CN113714360A - 双滚轮式柔性翻边成形装置及工艺 - Google Patents

Abstract

一种双滚轮式柔性翻边成形装置及工艺，包括：依次转动连接的第一、第二、第三机器关节机构和成形滚轮机构、与第一机器关节机构依次相连的伸缩结构和用于压紧待成形件的压紧滚轮机构，第一机器关节机构一端与第二机器关节机构转动连接，同时与伸缩机构一端联轴器连接，第二机器关节机构与第三机器关节机构一端转动连接，第三机器关节机构另一端与成形滚轮机构螺接固定；伸缩机构另一端与压紧滚轮机构固定连接；通过电子控制单元控制压紧滚轮机构压紧待成形件，以及不断调整成形滚轮机构位姿，即可实现待成形件的多道次翻边成形。本发明根据待成形件的曲面加工要求，通过协调控制机器关节机构、伸缩结构、滚轮机构之间运动，规划滚轮运动轨迹，各机构之间协同控制，装置结构灵活，自由度高，工作空间大，能够实现不同尺寸板材的翻边柔性成形。

Description

双滚轮式柔性翻边成形装置及工艺

技术领域

本发明涉及的是一种钣金件制造领域的技术，具体是一种双滚轮式柔性翻边成形装置及工艺。

背景技术

目前生产翻边类零件主要是通过固定模具翻边成形方式。固定模具翻边成形需要对待成形件的一端用压紧机构压紧，另一端通过滚轮翻边，压紧机构与滚轮是相互独立的，无法进行协同性成形，翻边成形协同性差，使待成形件成形过程中受力不均匀，成形精度较差，同时，针对不同产品设计对应的压边模具，模具利用率低，开发费用高昂，生产周期长。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种双滚轮式柔性翻边成形装置及工艺，根据待成形件的曲面加工要求，通过协调控制机器关节机构、伸缩结构、滚轮机构之间运动，规划滚轮运动轨迹，一组滚轮机构压紧板材，一组滚轮机构对板材进行滚压翻边，实现板材翻边的柔性成形。本发明各机构之间协同控制，装置结构灵活，自由度高，工作空间大，能够实现不同尺寸板材的翻边柔性成形。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种双滚轮式柔性翻边成形装置，包括：依次转动连接的第一、第二、第三机器关节机构和成形滚轮机构、与第一机器关节机构依次相连的伸缩结构和用于压紧待成形件的压紧滚轮机构，其中：第一机器关节机构一端与第二机器关节机构转动连接，同时与伸缩机构一端联轴器连接，第二机器关节机构与第三机器关节机构一端转动连接，第三机器关节机构另一端与成形滚轮机构螺接固定；伸缩机构另一端与压紧滚轮机构固定连接；通过电子控制单元控制压紧滚轮机构压紧待成形件，以及不断调整成形滚轮机构位姿，即可实现待成形件的多道次翻边成形。

所述的电子控制单元包括：信息接收模块、信息对比计算模块、运动控制模块，其中：信息接收模块与第一机器关节结构相连并传递位置信息，信息对比计算模块根据位移信息，与理论结果进行对比计算，得到局部调整位移，运动控制模块根据局部调整位移信息，分别控制滚轮机构压紧板材以及成形滚轮机构位姿，实现待成形件的多道次翻边成形，并通过循环处理直至成形出合格翻边零件。

本发明涉及一种基于上述双滚轮式柔性翻边成形装置的成行工艺，在工艺规划阶段，以待成形板料的下平面为基准面，待成形板料的圆心为原点，建立三维直角坐标系，设置成形滚轮机构首先沿X轴运动至运动起始点，然后绕Y轴在(β/2，-β/2)范围内进行翻边成形，压紧滚轮机构的滚轮则在XZ平面内跟随成形滚轮机构的滚轮在(β/2，-β/2)范围内运动，设置其参考点运动半径与原始板料内径一致，根据目标翻边件的翻边开角α设置n道次翻边成形；根据测得的原始板料内径R₀、圆弧开角β、厚度d、目标翻边件的翻边开角α、过渡圆角半径r、待成形板料的压紧部分长度L₁、翻边部分长度L₂、滚轮半径r_w、滚轮底面到滚轮与板料成形时的理论切点距离h_w、模具平面的Y轴坐标y₀计算得到每道次成形滚轮机构的滚轮初始坐标，即滚轮底部圆心初始坐标，以及得到成形滚轮每道次在XZ平面内的运动半径R_c，再根据成形滚轮机构的滚轮运动速度得到压紧滚轮机构的滚轮运动速度；在执行阶段，通过工业六轴机器人根据计算得到的每道次滚轮初始坐标控制成形滚轮机构和压紧滚轮机构，实现翻边件快速精确成形。

所述的三维直角坐标系，模具平面的Y轴坐标为y₀为0。

技术效果

本发明整体解决了现有翻边技术翻边成形协同性差，待成形件成形过程中受力不均匀，成形精度较差，针对不同产品设计对应的压边模具，模具利用率低，开发费用高昂，生产周期长等问题。

与现有技术相比，本发明提供了一种板材翻边成形装置及方法，根据待成形件的曲面加工要求，通过电子控制单元控制协调控制机器关节机构、伸缩结构、滚轮结构之间运动，规划滚轮运动轨迹，一组滚轮机构压紧板材，一组滚轮机构对板材进行滚压翻边，实现板材翻边的柔性成形。本发明各机构之间协同控制，装置结构灵活，自由度高，工作空间大，能够实现不同尺寸板材的翻边柔性成形。

附图说明

图1为本发明装置示意图；

图2为本发明板材翻边成形件截面示意图；

图3为翻边成形过程中装置与板材的相对位置示意图；

图4为成形滚轮与压紧滚轮速度示意图；

图5为实施例翻边翘曲高度对比图。

图中：1、第一机器关节机构；2、第二机器关节机构；3、第三机器关节机构；11、第一关节驱动电机；13、谐波齿轮减速器；15、联轴器；17、连杆；21、第二关节驱动电机；23、谐波齿轮减速器；25、联轴器；27连杆；31、第三关节驱动电机；33、RV减速器；35、联轴器；37、连杆；4、伸缩机构；41、电动推杆；43、连杆；45、联轴器；5、成形滚轮结构；51、滚轮机构基座；53、滚轮；55、连杆；57、压力传感器；6、压紧滚轮结构；61、滚轮机构基座；63、滚轮；65、连杆；67、压力传感器；7、电子控制单元；8、板料；81板料压紧部分；82板料翻边部分。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及一种双滚轮式柔性翻边成形装置，包括：依次转动连接的第一、第二、第三机器关节机构1、2、3和成形滚轮机构5、与第一机器关节机构1依次相连的伸缩结构4和用于压紧待成形件8的压紧滚轮机构6，其中：第一机器关节机构1一端与第二机器关节机构2转动连接，同时与伸缩机构4一端联轴器连接，第二机器关节机构2与第三机器关节机构3一端转动连接，第三机器关节机构3另一端与成形滚轮机构5螺接固定；伸缩机构4另一端与压紧滚轮机构6固定连接；通过电子控制单元7控制压紧滚轮机构6压紧待成形件，以及不断调整成形滚轮机构5位姿，即可实现待成形件的多道次翻边成形。

所述的伸缩机构4与各自对应的第三机器关节机构3通过联轴器连接。

所述的成形滚轮机构5、压紧滚轮机构6与各自对应的伸缩结构4的连杆之间螺栓连接。

所述的第一、第二和第三机器关节机构1、2、3均包括：关节驱动电机11、21、32、谐波齿轮减速器13、23、32、联轴器15、25、35以及连杆17、27、37，组件内部连接关系为：关节驱动电机与谐波齿轮减速器相连，谐波齿轮减速器与连杆之间通过联轴器相连。

所述的伸缩机构4包括：电动推杆41、连杆43、联轴器45，电动推杆41通过联轴器45与连杆43相连。

所述的第一机器关节机构1与第二机器关节机构2具有三个自由度，可以在同一平面内滚转，滚转的角度为0-180°，有利于第一机器关节机构与第二机器关节机构在空间位置中调整姿态；第一机器关节机构固定在水平移动装置上，便于装置在水平方向上移动，可以成形不同尺寸的待成形件，成形效率高。

所述的第三机器关节机构3具有三个自由度，可以在同一平面内滚转，滚转的角度为0-270°，大范围的滚转角度使滚轮机构能够翻边成形大曲率的钣金翻边结构件。

所述的伸缩机构4连杆45调节长度为0-150cm，可以使压紧滚轮机构6在水平方向上有着大的伸缩范围，可以满足不同尺寸的待成形件的滚轮压边。

所述的伸缩机构4与压紧滚轮机构6垂直螺接固定，螺接便于更换不同尺寸的滚轮机构，同时，可以使使滚轮沿垂直方向压紧待成形件，减小待成形件的应力应变，第三机器关节机构3与成形滚轮机构5水平螺接固定，使成形滚轮机构1在同一平面内有着大的调节范围。

所述的成形滚轮机构5和压紧滚轮机构6均包括：滚轮机构基座51、61、滚轮53、63、连杆55、65，根据不同的成形要求，可以更换不同类型的滚轮机构，结构灵活性好。

所述的成形滚轮机构5和压紧滚轮机构6上设有压力传感器57、67，便于检测待成形件的应力应变，使变形更均匀；成形滚轮机构5滚轮53采用双锥面滚轮，双锥面滚轮通用性大，适用于滚压翻边不同金属钣金结构件；压紧滚轮机构6滚轮63采用圆滚形滚轮，有利于压紧待成形件，同时，圆滚形滚轮不易造成应力集中现象，不会影响待成形件的翻边成形。

所述的电子控制单元7包括：信息接收模块、信息对比计算模块、运动控制模块，其中：信息接收模块与第一机器关节结构1相连并传递位置信息，信息对比计算模块根据位移信息，与理论结果进行对比计算，得到局部调整位移，运动控制模块根据局部调整位移信息，分别控制滚轮机构6压紧板材以及成形滚轮机构5位姿，实现待成形件的多道次翻边成形。上述过程可循环进行，直到成形出合格翻边零件。

本实施例涉及一种基于上述装置的双滚轮式柔性翻边成形方法，包括以下步骤：

第一步，根据目标翻边件的零件特征，将待成形板料8分为压紧部分81以及翻边部分82；

第二步，测量得到原始板料内径R₀为1200mm、圆弧开角β为90°以及厚度d为2mm，目标翻边件的翻边开角α为120°、过渡圆角半径r为10mm、压紧部分81长度L₁为100mm以及翻边部分82长度L₂为32mm；然后根据翻边部分82长度L₂，确定滚轮53半径r_w为24mm及滚轮53底面到滚轮53与板料8成形时的理论切点距离h_w为30mm；

第三步，以待成形板料8下平面为基准面，板料8圆心为原点，建立三维直角坐标系，则模具平面的Y轴坐标为y₀为0，滚轮53首先沿X轴运动至运动起始点，然后绕Y轴在(45°,-45°)范围内进行翻边成形；压紧滚轮结构6滚轮63则在XZ平面内跟随成形滚轮53在(45°,-45°)范围内运动，设置其参考点运动半径与原始板料内径一致，即1200mm；

第四步，根据目标翻边件的翻边开角α为120°，设置6道次翻边成形；

第五步，利用R₀、d、α、β、r、L₁、L₂、h_w、y₀计算得到每道次成形滚轮机构的滚轮初始坐标，即滚轮底部圆心初始坐标，以及得到成形滚轮每道次在XZ平面内的运动半径R_c；

所述的每道次成形滚轮机构的滚轮初始坐标，具体包括：

第一道次X坐标为：

Y坐标为：

Z坐标为：

第二道次X坐标为：

Y坐标为：

Z坐标为：

第三道次X坐标为：

Y坐标为：

Z坐标为：

第四道次X坐标为：

Y坐标为：

Z坐标为：

第五道次X坐标为：

Y坐标为：

Z坐标为：

第六道次X坐标为：

Y坐标为：

Z坐标为：

所述的成形滚轮每道次在XZ平面内的运动半径R_c，具体包括：第一道次：

第二道次：

第三道次：

第四道次：

第五道次：

第六道次：

第六步，将计算得到的每道次滚轮初始坐标导入电子控制单元7中，设置成形滚轮机构滚轮53运动速度为V_c＝200mm/s，为保证成形滚轮机构滚轮53与压紧滚轮机构滚轮63运动角速度一致，根据几何关系计算得到压紧滚轮机构滚轮63运动速度V_y，启动电子控制单元7，即可实现翻边件快速精确成形。

所述的压紧滚轮机构的滚轮运动速度，具体包括：第一道次：

第二道次：

第三道次：

第四道次：

第五道次：

第六道次：

经过具体实验，利用本方法得到的翻边件平面翘曲高度小于0.5mm，远低于现有翻边成形技术得到的翻边件成形高度6.2mm。

相比于现有翻边技术一次修模需要10小时工时，本发明完成工艺规划后，计算并调整成形滚轮结构和压紧滚轮结构后成形所需时间仅为0.5小时，极大地提高了成形效率；与现有技术得到翻边件最大翘曲高度6.2mm，本发明可以使得最大翘曲高度小于0.5mm，显著提高了成形质量。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种双滚轮式柔性翻边成形装置，其特征在于，包括：依次转动连接的第一、第二、第三机器关节机构和成形滚轮机构、与第一机器关节机构依次相连的伸缩结构和用于压紧待成形件的压紧滚轮机构，其中：第一机器关节机构一端与第二机器关节机构转动连接，同时与伸缩机构一端联轴器连接，第二机器关节机构与第三机器关节机构一端转动连接，第三机器关节机构另一端与成形滚轮机构螺接固定；伸缩机构另一端与压紧滚轮机构固定连接；通过电子控制单元控制压紧滚轮机构压紧待成形件，以及不断调整成形滚轮机构位姿，即可实现待成形件的多道次翻边成形；

所述的第一机器关节机构与第二机器关节机构具有三个自由度且在同一平面内滚转，第一机器关节机构固定在水平移动装置上；第三机器关节机构具有三个自由度且滚转的角度为0-270°。

2.根据权利要求1所述的双滚轮式柔性翻边成形装置，其特征是，所述的电子控制单元包括：信息接收模块、信息对比计算模块、运动控制模块，其中：信息接收模块与第一机器关节结构相连并传递位置信息，信息对比计算模块根据位移信息，与理论结果进行对比计算，得到局部调整位移，运动控制模块根据局部调整位移信息，分别控制滚轮机构压紧板材以及成形滚轮机构位姿，实现待成形件的多道次翻边成形，并通过循环处理直至成形出合格翻边零件。

3.根据权利要求1所述的双滚轮式柔性翻边成形装置，其特征是，所述的成形滚轮机构、压紧滚轮机构与各自对应的伸缩结构的连杆之间螺栓连接；伸缩机构与压紧滚轮机构垂直螺接固定，第三机器关节机构与成形滚轮机构水平螺接固定。

4.根据权利要求1或2或3所述的双滚轮式柔性翻边成形装置，其特征是，所述的第一、第二和第三机器关节机构均包括：关节驱动电机、谐波齿轮减速器、联轴器以及连杆，组件内部连接关系为：关节驱动电机与谐波齿轮减速器相连，谐波齿轮减速器与连杆之间通过联轴器相连。

5.根据权利要求4所述的双滚轮式柔性翻边成形装置，其特征是，所述的伸缩机构包括：电动推杆、连杆、联轴器，电动推杆通过联轴器与连杆相连。

6.根据权利要求4所述的双滚轮式柔性翻边成形装置，其特征是，所述的成形滚轮机构和压紧滚轮机构均包括：滚轮机构基座、滚轮、连杆以及压力传感器；成形滚轮机构的滚轮采用双锥面滚轮；压紧滚轮机构的滚轮采用圆滚形滚轮。

7.一种基于权利要求1～6中任一所述的双滚轮式柔性翻边成形装置的成行工艺，其特征在于，在工艺规划阶段，以待成形板料的下平面为基准面，待成形板料的圆心为原点，建立三维直角坐标系，设置成形滚轮机构首先沿X轴运动至运动起始点，然后绕Y轴在(β/2,-β/2)范围内进行翻边成形，压紧滚轮机构的滚轮则在XZ平面内跟随成形滚轮机构的滚轮在(β/2,-β/2)范围内运动，设置其参考点运动半径与原始板料内径一致，根据目标翻边件的翻边开角α设置n道次翻边成形；根据测得的原始板料内径R₀、圆弧开角β、厚度d、目标翻边件的翻边开角α、过渡圆角半径r、待成形板料的压紧部分长度L₁、翻边部分长度L₂、滚轮半径r_w、滚轮底面到滚轮与板料成形时的理论切点距离h_w、模具平面的Y轴坐标y₀计算得到每道次成形滚轮机构的滚轮初始坐标，即滚轮底部圆心初始坐标，以及得到成形滚轮每道次在XZ平面内的运动半径R_c，再根据成形滚轮机构的滚轮运动速度得到压紧滚轮机构的滚轮运动速度；在执行阶段，通过工业六轴机器人根据计算得到的每道次滚轮初始坐标控制成形滚轮机构和压紧滚轮机构，实现翻边件快速精确成形。

8.根据权利要求7所述的成行工艺，其特征是，具体包括：

i)测量得到原始板料内径R₀为1200mm、圆弧开角β为90°以及厚度d为2mm，目标翻边件的翻边开角α为120°、过渡圆角半径r为10mm、压紧部分的长度L₁为100mm以及翻边部分的长度L₂为32mm；然后根据翻边部分的长度L₂，确定滚轮半径r_w为24mm及滚轮的底面到滚轮与板料成形时的理论切点距离h_w为30mm；

ii)以待成形板料的下平面为基准面，板料的圆心为原点，建立三维直角坐标系，则模具平面的Y轴坐标为y₀为0，滚轮首先沿X轴运动至运动起始点，然后绕Y轴在(45°,-45°)范围内进行翻边成形；压紧滚轮结构的滚轮则在XZ平面内跟随成形滚轮在(45°，-45°)范围内运动，设置其参考点运动半径与原始板料内径一致，即1200mm；

iii)根据目标翻边件的翻边开角α为120°，设置6道次翻边成形；

iv)利用R₀、d、α、β、r、L₁、L₂、h_w、y₀计算得到每道次成形滚轮机构的滚轮初始坐标，即滚轮底部圆心初始坐标，以及得到成形滚轮每道次在XZ平面内的运动半径R_c；

所述的每道次成形滚轮机构的滚轮初始坐标，具体包括：

第一道次X坐标为：

Y坐标为：

Z坐标为：

第二道次X坐标为：

Y坐标为：

Z坐标为：

第三道次X坐标为：

Y坐标为：

Z坐标为：

第四道次X坐标为：

Y坐标为：

Z坐标为：

第五道次X坐标为：

Y坐标为：

Z坐标为：

第六道次X坐标为：

Y坐标为：

Z坐标为：

所述的成形滚轮每道次在XZ平面内的运动半径R_c，具体包括：第一道次：

第二道次：

第三道次：

第四道次：

第五道次：

第六道次：

v)将计算得到的每道次滚轮初始坐标导入电子控制单元7中，设置成形滚轮机构滚轮的运动速度为V_c＝200mm/s，为保证成形滚轮机构滚轮与压紧滚轮机构滚轮运动角速度一致，根据几何关系计算得到压紧滚轮机构滚轮的运动速度V_y，启动电子控制单元即可实现翻边件快速精确成形；

所述的压紧滚轮机构的滚轮运动速度，具体包括：第一道次：

第二道次：

第三道次：

第四道次：

第五道次：

第六道次：

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