CN110202049B - 一种集压力控制与位移补偿为一体的工具头及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集压力控制与位移补偿为一体的工具头及控制方法，包括刀柄套、升降刀柄、工具头和T形螺纹杆，所述的工具头的一端固定在所述的升降刀柄底部，另一端延伸到升降刀柄外，所述的升降刀柄内部设有螺纹，所述的螺纹与T形螺纹杆的螺杆部分配合，所述T形螺纹杆的顶部位于刀柄套内，T形螺纹杆将刀柄套的内腔分为上无杆腔和下有杆腔；所述的上无杆腔与气压控制系统相连；在所述的升降刀柄的外圈设有轮齿，所述的轮齿与三个齿轮配合，每个齿轮的齿轮轴通过电机驱动。

Description

一种集压力控制与位移补偿为一体的工具头及控制方法

技术领域

本发明公开了一种用于渐进成形的集压力控制与位移补偿为一体的工具头 及控制方法。

背景技术

金属板材成形近年来在制造业中的应用愈加广泛,渐进成形技术作为一种新 型的板材成形技术是一种无模快速成形技术,其引入的“分层制造”思想,将复 杂的三维模型沿高度方向离散成一系列二维形状,通过数控系统控制成形工具头 沿垂直方向与沿水平方向的进给,逐层实现金属板料的塑性成形。局部变形是渐 进成形加工过程中的主要变形方式，由于局部变形的存在，渐进成形技术的成形 精度相对较低，严重制约该技术在实际生产中的推广应用。除了本身渐进成形生 产特点之外，渐进成形加工机床的精度稳定性也是影响渐进成形工件精度的一个 重要原因。如果渐进成形加工能够实时检测加工状态，进行适当的压力控制与位 移补偿，会弥补由于机床以及局部变形工艺导致的成形精度不足等问题，极大的 提高成形精度与成形质量。

但发明人发现目前的成形工具与装备来说，并不具备能够实时监控成形压 力、进行位移补偿与压力补偿的功能。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于渐进成形的集压力控 制与位移补偿为一体的工具头，解决由于传统渐进成形加工方式无法实现局部大 角度工件高精度成形的局限。其结构简单，可根据加工情况，实时采集位移和成 形力信息，借助自主开发的MPC模型轨迹优化算法，确定成形力与位移补偿的实 时调整量，并进行整体优化，完成成形件的高精度加工。

本发明采用的技术方案如下：

用于渐进成形的集压力控制与位移补偿为一体的工具头，包括刀柄套、升降 刀柄、工具头和T形螺纹杆，所述的工具头的一端固定在所述的升降刀柄底部， 另一端延伸到升降刀柄外，所述的升降刀柄内部设有螺纹，所述的螺纹与T形螺 纹杆的螺杆部分配合，所述T形螺纹杆的顶部位于刀柄套内，T形螺纹杆将刀柄 套的内腔分为上无杆腔和下有杆腔；所述的上无杆腔对应的刀柄套侧壁上设有进 气口，所述的下有杆腔对应的刀柄套侧壁上设有出气口；在所述的升降刀柄的外 圈设有轮齿，所述的轮齿与三个齿轮配合，每个齿轮的齿轮轴通过电机驱动。

作为进一步的技术方案，所述的升降刀柄底部具有一个锥形空腔，锥形空腔 内安装有一个第一压力传感器，所述的工具头穿过该锥形空腔，工具头通过锁紧 螺母与弹簧夹头固定在升降刀柄上，工具头顶部与所述的第一压力传感器接触。

作为进一步的技术方案，所述的T形螺纹杆的顶部安装第二压力传感器；

作为进一步的技术方案，所述的刀柄套安装在一个移动平板上，所述的三个 齿轮的齿轮轴通过轴承也安装在该移动平板上。

作为进一步的技术方案，所述的三个齿轮均匀的分布在升降刀柄的外圈。

作为进一步的技术方案，所述的移动平板底部安装有位移传感器。

作为进一步的技术方案，所述的进气口位于刀柄套的顶部，与气压系统相连。

作为进一步的技术方案，所述的第一压力传感器、第二压力传感器和位移传 感器与控制系统相连；所述的控制系统控制所述的气压系统和三个电机。

具体的控制方法如下：

控制系统采集第一压力传感器和第二压力传感器的信号，控制气压系统将高 压气体通入工具头柄套的无杆腔中，实现压力补偿；集成控制系统采集安装在移 动平板底部的位移传感器的信息，将位移补偿信息转换为三个第二电机的转速信 号，驱动齿轮轴端部齿轮促使升降刀柄外齿轮绕T形螺纹杆转动，从而实现上下 位移补偿。

作为进一步的，压力补偿信息的处理，将压力传感器采集的到实时压力信号 作为输入量，与成形力预测模型预测的加工过程中的理论成形压力进行对比；通 过MPC压力补偿求解器在考虑工具头设定加工轨迹的前提下，计算合理的压力补 偿量，通过计算机控制，实现压力补偿。

作为进一步的，位移补偿信息的处理，将相机采集的到实时成形零件的精度 作为输入量，与成形精度预测模型预测的加工过程中的理论成形精度进行对比。 通过MPC位移补偿求解器在考虑工具头设定加工轨迹的前提下，计算合理的位移 补偿量，通过计算机控制，实现位移补偿。

本发明中的集成形力与位移补偿为一体功能的工具头以移动平板为工具头 模块各部件的安装基准。使用螺栓将工具头柄套与移动平板中间的圆形通孔固定 连接。工具头柄套与梯形螺纹杆的顶部配合形成有杆腔和无杆腔。梯形螺纹杆的 顶部安装压力传感器。梯形螺纹杆的螺纹部与升降刀柄的内部梯形螺纹配合，升 降刀柄的外轮齿与齿轮轴底部的齿轮啮合，组成传动组件，实现位移补偿。齿轮 轴端部与电机相连，通过轴承、螺栓以及轴承端盖安装于移动平板上呈圆周分布 的三个圆形孔中。升降刀柄底部存在一个锥形空腔，锥形空腔底部装有一个压力 传感器。锥形空降通过锁紧螺母以及螺纹杆与弹簧夹头连接，工具头头安装在弹 簧夹头中间，工具头底部与压力传感器接触。据此形成集成形力与位移补偿为一 体的工具头。

通过计算机采集并处理集成形力与位移补偿为一体的工具头模块中的压力 传感器信号，控制气压系统将高压气体通入工具头柄套的无杆腔中，实现压力补 偿。采集实时加工位移信息，将位移补偿信息转换为三个控制电机的转速信号， 驱动齿轮轴端部齿轮促使升降刀柄外齿轮绕梯形螺纹杆转动，从而实现上下位移 补偿。

本发明的有益效果如下：

本发明结构简单，提供了一种适用于局部大变形角度的复杂成形工件的高精 度加工装置与方法。

1.由施加进刀柄套内部的气压力提供刀头加工板材所需要的成形力；

2.电机驱动三个齿轮轴，驱动升降刀柄外齿轮绕T形螺纹杆转动接着上下移 动，使得成形力的施加和刀头位移的补偿可同时完成；

3.利用位移补偿装置，可成形具有微小局部大变形的复杂零件；

4.通过集成控制单元进行压力信号与位移信号的实时采集，调控多个压力和 位移传感器，形成闭环控制；

5.依靠MPC模型轨迹优化算法对采集的压力信号与位移信号实时优化处理， 在综合考虑设定轨迹与全局实时变化的前提下，确定压力与位移的合理实时补偿 值。

附图说明

图1本发明的剖视图；

图2本发明的整体结构示意图；

图3本发明的整体结构示意图；

图4(a)、图4(b)为典型渐进成形有模加工件；

图5为具有微小局部大变形的复杂成形件；

图6为MPC模型轨迹优化算法流程图；

图中：1-升降刀柄；2-压力传感器；3-工具头；4-弹簧夹头；5-锁紧螺母； 6-齿轮轴；7-移动平板；8-螺钉；9-螺钉；10-刀柄套；11-压力传感器；12-进 气口；13-无杆腔；14-T形螺纹杆；15-轴承；16-轴承盖；17-位移传感器；18- 出气口；19-有杆腔；20-密封圈；21-电机。

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；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示 与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便 于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的 方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本实施例公开的集成形力与位移补偿为一体的工具头模块，如图1、图2所 示,升降刀柄1、压力传感器2；工具头3；弹簧夹头4；锁紧螺母5；齿轮轴6； 移动平板7；螺钉8；螺钉9；刀柄套10；压力传感器11；进气口12；无杆腔13； T形螺纹杆14；轴承15；轴承盖16；位移传感器17；出气口18；有杆腔19；密 封圈20；电机21。

工具头3的一端固定在所述的升降刀柄1底部，另一端延伸到升降刀柄1外， 所述的升降刀柄1内部设有螺纹，所述的螺纹与T形螺纹杆14的螺杆部分配合， 所述T形螺纹杆14的顶部位于刀柄套10内，T形螺纹杆14将刀柄套10的内腔 分为上无杆腔13和下有杆腔19；所述的上无杆腔13对应的刀柄套侧壁上设有进 气口12，所述的下有杆腔对应的刀柄套侧壁上设有出气口18；在所述的升降刀 柄的外圈设有轮齿，所述的轮齿与三个齿轮配合，每个齿轮的齿轮轴通过电机21 驱动。

工具头刀柄套19与T形螺纹杆14的顶部配合形成两个腔室，上有杆腔和下 无杆腔；T形螺纹杆的顶部安装压力传感器11；T形螺纹杆14的螺纹部与升降刀 柄1的内部梯形螺纹配合，升降刀柄1的外部安装一个外轮齿，外轮齿与三个齿 轮轴底部的三个齿轮啮合，组成传动组件，实现位移补偿。

每个齿轮轴端部与电机21相连，齿轮轴通过轴承、螺栓以及轴承端盖安装 于移动平板上呈圆周分布的三个圆形孔中。

升降刀柄底部设置一个锥形空腔，锥形空腔内装有一个压力传感器11。工具 头一端安装在该锥形空腔内，另一端穿过锥形空腔通过锁紧螺母、弹簧夹头固定， 工具头穿过安装在弹簧夹头4中间，工具头顶部与压力传感器11接触。据此形 成集成形力与位移补偿为一体的工具头模块。

可实现成形力与位移补偿功能：工具头3与升降刀柄1接触处的压力传感器 11实时检测在加工过程中工具头3与板材的接触压力并反馈给计算机。计算机控 制工具头柄套10上部进气口12的进气压力，以补偿板材加工需要的压力，压力 传感器11检测无杆腔13的压力并反馈给计算机，实现成形力补偿的实时调控。

压力传感器11检测无杆腔13的压力并反馈给控制系统，通过MPC轨迹优化 算法确定合适的成形力补偿量，实现成形力补偿的实时调控。

另外，位移传感器17安装在移动平板的底部，实时检测工具头3在加工过 程中所在的位置并传递给控制系统，通过MPC轨迹优化算法确定合适的位移补偿 量，当工具头3位置未达到预定值时，控制系统驱动电机21转动齿轮轴6，齿轮 轴6与升降刀柄1外齿轮啮合转动升降刀柄1，使升降刀柄1绕T形螺纹杆14 向下移动以使工具头3达到预定位置，从而完成位移的补偿。

MPC轨迹优化算法如图6所示，首先将设计的CAD模型以及其CAM路径输入 算法中，工作时将相机实时采集的成形件的精度反馈到位移MPC求解器和压力传 感器采集的压力反馈给压力MPC求解器，通过位移MPC求解器和压力MPC求解器 这两个求解器分别将下一步成形轨迹与预设模型之间的误差最小化，并且得到下 一步加工时工具头位移和压力进给量，此优化过程一直循环至加工过程结束。

本实施例中的位移传感器用来检测位移补偿装置是否能够实现所期望的补 偿量，实现位移的实时监测；工件的精度测量是采用相机。

本申请的一典型示例如图3所示，为复杂曲面的渐进成形无模加工过程。由 于复杂曲面生产模具成本较高成形时，首先将加工板材固定于板材夹具上压板与 下压板之间。借助计算机辅助制造CAE，根据不同客户要求，形成成形轨迹，实 现对成形轨迹的控制。同时，压缩空气通过进气口12进入到无杆腔13，对T形 螺纹杆14上部施加压力，并且该压力通过升降刀柄1、弹簧夹头4和锁紧螺母5 传递到工具头3上，实现成形力的补偿。随着加工的深入，工具头3与升降刀柄 1接触处的压力传感器11实时检测在加工过程中工具头3与板材的接触压力并反 馈给计算机。通过MPC轨迹优化算法，在总体考虑整体形状的前提下，确定合适 的实时压力补偿量。计算机调整控制工具头柄套10上部进气口12的进气压力， 以克服板材加工需要的压力，传感器11检测无杆腔13的压力并反馈给计算机， 以防止气压在施加的过程中过大或过小，对加工装置造成破坏或者使得成形力不 足。另外，位移传感器17实时检测工具头3在加工过程中所在的位置并传递给 计算机。当工具头3位置未达到预定值时，将位移传感器17采集的到的位移信 息作为输入量，通过MPC轨迹优化算法在考虑整体成形工件变形的情况下，确定 合适的位移补偿量。计算机驱动电机21转动齿轮轴6，齿轮轴6与升降刀柄1 外齿轮啮合转动升降刀柄1使升降刀柄1绕梯形螺纹杆14向下移动以使工具头3 达到预定位置，从而完成位移的补偿。据此，在加工过程中，不断的检测、调整 实现复杂曲面的高精度成形。

本申请的又一典型示例如图4(a)、图4(b)所示，成形具有微小局部大变 形的复杂零件。成形时，首先将加工板材与配套模具一同固定于板材成形可活动 夹具上压板与下压板之间。借助计算机辅助制造CAE，根据不同客户要求，据不 同客户要求，形成成形轨迹，实现对成形轨迹的控制。。同时，工具头3与升降 刀柄1接触处的压力传感器11实时检测在加工过程中工具头3与板材的接触压 力并反馈给计算机。通过MPC轨迹优化算法，在总体考虑整体形状的前提下，确 定合适的实时压力补偿量。计算机调整控制工具头柄套10上部进气口12的进气 压力，以克服板材加工需要的压力，传感器11检测无杆腔13的压力并反馈给计算机，以防止气压在施加的过程中过大或过小，对加工装置造成破坏或者使得成 形力不足。如遇到微小局部大变形位置时，移动平板7上方的电机21驱动齿轮 轴6转动，从而齿轮轴6带动与之啮合的升降刀柄1转动，并利用升降刀柄1内 部和T形螺纹杆14外部结合的梯形螺纹实现升降刀柄1沿竖直方向的上下移动。 据此，在加工过程中，不断地检测、调整实现在微小局部大变形位置处，通过位 移补偿模块完成局部大角度工件的高精度成形。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域 的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内， 所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集压力控制与位移补偿为一体的工具头，其特征在于，包括刀柄套、升降刀柄、工具头和T形螺纹杆，所述的工具头的一端固定在所述的升降刀柄底部，另一端延伸到升降刀柄外，所述的升降刀柄内部设有螺纹，所述的螺纹与T形螺纹杆的螺杆部分配合，所述T形螺纹杆的顶部位于刀柄套内，T形螺纹杆将刀柄套的内腔分为上无杆腔和下有杆腔；所述的上无杆腔对应的刀柄套侧壁上设有进气口，所述的下有杆腔对应的刀柄套侧壁上设有出气口；在所述的升降刀柄的外圈设有轮齿，所述的轮齿与三个齿轮配合，每个齿轮的齿轮轴通过电机驱动。

2.如权利要求1所述的集压力控制与位移补偿为一体的工具头，其特征在于，所述的升降刀柄底部具有一个锥形空腔，锥形空腔内安装有一个第一压力传感器，所述的工具头穿过该锥形空腔，工具头通过锁紧螺母与弹簧夹头固定在升降刀柄上，工具头顶部与所述的第一压力传感器接触。

3.如权利要求2所述的集压力控制与位移补偿为一体的工具头，其特征在于，所述的T形螺纹杆的顶部安装第二压力传感器。

4.如权利要求3所述的集压力控制与位移补偿为一体的工具头，其特征在于，所述的刀柄套安装在一个移动平板上，所述的三个齿轮的齿轮轴通过轴承也安装在该移动平板上。

5.如权利要求4所述的集压力控制与位移补偿为一体的工具头，其特征在于，所述的移动平板底部安装有位移传感器。

6.如权利要求5所述的集压力控制与位移补偿为一体的工具头，其特征在于，所述的进气口、出气口与气压系统相连。

7.如权利要求6所述的集压力控制与位移补偿为一体的工具头，其特征在于，所述的第一压力传感器、第二压力传感器和位移传感器与控制系统相连；所述的控制系统控制所述的气压系统和三个电机。

8.如权利要求1所述的集压力控制与位移补偿为一体的工具头，其特征在于，所述的三个齿轮均匀的分布在升降刀柄的外圈。

9.如权利要求7所述的集压力控制与位移补偿为一体的工具头的控制方法，其特征在于，控制系统采集第一压力传感器和第二压力传感器的信号，控制气压系统将高压气体通入工具头柄套的无杆腔中，实现压力补偿；控制系统采集安装在移动平板底部的位移传感器的信息，将位移补偿信息转换为三个电机的转速信号，驱动齿轮轴端部齿轮促使升降刀柄外齿轮绕T形螺纹杆转动，从而实现上下位移补偿。

10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，

压力补偿信息的处理，将采集到的实时压力信号作为输入量，与成形力预测模型预测的加工过程中的理论成形压力进行对比；通过MPC压力补偿求解器在考虑工具头设定加工轨迹的前提下，计算合理的压力补偿量，通过计算机控制，实现压力补偿；

位移补偿信息的处理，将采集到的实时成形零件的精度作为输入量，与成形精度预测模型预测的加工过程中的理论成形精度进行对比；通过MPC位移补偿求解器在考虑工具头设定加工轨迹的前提下，计算合理的位移补偿量，通过计算机控制，实现位移补偿。

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