CN113649506B - 重载高柔性六自由度六连杆并联驱动空间包络成形装备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种重载高柔性六自由度六连杆并联驱动空间包络成形装备,包括凹模系统、凸模系统、驱动系统和运动系统,驱动系统设置有六组,每一组都包括导轨、驱动滑块、滚珠丝杆和伺服电机,驱动滑块安装在导轨上;运动系统包括六个并联的连杆支链和一个动平台,连杆支链包括驱动球座、从动球座和球头连杆;驱动滑块与驱动球座固定连接,驱动球座的内球面与球头连杆的一端球头形成球面间隙配合,球头连杆的另一端与从动球座形成球面间隙配合;六个从动球座固定在动平台上,动平台一端与凹模系统或凸模系统连接,动平台另一端设有背压油缸。本发明可以实现任意空间包络成形运动,进而实现复杂薄壁高筋构件空间包络成形制造。
Description
技术领域
本发明涉及成形制造装备领域,更具体地说,涉及一种重载高柔性六自由度六连杆并联驱动空间包络成形装备。
背景技术
航空、航天、航海、高铁、汽车等装备制造领域为了满足轻量化迫切需求,其主体结构大量采用薄壁高筋构件。薄壁高筋构件不仅腹板厚度极薄,而且筋窄且高,导致其制造难度极大。目前薄壁高筋构件广泛采用两类工艺制造,即焊接工艺和切削加工工艺。焊接工艺是先将薄腹板和窄高筋单独制造,再通过焊接技术将二者连接成一个构件,属于非整体式制造,难以制造出高性能薄壁高筋构件。切削加工工艺虽然能够实现薄壁高筋构件整体制造,但由于该工艺需要切除大量金属,切削效率低,材料利用率低,并且无法获得连续金属流线,因此该工艺难以实现薄壁高筋构件高效优质制造。相比上述两种工艺,近净塑性成形工艺具有制造效率高、材料利用率高和产品质量优等优点,是实现薄壁高筋构件高效优质制造的重要途径,然而目前尚未提出有效的薄壁高筋构件近净塑性成形工艺。
空间包络成形是一种新型金属材料成形方法,该工艺通过动平台的复杂章动运动实现凸模不同的运动轨迹,并挤压凹模上的工件使金属流动,可实现回转与非回转构件成形。该工艺具有加工效率高、产品性能好等特点,可实现大型难成形、极端尺寸构件近净成形,在航空、航天等领域具有良好的应用前景。
然而,该工艺要求装备在大载荷下完成复杂的空间包络成形运动,并保证结构的稳定性和运动的准确度,对装备的性能提出了非常高的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,提供一种重载高柔性六自由度六连杆并联驱动空间包络成形装备,可以实现任意空间包络成形运动,进而实现复杂薄壁高筋构件空间包络成形制造。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种重载高柔性六自由度六连杆并联驱动空间包络成形装备,包括凹模系统、凸模系统、驱动系统和运动系统,所述驱动系统设置有六组,每一组都包括导轨、驱动滑块、滚珠丝杆和伺服电机,所述驱动滑块与滚珠丝杆螺纹连接,所述驱动滑块安装在导轨上;所述运动系统包括六个并联的连杆支链和一个动平台,所述连杆支链包括驱动球座、从动球座和球头连杆;驱动滑块与驱动球座固定连接,驱动球座的内球面与球头连杆的一端球头形成球面间隙配合,球头连杆的另一端与从动球座形成球面间隙配合;六个从动球座固定在动平台上,所述动平台一端与所述凹模系统或凸模系统连接,所述动平台另一端设有背压油缸;
所述伺服电机通过行星减速器带动滚珠丝杆转动,使驱动滑块沿导轨方向平移,驱动滑块推动驱动球座沿其轴线方向运动,驱动球座推动球头连杆运动,球头连杆推动从动球座和动平台做空间包络运动。
上述方案中,还包括顶座、立柱、底座和进给系统,所述凹模和凸模安装在顶座和底座之间,所述立柱连接顶座和底座,所述进给系统包括工作台、滑轨、导向结构和进给油缸,工作台通过滑轨以及导向结构与底座或顶座相连接,进给油缸安装在工作台与顶座或底座之间,所述工作台带动凸模系统或驱动系统上下移动。
上述方案中,所述凹模系统包括凹模座,所述凹模座上依次安装凹模外圈、凹模应力圈、凹模芯模和凹模加热装置,所述凹模座内设有顶出油缸和顶杆。
上述方案中,所述凸模系统包括凸模外圈、凸模应力圈、凸模芯模、背压油缸和凸模加热装置。
上述方案中,所述滚珠丝杆竖直或水平设置。
上述方案中,所述驱动系统设置在顶座或底座上。
式中Tb为空间包络运动所要求的空间包络运动张量,rB为动平台从动球座中心的分布半径,为6个从动球座中心对角的圆周角,rA为顶座驱动球座所分布的半径,为驱动滑块中心对应的圆周角,l为球头连杆的球心距,g为驱动系统的速比。
式中Tb为空间包络运动所要求的空间包络运动张量,rB为动平台从动球座中心的分布半径,为6个球座中心对角的圆周角,rA为驱动球座中心所分布的球面半径,为驱动滑块中心对应的圆周角,l为球头连杆的球心距,g为驱动系统的速比;为每个丝杆水平运动的方向角度。和为驱动球座中心的每个时刻的实际半径和极角。
上述方案中,6个驱动球座分布在半径较大的圆周上,6个从动球座分布在半径较小的圆周上,即rA>rB。
上述方案中,任意两相邻的球头连杆构成一空间梯形,对于任意一球头连杆,其左侧的梯形与右侧梯形形状上下巅倒,即若左侧梯形上底边长、下底边短,则右侧的梯形上底边短、下底边长。
实施本发明的重载高柔性六自由度六连杆并联驱动空间包络成形装备,具有以下有益效果:
(1)本发明一种重载高柔性六自由度六连杆并联驱动空间包络成形装备可以实现任意空间包络成形运动,进而实现复杂薄壁高筋构件空间包络成形制造。
(2)本发明一种重载高柔性六自由度六连杆并联驱动空间包络成形装备通过6个伺服电机和6个并联连杆的联动控制获得空间包络成形运动,该设备机构简单、稳定性好、成形精度高、可靠性高。
(3)本发明一种重载高柔性六自由度六连杆并联驱动空间包络成形装备可以实现任意方向进给和退出,进而实现传统塑性成形中不能脱模构件空间包络成形制造。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1(a)是支撑式水平驱动方案重载高柔性六自由度六连杆并联驱动空间包络成形装备的结构示意图;
图1(b)是悬挂式水平驱动上置方案重载高柔性六自由度六连杆并联驱动空间包络成形装备的结构示意图;
图1(c)是支撑式竖直驱动方案重载高柔性六自由度六连杆并联驱动空间包络成形装备的结构示意图;
图1(d)是悬挂式竖直驱动方案重载高柔性六自由度六连杆并联驱动空间包络成形装备的结构示意图;
图2(a)是水平驱动方式驱动系统结构示意图;
图2(b)是竖直驱动方式驱动系统结构示意图;
图3(a)是水平驱动方式驱动系统安装分布示意图;
图3(b)是竖直驱动方式驱动系统安装分布示意图;
图4(a)是悬挂式运动系统的结构示意图;
图4(b)是支撑式运动系统的结构示意图;
图5是运动系统球座空间分布图;
图6是凹模系统结构示意图;
图7是凸模系统结构示意图;
图8(a)是滑动式进给系统结构示意图;
图8(b)是滚动式进给系统结构示意图;
图9是圆轨迹时凸模锥面不同位置处8等分线的空间包络曲面示意图;
图10是本发明装备空间包络成形的薄壁高筋构件实物图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解,现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1(a)-图8(b)所示,在本发明的重载高柔性六自由度六连杆并联驱动空间包络成形装备包括底座、立柱、顶座、凹模系统、驱动系统、运动系统、凸模系统、进给系统部分。
其中驱动系统有6组,每组结构和连接完全相同,包括导轨、驱动滑块、滚珠丝杆、行星减速器、伺服电机、编码器;运动系统由6个并联的连杆支链和1个动平台构成,每个连杆支链的结构完全相同,包括驱动球座、从动球座和球头连杆;凹模系统包括凹模座、凹模外圈、凹模应力圈、凹模芯模、工件、顶出油缸、顶杆和凹模加热装置;凸模系统包括凸模外圈、凸模应力圈、凸模芯模、背压油缸、凸模加热装置;进给系统包括工作台、导轨、导向结构和进给油缸。
该装备各部件的具体连接方式为:底座上安装有多个相同的立柱,立柱另一端通过螺纹与顶座固连;工作台通过导轨以及导向结构与底座(或顶座)相连接,从而可沿着导轨移动,进给油缸安装在工作台与顶座(或底座)之间,实现工作台上下移动;工作台一端通过螺栓安装凹模座,凹模座上依次安装凹模外圈、凹模应力圈、凹模芯模、工件和凹模加热装置,工作台另一端安装有顶出油缸和顶杆;装备共有6组驱动系统,每组驱动系统中,导轨固定安装在底座(或顶座)上,滚珠丝杆通过轴承与底座(或顶座)相联接,行星减速器与底座(或顶座)固定,伺服电机固定在行星减速器的外壳上,编码器安装在伺服电机尾部,伺服电机的输出轴通过键或联轴器与行星减速器的输入轴相联,行星减速器的输出轴通过联轴器与滚珠丝杆联接,驱动滑块通过滑动配合安装在导轨上,同时驱动滑块中心通过丝杆传动与滚珠丝杆相配合,驱动滑块通过销和螺栓与驱动球座相联,驱动球座的内球面与球头连杆的一端球头形成球面间隙配合,球头连杆的另一端与从动球座形成球面间隙配合,由于驱动系统有6套,与之相连的驱动球座、从动球座以及球头连杆也相应有6套,最终6个从动球座通过定位销和螺栓与动平台连接形成刚性整体;动平台一端通过螺栓安装凸模外圈,凸模应力圈和凸模芯模1以及凸模加热装置,动平台另一端安装有背压油缸。
该装备各部件的运动关系为:伺服电机通过行星减速器将运动和动力传递到滚珠丝杆中,使驱动滑块沿轴线方向平移,驱动滑块推动驱动球座沿其轴线方向运动,驱动球座推动球头连杆做复杂空间运动,球头连杆推动从动球座、动平台做空间包络运动;空间包络运动张量由6个伺服电机的转角控制,
采用竖直驱动方案时,满足公式(1):
式中Tb为空间包络运动所要求的空间包络运动张量,rB为动平台从动球座中心的分布半径,为6个从动球座中心对角的圆周角,rA为顶座驱动球座所分布的半径,为驱动滑块中心对应的圆周角,l为球头连杆的球心距,g为驱动系统的速比。
采用水平驱动方案时,满足公式(2)
式中Tb为空间包络运动所要求的空间包络运动张量,rB为动平台从动球座中心的分布半径,为6个球座中心对角的圆周角,rA为驱动球座中心所分布的球面半径,为驱动滑块中心对应的圆周角,l为球头连杆的球心距,g为驱动系统的速比;为每个丝杆水平运动的方向角度。和为驱动球座中心的每个时刻的实际半径和极角。
该装备可采用水平驱动和竖直驱动两种驱动方式。
该装备可采用悬挂式和支撑式两种安装方式:采用悬挂式安装方式时,驱动系统安装在顶座上,运动系统悬挂在顶座下方,凸模系统安装在动平台上,进给油缸安装在底座上并与工作台相联,凹模系统安装在工作台上;采用支撑式安装方式时,驱动系统安装在底座上,运动系统支撑在底座上方,凹模系统安装在动平台上,进给油缸安装在顶座并与工作台相联,凸模系统安装在工作台上。
该装备的进给系统可以采用滑动式和滚动式两种不同的方式:采用滑动式进给方式,工作台上安装有导向结构,导向结构一般为圆柱形,导轨安装在立柱上,一般有多组以保证运动的稳定性,导向结构的内孔与圆柱形的导轨构成滑动副,从而工作台可沿导轨上、下移动;采用滚动式进给方式,工作台上安装有导向结构,导向结构一般为分布式圆柱滚轮,导向轨安装在立柱上,为了保证运动和稳定性,一般采用8面导轨,即在四根立柱的每个内侧均安装在导轨,导向结构的滚轮与方形导轨构成滚动副,从而工作台可沿导轨上、下移动。
该装备运行时,将坯料放入凹模芯模内,
1)采用悬挂式运动系统、无进给系统方案时,凸模系统做空间包络运动,同时向下做进给运动对坯料进行多道次局部辗压,凹模系统保持固定不动。
2)采用悬挂式运动系统、有进给系统方案时,凸模系统做空间包络运动,同时凹模系统在进给系统的带动下向上做进给运动对坯料进行多道次局部辗压;
3)采用支撑式运动系统、无进给系统方案时,凹模系统做空间包络运动,同时向上做进给运动对坯料进行多道次局部辗压,凸模系统保持固定不动;
4)采用支撑式运动系统、有进给系统方案时,凹模系统做空间包络运动,同时凸模系统在进给系统的带动下向下做进给运动对坯料进行多道次局部辗压;
最终,在凸模系统和凹模系统的共同作用下,坯料产生连续局部塑性变形并整体成形;成形结束后,凸模系统向上运动退出,顶杆将工件从凹模芯模内顶出。
该装备采用竖直驱动方案时,可以不配置进给系统,此时工作台与底座(或项座)直接通过螺栓固联。此时凸模系统进给和退出通过6个伺服电机进行控制,伺服电机的转角按公式(2)计算,可以实现凸模系统任意方向的进给和退出。
为了保证装备的柔性和运动的唯一性,6个驱动球座分布在半径较大的圆周上,6个从动球座分布在半径较小的圆周上,即rA>rB;任意两相邻的球头连杆构成一空间梯形,对于任意一球头连杆,其左侧的梯形与右侧梯形形状上下巅倒,即若左侧梯形上底边长、下底边短,则右侧的梯形上底边短、下底边长。
为了保证装备的运动精度和寿命,球头连杆采用一次加工成形,上、从动球座均分开两半加工。为了保证两半球座能正确的与球头连杆配合,两半球座通过定位销进行精确定位,并通过螺栓连接锁紧;两半球座之间装有垫片,通过垫片的数量和厚度可调整球铰副的间隙,避免机构卡死;两半球座的底面上均设置有定位销孔,与动平台通过定位销配合,保证球座的安装精度;球铰采用脂润滑,球座的中心安装油嘴,可通过黄油枪将润滑脂注入球座内,保证球头连杆良好的润滑。
实施例1
一种重载高柔性空间包络成形装备,包括底座1、立柱2、顶座4、凹模系统34、驱动系统36、运动系统35、凸模系统33、进给系统部分。其中驱动系统36有6组,如图2、3所示,每组结构和连接完全相同,包括导轨5、驱动滑块6、滚珠丝杆7、行星减速器8、伺服电机9、编码器10;运动系统35如图4、5所示,由6个并联的连杆支链和动平台13构成,每个支链的结构完全相同,包括驱动球座12、从动球座25和球头连杆11;凹模系统34如图6所示,包括凹模座21、凹模外圈18、凹模应力圈19、凹模芯模20、工件17、顶出油缸23、顶杆22和凹模加热装置26;凸模系统33如图7所示,包括凸模外圈14、凸模应力圈15、凸模芯模16、背压油缸28、凸模加热装置27;进给系统如图8所示,包括工作台3、导轨29、导向结构30和进给油缸31。
该装备各部件的具体连接方式为:底座1上通过螺纹连接多个相同的立柱2,立柱2另一端与顶座4固连;工作台通过导轨29以及导向结构30与底座1(或顶座4)相连接,从而可沿着导轨29移动,进给油缸31安装在工作台3与顶座1(或底座4)之间,实现工作台3上下移动;工作台3一端通过螺栓安装凹模座21,凹模座21上依次安装凹模外圈18、凹模应力圈19、凹模芯模20、工件17和凹模加热装置26,工作台3另一端安装有顶出油缸23和顶杆22;装备共有6组驱动系统36,每组驱动系统36中,导轨固定安装在底座1(或顶座4)上,滚珠丝杆7通过轴承与底座1(或顶座4)相联接,行星减速器8与底座1(或顶座4)固定,伺服电机9固定在行星减速器8的外壳上,编码器10安装在伺服电机9尾部,伺服电机9的输出轴通过键或联轴器与行星减速器8的输入轴相联,行星减速器8的输出轴通过联轴器与滚珠丝杆7联接,驱动滑块6通过滑动配合安装在导轨29上,同时驱动滑块6中心通过丝杆传动与滚珠丝杆7相配合,驱动滑块6通过销和螺栓与驱动球座12相联,驱动球座12的内球面与球头连杆11的一端球头形成球面间隙配合,球头连杆11的另一端与从动球座25形成球面间隙配合,由于驱动系统36有6套,与之相连的驱动球座12、从动球座25以及球头连杆11也相应有6套,最终6个从动球座25通过定位销和螺栓与动平台13连接形成刚性整体;动平台13一端通过螺栓安装凸模外圈14、凸模应力圈15、凸模芯模16和凸模加热装置27,动平台13另一端通过安装有背压油缸28。
该装备各部件的运动关系为:伺服电机9通过行星减速器8将运动和动力传递到滚珠丝杆7中,使驱动滑块7沿轴线方向平移,驱动滑块7推动驱动球座12沿其轴线方向运动,驱动球座12推动球头连杆做复杂空间运动11,球头连杆11推动从动球座25、动平台13做空间包络运动。
该装备可采用水平驱动和竖直驱动两种驱动方式:采用水平驱动方式时机床的整体结构如图1(a)、(b)所示,采用竖直方式时机床的整体结构如图1(c)、(d)所示。
该装备的运动系统35可采用悬挂式和支撑式两种安装方式:采用悬挂式安装方式时,机床的整体结构如图1(b)、(d)所示,运动系统35的结构如图4(a)所示。采用支撑式安装方式时,机床的整体结构如图1(a)、(c)所示,运动系统35的结构如图4(b)所示。
该装备的进给系统可以采用滑动式和滚动式两种不同的方式:采用滑动式进给方式,如图8(a)所示;采用滚动式进给方式,如图8(b)所示.
该装备运行时,将坯料17放入凹模芯模20内,
1)采用悬挂式运动系统35、无进给系统方案时,凸模系统33做空间包络运动,同时向下做进给运动对坯料17进行多道次局部辗压,凹模系统34保持固定不动。
2)采用悬挂式运动系统35、有进给系统方案时,凸模系统33做空间包络运动,同时凹模系统34在进给系统的带动下向上做进给运动对坯料17进行多道次局部辗压。
3)采用支撑式运动系统35、无进给系统方案时,凹模系统34做空间包络运动,同时向上做进给运动对坯料17进行多道次局部辗压,凸模系统33保持固定不动。
4)采用支撑式运动系统35、有进给系统方案时,凹模系统34做空间包络运动,同时凸模系统33在进给系统的带动下向下做进给运动对坯料17进行多道次局部辗压。
最终,在凸模系统33和凹模系统34的共同作用下,坯料17产生连续局部塑性变形并整体成形;成形结束后,凸模系统33向上运动退出,顶杆22将工件从凹模芯模内顶出。
在此,以实现包络锥角为2.5度的空间圆轨迹包络成形为例说明,此时平台的空间包络运动张量为
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是限制性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下,还可做出很多形式,这些均属于本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种重载高柔性六自由度六连杆并联驱动空间包络成形装备,其特征在于,包括凹模系统、凸模系统、驱动系统和运动系统,所述驱动系统设置有六组,每一组都包括导轨、驱动滑块、滚珠丝杆和伺服电机,所述驱动滑块与滚珠丝杆螺纹连接,所述驱动滑块安装在导轨上;所述运动系统包括六个并联的连杆支链和一个动平台,所述连杆支链包括驱动球座、从动球座和球头连杆;驱动滑块与驱动球座固定连接,驱动球座的内球面与球头连杆的一端球头形成球面间隙配合,球头连杆的另一端与从动球座形成球面间隙配合;六个从动球座固定在动平台上,所述动平台一端与所述凹模系统或凸模系统连接,所述动平台另一端设有背压油缸;
所述伺服电机通过行星减速器带动滚珠丝杆转动,使驱动滑块沿导轨方向平移,驱动滑块推动驱动球座沿其轴线方向运动,驱动球座推动球头连杆运动,球头连杆推动从动球座和动平台做空间包络运动;
式中Tb为空间包络运动所要求的空间包络运动张量,rB为动平台从动球座中心的分布半径,为六个从动球座中心对应的圆周角,rA为驱动球座中心所分布的半径,为驱动滑块中心对应的圆周角,l为球头连杆的球心距,g为驱动系统的速比;
当所述滚珠丝杆水平设置时,满足公式(2):
式中Tb为空间包络运动所要求的空间包络运动张量,rB为动平台从动球座中心的分布半径,为六个从动球座中心对应的圆周角,rA为驱动球座中心所分布的半径,l为球头连杆的球心距,g为驱动系统的速比;为每个丝杆水平运动的方向角度;和为驱动球座中心的每个时刻的实际半径和极角;
六个驱动球座分布在半径较大的圆周上,六个从动球座分布在半径较小的圆周上,即rA>rB,任意两相邻的球头连杆构成一空间梯形,对于任意一球头连杆,其左侧的梯形与右侧梯形形状上下巅倒。
2.根据权利要求1所述的重载高柔性六自由度六连杆并联驱动空间包络成形装备,其特征在于,还包括顶座、立柱、底座和进给系统,所述凹模和凸模安装在顶座和底座之间,所述立柱连接顶座和底座,所述进给系统包括工作台、滑轨、导向结构和进给油缸,工作台通过滑轨以及导向结构与底座或顶座相连接,进给油缸安装在工作台与顶座或底座之间,所述工作台带动凸模系统或驱动凹模系统上下移动。
3.根据权利要求1所述的重载高柔性六自由度六连杆并联驱动空间包络成形装备,其特征在于,所述凹模系统包括凹模座,所述凹模座上依次安装凹模外圈、凹模应力圈、凹模芯模和凹模加热装置,所述凹模座内设有顶出油缸和顶杆。
4.根据权利要求1所述的重载高柔性六自由度六连杆并联驱动空间包络成形装备,其特征在于,所述凸模系统包括凸模外圈、凸模应力圈、凸模芯模、背压油缸和凸模加热装置。
5.根据权利要求2所述的重载高柔性六自由度六连杆并联驱动空间包络成形装备,其特征在于,所述驱动系统设置在顶座或底座上。
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