CN115846495B - 一种仿生柔性拉形机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生柔性拉形机，涉及机械工程技术领域。包括机架，机架的两侧内壁上安装有手臂拉料机构，手臂拉料机构的活动端安装有手腕万向机构，手腕万向机构的另一端安装有手指夹料机构，手指夹料机构的另一端通过多种球头机构分别转动连接有食指关节、中指关节和大拇指关节，食指关节和中指关节并列。本发明通过生物模型的启发，依据人体手臂结构及拾取物品的手指路径，而发明的仿生柔性拉形机，通过设置加载顺序、拉伸方向，使夹钳沿给定路线运动，与仿生部件配合，实现多自由度高柔性的拉伸成型过程，使夹持板料的摩擦力提高了5％，零件的拉应力和拉应变分布更加均匀，可达曲率增加2％，板料利用率提高20％。

Description

一种仿生柔性拉形机

技术领域

本发明涉及机械工程技术领域，具体为一种仿生柔性拉形机。

背景技术

在航空、高铁、船舶、建筑等行业对大型三维曲面零件有着广泛需求，并且很多的高精尖设备都需要高质量的三维曲面件。拉形机是目前成形三维曲面零件的主要设备，目前的拉形机已经从纵向拉形机和横向拉形机发展到了高柔性头拉形机，如本团队现有的板材拉形机(ZL200910067003.6)、板材拉形机(ZL200910067216.9)、高柔性头拉形机(ZL200910217701.X)和多夹钳式拉伸成形机(ZL201010266441.8)等。

虽然现有拉形机已经可以实现大型曲面拉伸成形过程的柔性化、变形均匀化及控制简单化，但现在很多重要行业、重点工程、重大项目都对各种曲面零件的要求标准越来越高，当前的柔性拉形机不能满足高精度、大区率的三维曲面零件，并且在成形三维曲面零件时零件的拉应力和拉应变分布依然存在不均匀，夹持板料时摩擦力不足，缺少自由度使板料的变形量不均，材料的利用率低等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿生柔性拉形机，现有的板材拉形机(ZL200910067003.6)、板材拉形机(ZL200910067216.9)、高柔性头拉形机(ZL200910217701.X)和多夹钳式拉伸成形机(ZL201010266441.8)等的基础上而提出的一种仿生柔性拉形机，受人体手臂启发的手臂拉料架构，发挥着与手臂相同的移动作用，受肌肉启发的新型液压驱动机构，发挥着与手臂肌肉相同的施力作用，受人体腕部启发的手腕万向机构，发挥着与腕部相同的摆动作用，受人体手指启发的手指夹料架构，发挥着与手指相同的灵活抓取作用。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种仿生柔性拉形机，包括机架，所述机架的两侧内壁上安装有手臂拉料机构，手臂拉料机构的活动端安装有手腕万向机构，手腕万向机构的另一端安装有手指夹料机构，所述手指夹料机构的另一端通过多种球头机构分别转动连接有食指关节、中指关节和大拇指关节，所述食指关节和中指关节并列，大拇指关节和中指关节平行排列且位于食指关节和中指关节中间的位置，所述食指关节、中指关节和大拇指关节远离手掌模块的一端分别安装有食指模块、中指模块和大拇指模块，所述食指关节、中指关节和大拇指关节上下贯穿设置有液压驱动机构，所述食指模块、中指模块和大拇指模块的相对侧分别安装有摆头机构，摆头机构的相对侧以及液压驱动机构的相对侧分别安装有指纹夹料块。

更进一步地，所述手臂拉料机构包括双缸式更进一步地，所述双缸式更进一步地包括两个垂直排布的第一竖直液压缸和第一水平液压缸，所述第一竖直液压缸和第一水平液压缸的一端共同转动连接在手腕万向机构上，另一端分别转动连接在机架底部和侧面内壁处。

更进一步地，所述手臂拉料机构包括一类三缸式更进一步地，所述一类三缸式更进一步地包括两个垂直排布的第二竖直液压缸和第二水平液压缸和设置在第二竖直液压缸和第二水平液压缸之间的倾斜液压缸，所述竖直液压缸、水平液压缸和第一倾斜液压缸的一端共同转动连接在手腕万向机构上，其中竖直液压缸和第一倾斜液压缸的末端先进行连接在共同连接在手腕万向机构上，另一端分别转动连接在机架底部、侧面内壁和机架底部和侧面的连接处。

更进一步地，所述手臂拉料机构包括二类三缸式更进一步地，所述一类三缸式更进一步地包括两个垂直排布的第三竖直液压缸和第三水平液压缸和设置在第三竖直液压缸和第三水平液压缸之间的倾斜液压缸，所述四散竖直液压缸、第三水平液压缸和第二倾斜液压缸的一端共同转动连接在手腕万向机构上，其中第三水平液压缸和第二倾斜液压缸末端先进行连接在共同连接在手腕万向机构上，另一端分别转动连接在机架底部、侧面内壁和机架底部和侧面的连接处。

更进一步地，所述手指夹料机构包括正手夹钳和反手夹钳，正手夹钳和反手夹钳结构相同，正手夹钳和反手夹钳上的球头机构的安装位置上下对称排布。

更进一步地，所述正手夹钳用于连接大拇指关节的球头机构位于安装食指关节和中指关节的球头机构的上方。

更进一步地，手指夹料机构包括手掌模块，所述手掌模块为T形，手掌模块T形结构的底端开设有与手腕万向机构的安装孔，另一端连接多个球头机构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

该仿生柔性拉形机，通过生物模型的启发，依据人体手臂结构及拾取物品的手指路径，而发明的仿生柔性拉形机，通过设置加载顺序、拉伸方向，使夹钳沿给定路线运动，与仿生部件配合，实现多自由度高柔性的拉伸成型过程，使夹持板料的摩擦力提高了5％，零件的拉应力和拉应变分布更加均匀，可达曲率增加2％，板料利用率提高20％。

附图说明

图1(a)为本发明的整体结构示意图；

图1(b)为本发明的双缸式仿生柔性拉形机的结构示意图；

图1(c)为本发明的一类三缸式仿生柔性拉形机的结构示意图；

图1(d)为本发明的二类三缸式仿生柔性拉形机的结构示意图；

图2(a)为本发明的仿生柔性拉形机手指夹料机构的正手夹钳的示意图；

图2(b)为本发明的仿生柔性拉形机手指夹料机构的反手夹钳的示意图；

图3(a)为本发明的手指夹料机构夹钳的结构第一示意图；

图3(b)为本发明的手指夹料机构夹钳的结构第二示意图；

图3(c)为本发明的手指夹料机构夹钳的结构第三示意图；

图4(a)为本发明的一体式液压驱动机构的第一结构示意图；

图4(b)为本发明的一体式液压驱动机构的第二结构示意图；

图5(a)为本发明的夹钳的第一种指纹夹料块的结构示意图；

图5(b)为本发明的夹钳的第二种指纹夹料块的结构示意图；

图5(c)为本发明的夹钳的第三种指纹夹料块的结构示意图；

图6(a)为本发明的正手夹钳的结构视图；

图6(b)为本发明的正手夹钳的正视图；

图6(c)为本发明的正手夹钳的俯视图；

图6(d)为本发明的正手夹钳的侧视图；

图7(a)为本发明的反手夹钳的结构视图；

图7(b)为本发明的反手夹钳的正视图；

图7(c)为本发明的反手夹钳的俯视图；

图7(d)为本发明的反手夹钳的侧视图；

图8(a)为本发明的手指夹料机构的正手单独排列方式的示意图；

图8(b)为本发明的手指夹料机构的正反手交替排列方式的示意图；

图8(c)为本发明的手指夹料机构的反手单独排列方式的示意图。

图中：1、机架；2、手臂拉料机构；3、手腕万向机构；4、手指夹料机构；4.1、正手夹钳；4.2、反手夹钳；5、手掌模块；6.1、食指关节；6.2、中指关节；6.3、大拇指关节；7.1、食指模块；7.2、中指模块；7.3、大拇指模块；8.1、第一食指指纹夹料块；8.2、第二食指指纹夹料块；8.3、第一中指指纹夹料块；8.4、第二中指指纹夹料块；8.5、第一大拇指指纹夹料块；8.6、第二大拇指指纹夹料块；9.1、第一球头机构；9.2、第二球头机构；9.3、第三球头机构；10.1、第一液压驱动机构；10.2、第二液压驱动机构；10.3、第三液压驱动机构；11.1、第一摆头机构；11.2、第二摆头机构；11.3、第三摆头机构；12、双缸式仿生柔性拉形机；12.1、第一竖直液压缸；12.2、第一水平液压缸；13、一类三缸式仿生柔性拉形机；13.1、第二竖直液压缸；13.2、第二水平液压缸；13.3、第一倾斜液压缸；14、二类三缸式仿生柔性拉形机；14.1、第三竖直液压缸；14.2、第三水平液压缸；14.3、第二倾斜液压缸。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明以一种人体拾取物品的生物模型为启发，允许单个夹料机构在拉动板料时产生非等量摆动，实现拉伸成形过程中的柔性控制，增加夹料块与板料之间的摩擦力。本发明可以增加板料拉伸成形过程中的自由度，使拉形件应力应变均匀分布，提高夹持板料摩擦力，减少拉形件的缺陷。

如图1(a)－图8(c)所示，本发明提供一种技术方案：一种仿生柔性拉形机。

实施例一

该仿生柔性拉形机包括机架1，机架1的两侧内壁上安装有手臂拉料机构2，手臂拉料机构2的活动端安装有手腕万向机构3，手腕万向机构3的另一端安装有手指夹料机构4，手指夹料机构4的另一端通过多种球头机构分别转动连接有食指关节6.1、中指关节6.2和大拇指关节6.3，食指关节6.1和中指关节6.2并列，大拇指关节6.3和中指关节6.2平行排列且位于食指关节6.1和中指关节6.2中间的位置，食指关节6.1、中指关节6.2和大拇指关节6.3远离手掌模块5的一端分别安装有食指模块7.1、中指模块7.2和大拇指模块7.3，食指关节6.1、中指关节6.2和大拇指关节6.3上下贯穿设置有液压驱动机构，食指模块7.1、中指模块7.2和大拇指模块7.3的相对侧分别安装有摆头机构，摆头机构的相对侧以及液压驱动机构的相对侧分别安装有指纹夹料块，手指夹料机构4包括正手夹钳4.1和反手夹钳4.2，正手夹钳4.1和反手夹钳4.2结构相同，正手夹钳4.1和反手夹钳4.2上的球头机构的安装位置上下对称排布，正手夹钳4.1用于连接大拇指关节6.3的球头机构位于安装食指关节6.1和中指关节6.2的球头机构的上方，手指夹料机构4包括手掌模块5，手掌模块5为T形，手掌模块5T形结构的底端开设有与手腕万向机构3的安装孔，另一端连接多个球头机构。

手臂拉料机构2包括双缸式仿生柔性拉形机12，双缸式仿生柔性拉形机12包括两个垂直排布的第一竖直液压缸12.1和第一水平液压缸12.2，第一竖直液压缸12.1和第一水平液压缸12.2的一端共同转动连接在手腕万向机构3上，另一端分别转动连接在机架1底部和侧面内壁处。

实施例二

以实施例一为基础在其余结构不变的情况下，新的手臂拉料机构2包括一类三缸式仿生柔性拉形机13，一类三缸式仿生柔性拉形机13包括两个垂直排布的第二竖直液压缸13.1和第二水平液压缸13.2和设置在第二竖直液压缸13.1和第二水平液压缸13.2之间的倾斜液压缸13.3，竖直液压缸13.1、水平液压缸13.2和第一倾斜液压缸13.3的一端共同转动连接在手腕万向机构3上，其中竖直液压缸13.1和第一倾斜液压缸13.3的末端先进行连接在共同连接在手腕万向机构3上，另一端分别转动连接在机架1底部、侧面内壁和机架1底部和侧面的连接处。

实施例三

以实施例一为基础在其余结构不变的情况下，新的手臂拉料机构2包括二类三缸式仿生柔性拉形机14，一类三缸式仿生柔性拉形机14包括两个垂直排布的第三竖直液压缸14.1和第三水平液压缸14.2和设置在第三竖直液压缸14.1和第三水平液压缸14.2之间的倾斜液压缸14.3，四散竖直液压缸14.1、第三水平液压缸14.2和第二倾斜液压缸14.3的一端共同转动连接在手腕万向机构3上，其中第三水平液压缸14.2和第二倾斜液压缸14.3末端先进行连接在共同连接在手腕万向机构3上，另一端分别转动连接在机架1底部、侧面内壁和机架1底部和侧面的连接处。

请参照图1(a-d)本发明举例了三种仿生柔性拉形机，图1a为双缸式仿生柔性拉形机的示意图，图1b为一类三缸式仿生柔性拉形机的示意图，图1c为二类三缸式仿生柔性拉形机的示意图，水平放置缸、竖直放置缸、倾斜放置缸的长度根据人体手臂不同肌肉类型而设计长度，三种仿生柔性拉形机均包括机架1、手臂拉料机构2、手腕万向机构3、手指夹料机构4。

参照图1(c)一类三缸式仿生柔性拉形机的示意图，手臂拉料机构分别由三个液压缸组成，第一个液压缸13.1竖直放置，第二个液压缸13.2水平放置，第三个液压缸13.3倾斜放置。液压缸的一端与机架1铰接，另一端与手腕万向机构3连接。通过改变液压缸的液压力与行程，可以使液压缸相互之间的夹角得到改变，从而使手指变夹料机构4的位置及拉伸变形方向得到改变，竖直放置、水平放置或倾斜放置的液压缸的液压力可以按排为单位进行控制。在拉伸变形的过程中，通过改变液压缸中液压力及行程的大小来控制每个离散的手指夹料机构4的位置及拉伸变形方向，从而使被拉伸变形的板材获得最佳的拉伸位置与角度，通过垂直放置、水平放置、倾斜放置的三个方向液压缸的组合应用，实现了加载方向的实时调整及高效加载。

工作原理

仿生柔性拉形机与多点模具配合使用；首先，金属板料被放置在固定在仿生柔拉形机机架1上的多点模具上，随后，正手夹钳4.1或反手夹钳4.2通过手臂拉料机构2移动到金属板料上，并夹持住金属板料；通过电磁控制阀对液压缸进行控制，水平放置液压缸13.2带动夹钳对金属板料进行预拉伸，竖直放置液压缸13.1和倾斜放置液压缸13.3带动夹钳贴合多点模具，使金属板料成形。

相应的，通过手腕万向机构3将手臂拉料机构2和手指夹料机构4连接，手指夹料机构4可以随着金属板料的变形趋势进行摆动与转动，从而达到高柔性的目的，该配合实现了力加载与板料变形的相互协调，解决了传统设备控制系统复杂等难题。

请参照图2a、图2b，为手指夹料机构的正手夹钳4.1和反手夹钳4.2，二者每个部件的连接结构完全相同，但反手夹钳的结构由食指、中指布置在大拇指上方变换为食指、中指布置在大拇指下方。

请参照图3(a-c)，正手夹钳4.1包含手掌模块5连接着关节模块6、拇指模块、指纹夹料块、球头机构、液压驱动机构和摆头机构；食指关节6.1通过第一球头机构9.1与手掌模块5连接，第一食指指纹夹料块8.1通过第一液压驱动机构10.1与食指关节6.1和食指模块7.1连接，食指模块7.1通过第一摆头机构11.1与第二食指指纹夹料块8.2连接；中指关节6.2通过第二球头机构9.2与手掌模块5连接，第一中指指纹夹料块8.3通过第二液压驱动机构10.2与中指关节6.2和中指模块7.2连接，中指模块7.2通过第二摆头机构11.2与中指指纹夹料块8.4连接；大拇指关节6.3通过第三球头机构9.3与手掌模块5连接，第一大拇指指纹夹料块8.5通过第三液压驱动机构10.3与大拇指关节6.3和大拇指模块7.3连接，大拇指模块7.3通过第三摆头机构11.3与第二大拇指指纹夹料块8.6连接。

具体的，将手掌模块5与关节模块6相连的球头机构9，可以随着金属板料的变形趋势带动关节模块6产生小角度的摆动与转动；将拇指模块7与指纹夹料块8相连的摆头机构11，由弹簧和半球型摆动支柱构成，它可以配合金属板料和关节模块6的变化趋势，实现任意方向的摆动与转角，增加拉伸成形过程中的自由度，使金属板更易贴膜，从而实现高柔性的特点,可达曲率增加2％。

请参照图4(a、b)，正手夹钳4.1和反手夹钳4.2的液压驱动机构10与拇指模块7和指纹夹料块8为一体式设计，当夹持金属板料时，液压驱动机构10带动拇指模块7和指纹夹料块8同时夹持住金属板料，使金属板料受力均匀，并使液压驱动机构的数目减少，仿生柔性拉形机成本降低约23％，并化简操作步骤。

请参照图5(a-c)，正手夹钳4.1和反手夹钳4.2的指纹夹料块8为小型矩形铁块包覆硅橡胶垫的一体式结构，硅橡胶表面有凹凸交替的指纹纹路，夹持时的摩擦力提高5％，本发明只展示如图几种指纹纹路，并不代表该部件全部的指纹纹路，并且硅橡胶两侧与前端存在圆角，可以使金属板料更易贴合指纹夹料块8，使金属板料受力均匀，减少过渡区。

请参照图6(a-d)、图7(a-d)，相邻的关节模块6、拇指模块7之间留有间隙，有利于增加金属板料的流动性，同时也可以减少相邻模块之间出现相互干涉的情况；大拇指关节6.3、大拇指模块7.3、第一大拇指指纹夹料块8.5和第二大拇指指纹夹料块8.6的表面积是相对应食指或中指模块的1.5倍，夹持时以使板料受力均匀：关节模块6相连的指纹夹料块8与拇指模块7相连的指纹夹料块8之间存在高度差，以实现增加板料的流动性，同时增加夹持时的摩擦力。

请参照图8(a-c)，通过改变仿生柔性拉形机手指夹料机构的夹钳排列方式，以实现满足不同质量要求、不同大小的三维曲面零件的高柔性控制，本发明只展示如图几种夹钳排列方式。

具体的，夹料机构采用柔性加载方式，每个相邻夹钳之间留有间隙，在保持板料流动性的同时，减少夹钳之间的相互干涉，因件而议，通过不同的夹钳排列方式，使金属板料自协调、自平衡的进行加载与变形，大大提高该仿生柔性拉形机的夹料自由度，改善应力分布状态，从而提高三维曲面零件的质量。

本发明的一种仿生柔性拉形机在传统的板料拉形基本理论上，通过生物模型的启发，依据人体手臂结构及拾取物品的手指路径，融入更加合理的生物结构设计，实现多自由度高柔性的拉伸成型过程，与仿生部件配合，实现多自由度高柔性的拉伸成型过程，使夹持板料的摩擦力提高了5％，改善应力分布状态，可达曲率增加2％，板料利用率提高20％，从而实现更高质量要求的三维曲面零件的制备，丰富了曲面塑性成形技术。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附实施例及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种仿生柔性拉形机，包括机架(1)，所述机架(1)的两侧内壁上安装有手臂拉料机构(2)，手臂拉料机构(2)的活动端安装有手腕万向机构(3)，手腕万向机构(3)的另一端安装有手指夹料机构(4)，其特征在于：所述手指夹料机构(4)的另一端通过多种球头机构分别转动连接有食指关节(6.1)、中指关节(6.2)和大拇指关节(6.3)，所述食指关节(6.1)和中指关节(6.2)并列，大拇指关节(6.3)和中指关节(6.2)平行排列，且大拇指关节(6.3)位于食指关节(6.1)和中指关节(6.2)中间的位置，所述食指关节(6.1)、中指关节(6.2)和大拇指关节(6.3)远离手掌模块(5)的一端分别安装有食指模块(7.1)、中指模块(7.2)和大拇指模块(7.3)，所述食指关节(6.1)、中指关节(6.2)和大拇指关节(6.3)上下贯穿设置有液压驱动机构，所述食指模块(7.1)、中指模块(7.2)和大拇指模块(7.3)的相对侧分别安装有摆头机构，摆头机构的相对侧以及液压驱动机构的相对侧分别安装有指纹夹料块；

所述手臂拉料机构(2)包括二类三缸式仿生柔性拉形机(14)，所述二类三缸式仿生柔性拉形机(14)包括两个垂直排布的第三竖直液压缸(14.1)和第三水平液压缸(14.2)和设置在第三竖直液压缸(14.1)和第三水平液压缸(14.2)之间的第二倾斜液压缸(14.3)，所述第三竖直液压缸(14.1)、第三水平液压缸(14.2)和第二倾斜液压缸(14.3)的一端共同转动连接在手腕万向机构(3)上，另一端分别转动连接在机架(1)底部、侧面内壁和机架(1)底部和侧面的连接处，其中第三水平液压缸(14.2)和第二倾斜液压缸(14.3)末端共同连接在手腕万向机构(3)上；

所述手指夹料机构(4)包括正手夹钳(4.1)和反手夹钳(4.2)，正手夹钳(4.1)和反手夹钳(4.2)结构相同，正手夹钳(4.1)和反手夹钳(4.2)上的球头机构的安装位置上下对称排布。

2.根据权利要求1所述的一种仿生柔性拉形机，其特征在于：所述正手夹钳(4.1)用于连接大拇指关节(6.3)的球头机构位于安装食指关节(6.1)和中指关节(6.2)的球头机构的上方。

3.根据权利要求1所述的一种仿生柔性拉形机，其特征在于：手指夹料机构(4)包括手掌模块(5)，所述手掌模块(5)为T形，手掌模块(5)T形结构的底端开设有手腕万向机构(3)的安装孔，另一端连接多个球头机构。