CN111872222B - 一种大尺寸高刚度双面渐进成形机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸高刚度双面渐进成形机床，包括龙门架、运动系统和板料翻转夹持平台，运动系统包括相对于XY平面对称布置的两个运动机构，各运动机构包括X轴运动组件、Y轴运动组件以及Z轴运动组件；Z轴运动组件带动成形工具沿Z向运动；Y轴运动组件带动Z轴运动组件沿Y向运动；X轴运动组件带动Y轴运动组件沿X向运动；板料翻转夹持平台包括用于夹持板料的活动框架和用于固定所述活动框架的固定框架，活动框架的底边与固定框架底边可转动连接，使得活动框架能够绕固定框架底边翻转。本发明具有刚度高、成形范围大、夹持方便且初始板料尺寸可变的特点，根据本发明可以成形大尺寸板料、厚板、高强度板。

Description

一种大尺寸高刚度双面渐进成形机床

技术领域

本发明属于数控渐进成形领域，特别涉及一种可成形大尺寸厚板的大尺寸高刚度双面渐进成形机床。

背景技术

双面渐进成形是一种使用两个球头形成形工具，分别位于板料两侧，一个用于成形，另一个用于局部支撑，通过使板料发生不断累积的局部塑性变形来成形出最终零件的成形技术。由于双面渐进成形完全不需要模具，且成形精度相对较高，适合小批量、个性化制造，有广泛的应用前景。然而，不同于最基本的单点渐进成形，双面渐进成形需要专用的成形设备。目前国内外在进行双面渐进成形技术研究时，使用最广泛的是串联或并联机器人，但由于机械臂的柔性偏移，在成形厚板时，成形精度会受到很大影响。因此，期望开发一种高刚度的双面渐进成形专用机床。

目前，国内的相关双面渐进成形装置主要有以下几种：

1)授权公告号为CN201371194Y的中国发明公开了一种无模成形装置，该装置主要包括：两台工业机器手、成形工具头、板料夹持架和平台。板料夹持架固定在平台中部，两台工业机器手分列在板料夹持架的两侧；两个成形工具头一端与工业机器手连接，另一端与板料夹持架上的板料接触。工作中，通过工业机器手带动成形工具头运动，分别作用于板料的两侧。该发明采用机器臂作为驱动，但由于机械臂本身的柔性变形，成形力较大时，工具头的轨迹会发生较大偏移，成形精度不足。

2)授权公告号为CN102172698A的中国发明公开了一种板材复合渐进成形装置及其板料成形方法，该装置包括上面的五轴加工成形单元、下面的六轴并联机器人辅助加工平台、位于两者中间的板料夹持工作台及底座、压边圈等其他部分构成。该装置可以实现双面渐进成形，成形时分别在上下成形单元上安装成形工具，并分别控制其按照既定轨迹运动。该发明由两个成形单元——分别为通用五轴加工成形单元和六轴并联机器人组合而成，由于整体呈立式分布，所以板料高度方向的成形范围会受限。

3)授权公告号为CN208214049U的中国发明公开了一种双面数控渐进成形装置，该装置为立式机床，包括一个长方体形框架，框架中部的板料固定架，以及上下对称分布的第一、第二、第三移动机构，分别对应Z、Y、X轴运动模块，每个运动模块都采用丝杠螺母传动。该发明采用立式机床，包括两个对称分布的三轴成形单元，其框架结构采用等截面梁和立柱，在成形厚板和高强度板时易发生柔性变形，且可夹持的板料尺寸无法调整。

发明内容

针对上述现有双面渐进成形设备存在的问题，本发明提供了一种双面渐进成形专用机床，其具有刚度高、成形范围大、夹持方便且初始板料尺寸可变的特点，根据本发明可以成形大尺寸板料、厚板、高强度板。

本发明提供了一种大尺寸高刚度双面渐进成形机床，包括龙门架、运动系统和板料翻转夹持平台，

所述龙门架包括底座、上横梁以及置于两者之间的两个A型立柱，定义所述底座的长度方向为X向、宽度方向为Z向、高度方向为Y向，所述两个A型立柱沿X向分别位于所述底座的两端；

所述运动系统包括相对于XY平面对称布置的两个运动机构，各运动机构包括X轴运动组件、Y轴运动组件以及Z轴运动组件；所述Z轴运动组件与成形工具可拆卸连接，以带动所述成形工具沿Z向运动；所述Y轴运动组件与所述Z轴运动组件固定连接，以带动所述Z轴运动组件沿Y向运动；所述X轴运动组件与所述Y轴运动组件固定连接，以带动所述Y轴运动组件沿X向运动；

所述板料翻转夹持平台包括用于夹持板料的活动框架和用于固定所述活动框架的固定框架，所述活动框架和所述固定框架呈板状，所述固定框架以与XY平面平行的方式安装于所述底座顶面且位于所述龙门架的中心位置，所述活动框架的一边与所述固定框架底边可转动连接，使得所述活动框架能够绕所述固定框架底边翻转。

在一些实施方式中，所述X轴运动组件可以包括X轴驱动组件、X轴定位导向组件和X轴传动组件，

所述X轴驱动组件包括上X轴电机和下X轴电机，以及分别由所述上X轴电机和所述X轴下电机驱动的上X轴减速器和下X轴减速器；

所述X轴定位导向组件包括固定连接于所述上横梁底面的两个上X轴直线导轨和固定连接于所述底座顶面的两个下X轴直线导轨、与各上X轴直线导轨滑动连接的上X轴滑块和与各下X轴直线导轨滑动连接的下X轴滑块，以及与所述上X轴滑块固定连接的上连接板和与所述下X轴滑块固定连接的下连接板；

所述X轴传动组件包括上X轴齿条和下X轴齿条，所述上X轴齿条固定连接于所述上横梁底面且设置于所述两个上X轴直线导轨中间，所述下X轴齿条固定连接于所述底座顶面且设置于所述两个下X轴直线导轨中间，所述上X轴齿条与所述上X轴减速器传动连接，所述下X轴齿条与所述X轴下减速器传动连接。

在一些实施方式中，所述Y轴运动组件可以包括Y轴驱动组件、Y轴定位导向组件和Y轴传动组件，

所述Y轴驱动组件包括Y轴电机以及Y轴减速器；所述Y轴定位导向组件包括Y轴机架和Y轴直线导轨，所述Y轴机架上端与所述上连接板固定连接，下端与所述下连接板固定连接，所述Y轴直线导轨竖直固定连接于所述Y轴机架的侧柱内侧；所述Z轴运动组件与所述Y轴直线导轨滑动连接；所述Y轴传动组件包括Y轴带轮、Y轴传送带、Y轴丝杠以及Y轴丝母；

所述Y轴电机驱动所述Y轴减速器，通过所述Y轴带轮和所述Y轴传送带将扭矩传输至所述Y轴丝杠和所述Y轴丝母，所述Y轴丝母与所述Z轴运动组件固定连接。

在一些实施方式中，所述Z轴运动组件可以包括滑动箱、Z轴驱动组件、Z轴定位导向组件和Z轴传动组件，所述滑动箱与所述Y轴直线导轨滑动连接，并且与所述Y轴丝母固定连接；

所述Z轴驱动组件包括Z轴电机以及Z轴减速器；所述Z轴定位导向组件包括花键轴；所述Z轴传动组件包括Z轴带轮、Z轴传送带、Z轴丝杠以及Z轴丝母；所述花键轴的一端设置有成形工具安装座；

所述Z轴电机驱动所述Z轴减速器，通过所述Z轴带轮和所述Z轴传送带将扭矩传输至所述Z轴丝杠和所述Z轴丝母，所述Z轴丝母与所述花键轴的一端连接，所述花键轴的另一端设置有成形工具安装座。

在一些实施方式中，所述Y轴机架的侧柱可以具有变截面。

在一些实施方式中，所述上横梁可以具有变截面。

在一些实施方式中，所述板料翻转夹持平台可以包括可伸缩推杆和推杆座，所述可伸缩推杆的一端安装于所述推杆座中，另一端与所述活动框架相连并且配置成：，当所述可伸缩推杆伸长时所述活动框架翻转至竖直状态，当所述可伸缩推杆收缩时所述活动框架翻转至水平状态。

在一些实施方式中，所述板料翻转夹持平台可以包括用于将所述活动框架和所述固定框架楔紧的锁紧机构、用于控制所述锁紧机构开合的旋转手把、用于定位所述旋转手把的挂钩以及用于防止所述旋转手把松动的锁紧块和锁紧螺母。

在一些实施方式中，所述活动框架在其内部可以设置有用于调整板料夹持范围大小的活动横梁和活动纵梁。

本发明的有益效果：

1)本发明可以夹持例如12种不同规格的板料，最大尺寸达到2000×1500mm，此外卧式设计保证了板料厚度方向的加工范围；

2)本发明的龙门架采用整体式底座、A型立柱、变截面横梁和变截面Y轴机架，整个支撑结构得到了加强，整体刚度大；

3)本发明的X轴运动组件和Y轴运动组件均采用双侧导轨定位导向，Z轴运动组件采用花键导轨定位导向，相比于常见的单侧导轨设计，本发明能有效减小成形力较大时的轨迹偏移；

4)本发明采用可翻转的板料夹持平台，在成形大尺寸板料时，方便装夹，且成形时便于观察。

附图说明

图1为本发明实施例的大尺寸高刚度双面渐进成形机床的轴侧视图；

图2为本发明实施例的大尺寸高刚度双面渐进成形机床的大尺寸高刚度双面渐进成形机床的左视图；

图3为本发明实施例的大尺寸高刚度双面渐进成形机床的X轴运动组件的示意图；

图4为本发明实施例的大尺寸高刚度双面渐进成形机床的Y轴运动组件的示意图；

图5为图4的Y轴运动组件的局部放大图；

图6为本发明实施例的大尺寸高刚度双面渐进成形机床的Z轴运动组件的示意图；

图7为本发明实施例的大尺寸高刚度双面渐进成形机床的板料翻转夹持平台翻转原理图；

图8为本发明实施例的大尺寸高刚度双面渐进成形机床的板料翻转夹持平台固定原理图；

图9为本发明实施例的大尺寸高刚度双面渐进成形机床的板料翻转夹持平台轴测视图。

附图中：

1.底座；2.上横梁；3.A型立柱；3-1.立柱；3-2.连接件；4.下X轴电机；5.下X轴减速器；6.下X轴直线导轨；7.下X轴滑块；8.下X轴齿条；9.下垫板；10.Y轴电机；11.Y轴减速器；12.Y轴机架；13.Y轴直线导轨；14.Y轴带轮；15.Y轴丝杆；16.Y轴丝杠座；17.Y轴丝母；18.Y轴丝母座；19.下连接板；20.滑动箱；21.Z轴电机；22.Z轴减速器；23.花键轴；24.Z轴带轮；25.Z轴丝杠；26.Z轴丝母；27.成形工具安装座；28.滑块连接板；29.成形工具；30.活动框架；30-1.活动横梁；30-2.活动纵梁；31.固定框架；32.可伸缩推杆(电动)；33.推杆座；34.锁紧机构；35.旋转手把；36.挂钩；37.锁紧块；38.锁紧螺母。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，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。

在本实施例中，如图1和2所示，本发明采用卧式龙门移动式双主轴结构，包括龙门架、运动系统和板料翻转夹持平台。其中，龙门架包括底座1、上横梁2以及置于两者之间的两个A型立柱3，为方便说明，定义底座1的长度方向为X向、宽度方向为Z向、高度方向为Y向，两个A型立柱3沿X向分别位于底座1的两端。优选的，上横梁2采用变截面设计，使得在自重和成形力的共同作用下，横梁上用于定位导向的导轨变形很小，保证了整体刚度和传动的精确性。此外，可以通过将四根立柱分别设置于底座1的四角，且同侧的两根立柱3-1之间用连接件3-2连接来形成两个A型立柱3。

运动系统包括相对于XY平面对称布置的两个运动机构，各运动机构又分别包括X、Y、Z三个运动轴。以其中一侧运动机构为例，包括X轴运动组件、Y轴运动组件以及Z轴运动组件。

由于成形工具的X方向行程最大，X轴传动距离较长，负载较大，所以X轴运动组件采用传动平稳、传动比恒定的齿轮齿条传动方式。具体地，X轴运动组件包括X轴驱动组件、双侧导轨形式的X轴定位导向组件和齿轮齿条传动形式的X轴传动组件，由于X轴驱动组件、X轴定位导向组件和X轴传动组件均包括分别连接于底座1和上横梁2的两部分且两部分结构和功能均相等，为简化说明，下文仅通过描述连接于底座1的下部分结构来说明X轴运动组件。

如图3所示，X轴驱动组件的下部分结构包括下X轴电机4和与下X轴电机4连接的下减速器5。X轴定位导向组件的下部分结构包括固定连接于底座1顶面的两个下X轴直线导轨6、以及分别与下X轴直线导轨6滑动连接的两个下X轴滑块7。X轴传动组件的下部分结构包括固定连接于底座1顶面且设置于两个下X轴直线导轨6中间的下X轴齿条8，下X轴齿条8与下X轴减速器5连接形成齿轮齿条传动。优选地，下X轴齿条8通过下垫板9固定连接于底座1。同样，X轴运动组件的上部分也具有类似的双导轨定位导向以及齿轮齿条传动结构。

下面对Y轴运动组件作进一步说明。由于Y轴传动距离较短，为了达到高效率、高精度的传输，本发明采用滚珠丝杠进行Y轴传动。如图4和5所示，Y轴运动组件包括Y轴电机10、Y轴减速器11、Y轴机架12、四个Y轴直线导轨13、Y轴带轮14、Y轴传送带(图中未示出)、Y轴丝杠15、Y轴丝杠座16、Y轴丝母17以及Y轴丝母座18。其中，四个Y轴直线导轨13竖直固定连接于Y轴机架12的侧柱内侧；Y轴丝杠15安装在Y轴丝杠座16上，Y轴丝杠座16安装在Y轴机架12上；Y轴丝母17安装在Y轴丝母座18上。

优选地，如图3所示，利用下连接板19，将X轴运动组件中的下X轴电机4、下X轴减速器5、下X轴滑块7与Y轴运动组件的Y轴机架12的下端联结在一起，例如通过螺纹连接。同理，利用另一上连接板将X轴运动组件中的上X轴电机、上X轴减速器、上X轴滑块与Y轴运动组件的Y轴机架12的上端联结在一起。成形板料时，X轴运动组件中的上下X轴电机分别驱动上下X轴减速器，传输动力于齿轮，上下X轴齿条将齿轮的旋转运动转化为连接板19沿X向的直线运动，进而带动整个Y轴运动组件在上下四个X轴直线导轨上沿X向滑动。

由于Z轴运动组件直接承受成形过程中板料给予的反作用力，为了保证精度和效率，本发明设计Z轴运动组件采用滚珠丝杠传动。如图6所示，Z轴运动组件包括滑动箱20、Z轴电机21、Z轴减速器22、花键轴23、Z轴带轮24、Z轴传送带(图中未示出)、Z轴丝杠25以及Z轴丝母26。花键轴23的一端设置有成形工具安装座27，另一端与Z轴丝母26连接。

特别地，滑动箱20外侧设置有滑块连接板28，以与Y轴运动组件的四个Y轴直线滑轨13滑动连接，同时Y轴丝母座18固定连接于滑动箱20侧壁上。成形板料时，Y轴电机10驱动Y轴减速器11，通过Y轴带轮14和Y轴传送带将扭矩传输至Y轴丝杠15，再由Y轴丝母17将旋转运动转化为直线运动，带动滑动箱20沿四个Y轴直线导轨13滑动，进而带动整个Z轴运动组件沿Y向运动。此处使用带传动可以起缓冲作用，避免电机受到轴向的直接载荷。进一步，Z轴电机21驱动Z轴减速器22，通过Z轴带轮24和Z轴传送带将扭矩传输至Z轴丝杠25，再由Z轴丝母26将旋转运动转化为直线运动，驱动花键轴23直线运动，进而带动安装于成形工具安装座27中的成形工具29沿Z向运动。同理，此处使用带传动也可以起缓冲作用，避免电机受到轴向的直接载荷。

优选地，Y轴运动组件的Y轴机架12采用变截面设计，以防止Y轴机架受力变形，导致四个Y轴直线导轨13弯曲变形。

优选地，本发明中所利用的电机均为伺服电机。

如图7所示，本发明的板料翻转夹持平台包括均呈板状的活动框架30和固定框架31、可伸缩推杆32(优选为电动)以及推杆座33。固定框架31以与XY平面平行的方式安装于底座1顶面且位于龙门架的中心位置，如图1所示，活动框架30的底边与固定框架31底边可转动连接，使得活动框架30能够绕固定框架31底边翻转。如图8所示，可伸缩推杆32的一端安装于推杆座33中，另一端与活动框架30的一边相连，使得当可伸缩推杆32伸长时活动框架30翻转至竖直状态，进行板料成形，当所述可伸缩推杆32收缩时活动框架30翻转至水平状态，进行板料夹紧。

为了适应不同尺寸板料的夹持，板料翻转夹持平台设计为手动式多尺寸调整机构，优选地，在活动框架30内部设置用于调整板料夹持范围的活动横梁30-1和活动纵梁30-2。如图7所示，通过调整活动横梁30-1和调整活动纵梁30-2的安装位置组合，可以装夹例如12种不同尺寸的板料，最小板料尺寸为500mm×500mm，最大板料尺寸为2000mm×1500mm。

加工完板料，如图9所示，可以利用旋转手把35使锁紧机构34向上运动，此时活动框架30和固定框架31松开，收缩可伸缩推杆32将活动框架30翻转至水平，进行板料夹持。夹持好板料准备加工时，伸长可伸缩推杆32将活动框架30翻转至竖直，旋转手把35使锁紧机构34向下，将活动框架30和固定框架31楔紧。松开旋转手把35时，为了防止锁紧机构34在重力作用下向下运动，通过挂钩36将旋转手把35定位，此时，通过锁紧块37和锁紧螺母38将旋转手把35锁死。

综上，本发明的双面渐进成形专用机床具有刚度高、成形范围大、夹持方便且初始板料尺寸可变的特点，可以成形大尺寸板料、厚板、高强度板。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种大尺寸高刚度双面渐进成形机床，其特征在于，包括龙门架、运动系统和板料翻转夹持平台，

所述龙门架包括底座（1）、上横梁（2）以及置于两者之间的两个A型立柱（3），定义所述底座（1）的长度方向为X向、宽度方向为Z向、高度方向为Y向，所述两个A型立柱（3）沿X向分别位于所述底座（1）的两端；

所述运动系统包括相对于XY平面对称布置的两个运动机构，各运动机构包括X轴运动组件、Y轴运动组件以及Z轴运动组件；所述Z轴运动组件与成形工具（29）连接，以带动所述成形工具（29）沿Z向运动；所述Y轴运动组件与所述Z轴运动组件连接，以带动所述Z轴运动组件沿Y向运动；所述X轴运动组件与所述Y轴运动组件连接，以带动所述Y轴运动组件沿X向运动；

所述X轴运动组件包括X轴驱动组件、X轴定位导向组件和X轴传动组件，

所述X轴驱动组件包括上X轴电机和下X轴电机（4），以及分别由所述上X轴电机和所述下X轴电机（4）驱动的上X轴减速器和下X轴减速器（5）；

所述X轴定位导向组件包括固定连接于所述上横梁（2）底面的两个上X轴直线导轨和固定连接于所述底座（1）顶面的两个下X轴直线导轨（6）、与各上X轴直线导轨滑动连接的上X轴滑块和与各下X轴直线导轨（6）滑动连接的下X轴滑块（7），以及与所述上X轴滑块固定连接的上连接板和与所述下X轴滑块（7）固定连接的下连接板（19）；

所述X轴传动组件包括上X轴齿条和下X轴齿条（8），所述上X轴齿条固定连接于所述上横梁（2）底面且设置于所述两个上X轴直线导轨中间，所述下X轴齿条（8）固定连接于所述底座（1）顶面且设置于所述两个下X轴直线导轨（6）中间，所述上X轴齿条与所述上X轴减速器传动连接，所述下X轴齿条（8）与所述下X轴减速器（5）传动连接；

所述Y轴运动组件包括Y轴驱动组件、Y轴定位导向组件和Y轴传动组件，

所述Y轴驱动组件包括Y轴电机（10）以及Y轴减速器（11）；所述Y轴定位导向组件包括Y轴机架（12）和Y轴直线导轨（13），所述Y轴机架（12）上端与所述上连接板固定连接，下端与所述下连接板（19）固定连接，所述Y轴直线导轨（13）竖直固定连接于所述Y轴机架（12）的侧柱内侧；所述Z轴运动组件与所述Y轴直线导轨（13）滑动连接；所述Y轴传动组件包括Y轴带轮（14）、Y轴传送带、Y轴丝杠（15）以及Y轴丝母（17）；

所述Y轴电机（10）驱动所述Y轴减速器（11），通过所述Y轴带轮（14）和所述Y轴传送带将扭矩传输至所述Y轴丝杠（15）和所述Y轴丝母（17），所述Y轴丝母（17）与所述Z轴运动组件固定连接；

所述Z轴运动组件包括滑动箱（20）、Z轴驱动组件、Z轴定位导向组件和Z轴传动组件，所述滑动箱（20）与所述Y轴直线导轨（13）滑动连接，并且与所述Y轴丝母（17）固定连接；

所述Z轴驱动组件包括Z轴电机（21）以及Z轴减速器（22）；所述Z轴定位导向组件包括花键轴（23）；所述Z轴传动组件包括Z轴带轮（24）、Z轴传送带、Z轴丝杠（25）以及Z轴丝母（26）；所述花键轴（23）的一端设置有成形工具安装座（27）；

所述Z轴电机（21）驱动所述Z轴减速器（22），通过所述Z轴带轮（24）和所述Z轴传送带将扭矩传输至所述Z轴丝杠（25）和所述Z轴丝母（26），所述Z轴丝母（26）与所述花键轴（23）的一端连接，所述花键轴（23）的另一端设置有成形工具安装座（27）；

所述板料翻转夹持平台包括用于夹持板料的活动框架（30）和用于固定所述活动框架（30）的固定框架（31），所述活动框架（30）和所述固定框架（31）呈板状，所述固定框架（31）以与XY平面平行的方式安装于所述底座（1）顶面且位于所述龙门架的中心位置，所述活动框架（30）底边与所述固定框架（31）底边可转动连接，使得所述活动框架（30）能够绕所述固定框架（31）底边翻转；所述活动框架（30）在其内部设置有用于调整板料夹持范围的活动横梁（30-1）和活动纵梁（30-2）；

所述板料翻转夹持平台包括用于将所述活动框架（30）和所述固定框架（31）楔紧的锁紧机构（34）、用于控制所述锁紧机构（34）开合的旋转手把（35）、用于定位所述旋转手把（35）的挂钩（36）以及用于防止所述旋转手把（35）松动的锁紧块（38）和锁紧螺母（39）。

2.根据权利要求1所述的大尺寸高刚度双面渐进成形机床，其特征在于，所述Y轴机架（12）的侧柱具有变截面。

3.根据权利要求1或2所述的大尺寸高刚度双面渐进成形机床，其特征在于，所述上横梁（2）具有变截面。

4.根据权利要求1或2所述的大尺寸高刚度双面渐进成形机床，其特征在于，所述板料翻转夹持平台包括可伸缩推杆（32）和推杆座（33），所述可伸缩推杆（32）的一端安装于所述推杆座（33）中，另一端与所述活动框架（30）相连并且配置成：当所述可伸缩推杆（32）伸长时所述活动框架（30）翻转至竖直状态，当所述可伸缩推杆（32）收缩时所述活动框架（30）翻转至水平状态。

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