CN114570807B - 一种基于芯棒旋转的六轴弯曲装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于芯棒旋转的六轴弯曲装置及方法。建立了单方向转动的芯棒，应用于三维自由弯曲六轴设备弯曲空间轨迹管材的场景中，建立了弯曲模偏转装置的空间位置参数与偏转参数同芯棒沿轴线方向旋转的角度参数之间的几何参数模型。在管材弯曲成形过程中能够对内壁起到支撑作用，可有效降低薄壁管材的起皱倾向，抑制管材的截面变形，并防止壁厚过度减薄，可保证管材的成形质量和服役性能。使用单方向弯曲的芯棒可以有效解决万向芯棒无法实现对管材弯曲成形较小弯曲半径情况下的支撑作用；而通过算法实现芯棒可弯曲方向沿轴线方向旋转至弯曲所需方向，可以有效解决单方向弯曲的芯棒弯曲方向单一的问题。

Description

一种基于芯棒旋转的六轴弯曲装置及方法

技术领域

本发明属于一种基于芯棒旋转的六轴弯曲装置及方法，属于塑性加工成形领域。

背景技术

复杂构件的三维自由弯曲***则能实现管材、型材、线材在各种弯曲半径条件下的高精度无模成形，对传统金属弯曲成形技术形成了巨大的挑战，是塑性成形领域的公认的一种重要技术创新。相比于原有的三维自由弯曲三轴机，三维自由弯曲六轴机多了两个轴，自由度更大。六轴自由弯管机除了可以实现X，Y，Z向运动之外，还可以实现弯曲模绕着自身轴线转动角度δ，以及弯曲模绕着自身轴线转动角度γ，可在弯曲过程中实现轴线扭曲弯制。

六轴机设备能够实现空间连续变曲率构件的三维自由成形，由于六轴机的弯曲模具有更高的自由度，因此它在成形小弯曲半径的管材具有较高的优势。但当成形薄壁管材时，管材的成形质量控制是一项突出难题，当工艺参数的选择和模具结构设计不合理时，弯曲段外侧壁厚减薄较大，内侧易发生起皱现象。因此，在管材截面畸变严重时，需要在弯曲模与导向机构之间设置芯棒，以减小弯曲变形区内管材的截面畸变程度与壁厚减薄量。对于大口径薄壁管及异形截面坯料，也通常需要利用芯棒辅助成形。

目前市面上比较普及的一种万向旋转芯棒原理是运用中间球体作为活动关节链接后起到万向旋转的作用，但当弯曲半径过小时相邻芯球容易出现干涉现象。因此本发明采用一种只能向单方向弯曲的芯棒，由于在可弯曲方向的芯球内侧，芯球的厚度相对比较低，因此在成形小弯曲半径管材时可相对有效避免芯球发生干涉，但由于该种芯棒只能向一个方向成形，不能满足六轴机实际成形需要。因此本发明设计了一种配合六轴弯曲模以旋转芯棒的方法。

发明内容

本发明针对单方向可弯曲芯棒只能向一个方向弯曲的不足，提出了一种基于芯棒旋转的六轴弯曲装置及方法：

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于芯棒旋转的六轴弯曲装置，包括用于对成型管材进行弯曲的弯曲模和用于对成型管材进行引导的导向机构，所述导向机构设置在固定座上，所述固定座上滑动设有一个Z向滑台，所述Z向滑台上设有用于推动成型管材穿过弯曲模的管材推动机构，所述Z向滑台连接用于带动其滑动的Z向滑轴，所述Z向滑轴连接用于带动其转动的Z轴推进电机，进而推动成型管材沿着Z向滑轴推进。

还包括可单向弯曲的芯棒，所述芯棒穿入管材推进机构和成型管材内部并延伸至位于弯曲模中心到导向机构前端的管材塑性变形区，芯棒通过芯棒推杆带动沿着成型管材向前运动，所述芯棒推杆由芯棒推杆旋转电机控制绕Z轴轴线旋转，芯棒推杆通过管材推进机构使其内置于管材中；

根据成型管材所需要的弯曲方向，芯棒推杆旋转电机通过带动芯棒推杆旋转，使得芯棒的可弯曲方向从初始的可弯曲方向沿着Y轴正向旋转角度β，使芯棒的可弯曲方向与管材弯曲方向一致；

由于在可弯曲方向的芯球内侧，芯球的厚度相对比较低，因此在成形小弯曲半径管材时可相对有效避免芯球发生干涉；

所述芯棒由三节芯球，一个芯球柄组成，不同芯球之间通过芯球连接轴与插销两端的链片链接，芯球可以绕插销及连接轴转动，由于每个芯球可弯曲方向的厚度比较薄，因此单方向可弯曲的芯棒可以保证弯曲过程中有更小的弯曲半径。

作为本发明进一步的方案：芯棒推杆通过螺栓直接与芯棒推杆旋转电机的旋转中心轴相连接，沿轴线旋转角度可以通过电机精密调节。

一种基于芯棒旋转的六轴弯曲装置的弯曲方法，包括以下步骤：

第一步：已知芯棒的旋转角度，导向机构到弯曲模距离A与偏心距U，可以由此推导出弯曲模绕X和Y方向的转角α与θ，并由此得出弯曲模在空间中的角度变换γ；

第二步：规定芯棒初始可弯曲方向为Y轴正向，即为

方向，显然可得弯曲时芯棒初始可弯曲方向已旋转至

方向，可知此时芯棒旋转角度β＝∠BDF；

第三步：根据导向机构到弯曲模距离A与弯曲模偏转角在YOZ平面上的分量θ，可推导出

再结合BF＝U_x，可推导出弯曲模中心到导向机构前端的直线距离，

第四步：根据芯棒旋转角度β＝∠BDF，可推导出：

第五步：根据空间位置关系，结合建立的数学模型几何关系，可以将弯曲模分别在X轴方向和Y轴方向的偏移距离表示为：

第六步：弯曲模偏转角在XOZ平面上的分量α可表示为：

则弯曲模沿轴线方向偏转角度为：

第七步：该弯曲段弯曲结束，弯曲模位置回到D点，芯棒沿轴线方向旋转β角度，使其可弯曲方向朝向Y轴正方向；

其中：参数包括：六轴机导向机构前端到弯曲模的距离A，X向弯曲模的位移U_x，Y向弯曲模的位移U_y；与弯曲模偏转装置的偏转参数包括：弯曲模沿其自身轴线方向的偏转角度γ，弯曲模的偏转角度向Z-X平面的分解角度α，弯曲模的偏转角度向Z-Y平面的分解角度θ；以及芯棒沿轴线方向旋转的角度参数包括：芯棒沿其轴线方向的旋转角度β；

OD＝A；OE＝BD＝FA＝U_y；OC＝AD＝U_x；∠DOA＝α；∠DOB＝θ；∠FOA＝γ；

O点空间坐标(0,0,0)；E点空间坐标(0,U_y,0)；

D点空间坐标(0,0,A)；B点空间坐标(0,U_y,A)；C点空间坐标(U_x,0,0)；

联立F点空间坐标(U_x,U_y,A)；A点空间坐标(U_x,0,A)：

有益效果：

1.本发明通过使用单方向可弯曲的芯棒，有效解决了三维自由弯曲六轴机设备在成形空间小弯曲半径连续变曲率管材时弯曲段外侧壁厚减薄较大，内侧易发生起皱现象，管材截面畸变严重，管材成形质量难以保证的难题。达到了减小弯曲缺陷的作用，提高了该种情况下的成形质量。

2.本发明提供的工艺算法，通过实现单方向可弯曲的芯棒配合六轴机弯曲模的偏转，沿其自身轴线方向旋转至管材成形方向，有效规避了单方向可弯曲的芯棒成形方向单一，无法满足三维自由弯曲六轴机设备在空间中成形连续变曲率构件的要求。

3.本发明提供的工艺解析算法简单可行，生产效率高，在实际生产中具有重要的工程应用价值和明显的经济效益。

附图说明

图1为本发明中芯棒数学几何模型示意图；

图2为本发明结构示意图；

图3-1为本发明中芯棒的正视图；

图3-2为本发明中芯棒的俯视图；

图3-3为本发明中芯棒的剖视图；

图4为实例成形管材示意图；

其中：弯曲模1、单向可弯曲的芯棒2、导向机构3、Z轴推进电机4、Z向滑轴5、成型管材6、管材推进机构7、Z向滑台8、芯棒推杆9、芯棒推杆旋转电机10。

具体实施方式

以下结合六轴机两个连续弯曲弧段的具体实施例，对本发明进行详细说明。

参考图2，一种基于芯棒旋转的六轴弯曲装置，该弯曲装置包括弯曲模1、单向可弯曲的芯棒2、导向机构3、Z轴推进电机4、Z向滑轴5、成型管材6、管材推进机构7、Z向滑台8、芯棒推杆9、芯棒推杆旋转电机10。单向可弯曲的芯棒2通过芯棒推杆9带动沿着管材向前运动，以及绕Z轴线旋转。芯棒推杆9由芯棒推杆旋转电机10控制绕Z轴轴线旋转。芯棒推杆9通过管材推进机构7使其内置于管材中。管材推进机构7通过螺栓连接在Z向滑台8上。Z向滑台8通过Z轴推进电机4控制推进成型管材6沿着Z向滑轴5推进。

单向可弯曲的芯棒通过其芯球柄的内螺纹与芯棒推杆前端的外螺纹连接，通过芯棒推杆将芯棒推进至导向机构前端至弯曲模中心的位置。弯曲前需要将单方向可弯曲的芯棒的可弯曲方向旋转至Y轴正向归位。

单方向可弯曲的芯棒2尾端连接着穿过管材推进机构7的芯棒推杆9前端内置于管材中，其位置位于弯曲模1中心到导向机构3前端的管材塑性变形区。弯曲模从初始位置D(初始位置偏心距为0，初始仰角为0)，分别沿X轴向与Y轴向运动U_x与U_y的距离，至空间的F点。根据管材6所需要的弯曲方向，在芯棒推杆旋转电机10通过带动芯棒推杆9旋转，使得芯棒2的可弯曲方向从初始的可弯曲方向沿着Y轴正向旋转角度β，使芯棒的可弯曲方向与管材弯曲方向一致。

具体的使用单方向可弯曲的芯棒，在三维自由弯曲六轴机设备上弯曲连续变曲率的弧段的芯棒和弯曲模的配合工艺解析步骤如下：

第一步：将成形管材6穿过弯曲模1与导向机构3，管材尾端与管材推进机构7相连接，然后如图2通过芯棒推杆9将芯棒2推进至导向机构3前端至弯曲模1中心的位置，并将单方向可弯曲的芯棒2的可弯曲方向旋转至Y轴正向归位。

第二步：管材推进机构7将管材6按照一恒定速度沿Z轴正向推进，成形了如图4中4-1的直段。

第三步：管材推进机构7继续将管材6按照恒定速度沿Z轴正向推进，同时弯曲模分别向X向,Y向移动

的距离，单方向可弯曲的芯棒2通过芯棒推杆旋转电机10带动芯棒推杆9沿Z轴轴线方向旋转角度β₁，与此同时弯曲模配合单方向可弯曲的芯棒2的旋转，沿自身轴线偏转角度γ₁。其中单方向可弯曲的芯棒2通沿Z轴轴线方向旋转角度β₁与弯曲模偏转角度γ₁之间的配合关系如下：

已知芯棒的旋转角度，导向机构到弯曲模距离A＝60mm与偏心距

可知此时芯棒旋转角度

根据导向机构到弯曲模距离A与弯曲模偏转角在YOZ平面上的分量θ₁，可推导出

再结合

可推导出弯曲模中心到导向机构前端的直线距离，

根据空间位置关系，结合建立的数学模型几何关系，可以将弯曲模分别在X轴方向和Y轴方向的偏移距离表示为：

弯曲模偏转角在XOZ平面上的分量α₁可表示为：

则弯曲模沿轴线方向偏转角度为：

第一个弯曲段成形完成如图4中4-2。

开始成形第二个弯曲段，管材推进机构7继续将管材6按照恒定速度沿Z轴正向推进，同时弯曲模分别向X向,Y向移动至

的距离，单方向可弯曲的芯棒2通过芯棒推杆旋转电机10带动芯棒推杆9沿Z轴轴线方向旋转角度β₂，与此同时弯曲模配合单方向可弯曲的芯棒2的旋转，沿自身轴线偏转角度γ₂。其中单方向可弯曲的芯棒2通沿Z轴轴线方向旋转角度β₂与弯曲模偏转角度γ₂之间的配合关系如下：

已知芯棒的旋转角度，导向机构到弯曲模距离A＝60mm与偏心距

此时芯棒与Y轴正向的偏转角度β₃，弯曲模以初始位置为参考时偏转角度为γ₃；

可知此时芯棒与Y轴正向的偏转角度

根据导向机构到弯曲模距离A与弯曲模偏转角在YOZ平面上的分量θ₂，可推导出

再结合

可推导出弯曲模中心到导向机构前端的直线距离，

根据空间位置关系，结合建立的数学模型几何关系，可以将弯曲模分别在X轴方向和Y轴方向的偏移距离表示为：

弯曲模偏转角在XOZ平面上的分量α₂可表示为：

则弯曲模沿轴线方向偏转角度为：

此时单方向可弯曲的芯棒2通沿Z轴轴线方向旋转角度β₂＝β₃-β₁＝-90°与弯曲模偏转角度γ₂＝γ₃-γ₁＝3.47°。第二个弯曲段成形完成如图4中4-3。

最终成形的连续变曲率的弧段如图4所示。

应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于芯棒旋转的六轴弯曲装置，包括用于对成型管材(6)进行弯曲的弯曲模(1)和用于对成型管材(6)进行引导的导向机构(3)，所述导向机构(3)设置在固定座上，所述固定座上滑动设有一个Z向滑台(8)，所述Z向滑台(8)上设有用于推动成型管材(6)穿过弯曲模(1)的管材推动机构(7)，所述Z向滑台(8)连接用于带动其滑动的Z向滑轴(5)，所述Z向滑轴(5)连接用于带动其转动的Z轴推进电机(4)，进而推动成型管材(6)沿着Z向滑轴(5)推进；

其特征在于，还包括可单向弯曲的芯棒(2)，所述芯棒(2)穿入管材推进机构(7)和成型管材(6)内部并延伸至位于弯曲模(1)中心到导向机构(3)前端的管材塑性变形区，芯棒(2)通过芯棒推杆(9)带动沿着成型管材(6)向前运动，所述芯棒推杆(9)由芯棒推杆旋转电机(10)控制绕Z轴轴线旋转，芯棒推杆(9)通过管材推进机构(7)使其内置于管材中；

根据成型管材(6)所需要的弯曲方向，芯棒推杆旋转电机(10)通过带动芯棒推杆(9)旋转，使得芯棒(2)的可弯曲方向从初始的可弯曲方向沿着Y轴正向旋转角度β，使芯棒(2)的可弯曲方向与管材弯曲方向一致；

由于在可弯曲方向的芯球内侧，芯球的厚度相对比较低，因此在成形小弯曲半径管材时可相对有效避免芯球发生干涉；

所述芯棒(2)由三节芯球，一个芯球柄组成，不同芯球之间通过芯球连接轴与插销两端的链片链接，芯球可以绕插销及连接轴转动，由于每个芯球可弯曲方向的厚度比较薄，因此单方向可弯曲的芯棒可以保证弯曲过程中有更小的弯曲半径。

2.根据权利要求1所述的一种基于芯棒旋转的六轴弯曲装置，其特征在于，所述芯棒(2)通过其芯球柄的内螺纹与芯棒推杆(9)前端的外螺纹连接，芯棒推杆(9)通过螺栓直接与芯棒推杆旋转电机(10)的旋转中心轴相连接，沿轴线旋转角度可以通过电机精密调节。

3.一种权利要求1-2任一项所述的基于芯棒旋转的六轴弯曲装置的弯曲方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：已知芯棒的旋转角度，导向机构到弯曲模距离A与偏心距U，可以由此推导出弯曲模绕X和Y方向的转角α与θ，并由此得出弯曲模在空间中的角度变换γ；

第二步：规定芯棒初始可弯曲方向为Y轴正向，即为

方向，显然可得弯曲时芯棒初始可弯曲方向已旋转至

方向，可知此时芯棒旋转角度β＝∠BDF；

第三步：根据导向机构到弯曲模距离A与弯曲模偏转角在YOZ平面上的分量θ，可推导出

再结合BF＝U_x，可推导出弯曲模中心到导向机构前端的直线距离，

第四步：根据芯棒旋转角度β＝∠BDF，可推导出：

第五步：根据空间位置关系，结合建立的数学模型几何关系，可以将弯曲模分别在X轴方向和Y轴方向的偏移距离表示为：

第六步：弯曲模偏转角在XOZ平面上的分量α可表示为：

则弯曲模沿轴线方向偏转角度为：

第七步：该弯曲段弯曲结束，弯曲模位置回到D点，芯棒沿轴线方向旋转β角度，使其可弯曲方向朝向Y轴正方向；

其中：参数包括：导向机构前端到弯曲模的距离A，X向弯曲模的位移U_x，Y向弯曲模的位移U_y；与弯曲模偏转装置的偏转参数包括：弯曲模沿其自身轴线方向的偏转角度γ，弯曲模的偏转角度向Z-X平面的分解角度α，弯曲模的偏转角度向Z-Y平面的分解角度θ；

以及芯棒沿轴线方向旋转的角度参数包括：芯棒沿其轴线方向的旋转角度β；

OD＝A；OE＝BD＝FA＝U_y；OC＝AD＝U_x；∠DOA＝α；∠DOB＝θ；∠FOA＝γ；

O点空间坐标(0,0,0)；E点空间坐标(0,U_y,0)；

D点空间坐标(0,0,A)；B点空间坐标(0,U_y,A)；C点空间坐标(U_x,0,0)；

联立F点空间坐标(U_x,U_y,A)；A点空间坐标(U_x,0,A)可得到：

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