔性成形需要，并且所述多点柔性模具可根据曲面形状实时调节，并在压机的带动下施加压力，实现多点渐进成形，提高成形精度。

3、本发明中的凸台成形模具为单点渐进成形模具，其位置可在360°范围内任意可调，通过编制工具头运动轨迹成形不同型面，满足任意位置凸台快速成形需要，并且所述单点渐进成形模具可实现工具头滚动成形，提高成形极限。

4、本发明无需更换模具就能实现局部凸台成形，通过调节凸台附近多点成形模具基本体的高度形成凸台成形所需的空间，在单点渐进成形模具的作用下实现凸台成形，并且所述凸台无需重新定位，提高成形精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中的柔性压边示意图；

图2为本发明中目标三维曲面多点成形示意图；

图3为本发明中三维曲面凸台单点渐进成形示意图。

图中：

1-柔性压边圈；

2-板材；

3-多点成形模具；

4-单点渐进成形模具。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

针对现有模具拉深成形技术的不足，同时发挥多点成形和单点渐进成形柔性通用优点，提供一种带凸台三维曲面件的柔性、快速、高精度成形新方法。

本发明提供的带凸台三维曲面件柔性成形方法，主要包括数模提取、多点成形模具调形、柔性压边、多点对压成形、单点渐进成形等步骤。其中，所述数模提取，用于获得多点对压成形和凸台单点成形目标形状；所述多点成形模具调形，用于实现三维曲面件快速生成；所述柔性压边，用于实现压边力可根据零件特点任意控制；所述多点对压成形，用于实现三维曲面件柔性、快速成形；所述单点渐进成形，用于实现凸台高精度成形。

通过所述数模提取，使带凸台三维曲面件的形状信息以三维点云形式体现，借助点云配准方法进行全局优化配准，采用基于高斯曲率的采样型值点拟合出目标曲面，可以确定多点成形和单点渐进成形的目标形状，为多点对压成形模具型面调形和单点渐进成形运动轨迹编程提供基础数据。

通过所述多点成形模具调形，可以实现任意三维曲面件所需多点型面的快速生成，该方式主要过程为：通过多点成形CAD调形软件读取零件的数模、计算基本体的高度，并通过多点成形CAM控制软件将CAD软件计算出的基本体高度数据转换成数控代码，传送到控制系统，控制多点成形模具运动，形成目标形状曲面。

通过所述柔性压边，可以实现板料不同区域压边力的柔性控制，从而使变形量大的区域压边力较小、变形量小的区域压边力较大，进而使材料补缩更加合理，以实现三维曲面件均匀成形。该方式主要过程为：将表面光滑平整的板料放置于多点成形模具上，借助挡板进行定位，通过仿真分析获取各区域的压边力大小，然后利用柔性压边控制系统对目标板料进行柔性压边。

通过所述多点对压成形，可以实现任意三维曲面件数字化压制成形，通过多点成形模具型面补偿，可以显著减少回弹带来的精度偏差，并且通过多点成形模具反复对压成形，可以消除工件残余应力，减小回弹量，提高成形精度。该方法与传统的模具对压成形相比，省去模具的设计、制造和调试工序，缩短生产周期、提高工作效率、降低加工成本；与手工成形的方式相比，提高板件的表面质量，节省物力、人力和加工时间。

通过所述单点渐进成形，可以用于局部结构复杂零件快速精确成形，其工具头可通过工业机器人夹持，并能实现任意位置调整和加载轨迹运动，可以最大限度的提高板料成形极限，能够有效控制残余应力的释放和回弹量，减少后续修正工序，提高生产效率。该方式与传统的模具拉深成形相比，省去模具的设计、定位和调试工序，缩短生产周期、提高形位精度、降低研制成本。

如上所述，本发明提供一种带凸台三维曲面成形的柔性成形方法，其包括数模提取、多点成形模具调形、柔性压边、多点对压成形、单点渐进成形五个步骤，在所述数模提取步骤中，所述多点对压成形和单点渐进成形的目标轮廓被确定；在所述多点成形模具调形步骤中，考虑回弹补偿的多点数字化模具被快速生成；在所述柔性压边步骤中，曲面变形量大小和材料流动量大小被充分考虑；在所述多点对压成形步骤中，任意三维曲面件被柔性、高效、高精度成形；在所述单点渐进成形步骤中，任意位置的凸台被快速、精确定位，并被高精度成形。由此，该方法能够柔性、快速、高精度地实现带凸台三维曲面件成形。

图1是本发明方法所涉及的柔性压边成形的示意图，是在板材被柔性压边，并被多点成形模具压制成形的俯视图。

柔性压边成形示意图包括用于对板材2进行压边的柔性压边圈1、对板材2进行支撑与成形的多点成形模具3；所述柔性压边圈1，其压边力可无级调节，其高度在一定范围内可根据零件形状柔性可调。实施过程中，压边力大小与变形量大小成反比，即变形较大区域设置较小的压边力，方便压边区域材料流入变形区，避免出现破裂；在变形较小区域设置较大的压边力，抑制材料流入变形区，避免出现皱曲。

图2是本发明方法所涉及的三维曲面件多点成形示意图，是在板材被多点模具对压成形后，与多点模具运动相平行的方向上的截面示意图。

三维曲面件多点成形示意图，其多点成形模具3型面可根据三维曲面件形状确定，在实施过程中，多点成形CAD软件读取三维曲面件数模，经过多点成形CAD软件模具参数、材料回弹及板料位置自动计算出上下模具冲头高度，并生成控制代码。多点成形CAM控制软件接收多点成形CAD软件的代码后，自动调整基本体冲头的高度，形成所需的模具型面，然后在压力机的作用下通过带动多点成形模具反复对压实现三维曲面件高精度柔性成形。

图3是本发明方法所涉及的三维曲面凸台单点渐进成形示意图，是在多点成形三维曲面件板材被单点渐进成形后，与多点模具运动相平行的方向上的截面示意图。

三维曲面凸台单点渐进成形示意图，单点渐进模具4为机器人夹持工具头，可实现360°自由转动，在实施过程中，三维曲面凸台单点渐进成形继承三维曲面件多点成形结果，并通过多点模具调形与控制软件调整局部凸台附件的基本体冲头高度，直至多点冲头不会影响凸台成形，然后调整单点成形工具头位置，基于凸台形状编制工具头运动轨迹，最后在机器人的夹持带动下实现三维曲面件进行局部塑性成形，直至成形目标凸台。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种用于带凸台三维曲面件柔性成形方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：对目标三维曲面进行数模提取，获得所述目标三维曲面的形状信息；

步骤2：根据目标三维曲面的形状信息进行多点成形模具调形，控制多点成形模具运动后形成对应的目标形状曲面；

步骤3：对放置在多点成形模具上的待加工板材进行柔性压边处理；

步骤4：将待加工板材进行多点对压成形；

步骤5：对已成形的板材的局部位置进行单点渐进成形处理后得到对应的曲面凸台。

2.根据权利要求1所述的用于带凸台三维曲面件柔性成形方法，其特征在于，所述步骤1包括：获得多点对压成形和曲面上凸台单点成形的目标三维曲面的形状信息；

具体地，以三维点云形式来表征目标三维曲面的形状信息，采用基于高斯曲率的采样型值点拟合出目标三维曲面。

3.根据权利要求1所述的用于带凸台三维曲面件柔性成形方法，其特征在于，所述步骤2包括：读取目标三维曲面的形状信息，得到多点成形模具基本体的高度，将所述多点成形点模具基本体的高度数据转换成数控代码，传送到控制系统，控制系统控制多点成形模具运动，形成目标形状曲面。

4.根据权利要求1所述的用于带凸台三维曲面件柔性成形方法，其特征在于，所述步骤3包括：将待加工板材放置于多点成形模具上，对待加工板材进行定位后获取所述待加工板材各区域的压边力大小，根据压边力的大小对待加工板材进行柔性压边处理。

5.根据权利要求1所述的用于带凸台三维曲面件柔性成形方法，其特征在于，所述柔性压边处理采用离散压边圈，所述离散压边圈的压边力大小能够进行无级调节，且所述压边圈的高度能够根据目标三维曲面形状进行柔性调节。

6.根据权利要求1所述的用于带凸台三维曲面件柔性成形方法，其特征在于，所述步骤4包括：设置所述多点成形模具的补偿模具，将待加工的板材放置在所述多点成形模具与补偿模具之间，进行反复的多点对压处理。

7.根据权利要求1所述的用于带凸台三维曲面件柔性成形方法，其特征在于，所述步骤5包括：调节已成形的板材的局部位置的多点成形模具的基本体高度，形成凸台成形所需的空间，利用单点渐进模具对板材的局部位置进行加压处理，得到对应的曲面凸台。

8.一种用于带凸台三维曲面件柔性成形系统，其特征在于，包括多点成形模具、单点渐进成形模具、模具调形模块、柔性压边模块、数模提取模块；

-所述数模提取模块提取得到目标三维曲面的形状信息输送至模具调形模块；

-所述模具调形模块将目标三维曲面的形状信息转换成多点成形模具基本体的高度并控制多点成形模具运动形成目标形状曲面；

-所述柔性压边模块根据待加工板材各区域的压边力大小对待加工板材进行柔性压边处理；

-所述多点成形模具用于对待加工板材进行多点对压成形处理；

-所述单点渐进成形模具用于对已成形的板材的局部位置进行单点渐进成形处理后得到对应的曲面凸台。

9.根据权利要求8所述的用于带凸台三维曲面件柔性成形系统，其特征在于，所述多点成形模具的基本体的高度能够根据目标三维曲面进行实时调整，所述单点渐进成形模具的位置能够在360°范围内调节，通过编制工具头运动轨迹成形不同型面，所述单点渐进成形模具还能够实现工具头滚动成形。

10.根据权利要求8或者9所述的用于带凸台三维曲面件柔性成形系统，其特征在于，所述待加工板材为具有延展性、能够进行塑性加工的板状材料。