CN111014391A - 型材自动弯折装置、利用该装置实现三维弯折的方法以及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种型材自动弯折装置、利用该装置实现三维弯折的方法以及应用。采用两个可驱动平面内二维平移运动以及旋转运动的运动机构，并且两个运动机构形成一定夹角，结合两个夹持机构夹持材料的不同位置，在两个运动机构的驱动下实现所夹持位置的相对变形运动，通过变换夹持位置实现所需的材料三维弯折，具有变形效率高，变形精度高，可重复操作以及变形效果一致等优点，可应用于医用骨骼修复等技术领域。

Description

型材自动弯折装置、利用该装置实现三维弯折的方法以及 应用

技术领域

本发明属于型材的加工变形处理技术领域，具体涉及一种型材自动弯折装置、利用该装置实现三维弯折的方法以及应用。

背景技术

型材的加工变形处理应用在现代社会的很多领域。

例如，针对各种疾病或事故导致的患者面部颌骨等骨骼损坏或缺失，现有的主要医疗手段是采用钛合金或者其他生物相容性材料作为骨架材料对各骨段进行加强和拼接，根据患者面部三维形态数据，将骨架材料弯折成吻合患者面部三维形态的骨架结构，再通过连接件将骨架结构固定至患者未损伤骨骼处，从而实现对损坏骨骼的替代和修复。

目前，关于面部骨骼修复的主要技术手段如下：

先采用光学扫描设备获取患者的颌骨三维点云数据，制作骨骼实物模型；根据医生的相关经验或基于手术模拟手段确定手术后预期的目标骨骼形态，通过3D打印或其它快速成型技术手段，制作与骨骼实物模型等比例的目标骨骼形态模型；医生根据骨骼实物模型，通过手工工具弯折钛合金板等板状骨架材料，使之与患者骨骼吻合，加强固定或者拼接后最终与目标骨骼吻合。

在此过程中需要将骨架结构与骨骼实物模型进行反复对比形成固定件，对固定件不断进行微调直至完全吻合患者骨骼三维形态。

该技术手段存在如下问题：

(1)需要制作患者骨骼的三维实物模型，目前的工艺手段制作该模型需耗费时间10小时以上，增加了患者手术等待时间，且制作成本高昂；

(2)基于医生的经验手工弯折骨架材料，弯折精度较低，弯曲时间较长；即使对于同一患者，不同的医生手工弯折时无法保证固定件的一致性；

(3)由于骨骼形状复杂，采用手工弯折时由于反复调整的次数较多易造成钛合金等骨架材料固定件的早期疲劳和寿命不足。

(4)依靠简单工具的手工弯折仅可保证固定件与患者骨骼在局部点上达到较好的拟合度，而无法保证在所有坐标点达到最佳空间拟合，因此对患者使用的舒适度及固定件的使用寿命均产生一定程度的影响。

发明内容

针对上述技术现状，本发明提供一种型材自动弯折装置，利用该装置能够自动实现型材的弯曲、扭拧等。

本发明提供的技术方案为：一种型材自动弯折装置，包括第一运动机构、固定在第一运动机构上的第一夹持机构、第二运动机构，以及固定在第二运动机构上的第二夹持机构；

所述第一运动机构用于驱动在A平面的二维平移运动以及旋转运动；

所述第二运动机构用于驱动在B平面的二维平移运动以及旋转运动；

所述A平面与B平面形成夹角，所述夹角大于0°并且小于180°。

所述型材是指已成型的材料，即，具有一定形状的材料，包括但不限于板状材料、棒状材料、条状材料等。

作为优选，所述A平面与B平面互相垂直。

所述第一运动机构的结构形式不限，包括3-PRR型并联机构、3-RRR型并联机构、3-PPR型并联机构、3-PRR型并联机构、3-PPP型并联机构、3-RPP型并联机构等。

所述第二运动机构的结构形式不限，包括3-PRR型并联机构、3-RRR型并联机构、3-PPR型并联机构、3-PRR型并联机构、3-PPP型并联机构、3-RPP型并联机构等。

所述第一运动机构中的驱动元件不限，包括电机、气缸等，所述电机包括但不限于步进丝杠电机、伺服丝杠电机、伺服电机等。

所述第二运动机构中的驱动元件不限，包括电机、气缸等，所述电机包括但不限于步进丝杠电机、伺服丝杠电机、伺服电机等。

工作状态时，第一夹持机构与第二夹持机构夹持型材的不同位置，型材未被夹持位置可能呈拖拉、悬空等状态，为此作为优选，本发明的型材自动弯折装置还包括辅助进料机构，用于使型材未被夹持的部分可在平面进行二自由度平动，以辅助材料的进给。所述辅助进料机构的结构不限，包括两自由度平面运动机构，例如平面双连杆机构、平面五连杆机构、平面六连杆机构等。

利用本发明的自动弯折装置可实现型材的三维弯折变形，具体方法是：将型材的三维弯折变形分解为不同特征点的相对变形运动，通过若干个相邻特征点之间的相对变形拟合所需实现的型材三维弯折变形。结合本发明的自动弯折装置，通过如下使用方法实现该三维弯折变形：

(1)第一夹持机构与第二夹持机构固定夹持型材的不同位置，即，第一夹持机构夹持型材的A位置，第二夹持机构夹持型材的B位置；

(2)进行如下a过程、b过程，或者a过程与b过程；

a过程：在第一运动机构驱动下，型材的A位置在A平面进行平移运动和/或旋转运动；

b过程：在第二运动机构驱动下，型材的B位置在B平面进行平移运动和/或旋转运动。

(3)改变A位置和/或B位置；

(4)重复步骤(1)与步骤(2)，直到实现所需的三维弯折。

作为优选，所述型材自动弯折装置还包括控制机构，用于控制第一夹持机构与第二夹持机构夹持型材的位置以及第一运动机构与第二运动机构的驱动运动。

本发明采用两个可驱动平面内二维平移运动以及旋转运动的运动机构，并且两个运动机构形成一定夹角，结合两个夹持机构夹持材料不同位置，在两个运动机构的驱动下实现所夹持位置的相对变形运动，通过变换夹持位置实现所需的材料三维弯折，具有如下有益效果：

(1)能够自动实现材料的三维弯折，将材料的三维弯折转换为离散的特征位置之间的相对运动，通过若干特征点之间的相对变形拟合所需实现的材料三维弯折变形，具有变形效率高，变形精度高，可重复操作性，以及变形效果一致等优点；

(2)本发明的自动变形装置可用于医用骨骼修复，根据骨骼三维模型，通过本发明的装置弯折骨架材料，使之与骨骼三维模型吻合，经固定或者拼接之后与目标骨骼模型一致，具有弯折效率高，弯折精度高等优点。所述骨架材料包括钛合金等生物相容性材料。所述骨骼不限，包括面部骨骼等，尤其适用于形状结构复杂的骨骼，例如面部颌骨等。

附图说明

图1是本发明实施例1中的型材自动弯折装置的结构示意图。

图2是图1中第一运动机构以及第一夹持机构的结构示意图。

图3是图1中第二运动机构以及第二夹持机构的结构示意图。

图4是本发明实施例2中的辅助进料机构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

第一运动机构1、第二运动机构2、第一夹持机构3、第二夹持机构4、基座5、动平台6、传动机构7、丝杠电机8、P幅驱动元件9、连杆10、底座11、第一连杆12、第二连杆13、回转运动副14。

实施例1：

本实施例中，型材自动弯折装置如图1所示，包括第一运动机构1与第二运动机构2。

如图2所示，第一运动机构1上设置第一夹持机构3。

如图3所示，第二运动机构2上设置第一夹持机构4。

如图2、3所示，第一运动机构1与第二运动机构2的机构完全相同，均为3-PRR型并联运动机构，由闭式步进丝杠电机驱动，可驱动实现平面内的二维运动与旋转运动。

如图2所示，3-PRR型并联运动机构包括基座、位于基座5上的动平台6以及三个传动机构7。每个传动机构包括闭式步进丝杠电机8、P幅驱动元件9、连杆10、驱动元件间的R幅，以及连杆与动平台之间的R幅。第一夹持机构3固定在动平台上，在闭式步进丝杠电机的驱动下，动平台可在竖直平面内进行二维运动与旋转运动，带动第一夹持机构可在竖直平面内进行二维运动与旋转运动。

同理，如图3所示，第二运动机构2中动平台可在水平面内进行二维运动与旋转运动，带动第二夹持机构可在水平面内进行二维运动与旋转运动。

利用该自动弯折装置可实现型材的三维弯折变形，包括如下步骤：

(1)在初始位置，第一夹持机与第二夹持机构通过夹持部固定夹持材料的不同位置，即，第一夹持机构夹持板材的A位置，第二夹持机构夹持板材的B位置；

(2)进行如下a过程、b过程，或者a过程与b过程，使A位置与B位置发生相对变形；

a过程：在第一运动机构驱动下，第一夹持机构夹持型材的A位置在A平面进行平移运动和/或旋转运动；

b过程：在第二运动机构驱动下，第二夹持机构夹持型材的B位置在B平面进行平移运动和/或旋转运动。

(3)第一夹持机构与第二夹持机构打开夹持部，返回初始位置，即，改变被夹持的A位置和/或B位置；

(4)重复步骤(1)、(2)和(3)，直到型材的若干位置之间的相对变形拟合所需实现的材料三维弯折变形。

实施例2：

本实施例中，型材自动弯折装置与实施例1完全相同。

将该自动变形装置用于患者颌骨修复，修改方法为：根据患者颌骨三维模型，通过该装置弯折钛合金材料，使之与患者颌骨三维模型吻合，经固定或者拼接之后与目标颌骨模型一致。

利用该装置弯折钛合金材料的方法如下：

(1)在初始位置，第一夹持机与第二夹持机构通过夹持部固定钛合金板的不同位置，即，第一夹持机构夹持钛合金板的A位置，第二夹持机构夹持钛合金板的B位置；

(2)进行如下a过程、b过程，或者a过程与b过程，使A位置与B位置发生相对变形；

a过程：在第一运动机构驱动下，第一夹持机构夹持钛合金板的A位置在A平面进行平移运动和/或旋转运动；

b过程：在第二运动机构驱动下，第二夹持机构夹持钛合金板的B位置在B平面进行平移运动和/或旋转运动。

(3)第一夹持机构与第二夹持机构打开夹持部，返回初始位置，即，改变被夹持的A位置和/或B位置；

(4)重复步骤(1)、(2)和(3)，直到钛合金板的若干位置之间的相对变形拟合为所需实现的钛合金板的三维弯折变形。

采用上述装置后可实现目前手动弯折医用钛合金板的自动化，通过对医用钛合金板特征点之间离散的相对变形位移实现对整体所需三维弯折的拟合。

实施例3：

本实施例中，型材自动弯折装置与实施例1基本相同，所不同的是本实施例中，如图4所示，型材自动弯折装置还包括辅助进料机构，包括底座11、第一连杆12、第二连杆13与回转运动副14，回转运动副14通过第一连杆12连接在底座11上，第二连杆13固定在回转运动副14上。工作状态时，通过回转运动副调节材料未被夹持的部分在平面内的位移，以使未被夹持部的位置保持在有利于夹持部分进给的方向。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种型材自动弯折装置，其特征是：包括第一运动机构、固定在第一运动机构上的第一夹持机构、第二运动机构，以及固定在第二运动机构上的第二夹持机构；

所述第一运动机构用于驱动在A平面的二维平移运动以及旋转运动；

所述第二运动机构用于驱动在B平面的二维平移运动以及旋转运动；

所述A平面与B平面形成夹角，所述夹角大于0°并且小于180°。

2.如权利要求1所述的型材自动弯折装置，其特征是：所述型材包括板状材料、棒状材料与条状材料。

3.如权利要求1所述的型材自动弯折装置，其特征是：所述A平面与B平面互相垂直。

4.如权利要求1所述的型材自动弯折装置，其特征是：所述第一运动机构为3-PRR型并联机构、3-RRR型并联机构、3-PPR型并联机构、3-PRR型并联机构、3-PPP型并联机构、3-RPP型并联机构中的一种；

作为优选，所述第二运动机构为3-PRR型并联机构、3-RRR型并联机构、3-PPR型并联机构、3-PRR型并联机构、3-PPP型并联机构、3-RPP型并联机构中的一种。

5.如权利要求1所述的型材自动弯折装置，其特征是：所述第一运动机构中的驱动元件包括电机与气缸；

作为优选，所述第二运动机构中的驱动元件包括电机与气缸；

作为优选，所述电机包括步进丝杠电机、伺服丝杠电机、伺服电机。

6.如权利要求1所述的型材自动弯折装置，其特征是：所述型材自动弯折装置还包括辅助进料机构，用于使型材未被夹持的部分在平面进行二维自由度平动。

7.如权利要求6所述的型材自动弯折装置，其特征是：所述辅助进料机构包括平面双连杆机构、平面五连杆机构、平面六连杆机构双平行以及四边形机构。

8.利用权利要求1至7中任一权利要求所述的自动弯折装置实现型材三维弯折的方法：将型材的三维弯折变形分解为不同特征点的相对变形运动，通过若干特征点之间的相对变形拟合所需实现的型材三维弯折。

9.权利要求8所述的自动弯折装置的使用方法：包括如下步骤：

(1)第一夹持机构与第二夹持机构固定夹持型材的不同位置，即，第一夹持机构夹持板材的A位置，第二夹持机构夹持板材的B位置；

(2)进行如下a过程、b过程，或者a过程与b过程；

a过程：在第一运动机构驱动下，型材的A位置在A平面进行平移运动和/或旋转运动；

b过程：在第二运动机构驱动下，型材的B位置在B平面进行平移运动和/或旋转运动；

(3)改变A位置和/或B位置；

(4)重复步骤(1)与步骤(2)，直到实现所需的三维弯折。

10.权利要求1至7中任一权利要求所述的自动弯折装置在医用骨骼修复中的应用。

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