CN111421024A - 基于复合驱动的随动托料装置及其运动学反解方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合驱动的随动托料装置及其运动学反解方法，包括固定底座、倾斜设置在固定底座上的固定轨道、可沿固定轨道来回移动的升降架以及与升降架一端相铰接用于承托板材的翻转台板；在升降架与翻转台板铰接处的连接轴上固连有连接板，连接板的一端依次连接有第一连杆和第一曲柄，连接板的另一端依次连接有第二连杆和第二曲柄，第一曲柄和第二曲柄均与固定底座相铰接；驱动第一曲柄和第二曲柄可实现翻转台板上下运动的同时进行翻转运动。本发明利用二自由度的曲柄连杆机构协调驱动移动副和转动副动作，翻转台板承托板材跟随板材运动；本发明的运动学反解方法可实现了运动学逆解，使得随动轨迹精确，随动效果好，适合重载折弯过程。

Description

基于复合驱动的随动托料装置及其运动学反解方法

技术领域

本发明涉及板材折弯领域的托料装置，尤其涉及一种基于复合驱动的随动托料装置及其运动学反解方法。

背景技术

数控板材折弯是制造业里面很重要的工艺方法，所占比重很高。而在进行大尺寸板料折弯时，加工难度大，存在以下问题：1、板料自身重力下垂会对加工精度产生不良影响；2、翻转速度较快，板材重量较大的时候需要多人跟随板材折弯进行辅助作业，劳动强度大；3、存在安全隐患。

目前市场上的现有技术中公开的托料装置，存在如下缺陷：1、结构过于复杂，占地面积大，体积笨重；2、响应速度较慢，满足不了高速折弯加工的需求；3、没能实现机构的运动学逆解，随动轨迹偏差较大，随动效果欠佳；4、随动的翻转角度较小。

另外，在金属板材折弯加工行业，近年来采用机器人进行辅助折弯，虽然自动化程度较高，但是仍然存在如下问题：1、结构复杂，成本较高；2、需要示教编程，针对大批量单一品种的零件加工尚可，但是对于小批量、多品种加工模式完全不适用，示教编程效率太低；3、仅仅适用于重量较小的应用场合。

因此，亟待解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种可实现运动学逆解，随动轨迹精确，随动效果好，响应速度快且翻转角度大的基于复合驱动的随动托料装置。

本发明的第二目的是提供该基于复合驱动的随动托料装置的运动学反解方法。

技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种基于复合驱动的随动托料装置，包括固定底座、倾斜设置在固定底座上的固定轨道、可沿固定轨道来回移动的升降架以及与升降架一端相铰接用于承托板材的翻转台板；其中在升降架与翻转台板铰接处的连接轴上固连有连接板，该连接板的一端依次连接有第一连杆和第一曲柄，连接板的另一端依次连接有第二连杆和第二曲柄，第一曲柄和第一曲柄均与固定底座相铰接；驱动第一曲柄和第二曲柄可实现翻转台板上下运动的同时进行翻转运动。

其中，所述翻转台板在非工作状态下呈水平设置。

优选的，所述固定轨道与固定底座的倾角为γ，升降架沿固定轨道来回移动构成移动副，该移动副的斜率为tan(γ)。

再者，所述连接板的中心处与升降架与翻转台板铰接处的连接轴相固连。

本发明一种基于复合驱动的随动托料装置的运动学反解方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、升降架沿固定轨道来回移动构成移动副，翻转台板与升降架铰接构成转动副；非工作状态下，翻转台板呈水平设置状态，工作状态下，折弯机的上模具向下运动，板材完全折弯变形，协调驱动移动副和转动副动作，翻转台面承托板材跟随板材运动；

(2)、首先建立坐标系XOY，原点O为非工作状态下翻转台板上表面与折弯机模具中心位置的交点；竖直向下的方向为Y轴正向；水平且指向随动拖料装置的方向为X轴；

A点为工作状态下翻转台板上表面与折弯机模具中心位置的交点，D点为工作状态下翻转台板与升降架的铰接点，过D点作翻转台板上表面的平行线，该平行线与折弯模具中心线的交点为B点；C点为过A点作直线BD的垂线AC的垂点，E点为过D点作翻转台板上表面的垂线DE的垂点；F点为非工作状态下翻转台板与升降架的铰接点，固定轨道与固定底座的倾角为γ；

(3)、折弯过程中，板材的折弯半角为α，板材在折弯机模具中心位置的下行距离为d，F点的坐标为(X_F，Y_F)，移动副的斜率为tan(γ)，根据F点的坐标和移动副斜率求解转动副的进给量β和移动副的进给量Dis；具体求解方法为：

直线DE与竖直方向的夹角为β，则转动副的进给量β为：

B点坐标为：

X_B＝0

其中L为转动副旋转中心到翻转台板上表面的距离，

DB两点连成直线的直线方程为：

令：

则得到直线DB的直线方程为：

Y＝a₁X+b₁

DF两点连成直线的直线方程为：

Y＝tan(γ)X+(Y_F-tan(γ)X_F)

令：

a₂＝tan(γ)

b₂＝Y_F-tan(γ)X_F

则得到直线DF的直线方程：

Y＝a₂X+b₂

根据DB的直线方程和DF的直线方程求解两条直线的交点D的坐标：

翻转台板与第一连杆的铰接点为D₁，第一曲柄与固定底座的铰接点为O₁，第二曲柄与固定底座的铰接点为O₂，翻转台板与第二连杆的铰接点为D₂，计算D₁点的坐标；

计算中间变量θ₁₀和中间变量θ₁₁：

其中，L₁是D₁点距离翻转台板上表面的距离，E₁为D点和D₁点沿翻转台板方向的距离；

计算直线DD₁的长度为：

可计算得到D₁点的坐标：

X_D1＝X_D-S₁cos(θ₁₁)

Y_D1＝Y_D+S₁sin(θ₁₁)

计算中间变量

其中X₁为O₁点的X轴坐标，Y₁为O₁点的Y轴坐标；

直线O₁D₁的长度为：

由余弦定理可得到：

其中R₁为第一曲柄的长度，H₁为第一连杆的长度；

可得到第一曲柄的驱动角度ω₁：

计算中间变量θ₂₀，θ₂₁：

其中L₂是D₂点距离翻转台板上表面的距离，E₂为D点和D₂点沿翻转台板方向的距离；

可计算得到D₂点的坐标：

X_D2＝X_D+S₂cos(θ₂₁)

Y_D2＝Y_D-S₂sin(θ₂₁)

计算中间变量

其中X₂为O₂点的X轴坐标，Y₂为O₂点的Y轴坐标；

直线O₂D₂的长度为：

由余弦定理可得到：

其中R₂为第二曲柄的长度，H₂为第二连杆的长度；

可得到第二曲柄的驱动角度ω₂：

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：首先本发明在工作状态下，随着折弯机的上模向下运动，板材完全折弯变形，利用二自由度复合驱动的曲柄连杆机构协调驱动移动副和转动副动作，翻转台板承托板材跟随板材运动；翻转台板对板料进行承托，板材相对于翻转台板表面完全接触重合，但是会产生相对的滑动；本发明的曲柄连杆机构运动特性好、力特性好，动作缓和无冲击；本发明可有效降低工人的劳动强度，提高加工精度、加工效率和加工安全性；其次本发明成本低廉，结构简单，便于推广；再者本发明响应速度快，本发明的运动学反解方法可实现了运动学逆解，使得托料装置随动轨迹精确，随动效果好，适合重载折弯过程中的随动设置；最后本发明与现有技术比较，在相同条件下，因本申请的固定轨道与固定底座成倾斜设置，使得本发明可实现较大的随动翻转角度，翻转能力强。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的对应托料装置的机构运动简图；

图3为本发明等效的机构运动简图；

图4为本发明非工作状态下与折弯机配合使用的结构示意图；

图5为本发明工作状态下与折弯机配合使用的结构示意图；

图6为本发明的运动学反解示意图一；

图7为本发明的运动学反解示意图二；

图8为本发明中固定轨道与固定底座有无倾角时的进给量和翻转角度的示意图一；

图9为本发明中固定轨道与固定底座有无倾角时的进给量和翻转角度的示意图二。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1、图2和图3所示，本发明一种基于复合驱动的随动托料装置，包括固定底座1、固定轨道2、升降架3、翻转台板4、连接轴5、连接板6、第一连杆7、第一曲柄8、第二连杆9和第二曲柄10。固定轨道2倾斜设置在固定底座1上，固定轨道2与固定底座1的倾角为γ。升降架3可沿固定轨道2来回移动，升降架3沿固定轨道来回移动构成移动副11，该移动副的斜率为tan(γ)。翻转台板4与升降架3一端相铰接，该翻转台板4用于承托板材，翻转台板4与升降架3铰接构成转动副12，在升降架与翻转台板铰接处的连接轴5上固连有连接板6，该连接板6的一端依次连接有第一连杆7和第一曲柄8，连接板6的另一端依次连接有第二连杆9和第二曲柄10，第一曲柄8和第二曲柄10均与固定底座1相铰接；驱动第一曲柄8和第二曲柄10可实现翻转台板4上下运动的同时进行翻转运动。连接板6的中心处与升降架3与翻转台板4铰接处的连接轴5相固连，第一连杆和第一曲柄构成的第一曲柄连杆机构，第二连杆和第二曲柄构成第二曲柄连杆机构，第一曲柄连杆机构和第二曲柄连杆机构分别设置在升降架3的两侧。

如图4和图5所示，折弯机13上设有上模14和下模15，翻转台板4在非工作状态下呈水平设置，在工作状态下，随着折弯机的上模向下运动，板材16完全折弯变形，协调驱动移动副和转动副动作，翻转台板承托板材跟随板材运动；翻转台板对板料进行承托，板材相对于翻转台板表面完全接触重合，但是会产生相对的滑动。

本发明在工作状态下，随着折弯机的上模向下运动，板材完全折弯变形，利用二自由度复合驱动的曲柄连杆机构协调驱动移动副和转动副动作，翻转台板承托板材跟随板材运动；翻转台板对板料进行承托，板材相对于翻转台板表面完全接触重合，但是会产生相对的滑动；本发明的曲柄连杆机构运动特性好、力特性好，动作缓和无冲击；本发明可有效降低工人的劳动强度，提高加工精度、加工效率和加工安全性；其次本发明成本低廉，结构简单，便于推广；再者本发明响应速度快，本发明的运动学反解方法可实现了运动学逆解，使得托料装置随动轨迹精确，随动效果好，适合重载折弯过程中的随动设置。

如图6和图7所示，本发明一种基于复合驱动的随动托料装置的运动学反解方法，包括步骤：

(1)、升降架沿固定轨道来回移动构成移动副，翻转台板与升降架铰接构成转动副；非工作状态下，翻转台板呈水平设置状态，工作状态下，折弯机的上模具向下运动，板材完全折弯变形，协调驱动移动副和转动副动作，翻转台面承托板材跟随板材运动；

(2)、首先建立坐标系XOY，原点O为非工作状态下翻转台板上表面与折弯机模具中心位置的交点；竖直向下的方向为Y轴正向；水平且指向随动拖料装置的方向为X轴；

A点为工作状态下翻转台板上表面与折弯机模具中心位置的交点，D点为工作状态下翻转台板与升降架的铰接点，过D点作翻转台板上表面的平行线，该平行线与折弯模具中心线的交点为B点；C点为过A点作直线BD的垂线AC的垂点，E点为过D点作翻转台板上表面的垂线DE的垂点；F点为非工作状态下翻转台板与升降架的铰接点，固定轨道与固定底座的倾角为γ；

(3)、折弯过程中，板材的折弯半角为α，板材在折弯机模具中心位置的下行距离为d，F点的坐标为(X_F，Y_F)，移动副的斜率为tan(γ)，根据F点的坐标和移动副斜率求解转动副的进给量β和移动副的进给量Dis；具体求解方法为：

直线DE与竖直方向的夹角为β，则转动副的进给量β为：

B点坐标为：

X_B＝0

其中L为转动副旋转中心到翻转台板上表面的距离，

DB两点连成直线的直线方程为：

令：

则得到直线DB的直线方程为：

Y＝a₁X+b₁

DF两点连成直线的直线方程为：

Y＝tan(γ)X+(Y_F-tan(γ)X_F)

令：

a₂＝tan(γ)

b₂＝Y_F-tan(γ)X_F

则得到直线DF的直线方程：

Y＝a₂X+b₂

根据DB的直线方程和DF的直线方程求解两条直线的交点D的坐标：

翻转台板与第一连杆的铰接点为D₁，第一曲柄与固定底座的铰接点为O₁，第二曲柄与固定底座的铰接点为O₂，翻转台板与第二连杆的铰接点为D₂，计算D₁点的坐标；

计算中间变量θ₁₀和中间变量θ₁₁：

其中，L₁是D₁点距离翻转台板上表面的距离，E₁为D点和D₁点沿翻转台板方向的距离；

计算直线DD₁的长度为：

可计算得到D₁点的坐标：

X_D1＝X_D-S₁cos(θ₁₁)

Y_D1＝Y_D+S₁sin(θ₁₁)

计算中间变量

其中X₁为O₁点的X轴坐标，Y₁为O₁点的Y轴坐标；

直线O₁D₁的长度为：

由余弦定理可得到：

其中R₁为第一曲柄的长度，H₁为第一连杆的长度；

可得到第一曲柄的驱动角度ω₁：

计算中间变量θ₂₀，θ₂₁：

其中L₂是D₂点距离翻转台板上表面的距离，E₂为D点和D₂点沿翻转台板方向的距离；

可计算得到D₂点的坐标：

X_D2＝X_D+S₂cos(θ₂₁)

Y_D2＝Y_D-S₂sin(θ₂₁)

计算中间变量

其中X₂为O₂点的X轴坐标，Y₂为O₂点的Y轴坐标；

直线O₂D₂的长度为：

由余弦定理可得到：

其中R₂为第二曲柄的长度，H₂为第二连杆的长度；

可得到第二曲柄的驱动角度ω₂：

本发明与现有技术比较，在相同条件下，因本发明的固定轨道与固定底座成倾斜设置，使得本发明可实现较大的随动翻转角度，翻转能力强。

如图8所示，当翻转相同的角度Rot0时，无倾角状态下移动副的进给量为Dis1，有倾角状态下移动副的进给量为Dis0。如图9所示，同样进给量为Dis1时，无倾角状态下的翻转角度为Rot0，有倾角状态下的翻转角度为Rot1，明显当固定轨道与固定底座有倾角时翻转角度更大。

Claims (5)

1.一种基于复合驱动的随动托料装置，其特征在于：包括固定底座(1)、倾斜设置在固定底座上的固定轨道(2)、可沿固定轨道来回移动的升降架(3)以及与升降架一端相铰接用于承托板材的翻转台板(4)；其中在升降架与翻转台板铰接处的连接轴(5)上固连有连接板(6)，该连接板(6)的一端依次连接有第一连杆(7)和第一曲柄(8)，连接板(6)的另一端依次连接有第二连杆(9)和第二曲柄(10)，第一曲柄(8)和第二曲柄(10)均与固定底座(1)相铰接；驱动第一曲柄(8)和第二曲柄(10)可实现翻转台板(4)上下运动的同时进行翻转运动。

2.根据权利要求1所述的基于复合驱动的随动托料装置，其特征在于：所述翻转台板(4)在非工作状态下呈水平设置。

3.根据权利要求1所述的基于复合驱动的随动托料装置，其特征在于：所述固定轨道(2)与固定底座(1)的倾角为γ，升降架(3)沿固定轨道来回移动构成移动副(11)，该移动副的斜率为tan(γ)。

4.根据权利要求1所述的基于复合驱动的随动托料装置，其特征在于：所述连接板(6)的中心处与升降架(3)与翻转台板(4)铰接处的连接轴(5)相固连。

5.一种根据权利要求1至4任一所述的基于复合驱动的随动托料装置的运动学反解方法，其特征在于，包括步骤：

(1)、升降架沿固定轨道来回移动构成移动副，翻转台板与升降架铰接构成转动副；非工作状态下，翻转台板呈水平设置状态，工作状态下，折弯机的上模具向下运动，板材完全折弯变形，协调驱动移动副和转动副动作，翻转台面承托板材跟随板材运动；

(2)、首先建立坐标系XOY，原点O为非工作状态下翻转台板上表面与折弯机模具中心位置的交点；竖直向下的方向为Y轴正向；水平且指向随动拖料装置的方向为X轴；

A点为工作状态下翻转台板上表面与折弯机模具中心位置的交点，D点为工作状态下翻转台板与升降架的铰接点，过D点作翻转台板上表面的平行线，该平行线与折弯模具中心线的交点为B点；C点为过A点作直线BD的垂线AC的垂点，E点为过D点作翻转台板上表面的垂线DE的垂点；F点为非工作状态下翻转台板与升降架的铰接点，固定轨道与固定底座的倾角为γ；

(3)、折弯过程中，板材的折弯半角为α，板材在折弯机模具中心位置的下行距离为d，F点的坐标为(X_F，Y_F)，移动副的斜率为tan(γ)，根据F点的坐标和移动副斜率求解转动副的进给量β和移动副的进给量Dis；具体求解方法为：

直线DE与竖直方向的夹角为β，则转动副的进给量β为：

B点坐标为：

X_B＝0

其中L为转动副旋转中心到翻转台板上表面的距离，

DB两点连成直线的直线方程为：

令：

则得到直线DB的直线方程为：

Y＝a₁X+b₁

DF两点连成直线的直线方程为：

Y＝tan(γ)X+(YF-tan(γ)X_F)

令：

a₂＝tan(γ)

b₂＝Y_F-tan(γ)X_F

则得到直线DF的直线方程：

Y＝a₂X+b₂

根据DB的直线方程和DF的直线方程求解两条直线的交点D的坐标：

翻转台板与第一连杆的铰接点为D₁，第一曲柄与固定底座的铰接点为O₁，第二曲柄与固定底座的铰接点为O₂，翻转台板与第二连杆的铰接点为D₂，计算D₁点的坐标；

计算中间变量θ₁₀和中间变量θ₁₁：

其中，L₁是D₁点距离翻转台板上表面的距离，E₁为D点和D₁点沿翻转台板方向的距离；

计算直线DD₁的长度为：

可计算得到D₁点的坐标：

X_D1＝X_D-S₁cos(θ₁₁)

Y_D1＝Y_D+S₁sin(θ₁₁)

计算中间变量

其中X₁为O₁点的X轴坐标，Y₁为O₁点的Y轴坐标；

直线O₁D₁的长度为：

由余弦定理可得到：

其中R₁为第一曲柄的长度，H₁为第一连杆的长度；

可得到第一曲柄的驱动角度ω₁：

计算中间变量θ₂₀，θ₂₁：

其中L₂是D₂点距离翻转台板上表面的距离，E₂为D点和D₂点沿翻转台板方向的距离；

可计算得到D₂点的坐标：

X_D2＝X_D+S₂cos(θ₂₁)

Y_D2＝Y_D-S₂sin(θ₂₁)

计算中间变量

其中X₂为O₂点的X轴坐标，Y₂为O₂点的Y轴坐标；

直线O₂D₂的长度为：

由余弦定理可得到：

其中R₂为第二曲柄的长度，H₂为第二连杆的长度；

可得到第二曲柄的驱动角度ω₂：

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