CN1281354C - 基于进给力控制的双轴柔性滚弯机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用测力传感器将刚性轴和弹性轮两轴间的实际挤压力反馈给机床控制系统，控制系统又以该挤压力为基础对工件的滚弯过程进行控制，可实现精确成形和滚弯曲率连续变化及非连续变化双重功能的基于进给力控制双轴柔性滚弯机，包括机架(1)、主动辊轮(2)、从动辊轮(3)，主动辊轮(2)、从动辊轮(3)与机架(1)相连，主动轮(2)与主动辊轮驱动装置(16)相连，从动辊轮(3)与纵向驱动装置(21)相连，被加工工件(20)位于主动辊轮(2)和从动辊轮(3)之间并在其共同作用下弯曲成形，其特征是所述的主动辊轮(2)由刚性芯轴和包覆在刚性芯轴上的弹性体组成；在连接从动辊轮(3)和纵向驱动装置(21)的连接件(14)上安装有测力传感器(15)。

Description

基于进给力控制的双轴柔性滚弯机

技术领域

本发明涉及一种截面为圆形、外凸非圆形形状的管件、筒件成型设备，具体地说是一种基于进给力控制的双轴柔性滚弯机。

背景技术

众所周知，飞机上有成千上万个安装孔，其加工质量直接关系到飞行的安全性。近年来，为了提高飞机的疲劳寿命，飞机制造商发明了采用带开缝衬套的冷挤压工艺技术对这些孔进行挤压强化。而开缝衬套所采用的材料均为特种不锈钢材料，制造十分困难，传统的滚弯技术无法保证其制造精度，目前只有少数国家能够制造这种特种不锈钢衬套，而我国则主要依靠进口来解决这一难题。

此外，在导弹制造中，随着对飞行速度和制导精度要求的提高，对使用材料的比强度要求很高且要求是薄壁结构，而对这种薄壁舱壳主体圆筒采用切削加工或传统的滚弯技术均无法保证所需的制造精度。

为了解决上述问题，人们一般采用柔性滚弯技术来加以实现，即使待成形材料通过一个由刚性滚轴和弹性滚轴组成的辊轮组，刚性滚轴紧压在待成形材料(特种不锈钢板材)上，使其产生变形，弹性滚轴在驱动装置的带动下带动特种不锈钢板材移动，从而使不锈钢板材形成所需要的曲面，控制刚性滚轴的进给量(弹性滚轴的压缩变形量)即可控制曲面的曲率半径。但这种制造方法由于大弹性轮弹性体是采用聚氨脂材料制造的，在制造过程中存在不均匀现象，同时在使用一段时间后，会出现老化现象，这样就会导致弹性轮工作部分在轴向存在材料的不均匀性。而采用进给量控制时，会出现虽然两轴间压缩量在轴向是一致的，但工作在轴向受力并不相同，导致成形工作存在弯曲曲率的差异性，废品率很高，同时也严重影响工作截面的成形精度。

发明内容

本发明的目的是设计一种利用测力传感器将刚性轴和弹性轮两轴间的实际挤压力反馈给机床控制系统，控制系统又以该挤压力为基础对工件的滚弯过程进行控制，可实现精确成形和滚弯曲率连续变化及非连续变化双重功能的双轴柔性滚弯机。

本发明的技术方案是：

一种基于进给力控制的双轴柔性滚弯机，包括机架1、主动辊轮2、从动辊轮3，主动辊轮2与机架1相连，主动轮2与主动辊轮驱动装置16相连，从动辊轮3与纵向驱动装置21相连，被加工工件20位于主动辊轮2和从动辊轮3之间并在其共同作用下弯曲成形，其特征是所述的主动辊轮2由刚性芯轴和包覆在刚性芯轴上的弹性体组成；从动辊轮3的一端安装在纵向驱动装置21中的支撑件4上，支撑件4与滑块13的一端相连，在从动辊轮3和滑块13的另一端之间设有连接件14，连接件14上安装有可用来控制从动辊轮3进给量的测力传感器15。

本发明还采取了以下技术措施：

从动辊轮3由轴芯18和套筒19相连而成，套筒19套装在轴芯18上。轴芯18和套筒19可通过花键或销轴相连。

套筒19的内径不变，其厚度成系列化。

上述的纵向驱动装置21包括导轴6、滑块13、丝杠11、丝杠螺母12、支撑件4、连接件14，支撑件4和连接件14的一端与从动辊轮3相连，它们的另一端与滑块13相连，测力传感器15安装在连接件14上；滑块13的二端支承在导轨6中，丝杠11支承在丝杠支撑10中，其下端与安装在位于滑块13和丝杠支撑10之间的丝杠11上的丝杠螺母12相螺接，其上端或与驱动电机直接相连，或与由电机8、减速器7、联轴器9组成的减速装置的输出端相连。

在丝杠支撑10和滑块13的下部安装有行程开关5，以防止丝杠螺母12越程而使滚珠散落。

包覆在主动辊轮2的刚性芯轴上的弹性体可为聚氨脂，在弹性体的两端各安装有一个挡板17，以防止弹性体在工作过程中出现因轴间挤压力的作用而产生弹性体向主动辊轮2两端流动现象的发生。刚性芯轴可与主动辊轮驱动装置16相连，主动辊轮驱动装置16可采用电机直接驱动，也可为由电机、减速装置等组成的驱动装置。

本发明的有益效果：

1、通过对现有柔性挤压设备的改进解决了特种不锈钢材料的曲面成形问题，且具有控制简单、易行、精度高、成品率高的特点，可解决高精度特种不锈钢管形衬套长期以来依赖进口的问题，有利于提高相关产品的国际竞争力。

2、可用于各种连续变化曲面和非连续变化曲面的加工，截面精度和轴向一致性好。

3、结构简单，易于实现，应用范围广。

4、既可用于特种材料的曲面管形件的成形，也可用于普通材料的曲面管形件的成形，为普通材料的高精加工提供了更为理想的设备，可提高其制造精度，降低生产成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的从动辊轴3的结构示意图。

图3是本发明的曲面成形原理示意图。

图4是本发明的电气控制系统原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示。

一种基于进给力控制的双轴柔性滚弯机，包括机架1、主动辊轮2、从动辊轮3，主动辊轮2与机架1相连，主动轮2与主动辊轮驱动装置16相连，从动辊轮3与纵向驱动装置21相连，纵向驱动装置21和机架1均安装在机壳22中，被加工工件20位于主动辊轮2和从动辊轮3之间并在其共同作用下弯曲成形，主动辊轮2由刚性芯轴和包覆在刚性芯轴上的弹性体组成；从动辊轮3的一端安装在纵向驱动装置21中的支撑件4上，支撑件4与滑块13的一端相连，在从动辊轮3和滑块13的另一端之间设有连接件14，连接件14上安装有可用来控制从动辊轮3进给量的测力传感器15。

上述的纵向驱动装置21包括导轴6、滑块13、丝杠11、丝杠螺母12、支撑件4、连接件14，支撑件4和连接件14的一端与从动辊轮3相连，它们的另一端与滑块13相连，测力传感器15安装在连接件14上；滑块13的二端支承在导轨6中，丝杠11支承在丝杠支撑10中，其下端与安装在位于滑块13和丝杠支撑10之间的丝杠11上的丝杠螺母12相螺接，其上端或与驱动电机直接相连，或与由电机8、减速器7、联轴器9组成的减速装置的输出端相连。

本实施例的基于进给力控制的双轴柔性滚弯机为立式结构，主动辊轮2位于从动辊轮3的下方，从动辊轮3为刚性轴，材料为Cr12，热处理至HRC56。主动辊轮2为由刚性芯轴和包覆在刚性芯轴上的弹性体组成的弹性轴。从动辊轮3在驱动装置21的驱动下可以实现上下往复运动。测力传感器15可采用应变式传感器，由弹性元件和为敏感元件的应变片构成，测力传感器15检测到的信号经常规的滤波电路、放大电路和A/D转换电路处理后被送到计算机中，计算机在软件的控制下对其进行分析、运算后发出指令驱动电机控制板材的送料速度并控制主动辊轮2与从动辊轮3之间的挤压力的大小。

为适于加工不同曲率范围的工件，本实施例的从动辊轮3设计成由轴芯18和套筒19相连而成的结构，套筒19的内径不变，其厚度成系列化，套筒19套装在轴芯18上，套筒19的外径即为刚性轴(从动辊轮3)的工作外径，轴芯18和套筒19周向固定可通过花键或销轴加以实现，当需要加工不同曲率的工件，只要选择相应外径的套筒19即可，而套筒19与轴芯18的连接相对比较简单、快捷，这样即可实现刚性轴直径的系列化。

本实施例的从动辊轮3由纵向驱动装置21驱动，它包括导轴6、滑块13、丝杠11、丝杠螺母12、支撑件4、连接件14，支撑件4和连接件14的一端与从动辊轮3相连，它们的另一端与滑块13相连，连接件14可以在滑块13的一端中滑动，使被加工工件20可以从从动辊轮3上方便地取出，并对刚性轴(从动辊轮3)起到一定的支撑作用，提高刚性轴的刚度，测力传感器15安装在连接件14上，它由弹性元件和为敏感元件的应变片组成，应变片贴在弹性元件中构成整体的传感器，当连接件14受力产生变形时，弹性元件与应变片也同时发生变形，进而产生一个与挤压力相对应的模拟信号，该模拟信号经常规的滤波电路、放大电路和A/D转换电路处理后被送到计算机中；滑块13的二端支承在导轨6中，丝杠11支承在丝杠支撑10中，其下端与安装在位于滑块13和丝杠支撑10之间的丝杠11上的丝杠螺母12相螺接并穿过滑块13，其上端或与驱动电机直接相连，或与由电机8、减速器7、联轴器9组成的减速装置的输出端相连，丝杠11带动丝杠螺母12上下移动，丝杠螺母12带动滑块13在导轨6中滑动，可以实现从动辊轮3的上下平稳运动。在丝杠支撑10和滑块13的下部安装有行程开关5，以防止丝杠螺母12越程而使滚珠散落。

本实施例的纵向驱动装置21与计算机控制系统相连后即可实现伺服驱动，从而使得本发明的工件的成形精度可得到有效的保证。由于控制量相对较少，因此相应的计算机控制系统也比较简单，易于实现。

包覆在主动辊轮2的刚性芯轴上的弹性体可采用优质聚氨脂制造，其特点是弹性大、具有很好的耐磨性和抗腐蚀性能，为提高弹性体对刚性芯轴的包覆性，可在刚性芯轴的周边铣槽后将弹性体压入到刚性芯轴上，再在车床上加工得到需要的弹性层厚度，并在弹性体的二端各安装一个挡板17，以防止弹性体在工作过程中出现因轴间挤压力的作用而产生弹性体向主动辊轮2两端流动现象的发生。主动辊轮2安装在机架1上，将其刚性芯轴直接与电机16相连。

本发明的工作原理和过程为：

本发明的工件成形原理如图3所示。它依靠从动辊轮3对主动辊轮2的挤压来使工件20弯曲成形，在滚弯工件送料过程中保持两个辊轮之间的挤压力不变，就可以得到横截面上各点曲率半径都相同的圆截面工件20。

同样地，利用计算机伺服控制技术可在工件20送料过程中连续或间断地调整两辊轮轴间的挤压量，就可以得到横截面上各点曲率发生连续变化或间断性变化的非圆截面管工件。它是双轴柔性滚弯原理与数控系统的完美结合，是利用刚性轴对大弹性轮实时变化的挤压来成形的。该数控系统是一个相对简单的由刚性轴的直线运动和弹性轮的旋转运动组成的两轴联动系统，其规律可通过相关的建模过程加以确定，该模型可以给出工件在被送料到某一点时所需的两轴间的理想挤压力值，而工件送料的位置是大弹性轮转角的函数，即该模型可建立大弹性轮转角与挤压力值的关系，其整个建模过程比较简单，本发明不再详细叙述。

本发明的电气控制系统原理框图如图4所示。

本发明的主控部分由微型计算机完成，在相关软件的控制下，它可自动完成上述的挤压力值与弹性轮转角之间的控制模型的建立、对步进电机脉冲指令的发送、测力传感器信号及行程开关信号的检测、分析和系统控制等功能，计算机对步进电机8、16的控制和对行程开关5输入信号的检测可通过数控板CNC-A-V14加以实现，对测力传感器15的信号检测通过PCL818HG高增益DAS卡实现，控制过程如下：

(1)根据所需成形工件的管件截面特征，利用双轴柔性滚弯分析理论建立大弹性轮(主动辊轮2)转角与两轴挤压力的解析方程，即建立柔性滚弯自动控制模型。

(2)对自动控制模型进行数控插补得到工件送料至某点的理想挤压力数值。根据插补结果，计算机发指令驱动电机16带动大弹性轮(主动辊轮2)送料至工件某点，同时发指令驱动电机8和相应的伺服系统，带动刚性轴(从动辊轮3)平衡地向大弹性轮方向运动，与此同时，计算机检测两轴间实际挤压力的大小，并与理论值进行比较，根据比较结果给电机8发布指令，带动刚性轴(从动辊轮3)前进或后退，当达到理想挤压力数值时，开始滚弯(即主动辊轮2开始动作)。

Claims (4)

1、一种基于进给力控制的双轴柔性滚弯机，包括机架(1)、主动辊轮(2)和从动辊轮(3)，主动辊轮(2)与机架(1)相连，主动辊轮(2)与主动辊轮驱动装置(16)相连，从动辊轮(3)与纵向驱动装置(21)相连，被加工工件(20)位于主动辊轮(2)和从动辊轮(3)之间并在其共同作用下弯曲成形，所述的主动辊轮(2)由刚性芯轴和包覆在刚性芯轴上的弹性体组成，其特征是：

a、从动辊轮(3)的一端安装在纵向驱动装置(21)中的支撑件(4)上，支撑件(4)与滑块(13)的一端相连，在从动辊轮(3)和滑块(13)的另一端之间设有连接件(14)，连接件(14)上安装有测力传感器(15)；

b、所述的纵向驱动装置(21)包括导轴(6)、滑块(13)、丝杠(11)、丝杠螺母(12)、支撑件(4)和连接件(14)，支撑件(4)和连接件(14)的一端与从动辊轮(3)相连，它们的另一端与滑块(13)相连，测力传感器(15)安装在连接件(14)上；滑块(13)的二端支承在导轨(6)中，丝杠(11)支承在丝杠支撑(10)中，其下端与安装在位于滑块(13)和丝杠支撑(10)之间的丝杠(11)上的丝杠螺母(12)相螺接，其上端或与驱动电机直接相连，或与由电机(8)、减速器(7)、联轴器(9)组成的减速装置的输出端相连。

2、根据权利要求1所述的基于进给力控制的双轴柔性滚弯机，其特征是所述的从动辊轮(3)由轴芯(18)和套筒(19)相连而成，套筒(19)套装在轴芯(18)上。

3、根据权利要求1所述的基于进给力控制的双轴柔性滚弯机，其特征是在丝杠支撑(10)和滑块(13)的下部安装有行程开关(5)。

4、根据权利要求1所述的基于进给力控制的双轴柔性滚弯机，其特征是所述的包覆在刚性芯轴上的弹性体为聚氨脂，在弹性体的二端各安装有一个挡板(17)，刚性芯轴与主动辊轮驱动装置(16)相连。

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