CN116985125A - 基于机械臂的无模具金属渐进成型方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于机械臂的无模具金属渐进成型方法及系统，根据待成型的形状生成金属面板上的螺旋加工线；在螺旋加工线的起始端与终止端，分别连接一条闭合的起始端封边曲线和终止端封边曲线；将螺旋加工线、起始端封边曲线和终止端封边曲线分别均分成多个形变控制点，根据起始端封边曲线的多个起始点生成下刀用贝塞尔曲线缓冲路径，根据终止端封边曲线的多个终止点生成收刀用贝塞尔曲线缓冲路径；根据螺旋加工线、起始端封边曲线和终止端封边曲线的形变控制点，以及刀用贝塞尔曲线缓冲路径和收刀用贝塞尔曲线缓冲路径，控制形变机械臂进行金属渐进成型加工；本发明实现了柔性正向生产，免去了制模费用，极大的降低了碳排放。
Description
技术领域
本发明涉及金属渐进成型技术领域，特别涉及一种基于机械臂的无模具金属渐进成型方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
在建筑建造领域，异形金属装饰板材的使用场景越来越多，需求量逐年稳步上升，目前市面上使用的加工工艺，包括：
(1)胎膜拉伸成形，这是最常见的双曲面金属板的加工方式，首先根据设计需求制作胎膜，其次将铝板利用胶皮拉伸固定在胎膜上，工人敲击铝板使得铝板更加贴合模具，待内应力消除后裁除残缺边角，即可得到设计所需的曲面板材，胎膜通常为木材、塑料、钢材等，胎膜拉伸成形的特点适用于大批量、同曲率铝板的成形，其缺点是胎膜制作费用高，不适用于小批量多品种曲率的金属件；
(2)多点成形压力机成形，这种方式的模具由离散的点组成，这些离散点位置可调，能够实现模具重复利用，产品误差小，但成本高，仅适用于小批量生产；
(3)机械金属模一次性冲压成形，金属模具一般分为上模与下模，利用机床液压一次性压制成型，一次性制作好模具可以实现大批量生产，但因模具制作周期和费用的限制不适合于小批量异形件成形；机床模具还可以采用多点成形模具，能够实现复杂曲面金属板的一次成型，对产品的批量及数量没有很大要求，将模型导入电脑可以很快地实现全自动化生产，产品精度高，但机床设备昂贵，可推广性差。
综上所述，传统金属成型方法常常需要多个步骤和复杂的工具来完成成型制造，成本高、不适合小规模定制化生产，生产周期长、能耗高，且存在材料的浪费和成本的增加；此外，对于具有复杂内部结构或微细尺寸的金属零件，传统方法往往难以实现精确的制造，这些问题限制了金属制造行业的发展潜力，尤其是机械金属模一次性冲压成形法，金属模具制作周期长，制模费用高，且在制模过程中会带来大量碳排放，不符合减排目标。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于机械臂的无模具金属渐进成型方法及系统，实现了柔性正向生产，无需开模，可实现单块板定制不同纹理，缩短了生产周期，免去了制模费用，减少了生产成本，极大的降低了碳排放。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种基于机械臂的无模具金属渐进成型方法。
一种基于机械臂的无模具金属渐进成型方法，包括以下过程：
根据待成型的形状生成金属面板上的螺旋加工线；
在螺旋加工线的起始端与终止端，分别连接一条闭合的起始端封边曲线和终止端封边曲线；
将螺旋加工线、起始端封边曲线和终止端封边曲线分别均分成多个形变控制点，根据起始端封边曲线的多个起始点生成下刀用贝塞尔曲线缓冲路径，根据终止端封边曲线的多个终止点生成收刀用贝塞尔曲线缓冲路径；
根据螺旋加工线、起始端封边曲线和终止端封边曲线的形变控制点，以及下刀用贝塞尔曲线缓冲路径和收刀用贝塞尔曲线缓冲路径，控制形变机械臂进行金属渐进成型加工。
作为本发明第一方面进一步的限定，将需要的边缘外轮廓线根据金属雕铣刀的直径，向外偏移1/2刀直径的距离，生成切割路径，将切割路径均分成多个切割控制点，根据切割控制点，控制切割机械臂进行切割。
作为本发明第一方面进一步的限定，根据待成型的形状生成金属面板上的螺旋加工线，包括：
以金属面板的平面方向构建X轴和Y轴方向，以垂直于平面方向为Z轴方向；
在Z轴方向定义一个方向单位，根据造型需求，选取间距，生成等高线，炸开等高线，生成N组线，其中第1组至第N-1组线保持不变，第N组线删除；
用第1组线的起点和第N-1组线的终点依次进行错位相连，生成新的第N组线，将第1组至第N组线首尾相连，形成一条连续的螺旋线。
作为本发明第一方面更进一步的限定，螺旋加工线的转角位置倒圆角处理。
第二方面，本发明提供了一种基于机械臂的无模具金属渐进成型系统。
一种基于机械臂的无模具金属渐进成型系统，包括：
螺旋加工线生成单元，被配置为：根据待成型的形状生成金属面板上的螺旋加工线；
封边曲线生成单元，被配置为：在螺旋加工线的起始端与终止端，分别连接一条闭合的起始端封边曲线和终止端封边曲线；
缓冲路径生成单元，被配置为：将螺旋加工线、起始端封边曲线和终止端封边曲线分别均分成多个形变控制点，根据起始端封边曲线的多个起始点生成下刀用贝塞尔曲线缓冲路径，根据终止端封边曲线的多个终止点生成收刀用贝塞尔曲线缓冲路径；
渐进成型控制单元，被配置为：根据螺旋加工线、起始端封边曲线和终止端封边曲线的形变控制点，以及下刀用贝塞尔曲线缓冲路径和收刀用贝塞尔曲线缓冲路径，控制形变机械臂进行金属渐进成型加工。
作为本发明第二方面进一步的限定，还包括切割控制单元，被配置为：将需要的边缘外轮廓线根据金属雕铣刀的直径，向外偏移1/2刀直径的距离，生成切割路径，将切割路径均分成多个切割控制点，根据切割控制点，控制切割机械臂进行切割。
作为本发明第二方面进一步的限定，螺旋加工线生成单元中，根据待成型的形状生成金属面板上的螺旋加工线，包括：
以金属面板的平面方向构建X轴和Y轴方向，以垂直于平面方向为Z轴方向；
在Z轴方向定义一个方向单位，根据造型需求，选取间距，生成等高线，炸开等高线，生成N组线，其中第1组至第N-1组线保持不变，第N组线删除；
用第1组线的起点和第N-1组线的终点依次进行错位相连，生成新的第N组线，将第1组至第N组线首尾相连，形成一条连续的螺旋线。
第三方面，本发明提供了一种基于机械臂的无模具金属渐进成型系统。
一种基于机械臂的无模具金属渐进成型系统，包括：形变机械臂和切割机械臂，形变机械臂的末端连接有形变工具，切割机械臂的末端连接有切割刀具，根据本发明第一方面所述的方法进行形变机械臂和切割机械臂的控制。
第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的基于机械臂的无模具金属渐进成型方法中的步骤。
第五方面，本发明提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的基于机械臂的无模具金属渐进成型方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明创新性的提出了一种基于机械臂的无模具金属渐进成型方法及系统，优化了下刀和收刀的路径，下刀和收刀时采用贝塞尔曲线路径，路径与板材平面相切，保持与铝板柔性接触，最大程度避免了板材受外作用力下的不可控变形。
2、本发明创新性的提出了一种基于机械臂的无模具金属渐进成型方法及系统，把纹理从闭合曲线单圈叠加，修改为连续的螺旋曲线，仅保留最外圈和最内圈的闭合曲线保证形状的完整，内部均为完整的一条向内盘旋的螺旋曲线，最大程度避免了刀头的起落次数。
3、本发明创新性的提出了一种基于机械臂的无模具金属渐进成型方法及系统，在螺旋加工线的转角处进行倒角处理，防止冲压工具同铝板在行进过程中的板材变形和工装的位移。
4、本发明创新性的提出了一种基于机械臂的无模具金属渐进成型方法及系统，实现了柔性正向生产，无需开模，可实现单块板定制不同纹理，缩短了生产周期，免去了制模费用，减少了生产成本，极大的降低了碳排放。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的轮廓线和等高线示意图；
图2为本发明实施例1提供的等高线炸开示意图；
图3为本发明实施例1提供的删除第N组线示意图；
图4为本发明实施例1提供的螺旋线示意图；
图5为本发明实施例1提供的倒圆角示意图；
图6为本发明实施例1提供的封闭曲线示意图；
图7为本发明实施例1提供的生成控制点后的示意图；
图8为本发明实施例1提供的下刀和收刀示意图；
图9为本发明实施例3提供的基于机械臂的无模具金属渐进成型系统示意图；
其中，1-形变机械臂；2-切割机械臂；3-球形形变工具；4-法兰；5-主轴；6-雕铣刀；7-625*625mm工装；8-金属板；9-1250*1250mm工装。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
本发明实施例1提供了一种基于机械臂的无模具金属渐进成型方法，通过将金属材料逐步加工成最终形状，消除了一次性成型中的复杂工具和步骤；通过逐步形成和控制加工参数，金属渐进成型技术能够降低材料浪费；此外，该技术还可以适应各种复杂形状和内部结构的金属零件的制造需求；本发明通过计算机程序指令操作机械臂对金属板材进行加工，实现了柔性正向生产，无需开模，可实现单块板定制不同纹理，缩短生产周期，免去了制模费用，减少了生产成本，极大的降低了碳排放。
具体的，包括以下过程：
S1：加工策略设定。
作为机械臂控制系统，在编程控制平台设计了一套成熟的加工控制策略，可控制机械臂刀头的下刀收刀位置、运动路径、力度和速度，从而满足规定纹理的制作，具体的，包括：
S1.1：当非标定制化3D金属造型板设计完成后，将板材图纸输入进程序；
S1.2：确定这个面板的平面方向(X轴和Y轴)和凹凸方向(Z轴)，在XY面上确定板子的边缘轮廓线，在轮廓线位置向Z轴方向推出类似角铁的形变结构，以维持造型内部的铝板平整，减少后期加工过程中设计板子内部的不可控形变；
S1.3：在Z轴的定义一个方向单位，根据造型需求，选取2mm、3mm或者4mm等不同间距，生成等高线，如图1所示；
S1.4：炸开等高线，生成N组线，如图2所示；
S1.5：其中第1组至第(N-1)组线保持不变，第N组线删除，如图3所示，以N等于4为例；
S1.6：用第1组线的起点和第(N-1)组线的终点依次进行错位相连，生成新的第N组线，将第1组至第N组线首尾相连，形成一条连续的螺旋线L，如图4所示；
S1.7：转角处进行半径为5mm至20mm的圆形倒角处理，目的是防止冲压工具同铝板在行进过程中的板材变形和工装的位移，如图5所示；
S1.8：在连续的螺旋3D线的起始端与终止端，分别增加一条闭合的封边曲线，为L1和L2，如图6所示；
S1.9：将L、L1、L2三条线分别等分成1mm(根据机械臂精度确定的数据)单元的多段线，根据线的长度L，生成了(L/1+1)个的控制点，提取起始段的数个点和末端的数个点，生成Z向反方向的两条贝塞尔曲线，如图7所示，即生成刀头下刀和收刀的缓冲路径，与原曲线相连，形成完整的形变加工路线；
S1.10：将需要边缘外轮廓线根据金属雕铣刀的直径，向外偏移1/2刀直径的距离，同理生成点，即生成切割路径。
S2：加工预处理。
将金属板材固定在金属加工工作台上，并进行预处理，清洁、定位、涂抹润滑油，确保金属板材的稳定性和正确的定位以便后续加工。
S3：渐进加工。
S3.1：将路径生成以1mm为间距的数个点，如图8所示，将点数据转化成kuka机械臂可识别的KRL的语言，生成SRC文件，最后将文件导入KUKA设备；
S3.2：形变机械臂按照预设的路径和参数逐步加工金属板材，加工工具通过控制系统中的运动控制器控制，以精确的路径和速度进行移动；
S3.3：通过逐步的渐进加工，金属板材逐渐接近预定的最终形状。
S4：形状达成，进行切割。
当形变机械臂完成工作后，形变机械臂自动回到原点位置，另外一台切割机械臂开始工作进行切割工作，沿切割路径进行切割，加工过程结束，此时，定制化金属装饰板已经生产完成。
本发明可满足批量化定制生产，即使每块板材的纹理均不同，也可以在保证不增加成本、不增加生产周期的情况下，实现正向生产，这意味着可以根据建筑师和设计师的要求制造出独特的金属构件，满足建筑项目的个性化需求，例如，可以制造出具有特殊几何形状的装饰构件、艺术品和结构支撑件等。
本发明自带结构稳定性，其他生产加工工艺的异形板材，为了维持板材形状稳定往往需要背后加结构加强筋，但金属渐进成型技术利用了板材自身的延展性，机械臂生产结束后即具备自身的结构稳定性，经初步测算，可支撑一个成年男子身体重量(约80kg)而不变形、不回缩。
本发明降低了造价，传统模具的开模费用在几千元到几十万元人民币不等(根据尺寸、造型复杂程度、材质、制造工艺上下浮动)，加强筋费用200-400元/平方米，因金属渐进成型技术无需开模、无需结构加强筋，则可节省这两项费用，因此该技术可大大节约成本。
本发明降低了碳排放，在传统的工业生产中，制造大多数产品需要通过开发具有特定形状和尺寸的模具或模具进行成型，这些模具通常使用金属、木材和其他材料制成，并依赖于大量的机器及能源消耗来完成，因此碳排放量巨大，根据一些估算数据，一个金属模具生产过程的碳排放量的大致为100吨/吨金属(其中，材料开采和制备每吨金属产生数十到数百吨的二氧化碳排放；制造和加工过程每吨可能产生数十到数百吨的二氧化碳排放；运输和供应链环节的碳排放量取决于距离、运输方式和燃料效率等因素，具体的数据因情况而异，但它们碳排放量可能较小)。相比之下，无需开模加工技术可以直接将原材料挤压到指定的形状，而不需要使用花费资源的模具。
本发明可以通过减少材料浪费来提高建筑的节能性和可持续性，与传统的切割和焊接方法相比，该技术可以更有效地利用金属材料，减少废料的产生。此外，金属渐进成型技术还可以使用可再生和可回收的金属材料，进一步降低对环境的影响。因此，本发明提供的无模加工技术直接减少了对能源和其他资源的需求，从而减少了工业生产过程中的碳排放。
综上所述，本发明提供的金属渐进成型方案在建筑领域具有巨大的应用潜力，它可以改善建筑结构的设计灵活性、制造精度和性能，为建筑行业带来更多的创新和发展机会，这将有助于建筑师和设计师创造出更具创意和可持续性的建筑作品，并为建筑行业的发展带来新的可能性。
实施例2：
本发明实施例2提供了一种基于机械臂的无模具金属渐进成型系统，包括：
螺旋加工线生成单元，被配置为：根据待成型的形状生成金属面板上的螺旋加工线；
封边曲线生成单元，被配置为：在螺旋加工线的起始端与终止端，分别连接一条闭合的起始端封边曲线和终止端封边曲线；
缓冲路径生成单元，被配置为：将螺旋加工线、起始端封边曲线和终止端封边曲线分别均分成多个形变控制点，根据起始端封边曲线的多个起始点生成下刀用贝塞尔曲线缓冲路径，根据终止端封边曲线的多个终止点生成收刀用贝塞尔曲线缓冲路径；
渐进成型控制单元，被配置为：根据螺旋加工线、起始端封边曲线和终止端封边曲线的形变控制点，以及下刀用贝塞尔曲线缓冲路径和收刀用贝塞尔曲线缓冲路径，控制形变机械臂进行金属渐进成型加工。
还包括切割控制单元，被配置为：将需要的边缘外轮廓线根据金属雕铣刀的直径，向外偏移1/2刀直径的距离，生成切割路径，将切割路径均分成多个切割控制点，根据切割控制点，控制切割机械臂进行切割。
所述系统的各单元的工作方法与实施例1提供的基于机械臂的无模具金属渐进成型方法相同，这里不再赘述。
实施例3：
如图9所示，本发明实施例3提供了一种基于机械臂的无模具金属渐进成型系统，包括：形变机械臂1和切割机械臂2，形变机械臂1的末端连接有球形形变工具3，切割机械臂的末端连接有雕铣刀6(即切割刀具)，根据本发明实施例1所述的方法进行形变机械臂和切割机械臂的控制。
具体的，机械臂1的末端通过法兰和连接卡盘与球形形变工具3连接，切割机械臂2通过法兰4和雕刻主轴5与雕铣刀6连接，承载金属板8的工装包括625*625mm工装7和1250*1250mm工装两种，可满足实际生产的模数。
可选的，在其他一些实现方式中，形变机械臂1和切割机械臂2可以是一个，通过更换加工工具来实现形变控制和切割控制，加工工具是用于逐步加工金属材料的工具，它可以是刀具、模具或其他形式的加工装置，即在本发明中可以将机械臂更换不同的操作刀头来实现不同加工效果。
实施例4：
本发明实施例4提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明实施例1所述的基于机械臂的无模具金属渐进成型方法中的步骤。
实施例5：
本发明实施例5提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明实施例1所述的基于机械臂的无模具金属渐进成型方法中的步骤。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于机械臂的无模具金属渐进成型方法，其特征在于，包括以下过程：
根据待成型的形状生成金属面板上的螺旋加工线；
在螺旋加工线的起始端与终止端，分别连接一条闭合的起始端封边曲线和终止端封边曲线；
将螺旋加工线、起始端封边曲线和终止端封边曲线分别均分成多个形变控制点，根据起始端封边曲线的多个起始点生成下刀用贝塞尔曲线缓冲路径，根据终止端封边曲线的多个终止点生成收刀用贝塞尔曲线缓冲路径；
根据螺旋加工线、起始端封边曲线和终止端封边曲线的形变控制点，以及下刀用贝塞尔曲线缓冲路径和收刀用贝塞尔曲线缓冲路径，控制形变机械臂进行金属渐进成型加工。
2.如权利要求1所述的基于机械臂的无模具金属渐进成型方法，其特征在于，
将需要的边缘外轮廓线根据金属雕铣刀的直径，向外偏移1/2刀直径的距离，生成切割路径，将切割路径均分成多个切割控制点，根据切割控制点，控制切割机械臂进行切割。
3.如权利要求1所述的基于机械臂的无模具金属渐进成型方法，其特征在于，根据待成型的形状生成金属面板上的螺旋加工线，包括：
以金属面板的平面方向构建X轴和Y轴方向，以垂直于平面方向为Z轴方向；
在Z轴方向定义一个方向单位，根据造型需求，选取间距，生成等高线，炸开等高线，生成N组线，其中第1组至第N-1组线保持不变，第N组线删除；
用第1组线的起点和第N-1组线的终点依次进行错位相连，生成新的第N组线，将第1组至第N组线首尾相连，形成一条连续的螺旋线。
4.如权利要求3所述的基于机械臂的无模具金属渐进成型方法，其特征在于，
螺旋加工线的转角位置倒圆角处理。
5.一种基于机械臂的无模具金属渐进成型系统，其特征在于，包括：
螺旋加工线生成单元，被配置为：根据待成型的形状生成金属面板上的螺旋加工线；
封边曲线生成单元，被配置为：在螺旋加工线的起始端与终止端，分别连接一条闭合的起始端封边曲线和终止端封边曲线；
缓冲路径生成单元，被配置为：将螺旋加工线、起始端封边曲线和终止端封边曲线分别均分成多个形变控制点，根据起始端封边曲线的多个起始点生成下刀用贝塞尔曲线缓冲路径，根据终止端封边曲线的多个终止点生成收刀用贝塞尔曲线缓冲路径；
渐进成型控制单元，被配置为：根据螺旋加工线、起始端封边曲线和终止端封边曲线的形变控制点，以及下刀用贝塞尔曲线缓冲路径和收刀用贝塞尔曲线缓冲路径，控制形变机械臂进行金属渐进成型加工。
6.如权利要求5所述的基于机械臂的无模具金属渐进成型系统，其特征在于，
还包括切割控制单元，被配置为：将需要的边缘外轮廓线根据金属雕铣刀的直径，向外偏移1/2刀直径的距离，生成切割路径，将切割路径均分成多个切割控制点，根据切割控制点，控制切割机械臂进行切割。
7.如权利要求5所述的基于机械臂的无模具金属渐进成型系统，其特征在于，
螺旋加工线生成单元中，根据待成型的形状生成金属面板上的螺旋加工线，包括：
以金属面板的平面方向构建X轴和Y轴方向，以垂直于平面方向为Z轴方向；
在Z轴方向定义一个方向单位，根据造型需求，选取间距，生成等高线，炸开等高线，生成N组线，其中第1组至第N-1组线保持不变，第N组线删除；
用第1组线的起点和第N-1组线的终点依次进行错位相连，生成新的第N组线，将第1组至第N组线首尾相连，形成一条连续的螺旋线。
8.一种基于机械臂的无模具金属渐进成型系统，其特征在于，
包括：形变机械臂和切割机械臂，形变机械臂的末端连接有形变工具，切割机械臂的末端连接有切割刀具；
根据权利要求1-4任一项所述的方法进行形变机械臂的控制，根据权利要求2所述的方法进行切割机械臂的控制。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的基于机械臂的无模具金属渐进成型方法中的步骤。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-4任一项所述的基于机械臂的无模具金属渐进成型方法中的步骤。
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2023
- 2023-07-26 CN CN202310927205.3A patent/CN116985125B/zh active Active
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