CN110180930A - 渐进式空间自由弯管成形机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种渐进式空间自由弯管成形机构，属于渐进先进制造技术领域。所述渐进式空间自由弯管成形机构包括床身、送料机构、导向机构、并联移动机构和并联偏转机构，其中：所述送料机构包括第一滚珠丝杠，所述第一滚珠丝杠上设有夹紧装置，所述夹紧装置上设有第一管件通道，所述导向机构上设有第二管件通道；所述并联移动机构包括动平台，所述动平台上设有圆形透孔，所述动平台与固定架之间设有第一运动传递支链；所述并联偏转机构包括偏转平台，所述偏转平台上设置有第三管道通道，所述偏转平台与动平台之间设有第二运动传递支链。本发明加工制造成本低，能够实现具有复杂空间轴线弯管的自由弯曲成形，且成形质量和效率较高。

Description

渐进式空间自由弯管成形机构
技术领域
本发明涉及渐进成形先进制造技术领域，特别是指一种渐进式空间自由弯管成形机构。
背景技术
由于管件结构具有较好的强度和刚度性能，并且同时具有较好的成形加工性能，因此复杂空间弯曲件在航空航天、核电、汽车、舰船、石化、建筑以及其他民用工业等诸多领域具有广泛的应用。近年来，随着技术的进步各个领域对金属弯曲件的要求也日益提高，弯曲件的形式已不局限在平面简单构型中，同一个弯曲件上所具有的弯曲半径数也逐渐增多，对传统的弯曲成形技术和装备形成了巨大的挑战。
传统的金属构件弯曲成形技术如弯压、拉弯、绕弯、推弯以及由上述基本工艺衍生出来的弯曲工艺等在弯曲变弯曲半径的弯管时需要根据弯曲半径不断更换弯曲模具，不仅开模成本高而且极大降低了生产效率。另外，采用以上传统弯管工艺弯曲空间弯时，空间弯的三维构型受到诸多限制，无法实现复杂金属工件的高精度弯曲成形，对于变弯曲半径、轴线为平面或空间曲线的复杂金属构件，以上传统弯管方法均无法实现一次性高精度成形。
综上，传统弯曲成形技术所能成形的弯曲件构型简单，不能加工复杂空间弯曲件，且需根据不同弯曲半径不断更换弯曲模，加工成形效率低、成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种渐进式空间自由弯管成形机构，其不需要更换弯曲模具，就可实现具有复杂轴线形状的空间弯管渐进自由弯曲成形，生产成本低、效率高。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一种渐进式空间自由弯管成形机构，包括床身、送料机构、导向机构、并联移动机构和并联偏转机构，其中：
所述送料机构包括设置在所述床身中部的第一滚珠丝杠，所述第一滚珠丝杠的一端插接在所述床身内，另一端延伸出所述床身的外部，所述导向机构设置在所述第一滚珠丝杠另一端的末端，所述第一滚珠丝杠上设置有夹紧装置，所述夹紧装置上设置有夹紧管件的第一管件通道，所述导向机构设置有第二管件通道；
所述并联移动机构包括设置在所述导向机构外侧的动平台，所述动平台上设置有圆形透孔，所述动平台与床身之间设置有可使所述动平台沿空间任意方向平移的第一运动传递支链；
所述并联偏转机构设置在所述动平台的外侧，所述并联偏转机构包括可使管件实现空间任意角度弯曲的偏转平台，所述偏转平台上设置有第三管道通道，所述偏转平台与动平台之间设置有可使所述偏转平台发生偏转的第二运动传递支链；
初始状态时所述第一管件通道、第二管件通道、圆形透孔和第三管件通道的轴线均在同一条直线上，所述导向机构和动平台的外侧端面平齐。
进一步的，所述第一运动传递支链包括3组并联的PUU运动支链，其中：
所述PUU运动支链包括设置在所述床身侧面的第二滚珠丝杠，所述第二滚珠丝杠的一端设置在所述床身上，另一端与所述导向机构连接，所述第二滚珠丝杠上设置有与所述第二滚珠丝杠相配合的移动滑块；
所述动平台与移动滑块之间设置有定长杆，所述定长杆的一端通过第一万向节与所述移动滑块连接，所述定长杆的另一端通过第二万向节与所述动平台连接。
进一步的，每组PUU运动支链设置有2个所述第二滚珠丝杠，所述移动滑块上设置有两个与所述第二滚珠丝杠相配合的螺孔。
进一步的，所述第二运动传递支链包括3组并联的RPS运动支链，其中：
所述RPS运动支链包括设置在所述偏转平台与动平台之间的第三滚珠丝杠，所述第三滚珠丝杠上设置有滑动杆；
所述第三滚珠丝杠的一端通过转动副与所述动平台连接，所述第三滚珠丝杠的另一端通过球副与所述偏转平台连接，所述球副包括设置在所述滑动杆端部的球头，所述偏转平台上设置有套接所述球头的球形凹槽。
进一步的，所述夹紧装置包括与所述第一滚珠丝杠相配合的推进滑块，所述推进滑块上设置有压紧块，所述推进滑块与压紧块通过螺栓固定连接，所述推进滑块和压紧块上均设置有用于安装管件的凹槽，所述推进滑块与压紧块上的组合后形成所述第一管件通道。
进一步的，所述导向机构内设置有可替换的用于套接管件的支撑套，所述偏转平台内设置有可替换的用于套接管件的弯曲套，所述支撑套和/或弯曲套的末端设置为弧面。
进一步的，所述床身上设置有支撑架，所述支撑架上设置有用于对所述推进滑块起导向作用的导轨。
进一步的，所述导向机构采用六棱柱。
本发明具有以下有益效果：
本发明的渐进式空间自由弯管成形机构采用多轴伺服联动控制技术与空心构件弯曲成形技术相结合，通过对成形模具的运动轨迹的控制实现复杂构件的弯曲成形，结构简单，操作方便。可以很容易地实现变曲率弯管、轴线形状复杂的空间弯管等的成形制造，大大提高了加工复杂弯曲构件的效率，有效地节省模具设计生产环节，降低生产成本，实现节能和设备的轻量化。
附图说明
图1为本发明的渐进式空间自由弯管成形机构的结构示意图；
图2为本发明的渐进式空间自由弯管成形机构的导向机构的结构示意图；
图3为本发明的渐进式空间自由弯管成形机构的并联偏转机构的结构示意图；
图4为实施例为空间S形弯管的结构示意图；
图5为本发明的渐进式空间自由弯管成形机构的管件弯曲成形原理的结构示意图；
图6—图7为本发明的渐进式空间自由弯管成形机构的加工空间S形弯管每步骤中并联移动机构和并联偏转机构对应的状态示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种渐进式空间自由弯管成形机构，如图1-7所示，包括床身1、送料机构2、导向机构3、并联移动机构4和并联偏转机构5，其中：
送料机构2包括设置在床身1中部的第一滚珠丝杠2-1，第一滚珠丝杠2-1的一端插接在床身1内，另一端延伸出床身1的外部，导向机构3设置在第一滚珠丝杠2-1另一端的末端，第一滚珠丝杠2-1上设置有夹紧装置，夹紧装置上设置有夹紧管件的第一管件通道，导向机构3上设置有第二管件通道3-1；
并联移动机构4包括设置在导向机构3外侧的动平台4-1，动平台4-1上设置有圆形透孔4-11，动平台4-1与床身1之间设置有可使动平台4-1沿空间任意方向平移的第一运动传递支链；
并联偏转机构5设置在动平台4-1的外侧，并联偏转机构5包括可使管件实现空间任意角度弯曲的偏转平台5-1，偏转平台5-1上设置有第三管道通道5-11，偏转平台5-1与动平台4-1之间设置有可使偏转平台5-1发生偏转的第二运动传递支链；
初始状态时第一管件通道、第二管件通道3-1、圆形透孔4-11和第三管件通道5-11的轴线均在同一条直线上，导向机构和动平台的外侧端面平齐。
本发明的渐进式空间自由弯管成形机构，包括床身、送料机构、导向机构、并联移动机构和并联偏转机构，其中，并联移动机构中的动平台在第一运动传递支链的作用下，可沿X轴、Y轴或Z轴方向移动，从而实现空间任意方向上的平移；并联偏转机构中的偏转平台一方面能够在动平台的作用下平移，另一方面能够在第二运动传递支链的作用下实现空间任意角度的偏转；在动平台和偏转平台的相互作用下可实现空间内不同偏移量和偏转角度的任意变换。在应用时，初始状态为第一管件通道、第二管件通道、圆形透孔和第三管件通道的轴线均在同一条直线上，导向机构和动平台的外侧端面(靠近偏转平台的一侧)平齐；首先将待加工管件嵌入夹紧装置的第一管件通道中，在第一滚珠丝杠输送作用下，待加工管件依次穿过导向机构的第二管件通道、动平台的圆形透孔，最后进入偏转平台的第三管件通道中；然后根据加工需要，通过驱动第一运动传递支链，调整动平台的偏移量，此时偏转平台在动平台的作用下同时平移，紧接着，通过驱动第二运动传递支链，调整偏转平台的偏转量，使得偏转平台的偏转角达到预设置；偏转平台位置确定后，弯头移动机构和弯头偏转机构固定不动，推进机构以一定速度将管件往前推进，即可加工出所需形状的管件。
综上，本发明的渐进式空间自由弯管成形机构采用多轴伺服联动控制技术与空心构件弯曲成形技术相结合，通过对成形模具的运动轨迹的控制实现复杂构件的弯曲成形，结构简单，操作方便。可以很容易地实现变曲率弯管、轴线形状复杂的空间弯管等的成形制造，大大提高了加工复杂弯曲构件的效率，有效地节省模具设计生产环节，降低生产成本，实现节能和设备的轻量化。
优选的，第一运动传递支链包括3组并联的PUU运动支链，其中：PUU运动支链包括设置在床身1侧面的第二滚珠丝杠4-2，第二滚珠丝杠4-2的一端设置在床身1上，另一端与导向机构3连接，第二滚珠丝杠4-2上设置有与第二滚珠丝杠4-2相配合的移动滑块4-3；动平台4-1与移动滑块4-3之间设置有定长杆4-4，定长杆4-4的一端通过第一万向节4-5与移动滑块4-3连接，定长杆4-4的另一端通过第二万向节4-6与动平台4-1连接。第二滚珠丝杠与移动滑块形成移动副P，第一万向节与第二万向节为两个U副，从而形成PUU运动支链；第二滚珠丝杠在电机的驱动作用下转动，带动移动滑块移动，定长杆在两端U副的作用下将移动滑块的移动转换化动平台在空间任意方向上的平移。
为了提高移动滑块动作的稳定性，保证本发明三渐进式空间自由弯管成形机构的负载能力，每组PUU运动支链设置有2个第二滚珠丝杠4-2，移动滑块4-3上设置有两个与第二滚珠丝杠4-2相配合的螺孔。
进一步的，第二运动传递支链包括3组并联的RPS运动支链，其中：RPS运动支链包括设置在偏转平台5-1与动平台4-1之间的第三滚珠丝杠5-2，第三滚珠丝杠5-2上设置有滑动杆5-3；第三滚珠丝杠5-2的一端通过转动副5-4与动平台4-1连接，第三滚珠丝杠5-2的另一端通过球副与偏转平台5-1连接，球副包括设置在滑动杆5-3端部的球头5-31，偏转平台5-1上设置有套接球头5-31的球形凹槽。第三滚珠丝杠与滑动杆形成移动副P、第三滚珠丝杆与动平台之间的转动副R和滑动杆末端的球头与偏转平台上的球形凹槽相配合形成球副S，形成RPS运动支链，偏转平台在3组并联的RPS运动支链的作用下可在空间变换不同的偏转角度。
进一步的，夹紧装置包括与第一滚珠丝杠2-1相配合的推进滑块2-2，推进滑块2-2上设置有压紧块2-3，推进滑块2-2与压紧块2-3通过螺栓固定连接，推进滑块2-2和压紧块2-3上均设置有用于安装管件的凹槽，推进滑块2-2与压紧块2-3上的凹槽组合后形成第一管件通道。在应用时，首先将待加工的管件放入推进滑块的凹槽中，然后将压紧块与推进滑块相配合，通过螺栓实现压紧块与推进滑块的固定连接，从而实现对待加工管件的压紧作用，将待加工管件压紧后，驱动第一滚珠丝杠转动，推进滑块在第一滚珠丝杠的作用下实现对待加工管件的输送。
作为本发明的一种改进，导向机构3内设置有可替换的用于套接管件的支撑套3-2，偏转平台5-1内设置有可替换的用于套接管件的弯曲套，支撑套3-2和/或弯曲套的末端设置为弧面3-21。通过更换不同直径的支撑套和弯曲套，可加工不同直径的管件，扩大本发明的适用范围；为了保证管件的加工精度和加工质量，将支撑套和/或弯曲套的末端设置为弧面。
本发明中，为了提高推进滑块运动的平稳性，保证管件的加工精度，床身1上设置有支撑架1-1，支撑架1-1上设置有用于对推进滑块2-2起导向作用的导轨。另外，固定模3采用六棱柱；本发明中的移动副均采用滚珠丝杠装置，能够满足管件在加工过程中的受力和刚度要求。
本发明的渐进式空间自由弯管成形机构可加工任意弯曲半径和弯曲角度的空间复杂弯曲管件，下面以将直径10mm、壁厚1mm的紫铜管加工成如图4所示的空间S形弯管(前半部分的弯曲半径R1为50mm，后半部分的弯曲半径R2为80mm，两次弯曲平面夹角α为30°)为例介绍本发明的动作过程：
首先以图5为例，介绍本发明中管件的弯曲变形原理，图中V为导向机构3与偏转平台5-1之间的距离，u为动平台4-1的偏移量，θ为偏转平台5-1的偏转角，Ψ为管件的弯曲角，R为管件的弯曲半径。其中，θ和管材的弯曲角Ψ无关，管材的弯曲角Ψ由管材往前输送的长度决定，管材往前输送长度越大则弯曲角Ψ越大。
步骤1：将待加工管件嵌入夹紧装置的第一管件通道中，在第一滚珠丝杠2-1输送作用下，待加工管件依次穿过导向机构3的第二管件通道3-1、动平台4-1的圆形透孔4-11，最后进入偏转平台5-1的第三管件通道5-11中；
步骤2：如图6所示，通过控制第一运动传递支链，使得导向机构3和偏转平台5-1间的距离v1为30mm，动平台4-1的偏移量u1为10mm，通过控制第二运动传递支链，使得偏转平台5-1在空间偏转36.89°(θ1)，偏转平台5-1位置确定后，并联移动机构4和并联偏转机构5固定不动，送料机构以一定速度将管件往前推进300mm，完成空间S形弯管前半部分的加工；
步骤3：如图7所示，通过控制第一运动传递支链，使得导向机构3和偏转平台5-1间的距离v2为50mm，动平台4-1的偏移量u2为17.55mm，通过控制第二运动传递支链，使得偏转平台5-1在空间偏转38.7°(θ2)(该角度是一个空间偏转的角度，具体地是绕X轴成30°夹角的轴偏转38.7°)，偏转平台5-1位置确定后，并联移动机构4和并联偏转机构5固定不动，送料机构以一定速度将管件往前推进500mm，完成空间S形弯管后半部分的加工；
步骤4：空间S形弯管加工完成后，并联移动机构和并联偏转机构复位。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种渐进式空间自由弯管成形机构，其特征在于，包括床身、送料机构、导向机构、并联移动机构和并联偏转机构，其中：
所述送料机构包括设置在所述床身中部的第一滚珠丝杠，所述第一滚珠丝杠的一端插接在所述床身内，另一端延伸出所述床身的外部，所述导向机构设置在所述第一滚珠丝杠另一端的末端，所述第一滚珠丝杠上设置有夹紧装置，所述夹紧装置上设置有夹紧管件的第一管件通道，所述导向机构上设置有第二管件通道；
所述并联移动机构包括设置在所述导向机构外侧的动平台，所述动平台上设置有圆形透孔，所述动平台与床身之间设置有可使所述动平台沿空间任意方向平移的第一运动传递支链；
所述并联偏转机构设置在所述动平台的外侧，所述并联偏转机构包括可使管件实现空间任意角度弯曲的偏转平台，所述偏转平台上设置有第三管道通道，所述偏转平台与动平台之间设置有可使所述偏转平台发生偏转的第二运动传递支链；
初始状态时所述第一管件通道、第二管件通道、圆形透孔和第三管件通道的轴线均在同一条直线上，所述导向机构和动平台的外侧端面平齐。
2.根据权利要求1所述的渐进式空间自由弯管成形机构，其特征在于，所述第一运动传递支链包括3组并联的PUU运动支链，其中：
所述PUU运动支链包括设置在所述床身侧面的第二滚珠丝杠，所述第二滚珠丝杠的一端设置在所述床身上，另一端与所述导向机构连接，所述第二滚珠丝杠上设置有与所述第二滚珠丝杠相配合的移动滑块；
所述动平台与移动滑块之间设置有定长杆，所述定长杆的一端通过第一万向节与所述移动滑块连接，所述定长杆的另一端通过第二万向节与所述动平台连接。
3.根据权利要求2所述的渐进式空间自由弯管成形机构，其特征在于，每组PUU运动支链设置有2个所述第二滚珠丝杠，所述移动滑块上设置有两个与所述第二滚珠丝杠相配合的螺孔。
4.根据权利要求1所述的渐进式空间自由弯管成形机构，其特征在于，所述第二运动传递支链包括3组并联的RPS运动支链，其中：
所述RPS运动支链包括设置在所述偏转平台与动平台之间的第三滚珠丝杠，所述第三滚珠丝杠上设置有滑动杆；
所述第三滚珠丝杠的一端通过转动副与所述动平台连接，所述第三滚珠丝杠的另一端通过球副与所述偏转平台连接，所述球副包括设置在所述滑动杆端部的球头，所述偏转平台上设置有套接所述球头的球形凹槽。
5.根据权利要求1所述的渐进式空间自由弯管成形机构，其特征在于，所述夹紧装置包括与所述第一滚珠丝杠相配合的推进滑块，所述推进滑块上设置有压紧块，所述推进滑块与压紧块通过螺栓固定连接，所述推进滑块和压紧块上均设置有用于安装管件的凹槽，所述推进滑块与压紧块上的组合后形成所述第一管件通道。
6.根据权利要求1-5中任一所述的渐进式空间自由弯管成形机构，其特征在于，所述导向机构内设置有可替换的用于套接管件的支撑套，所述偏转平台内设置有可替换的用于套接管件的弯曲套，所述支撑套和/或弯曲套的末端设置为弧面。
7.根据权利要求6所述的渐进式空间自由弯管成形机构，其特征在于，所述床身上设置有支撑架，所述支撑架上设置有用于对所述推进滑块起导向作用的导轨。
8.根据权利要求7所述的渐进式空间自由弯管成形机构，其特征在于，所述导向机构采用六棱柱。
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