CN111790790B - 采用五轴自由弯曲设备的矩形管自由弯曲成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及采用五轴自由弯曲设备的矩形管自由弯曲成形方法，采用五轴或六轴自由弯曲设备进行弯曲，其导向机构或管材轴向运动导向模块与台面之间可升降设置，用于调节矩形管的中心轴线高度，以使矩形管与弯曲模同轴心设置；将R分解为R1和R2，可快速计算出相应数值；充分地发挥了矩形管三维自由装置所具有的可以实时改变矩形管弯曲方向，实现复杂形状金属构件弯曲的优点。

Description

采用五轴自由弯曲设备的矩形管自由弯曲成形方法
技术领域
本发明涉及金属空心构件先进制造技术领域，特别是一种采用五轴自由弯曲设备的矩形管自由弯曲成形方法。
背景技术
矩形截面空心构件主要作为承力构件航空航天、核电、汽车、舰船、石化、建筑以及其它民用工业等诸多领域具有广泛的应用，如汽车的排气系统异形管件、汽车副车架、仪表盘支架、车身框架和空心轴类件、复杂管件等，对于降低产品的生产成本以及减重方面发挥着重要的作用。目前，传统的金属构件弯曲技术主要包括：内高压成形、拉弯、压弯、滚弯等。在采用内高压成形的方法成形上述零件时，由于需要开模，反复的试模，修模等过程，因此造成生产效率较低，且费用高昂。而在应用拉弯、压弯、滚弯等方法成形上述零件时，另一方面，成形出的零件容易产生截面扁平化的缺陷，成形质量难以控制；另一方面所能成形出的零件空间几何构型较简单，难以满足复杂三维轴线空间零件的成形要求，因此，目前在成形异形截面空心构件时，大多基于人工试错法，耗费了极大的人力物力。
现有技术中，授权公告号为CN 106475445 B、专利名称为一种金属管材3D自由弯曲成形方法及五轴自由弯曲设备的专利文献中，公开了一种弯曲管材的五轴设备，包括管材推进模块、管材轴向运动导向模块、机械手弯曲模块、感应线圈加热模块、润滑模块、逆向扫描与测量模块，可驱动弯曲模/弯曲模座在5个维度上移动，实现管材的弯曲；授权公告号为CN 106862330 B、专利名称为异形截面金属空心构件六轴自由弯曲成形装备及工艺解析方法的专利文献中，记载了一种异形截面金属空心构件六轴自由弯曲成形装备，包括：X轴运动系统、Y轴运动系统、Z轴送料系统、弯曲模绕Y轴转动系统、弯曲模绕Z轴转动系统、弯曲模绕自身轴线俯仰摆动系统，实现六维驱动；上述设备可用于矩形截面空心构件的弯曲。
发明内容
矩形管在沿着不同弯曲方向进行弯曲时，与弯曲模接触的面受力不同，最终影响成形质量。传统的金属构件弯曲技术在弯曲复杂轴线形状管材时存在较大的局限性。本发明针对传统的金属构件弯曲技术存在的不足，提出了一种在不同弯曲方向时，提高矩形管自由弯曲成形精度方法。
一种在不同弯曲方向时提高矩形管自由弯曲成形精度方法，使用的五轴自由弯曲设备包括置于台面上的管材推进模块、管材轴向运动导向模块、机械手弯曲模块、逆向扫描与测量模块，所述机械手弯曲模块包括：X向伺服电机、Y向伺服电机、弯曲模驱动伺服电机、弯曲模座驱动伺服电机、弯曲模和弯曲模座，所述管材轴向运动导向模块的底端设置升降机构，以使所述管材轴向运动导向模块可升降设置在所述台面上；测量时包括如下步骤：
A、待弯曲的矩形管包括顶壁、左侧壁、右侧壁、底壁，测量矩形管截面的高度b和宽度a，将矩形管放入管材轴向运动导向模块，测量弯曲模中心轴线到台面的垂直距离h，调整管材轴向运动导向模块的高度f，使得管材轴向运动导向模块内的矩形管的中心轴线至台面的垂直距离g与弯曲模中心轴线到台面的垂直距离h相等，以使矩形管中心轴线与弯曲模中心轴线重合；
B、弯曲后的矩形管包括多个弯曲段，各弯曲段包括弯曲段内侧壁和弯曲段外侧壁，各弯曲段的弯曲半径为R，弯曲角为θ，偏心距为U，将各弯曲段的弯曲半径R分为R1和R2，R1为沿着弯曲半径方向矩形管中心轴线到弯曲段内侧壁的最短距离，R2为沿着弯曲半径方向弯曲半径中心点到弯曲段内侧壁的最短距离；测量弯曲模到弯曲模座中心的距离A，建立偏心距U和弯曲半径R2之间的精确数量关系，具体公式如下：U＝R2-R2cosθ+tan(A-R2 sinθ)；
C、建立有限元弯曲模型，并在理论解析公式中引入修正系数k：U＝R2-R2cosθ+tan(kA-R2 sinθ)；根据采用引入修正系数k后得到的理论公式，解析得出关键工艺参数作为弯曲工艺参数，在有限元模拟中反复迭代计算，将计算结果导入几何软件中进行处理，并对比计算结果与所需要的尺寸进行对比；当计算结果与实际尺寸误差在误差许可范围内时，迭代结束，将最终的工艺参数传送给自由弯曲设备，执行实际弯曲成形。
一种在不同弯曲方向时提高矩形管自由弯曲成形精度方法，使用的六轴自由弯曲设备包括置于台面上的：X轴运动系统、Y轴运动系统、Z轴送料系统、弯曲模绕Y轴转动系统、弯曲模绕Z轴转动系统、弯曲模绕自身轴线俯仰摆动系统，所述Z轴送料系统包括Z轴电机、导向机构、送料机构；所述导向机构的底端设置升降机构，以使所述导向机构可升降设置在所述台面上；
测量时包括如下步骤：
A、待弯曲的矩形管包括顶壁、左侧壁、右侧壁、底壁，测量矩形管截面的高度b和宽度a，将矩形管放入导向机构，测量弯曲模中心轴线到台面的垂直距离h，调整导向机构的高度f，使得导向机构内的矩形管的中心轴线至台面的垂直距离g与弯曲模中心轴线到台面的垂直距离h相等，以使矩形管中心轴线与弯曲模中心轴线重合；
B、弯曲后的矩形管包括多个弯曲段，各弯曲段包括弯曲段内侧壁和弯曲段外侧壁，各弯曲段的弯曲半径为R，弯曲角为θ，偏心距为U，将各弯曲段的弯曲半径R分为R1和R2，R1为沿着弯曲半径方向矩形管中心轴线到弯曲段内侧壁的最短距离，R2为沿着弯曲半径方向弯曲半径中心点到弯曲段内侧壁的最短距离；测定弯曲模至导向机构前端距离为A，建立偏心距U和弯曲半径R2之间的精确数量关系，具体公式如下：U＝R2-R2cosθ+tan(A-R2 sinθ)；
C、建立有限元弯曲模型，并在理论解析公式中引入修正系数k：U＝R2-R2cosθ+tan(kA-R2 sinθ)；根据采用引入修正系数k后得到的理论公式，解析得出关键工艺参数作为弯曲工艺参数，在有限元模拟中反复迭代计算，将计算结果导入几何软件中进行处理，并对比计算结果与所需要的尺寸进行对比；当计算结果与实际尺寸误差在误差许可范围内时，迭代结束，将最终的工艺参数传送给自由弯曲设备，执行实际弯曲成形。
进一步，所述升降机构为升降电动缸、或升降气缸、或滚珠丝杆组件中的至少一种。
发明的技术效果：本发明的在不同弯曲方向时提高矩形管自由弯曲成形精度方法，相对于现有技术，为矩形管的3D自由弯曲成形提供了一种新的成形工艺优化方法，为矩形管三维自由弯曲装置的配套弯曲工艺，充分地发挥了矩形管三维自由装置所具有的可以实时改变矩形管弯曲方向，实现复杂形状金属构件弯曲的优点；升降机构的设置，可在矩形管进入弯曲模之前调整矩形管的高度，使得矩形管与弯曲模同轴心设置；本发明方法简单可行，生产效率高，在航空、航天、汽车制造等工程领域具有重要的工程应用价值和明显的经济效益。
附图说明
下面结合说明书附图对本发明作进一步详细说明：
图1是本发明的在不同弯曲方向时提高矩形管自由弯曲成形精度方法的流程图；
图2是矩形管的剖面结构示意图；
图3是矩形管弯曲后的立体结构示意图；
图4是实施例1使用的五轴自由弯曲设备的结构示意图；
图5是实施例2使用的六轴自由弯曲设备。
图中：直线导轨1，矩形管2，滚珠丝杆4，Z向伺服电极5，管材夹持机构6，气缸7，弯曲模8，弯曲模座9，台面10，X向驱动伺服电机15，Y向驱动伺服电机16，弯曲模座驱动伺服电机17，弯曲模驱动伺服电机18，3D扫描测量仪20，逆向扫描与测量工作站21，
顶壁41，底壁42，左侧壁43，右侧壁44；
第一弯曲段51，第二弯曲段52，弯曲段内侧壁53，弯曲段外侧壁54；
弯曲模71，弯曲模摆动电机72，绕Z轴转动机构73，Y轴转动电机74，Y轴电机75，Y轴运动机构76，X轴运动机构77，绕Z轴转动电机78，X轴电机79，导向机构81，送料机构82，Z轴电机83，滚珠丝杆组件84。
具体实施方式
实施例1如图1所示，本实施例的在不同弯曲方向时提高矩形管自由弯曲成形精度方法，分为如下步骤：首先，轴线对齐调整；其次，工艺解析，将弯曲半径R分解为R1、R2；再次，建立有限元弯曲模型，在理论解析公式中引入修正系数k，进行有限元迭代计算，直至计算结果与实际尺寸在误差范围内，启动五轴自由弯曲设备进行实际弯曲成形。
具体的，如图2进而图3所示，待弯曲的矩形管包括顶壁41、左侧壁43、右侧壁44、底壁42，矩形管截面的宽度即左侧壁43外侧面、右侧壁44外侧面之间的距离为a，矩形管截面的高度即顶壁41外侧面和底壁42外侧面之间的距离为b；采用五轴自由弯曲设备将矩形管弯出第一弯曲段51，第一弯曲段51沿宽度方向弯曲，即由左侧壁43向右侧壁44弯曲。
五轴自由弯曲设备，其结构如图4所示，包括置于台面10上的管材推进模块、管材轴向运动导向模块、机械手弯曲模块、逆向扫描与测量模块。
管材推进模块包括锥状推杆、Z向伺服电机5、滚珠丝杠4、直线导轨1，其中Z向伺服电机5用于矩形管的轴向送料。
机械手弯曲模块包括：X向伺服电机15、Y向伺服电机16、弯曲模驱动伺服电机18、弯曲模座驱动伺服电机17、弯曲模8和弯曲模座9，弯曲模8和弯曲模座9的中心设置适于矩形管2通过的矩形孔；其中X向伺服电机15和Y向伺服电机16用于驱动弯曲模8沿X轴和Y轴方向的平移，满足弯曲半径为R时的偏心距，弯曲模座驱动伺服电机17用于驱动弯曲模8绕自身轴线方向转动，使得成形过程中弯曲模8与矩形管2成形部位始终保持垂直，提高成形质量，弯曲模座驱动伺服电机17用于驱动弯曲模座9绕Z轴旋转，进而带动弯曲模8绕Z轴旋转，满足复杂弯曲构件成形时弯曲模8与X轴正方向的夹角。
逆向扫描与测量模块包括3D扫描测量仪20、逆向扫描与测量工作站21，3D扫描测量仪20用于对通过半自动化方式成形的弯管进行逆向扫描，获得其三维几何模型I。
逆向扫描与测量工作站21用于对三维几何模型I进行解析以获得具体尺寸参数，并将具体的尺寸参数转换成实际弯曲工艺参数。
逆向扫描与测量工作站21还用于对弯曲后的矩形管2进行逆向扫描以获得其三维几何模型II，并对比该三维几何模型II与三维几何模型I的尺寸差异，并根据该差异修正弯曲工艺参数，将上述修正后的弯曲工艺参数导入五轴自由弯曲设备控制软件中，利用该修正后的弯曲工艺参数驱动X向伺服电机15、Y向伺服电机16、弯曲模驱动伺服电机18、弯曲模座驱动伺服电机17进行实际弯曲。
五轴自由弯曲设备的其他结构参数可参见授权公告号为CN 106475445 B、专利名称为一种金属管材3D自由弯曲成形方法及五轴自由弯曲设备的专利文献。
管材轴向运动导向模块包括气缸7、管材夹持机构6，气缸7为管材夹持机构6提供夹持管材的夹持力，且管材夹持机构6与台面之间设置同步运行的2个升降气缸或升降电动缸，以使管材夹持机构6可升降设置在台面10上。
具体测量包括如下步骤：
A、将矩形管2放入管材轴向运动导向模块，测量弯曲模8中心轴线到台面10的垂直距离h，通过升降气缸或升降电动缸调整管材轴向运动导向模块的高度f，使得管材轴向运动导向模块内的矩形管2的中心轴线至台面10的垂直距离g与弯曲模8中心轴线到台面的垂直距离h相等，以使矩形管2中心轴线与弯曲模8中心轴线重合；
B、第一弯曲段51由矩形管2的左侧壁43向右侧壁44弯曲，即矩形管2的左侧壁43为弯曲段外侧壁54、矩形管2的右侧壁为弯曲段内侧壁53，第一弯曲段51的弯曲半径为R，弯曲角为θ，偏心距为U，将第一弯曲段51的弯曲半径R分为R1和R2，R1为沿着弯曲半径方向矩形管2中心轴线到弯曲段内侧壁53的最短距离即a/2，R2为沿着弯曲半径方向弯曲半径中心点到弯曲段内侧壁53的最短距离，R2等于R减去a/2；测量弯曲模8到弯曲模座9中心的距离A，建立偏心距U和弯曲半径R2之间的精确数量关系，具体公式如下：U＝R2-R2cosθ+tan(A-R2 sinθ)；其中R、θ为设定值，A、R1为测得值，即可计算出R2、U；
C、建立有限元弯曲模型，并在理论解析公式中引入修正系数k：U＝R2-R2cosθ+tan(kA-R2 sinθ)；根据采用引入修正系数k后得到的理论公式，解析得出关键工艺参数作为弯曲工艺参数，在有限元模拟中反复迭代计算，将计算结果导入几何软件中进行处理，并对比计算结果与所需要的尺寸进行对比；当计算结果与实际尺寸误差在误差许可范围内时，迭代结束，将最终的工艺参数传送给自由弯曲设备，执行实际弯曲成形；修正系数k的测算参见授权公告号为CN 106270059 B、名称为一种金属复杂构件3D自由弯曲成形工艺优化方法的专利文献。
实施例2
一种不同弯曲方向时提高矩形管自由弯曲成形精度方法的工作方法，分为如下步骤：首先，轴线对齐调整；其次，工艺解析，将弯曲半径R分解为R1、R2；再次，建立有限元弯曲模型，在理论解析公式中引入修正系数k，进行有限元迭代计算，直至计算结果与实际尺寸在误差范围内，启动六轴自由弯曲设备进行实际弯曲成形。
具体的，如图2进而图3所示，待弯曲的矩形管2包括顶壁41、左侧壁43、右侧壁44、底壁42，矩形管2截面的宽度即左侧壁43外侧面、右侧壁44外侧面之间的距离为a，矩形管2截面的高度即顶壁41外侧面和底壁42外侧面之间的距离为b；采用六轴自由弯曲设备将矩形管2弯出第二弯曲段52，第二弯曲段52沿高度方向弯曲，即由底壁42向顶壁41弯曲。
六轴自由弯曲设备，其结构如图5所示，包括X轴运动系统、Y轴运动系统、Z轴送料系统、弯曲模绕Y轴转动系统、弯曲模绕Z轴转动系统、弯曲模绕自身轴线俯仰摆动系统；
X轴运动系统,包括X轴电机79、X轴运动机构77；X轴电机79的作用在于驱动X轴运动机构77沿X轴方向直线运动，进而带动弯曲模71在X轴方向产生偏心距；
Y轴运动系统，包括Y轴电机75、Y轴运动机构76；Y轴电机75的作用在于驱动Y轴运动机构76在Y轴方向直线运动，进而带动弯曲模71在Y轴方向产生偏心距；
Z轴送料系统，包括Z轴电机83、导向机构81、送料机构82；Z轴电机83的作用在于驱动送料机构82沿Z轴方向送料；
弯曲模绕Y轴转动系统，包括Y轴转动电机74；Y轴转动电机74的作用在于驱动弯曲模71绕Y轴转动一定的角度；
弯曲模绕Z轴转动系统，包括绕Z轴转动电机78、绕Z轴转动机构73；绕Z轴转动电机78的作用在于驱动绕Z轴转动机构73绕Z轴转动，进而带动弯曲模71绕Z轴转动；
弯曲模绕自身轴线俯仰摆动系统，包括弯曲模摆动电机72；弯曲模摆动电机72的作用在于带动弯曲模71绕自身和X轴平行的轴线做俯仰摆动。
六轴自由弯曲设备的其他结构参数可参见授权公告号为CN 106862330 B、专利名称为异形截面金属空心构件六轴自由弯曲成形装备及工艺解析方法的专利文献。
且导向机构81与台面之间设置同步运行的2个滚珠丝杆组件84，以使导向机构81可升降设置在台面上。
测量时包括如下步骤：
A、待弯曲的矩形管包括顶壁41、左侧壁43、右侧壁44、底壁42，测量矩形管2截面的高度b和宽度a，将矩形管2放入导向机构81，测量弯曲模71中心轴线到台面的垂直距离h，通过滚珠丝杆组件84调整导向机构81的高度f，使得导向机构81内的矩形管2的中心轴线至台面的垂直距离g与弯曲模81中心轴线到台面的垂直距离h相等，以使矩形管2中心轴线与弯曲模81中心轴线重合；
B、第二弯曲段52由矩形管2的底壁42向顶壁41弯曲，即矩形管2的底壁42为弯曲段外侧壁54、矩形管2的顶壁41为弯曲段内侧壁53，第二弯曲段52的弯曲半径为R，弯曲角为θ，偏心距为U，将第二弯曲段52的弯曲半径R分为R1和R2，R1为沿着弯曲半径方向矩形管2中心轴线到弯曲段内侧壁53的最短距离即b/2，R2为沿着弯曲半径方向弯曲半径中心点到弯曲段内侧壁53的最短距离，R2等于R减去b/2；测定弯曲模71至导向机构81前端距离为A，建立偏心距U和弯曲半径R2之间的精确数量关系，具体公式如下：U＝R2-R2cosθ+tan(A-R2 sinθ)；
C、建立有限元弯曲模型，并在理论解析公式中引入修正系数k：U＝R2-R2cosθ+tan(kA-R2 sinθ)；根据采用引入修正系数k后得到的理论公式，解析得出关键工艺参数作为弯曲工艺参数，在有限元模拟中反复迭代计算，将计算结果导入几何软件中进行处理，并对比计算结果与所需要的尺寸进行对比；当计算结果与实际尺寸误差在误差许可范围内时，迭代结束，将最终的工艺参数传送给自由弯曲设备，执行实际弯曲成形；修正系数k的测算参见授权公告号为CN 106270059 B、名称为一种金属复杂构件3D自由弯曲成形工艺优化方法的专利文献。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种矩形管自由弯曲成形方法，具体是在不同弯曲方向时提高矩形管自由弯曲成形精度方法，其特征在于：首先，轴线对齐调整；其次，工艺解析，将弯曲半径R分解为R1、R2；再次，建立有限元弯曲模型，在理论解析公式中引入修正系数k，进行有限元迭代计算，直至计算结果与实际尺寸在误差范围内，启动五轴自由弯曲设备进行实际弯曲成形；
使用的五轴自由弯曲设备包括置于台面上的管材推进模块、管材轴向运动导向模块、机械手弯曲模块、逆向扫描与测量模块，所述机械手弯曲模块包括：X向伺服电机、Y向伺服电机、弯曲模驱动伺服电机、弯曲模座驱动伺服电机、弯曲模和弯曲模座，所述管材轴向运动导向模块的底端设置升降机构，以使所述管材轴向运动导向模块可升降设置在所述台面上；其中X向伺服电机和Y向伺服电机用于驱动弯曲模沿X轴和Y轴方向的平移，满足弯曲半径为R时的偏心距，弯曲模座驱动伺服电机用于驱动弯曲模绕自身轴线方向转动，使得成形过程中弯曲模与矩形管成形部位始终保持垂直，提高成形质量，弯曲模座驱动伺服电机用于驱动弯曲模座绕Z轴旋转，进而带动弯曲模绕Z轴旋转，满足复杂弯曲构件成形时弯曲模与X轴正方向的夹角；
测量时包括如下步骤：
A、待弯曲的矩形管包括顶壁、左侧壁、右侧壁、底壁，测量矩形管截面的高度b和宽度a，将矩形管放入管材轴向运动导向模块，测量弯曲模中心轴线到台面的垂直距离h，调整管材轴向运动导向模块的高度f，使得管材轴向运动导向模块内的矩形管的中心轴线至台面的垂直距离g与弯曲模中心轴线到台面的垂直距离h相等，以使矩形管中心轴线与弯曲模中心轴线重合；
B、弯曲后的矩形管包括多个弯曲段，各弯曲段包括弯曲段内侧壁和弯曲段外侧壁，各弯曲 段的弯曲半径为R，弯曲角为θ，偏心距为U，将各弯曲段的弯曲半径R分为R1和R2，R1为沿着弯曲 半径方向矩形管中心轴线到弯曲段内侧壁的最短距离，R2为沿着弯曲半径方向弯曲半径中心 点到弯曲段内侧壁的最短距离；测量弯曲模到弯曲模座中心的距离A，建立偏心距U和弯曲半 径R2之间的精确数量关系，具体公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
C、建立有限元弯曲模型，并在理论解析公式中引入修正系数k：
Figure 788586DEST_PATH_IMAGE002
；根据采用引入修正系数k后得到的理论公 式，解析得出关键工艺参数作为弯曲工艺参数，在有限元模拟中反复迭代计算，将计算结果 导入几何软件中进行处理，并对计算结果与所需要的尺寸进行对比；当计算结果与实际尺 寸误差在误差许可范围内时，迭代结束，将最终的工艺参数传送给自由弯曲设备，执行实际 弯曲成形。
2.根据权利要求1所述的矩形管自由弯曲成形方法，其特征在于，所述升降机构为升降电动缸、或升降气缸、或滚珠丝杆组件中的至少一种。
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