CN111580464A - 多辊自由弯曲的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法 - Google Patents

多辊自由弯曲的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了多辊自由弯曲的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法，第一步，提取三维恒定曲率空心构件的中心轴线；第二步，将三维恒定曲率构件的中心轴线进行分段，分为过渡弧段、弧段；通过成形辊的轨迹控制，来实现恒定曲率构件的自由弯曲成形。本发明的多辊弯曲模包括成形辊和导向辊，在空心构件推进和成形时，由于辊子的自转充分地减小了成形过程中的摩擦阻力，提高了空心构件整体的成形质量。本发明的多辊弯曲模结构紧凑、制造简单，成形辊的控制简便，实用性较强，在工程机械、航空航天等领域的生产和经济价值巨大。

Description

多辊自由弯曲的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法
技术领域
本发明属于自由弯曲成形技术领域，具体是多辊自由弯曲的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法。
背景技术
传统的空心构件成形技术包括绕弯、推弯、滚弯、压弯等弯曲成形技术。传统的弯曲成形技术只能成形简单恒定曲率的空心构件，成形不同曲率的构件需要更换弯曲模具，成形工艺多且难以成形空间复杂形状的构件。目前，各种形状的构件在工程机械、航空器、航天器等承载式构架和输油、水、气等零部件中均有极大的需求，而传统的弯曲成形方式已经不能满足成形复杂形状构件的要求。
自由弯曲成形技术是一种基于空心构件轨迹控制的先进成形技术，无需更换弯曲模具就能成形各种形状复杂的弯曲构件。根据自由弯曲装备轴数的不同，分为三轴、四轴、五轴和六轴自由弯曲成形装备，装备轴数越多，构件成形的柔性越大，但是装备灵活性不高，制造复杂。
发明内容
本发明针对现有技术的不足提供一种多辊自由弯曲的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法。
本发明采用以下技术方案：
多辊自由弯曲的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法，采用多辊自由弯曲装置进行三维恒定曲率构件的成形，所述多辊自由弯曲装置包括成形辊(1)、由导向辊(2)组成的导向辊轮组以及驱动机构，每组导向辊轮组包括两个相对设置的导向辊(2)、导向辊安装座(3)、回转移动工作台(4)、摇臂(5)、成形辊安装座(6)，两个相对设置的导向辊(2)之间形成圆形轮廓；所述驱动机构包括X向移动机构、Y向移动机构和Z向旋转机构；X向移动机构包括X向直线导轨(13)、X向丝杠螺母及直线导轨安装板(14)、X向丝杠螺母运动副(15)、X向滑块(16)、X向丝杠轴承座(17)；Y向移动机构包括Y向丝杠螺母及直线导轨安装板(18)、Y向直线导轨(19)、Y向丝杠螺母运动副(20)、Y向滑块(21)、Y向丝杠轴承座(22)；Z向旋转机构包括Z向蜗杆轴承座(23)、蜗杆(24)、带蜗轮齿的回转支承轴承(25)、Z向旋转机构安装板(26)；成形轨迹解析方法包括以下步骤：
第一步，提取三维恒定曲率空心构件的中心轴线；
第二步，将三维恒定曲率构件的中心轴线进行分段，分为过渡弧段、弧段；
设三维恒定曲率构件的曲率半径为R，空间距离为P，空间升角为Ф，圈数为n圈；已知的相关几何参数还包括空心构件的管半径R1、成形辊(1)的中间剖面圆半径R2、第一对导向辊(2)到成形辊(1)在Z方向上的距离A；弯曲起始截面中心到弯曲末端截面中心在Z方向上的距离为A1，在X方向上的距离为U1；建立起绝对直角坐标系XYZ和坐标原点在成形辊中心的相对直角坐标系X′Y′Z′；当空心构件以匀速V沿着Z正向推进时，成形辊(1)在X′负向移动的位移为∪X′，在Y′正向移动的位移为UY′，导向辊(2)伴随着空心构件的推进而发生自转；
过渡弧段：
弧长
Figure BDA0002499845090000021
成形时间
Figure BDA0002499845090000022
成形辊位移
Figure BDA0002499845090000031
方向：X′负向 (3)
成形辊位移
Figure BDA0002499845090000032
方向：Y′正向 (4)成形辊的运动速度
Figure BDA0002499845090000033
方向：X′负向 (5)成形辊的运动速度
Figure BDA0002499845090000034
方向：Y′正向 (6)
成形辊的转动角速度
Figure BDA0002499845090000035
方向：X′轴顺时针 (7)弧段：
弧长
Figure BDA0002499845090000036
成形时间
Figure BDA0002499845090000037
成形辊的运动速度u＝0 (10)
成形辊的转动角速度ω＝0 (11)
成形辊回到原位置，同时构件停止推进，三维恒定曲率空心构件的成形结束。
所述的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法，在过渡段成形时，通过摇臂(5)来控制成形辊(1)在X′Y′平面内移动，同时成形辊(1)绕着Z′轴转动；在成形辊(1)的作用下，空心构件获得了恒定的曲率半径和空间升角，此时空心构件继续推进，直到完成三维恒定曲率构件的成形。
所述的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法，每对导向辊(2)以及成形辊(1)之间的凹槽与空心构件的同轴度误差不超过0.02mm，减小空心构件推进过程中的阻力。
所述的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法，X向直线导轨(13)的两个平行滑轨水平安装在X向丝杠螺母及直线导轨安装板(14)上，而X向直线导轨(13)的4个配套滑块则与直线导轨安装板(18)连接，X向丝杠螺母运动副(15)通过X向丝杠轴承座(17)固定在X向丝杠螺母及直线导轨安装板(14)上，与X向丝杠螺母运动副(15)连接的X向滑块(16)则是通过螺钉与直线导轨安装板(18)连接；直线导轨安装板(14)通过螺钉和定位销固定在机床上。
所述的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法，Y向直线导轨(19)的两个平行滑轨竖直安装在直线导轨安装板(18)上，而Y向直线导轨(19)的4个配套滑块则与Z向旋转机构安装板(26)连接，Y向丝杠螺母运动副(20)通过Y向丝杠轴承座(22)固定在直线导轨安装板(18)上，与Y向丝杠螺母运动副(20)连接的Y向滑块(21)则是通过螺钉与Z向旋转机构安装板(26)连接。
所述的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法，Z向旋转机构的蜗杆轴承座(23)通过螺钉固定在安装板(26)上，带蜗轮齿的回转支承轴承(25)的外圈蜗轮齿和内圈有一定高度差，内圈固定在安装板(26)上，外圈蜗轮齿与工作台(42)连接，同时外圈蜗轮齿与蜗杆啮合。
所述的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法，成形辊(1)和导向辊(2)的凹槽均是弧形轮廓，弧形半径为R，半径公差在-0.05～0mm之内，并且弧形槽与构件的同轴度误差不超过0.02mm，安装间隙不超过0.1mm。
所述的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法，导向辊轮组一共有三组。
所述的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法，摇臂(5)包括摇臂杆(51)和摇臂头(52)，成形辊(1)通过连接轴安装在成形辊安装座(6)上，成形辊安装座(6)与摇臂杆(51)通过螺栓固定在一起；摇臂杆(51)和摇臂头(52)通过螺栓与回转轴(42)连接；摇臂杆(51)与回转轴(42)垂直，工作台(41)上设置沉孔，回转轴(42)插入该沉孔内定位，工作台(41)上还设置多个T型槽，T型槽和回转轴(42)通过T型螺栓实现紧固连接。
所述的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法，回转轴(42)与工作台(41)垂直，成形辊(1)的连接轴与摇臂杆(51)轴线平行。
有益效果
本发明为一种多辊自由弯曲的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法，通过成形辊的轨迹控制，来实现恒定曲率构件的自由弯曲成形。
本发明的多辊弯曲模包括成形辊和导向辊，在空心构件推进和成形时，由于辊子的自转充分地减小了成形过程中的摩擦阻力，提高了构件整体的成形质量。
本发明的多辊弯曲模结构紧凑、制造简单，成形辊的控制简便，实用性较强，在工程机械、航空航天等领域的生产和经济价值巨大。
附图说明
图1、基于多辊自由弯曲的三维恒定曲率构件的成形示意图，
图2、为成形辊和导向辊装配图；(a)成形辊装配图，(b)导向辊装配图，
图3、为回转移动工作台、摇臂和成形辊安装座等零件安装方式图；
图4，(a)连接轴端部的扳手槽断面图，(b)连接轴与辊轮安装座处设置的调整垫片放大图；
图5、为基于多辊的自由弯曲装置驱动机构分解图；(a)X向移动机构，(b)Y向移动机构，(a)Z向旋转机构；
1-成形辊；2-导向辊；3-导向辊安装座；4-回转移动工作台；5-摇臂；6-成形辊安装座；7、8-深沟球轴承；9-调整垫片；10-连接轴；11-轴端挡圈；12-空心构件；13-X向直线导轨；14-X向丝杠螺母及直线导轨安装板；15-X向丝杠螺母运动副；16-X向滑块；17-X向丝杠轴承座；18-Y向丝杠螺母及直线导轨安装板；19-Y向直线导轨；20-Y向丝杠螺母运动副；21-Y向滑块；22-Y向丝杠轴承座；23-Z向蜗杆轴承座；24-蜗杆；25-带蜗轮齿的回转支承轴承；26-Z向旋转机构安装板；41-工作台，42-回转轴，51-摇臂杆，52-摇臂头；
图6、基于多辊自由弯曲的成形辊运动示意图；
图中：UX′—成形辊X′向位移；UY′—成形辊Y′向位移；ωZ′—绕着Z′轴的转动角速度；
图7、三维恒定曲率构件实例尺寸示意图；
图中：d—缠绕直径；P—空间角度；Ф—空间升角；D—构件管径；
图8、三维恒定曲率构件轴线分段示意图；
图中：A到B—过渡弧段；B到C—弧段
图9、成形辊轨迹控制模型图；
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
参考图1-5，一种多辊自由弯曲装置，包括成形辊1、由导向辊2组成的三组导向辊轮组及驱动机构、导向辊安装座3、回转移动工作台4、摇臂5、成形辊安装座6，每组导向辊轮组包括两个相对设置的导向辊2，两个相对设置的导向辊2之间形成圆形轮廓。成形辊1和导向辊2的凹槽均是弧形轮廓，弧形半径为R，半径公差在-0.05～0mm之内，并且弧形槽与空心构件的同轴度误差不超过0.02mm，安装间隙不超过0.1mm。
参考图2，在连接轴10底部预置5个0.02mm的调整垫片9，通过扳手拧动连接轴上的扳手槽，实现连接轴与导向辊安装座3或成形辊安装座6的紧固，再通过轴承压入器将2个轴承7、8压入到辊轮中，之后将带有轴承7、8的辊轮压入到连接轴上上轴承的外侧设置轴端挡圈11进行定位。
参考图3，摇臂5包括摇臂杆51和摇臂头52，成形辊1通过连接轴安装在成形辊安装座6上，成形辊安装座6与摇臂杆51通过螺栓固定在一起；摇臂杆51和摇臂头52通过螺栓与回转轴(42)连接；摇臂杆(51)与回转轴(42)垂直，工作台(41)上设置沉孔，回转轴(42)插入该沉孔内定位，工作台(41)上还设置多个T型槽，T型槽和回转轴(42)通过T型螺栓实现紧固连接，回转轴(42)与工作台(41)垂直，成形辊(1)的连接轴与摇臂杆(51)轴线平行。
工作台(41)在XY平面内发生移动和转动时，会带动与之连接的回转轴(42)同步运动，回转轴(42)则将动力传递给摇臂杆(51)和摇臂头(52)，使得摇臂杆(51)在XY平面内做平面运动，与摇臂杆(51)连接的成形辊安装座(6)和成形辊(1)便实现了在XY平面内的移动和转动。
参考图5，所述驱动机构包括X向移动机构、Y向移动机构和Z向旋转机构；X向移动机构包括X向直线导轨13、X向丝杠螺母及直线导轨安装板14、X向丝杠螺母运动副15、X向滑块16、X向丝杠轴承座17；Y向移动机构包括Y向丝杠螺母及直线导轨安装板18、Y向直线导轨19、Y向丝杠螺母运动副20、Y向滑块21、Y向丝杠轴承座22；Z向旋转机构包括Z向蜗杆轴承座23、蜗杆24、带蜗轮齿的回转支承轴承25、Z向旋转机构安装板26。
X向直线导轨13的两个平行滑轨水平安装在X向丝杠螺母及直线导轨安装板14上，而X向直线导轨13的4个配套滑块则与直线导轨安装板18连接，X向丝杠螺母运动副15通过X向丝杠轴承座17固定在X向丝杠螺母及直线导轨安装板14上，与X向丝杠螺母运动副15连接的X向滑块16则是通过螺钉与直线导轨安装板18连接；直线导轨安装板14通过螺钉和定位销固定在机床上；当电机驱动X向丝杠螺母运动副15旋转时，X向滑块16便会做直线运动，此时X向滑块16会带动与之连接的直线导轨安装板18沿着直线导轨的滑槽做X向直线运动。
Y向直线导轨19的两个平行滑轨竖直安装在直线导轨安装板18上，而Y向直线导轨19的4个配套滑块则与Z向旋转机构安装板26连接，Y向丝杠螺母运动副20通过Y向丝杠轴承座22固定在直线导轨安装板18上，与Y向丝杠螺母运动副20连接的Y向滑块21则是通过螺钉与Z向旋转机构安装板26连接；当电机驱动Y向丝杠旋转时，Y向滑块21便会做直线运动，此时Y向滑块21会带动与之连接的Z向旋转机构安装板26沿着Y向直线导轨19的滑槽做Y向直线运动。
Z向旋转机构的蜗杆轴承座23通过螺钉固定在安装板26上，带蜗轮齿的回转支承轴承25的外圈蜗轮齿和内圈有一定高度差(Z向上有一定高度差，外圈蜗轮齿可以在内圈上旋转)，内圈固定在安装板26上，外圈蜗轮齿与工作台42连接，同时外圈蜗轮齿与蜗杆啮合；当电机驱动蜗杆轴旋转时，外圈蜗轮齿便绕着Z向做定传动比的连续转动，同时带动回转移动工作台4、摇臂5和成形辊1做旋转运动。
在X向驱动机构、Y向驱动机构和Z向旋转机构的共同作用下回转移动工作台4、摇臂5和成形辊1可以在XY平面内实现X/Y向移动以及Z向旋转的三自由度运动。
恒定曲率构件的多辊自由弯曲轨迹调控方法，当空心构件推进到与成形辊(1)刚好接触时，成形辊开始运动，直到过渡弧段成形结束，成形辊停止运动，此时空心构件继续推进，完成剩余弧段的成形。恒定曲率构件的成形轨迹调控其关键在于成形辊的轨迹控制，构建在过渡弧段成形过程中的成形辊运动速度u与构件曲率半径R以及构件推进速度V的关系(图9)，
具体关系如下：首先建立绝对坐标系XYZ(图9)，
Figure BDA0002499845090000081
(方向：X负向)
在工作过程中(图7)，空心构件以恒定速率V推进，导向辊沿着其推进方向送进，直到空心构件与成形辊接触，成形辊在摇臂的带动下同时沿着X′负向移动UX′和Y′正向移动UY′，并以ωZ′的角速度顺时针转动(为方便描述成形辊的运动，在成形辊中心建立相对直角坐标系X′Y′Z′，坐标原点在成形辊中心，见图6)，空心构件便以三维恒定曲率的轨迹成形。
结构的几何参数(图9)包括空心构件半径R1＝16mm、成形辊中心剖面圆半径R2＝19mm、第一对导向辊中心到成形辊中心在Z方向上的距离A＝85mm。此外，空心构件沿着Z正向的推进速度为V＝10mm/s，导向辊始终处于静止状态。
参考图7，三维恒定曲率构件的缠绕直径d＝2R＝200mm，空间距离为P＝100mm，空间升角为Ф＝9.043°＝0.158rad，圈数为2圈。
第一步，提取“三维恒定曲率构件”的中心轴线(图8)；
第二步，将“三维恒定曲率构件“的中心轴线进行分段，分为过渡弧段、弧段(图8)，其中过渡弧段是指初始时在成形辊的作用下，构件发生的弯曲变形，此时弯曲构件的曲率半径和空间升角刚好达到设定的值；弧段是指成形辊停止运动时，构件继续弯曲成形，直到完成构件设定的空间距离和圈数；
第三步，建立过渡弧段、弧段的成形辊运动速度、成形时间之间的数量关系如下所示：
过渡弧段：
成形时间
Figure BDA0002499845090000091
成形辊的运动速度
Figure BDA0002499845090000092
(方向：X′负向)；
Figure BDA0002499845090000093
(方向：Y′正向)；
成形辊的转动角速度
Figure BDA0002499845090000101
(方向：X′轴顺时针))。
弧段：
成形时间
Figure BDA0002499845090000102
成形辊的运动速度u＝0；
成形辊的转动角速度ω＝0。
成形辊回到原位置，同时构件停止推进，三维恒定曲率构件的成形结束。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.多辊自由弯曲的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法，其特征在于，采用多辊自由弯曲装置进行三维恒定曲率构件的成形，所述多辊自由弯曲装置包括成形辊(1)、导向辊轮组以及驱动机构、导向辊安装座(3)、回转移动工作台(4)、摇臂(5)、成形辊安装座(6)，每组导向辊轮组包括两个相对设置的导向辊(2)，两个相对设置的导向辊(2)之间形成圆形轮廓；所述驱动机构包括X向移动机构、Y向移动机构和Z向旋转机构；X向移动机构包括X向直线导轨(13)、X向丝杠螺母及直线导轨安装板(14)、X向丝杠螺母运动副(15)、X向滑块(16)、X向丝杠轴承座(17)；Y向移动机构包括Y向丝杠螺母及直线导轨安装板(18)、Y向直线导轨(19)、Y向丝杠螺母运动副(20)、Y向滑块(21)、Y向丝杠轴承座(22)；Z向旋转机构包括Z向蜗杆轴承座(23)、蜗杆(24)、带蜗轮齿的回转支承轴承(25)、Z向旋转机构安装板(26)；成形轨迹解析方法包括以下步骤：
第一步，提取三维恒定曲率空心构件的中心轴线；
第二步，将三维恒定曲率构件的中心轴线进行分段，分为过渡弧段、弧段；
设三维恒定曲率构件的曲率半径为R，空间距离为P，空间升角为Ф，圈数为n圈；已知的相关几何参数还包括空心构件的管半径R1、成形辊(1)的中间剖面圆半径R2、第一对导向辊(2)到成形辊(1)在Z方向上的距离A；弯曲起始截面中心到弯曲末端截面中心在Z方向上的距离为A1，在X方向上的距离为U1；建立起绝对直角坐标系XYZ和坐标原点在成形辊中心的相对直角坐标系X′Y′Z′；当空心构件以匀速V沿着Z正向推进时，成形辊(1)在X′负向移动的位移为UX′，在Y′正向移动的位移为UY′，导向辊(2)伴随着空心构件的推进而发生自转；
过渡弧段：
弧长
Figure FDA0002499845080000021
成形时间
Figure FDA0002499845080000027
成形辊位移
Figure FDA0002499845080000022
方向：X′负向 (3)
成形辊位移
Figure FDA0002499845080000023
方向：Y′正向 (4)
成形辊的运动速度
Figure FDA0002499845080000024
方向：X′负向 (5)
成形辊的运动速度
Figure FDA0002499845080000025
方向：Y′正向 (6)
成形辊的转动角速度
Figure FDA0002499845080000026
方向：X′轴顺时针 (7)弧段：
弧长
Figure FDA0002499845080000028
成形时间
Figure FDA0002499845080000031
成形辊的运动速度u＝0 (10)
成形辊的转动角速度ω＝0 (11)
成形辊回到原位置，同时空心构件停止推进，三维恒定曲率空心构件的成形结束。
2.根据权利要求1所述的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法，其特征在于，在过渡段成形时，通过摇臂(5)来控制成形辊(1)在X′Y′平面内移动，同时成形辊(1)绕着Z′轴转动；在成形辊(1)的作用下，空心构件获得了恒定的曲率半径和空间升角，此时空心构件继续推进，直到完成三维恒定曲率构件的成形。
3.根据权利要求1所述的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法，其特征在于，每对导向辊(2)以及成形辊(1)之间的凹槽与空心构件的同轴度误差不超过0.02mm，减小空心构件推进过程中的阻力。
4.根据权利要求1所述的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法，其特征在于，X向直线导轨(13)的两个平行滑轨水平安装在X向丝杠螺母及直线导轨安装板(14)上，而X向直线导轨(13)的4个配套滑块则与直线导轨安装板(18)连接，X向丝杠螺母运动副(15)通过X向丝杠轴承座(17)固定在X向丝杠螺母及直线导轨安装板(14)上，与X向丝杠螺母运动副(15)连接的X向滑块(16)则是通过螺钉与直线导轨安装板(18)连接；直线导轨安装板(14)通过螺钉和定位销固定在机床上。
5.根据权利要求1所述的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法，其特征在于，Y向直线导轨(19)的两个平行滑轨竖直安装在直线导轨安装板(18)上，而Y向直线导轨(19)的4个配套滑块则与Z向旋转机构安装板(26)连接，Y向丝杠螺母运动副(20)通过Y向丝杠轴承座(22)固定在直线导轨安装板(18)上，与Y向丝杠螺母运动副(20)连接的Y向滑块(21)则是通过螺钉与Z向旋转机构安装板(26)连接。
6.根据权利要求1所述的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法，其特征在于，Z向旋转机构的蜗杆轴承座(23)通过螺钉固定在安装板(26)上，带蜗轮齿的回转支承轴承(25)的外圈蜗轮齿和内圈有一定高度差，内圈固定在安装板(26)上，外圈蜗轮齿与工作台(42)连接，同时外圈蜗轮齿与蜗杆啮合。
7.根据权利要求1所述的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法，其特征在于，成形辊(1)和导向辊(2)的凹槽均是弧形轮廓，弧形半径为R，半径公差在-0.05～0mm之内，并且弧形槽与空心构件的同轴度误差不超过0.02mm，安装间隙不超过0.1mm。
8.根据权利要求1所述的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法，其特征在于，导向辊轮组一共有三组。
9.根据权利要求1所述的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法，其特征在于，摇臂(5)包括摇臂杆(51)和摇臂头(52)，成形辊(1)通过连接轴安装在成形辊安装座(6)上，成形辊安装座(6)与摇臂杆(51)通过螺栓固定在一起；摇臂杆(51)和摇臂头(52)通过螺栓与回转轴(42)连接；摇臂杆(51)与回转轴(42)垂直，工作台(41)上设置沉孔，回转轴(42)插入该沉孔内定位，工作台(41)上还设置多个T型槽，T型槽和回转轴(42)通过T型螺栓实现紧固连接。
10.根据权利要求1所述的三维恒定曲率构件的成形轨迹解析方法，其特征在于，回转轴(42)与工作台(41)垂直，成形辊(1)的连接轴与摇臂杆(51)轴线平行。
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