四自由度混聯式多頭柔性拉形的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種四自由度混聯式多頭柔性拉形機，由底座、左牽引裝置、右牽引裝置、左夾板機構、右夾板機構組成。左牽引裝置、右牽引裝置的底部固定在底座上，分別用于支撐左夾板機構和右夾板機構，左牽引裝置與右牽引裝置的結構完全相同，均為{4RPU-UPR}結構的四自由度混聯機構。用于夾持與固定板料的左夾板機構、右夾板機構的結構也完全相同。與現有技術相比，本發明的牽引裝置采用四自由度混聯機構和分層次調節及拉形作業方式，使拉形件上各位置點易于實現柔性變形，減少工藝余量，提高成形質量和材料的利用率。本發明不僅運動自由度多、所需液壓缸的數量少，還具有柔性度高、控制簡單、設備制造成本低等優點。
【專利說明】四自由度混聯式多頭柔性拉形機
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種板材塑性成形設備領域，特別涉及一種具有空間兩平移兩轉動共四個運動自由度的混聯式多頭柔性拉形機。
【背景技術】
[0002]三維曲面件廣泛應用于航空航天、高速鐵路、船舶艦艇、醫學工程、現代建筑等行業中，很多軍用或民用的重大項目及工程都需要能夠加工高質量三維曲面件的先進制造技術。傳統的塑性成形技術因為需要使用生產周期很長、制造和調試費用很高的模具，限制了相關行業在產品多樣化、個性化以及更新升級等方面的發展。為替代塑性成形過程中使用的曲面成形用模具，眾多專家學者開展了與“柔性制造”技術相關的研究。現有的柔性制造技術主要有:應用在航空航天工業的噴丸成形、應用在造船業的水火彎板以及單點漸進成形等，但存在生產效率低、工件成形精度低、過分依賴操作者經驗以及成形板材厚度受限等問題。而多點成形技術是將柔性制造和計算機技術結合為一體，基于離散思想，將實體模具離散為一系列規則排列的基本體單元，通過計算機控制各基本體單元高度，構造出成形面，再通過多頭柔性拉形機在多點數字化可調形模具上拉伸板材實現板材的三維曲面成形。多點成形技術因其具有的獨特優勢，已經成為現代制造領域的重要研究方向。
[0003]拉形機是使板材產生拉伸成形的關鍵設備，主要應用于航空航天領域中雙曲率蒙皮零件的成形。傳統的拉形機可分為橫向拉形機和縱向拉形機。拉形可以使板材的內外層在拉伸方向產生拉應力和拉應變，從而減少工件塑性變形后的回彈量。由于傳統拉形機的夾鉗夾持住板材后在拉形模的配合下使板材的各個部分沿縱向同步拉伸，在成形雙曲率蒙皮零件時零件的拉應力和拉應變分布明顯不均勻，易產生不貼模、拉裂或起皺等成形缺陷。因此，為了消除缺陷，拉形用坯料往往需要較大的工藝余量，導致材料的利用率降低。另外，目前已有的高柔性多頭拉形機(ZL200910217701.X)采用了多分支多軸液壓伺服控制系統，一個點位就需要三個大位移液壓缸，不僅所需液壓缸數量多，而且結構復雜，控制不便，還導致其制造費用昂貴。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是針對現有多頭柔性拉形機技術的不足，提供一種具有空間兩平移兩轉動共四個運動自由度的混聯式多頭柔性拉形機。本發明所要解決的技術問題采用以下技術方案來實現。
[0005]一種四自由度混聯式多頭柔性拉形機，由底座、左牽引裝置、右牽引裝置、左夾板機構、右夾板機構組成。其中，所述的左牽引裝置、右牽引裝置的底部固定在底座上，分別用于支撐左夾板機構和右夾板機構，所述的左牽引裝置與右牽引裝置的結構完全相同，且均具有空間兩個方向的平移和兩個轉動共四個自由度的運動與調節功能。用于夾持與固定板料的左夾板機構、右夾板機構的結構完全相同，所述的左夾板機構的左端與左牽引裝置的頂部通過鉸鏈相連接；所述的右夾板機構的右端與右牽引裝置的頂部通過鉸鏈相連接。所述的左牽引裝置由并聯支撐架和串聯牽引機構組成，其中并聯支撐架具有兩個平移和一個轉動共三個自由度的運動與調節功能；而所述的串聯牽引機構具有一個獨立平移和兩個轉動共三個自由度的運動與調節功能，串聯牽引機構的數量不少于三個，串聯牽引機構的下端與并聯支撐架的頂部相固連。所述的并聯支撐架為4-{RPU}結構的并聯機構，所述的串聯牽引機構為采用IUPR}結構的串聯機構，并聯支撐架與串聯牽引機構串聯連接在一起構成一個結構為{4RPU-UPR}的混聯機構，其中R表示轉動副，P表示移動副，U表示萬向節，且本發明中的移動副P均由液壓缸實現。
[0006]所述的并聯支撐架由連接橫梁和并聯連接在底座與連接橫梁之間的第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈、第四支鏈組成，且所述的第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈與第四支鏈的結構完全相同，都是采用{RPU}結構，且上述四個支鏈中的移動副P均由液壓缸實現。
[0007]所述的第一支鏈由第一轉動副、第一主液壓缸和第一萬向節組成。其中，所述的第一主液壓缸的下端通過第一轉動副與底座相連接，第一主液壓缸的上端通過第一萬向節與連接橫梁相連接。所述的第二支鏈由第二轉動副、第二主液壓缸和第二萬向節組成。其中，所述的第二主液壓缸的下端通過第二轉動副與底座相連接，第二主液壓缸的上端通過第二萬向節與連接橫梁相連接。所述的第三支鏈由第三轉動副、第三主液壓缸和第三萬向節組成。其中，所述的第三主液壓缸的下端通過第三轉動副與底座相連接，第三主液壓缸的上端通過第三萬向節與連接橫梁相連接。所述的第四支鏈由第四轉動副、第四主液壓缸和第四萬向節組成。其中，所述的第四主液壓缸的下端通過第四轉動副與底座相連接，第四主液壓缸的上端通過第四萬向節與連接橫梁相連接。
[0008]所述的第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈、第四支鏈中的轉動副、移動副(即液壓缸)及萬向節的軸線之間保持嚴格的尺度約束關系。所述的第一轉動副、第二轉動副、第三轉動副和第四轉動副的軸線相互平行；所述的第一主液壓缸的軸線垂直于第一轉動副的軸線，所述的第二主液壓缸的軸線垂直于第二轉動副的軸線，所述的第三主液壓缸的軸線垂直于第三轉動副的軸線，所述的第四主液壓缸的軸線垂直于第四轉動副的軸線；所述的第一萬向節的十字軸的軸線與第二萬向節的十字軸的軸線相互平行或垂直，且第一轉動副的軸線與第一萬向節的十字軸的一條軸線相互平行；第三萬向節的十字軸的軸線與第四萬向節的十字軸的軸線相互平行或垂直，且第三轉動副的軸線與第三萬向節的十字軸的一條軸線相互平行。
[0009]所述的串聯牽引機構由萬向節連接座、次液壓缸和連接耳座組成。其中，所述的萬向節連接座的下端與連接橫梁相固連，其上端與次液壓缸的底部相固連；所述的連接耳座與次液壓缸的活塞桿末端相固連。
[0010]所述的左夾板機構由夾板體、夾緊液壓缸、連桿、導桿和活動夾頭組成。其中，在所述的夾板體的頂部設有雙耳座，在夾板體的前端設有U形缺口，且在U形缺口的下表面上設有上鋸齒形防滑層；所述的夾緊液壓缸內置于夾板體的后端，且夾緊液壓缸的底部通過螺釘與夾板體相連接；所述的連桿的后端與夾緊液壓缸的活塞桿通過鉸鏈相連接，連桿的中部與夾板體上的雙耳座通過鉸鏈相連接，連桿的前端與導桿的頂部通過鉸鏈相連接；所述的活動夾頭置于夾板體的U形缺口內，且在活動夾頭的下表面上設有下鋸齒形防滑層，所述的活動夾頭的上端與導桿的下端相固連。
[0011]本發明的左牽引裝置、右牽引裝置在底座上的安裝位置可以左右調節，配合使用的拉形模具可以采用實體模具，也可以采用多點可調式拉形模具。
[0012]拉形時，使用全部或若干個左夾板機構、右夾板機構分別夾持住板料，并通過相對應的左牽引裝置、右牽引裝置在拉形模具的配合下拉伸成形料。通過調整左牽引裝置、右牽引裝置上各主液壓缸和次液壓缸的行程與液壓力，可以獲得最佳拉伸位置和角度。尤其是通過調節不同位置的次液壓缸的行程與液壓力可以使各位置點上的左夾板機構和右夾板機構沿拉伸方向產生不同的位移量與轉角；由于左牽引裝置、右牽引裝置具有板料變形時所需的運動自由度，在拉形時，左夾板機構、右夾板機構會順應模具曲面的變化趨勢而移動、擺動或轉動。因此，拉形件的拉應力和拉應變的分布更加均勻。
[0013]本發明的有益效果是，與現有技術相比，本發明的四自由度混聯式多頭柔性拉形機的牽引裝置采用四自由度的混聯機構、分層次調節及拉形作業方式。其中，具有兩平移一轉動共三個自由度的并聯支撐架主要用于較大幅度的姿態調整及拉形作業，而多點分散布置且具有一平移兩轉動共三個自由度的串聯牽引機構主要用于各位置點的差異性拉形運動，不僅可以使施加在被加工板料各位置點的載荷路徑更加合理，使拉形件的拉應力和拉應變的分布更加均勻，減少拉形件的工藝余量，提高成形質量和材料的利用率，還可實現橫向曲率較大或橫向有一定波浪的曲面件的拉形。本發明相對現有一點三缸式多點高柔性多頭拉形機，不僅運動自由度多，加工柔性度高，而且所需液壓缸的數量大大減少，還可以簡化液壓缸的控制，降低設備的制造成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明的總體結構示意圖；
[0015]圖2為本發明的并聯支撐架的結構示意圖；
[0016]圖3為本發明的串聯牽引機構與左夾板機構的結構示意圖；
[0017]圖4為本發明的左夾板機構的內部結構示意圖；
[0018]圖5為本發明的工作狀態示意圖。
【具體實施方式】
[0019]為了使本發明所實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體實施例和圖示，進一步闡述本發明。
[0020]如圖1和圖5所示，一種四自由度混聯式多頭柔性拉形機，由底座1、左牽引裝置
2、右牽引裝置3、左夾板機構4、右夾板機構5組成。其中，所述的左牽引裝置2、右牽引裝置3的底部固定在底座I上，分別用于支撐左夾板機構4和右夾板機構5，所述的左牽引裝置2與右牽引裝置3的結構完全相同，且均具有沿著空間X向、Z向的平移和繞X軸和Y軸的轉動共四個自由度的運動與調節功能。用于夾持與固定板料的左夾板機構4、右夾板機構5的結構完全相同，所述的左夾板機構4的左端與左牽引裝置2的頂部通過鉸鏈相連接；所述的右夾板機構5的右端與右牽引裝置3的頂部通過鉸鏈相連接。所述的左牽引裝置2由并聯支撐架21和串聯牽引機構22組成，其中并聯支撐架21具有沿著空間X向、Z向的兩個平移和繞Y軸的轉動共三個自由度的運動與調節功能；而所述的串聯牽引機構22具有沿著X向或Z向的一個獨立平移和繞著X軸、Z軸兩個轉動共三個自由度的運動與調節功能，串聯牽引機構22的下端與并聯支撐架21的頂部相固連。串聯牽引機構22的數量可根據板料7的寬度進行選取，板料7的寬度越寬、板料變形越復雜，所需串聯牽引機構22的數量越多，一般情況下串聯牽引機構22的數量最小不少于三個。所述的并聯支撐架21為4-{RPU}結構的并聯機構，所述的串聯牽引機構22為{UPR}結構的串聯機構，并聯支撐架21與串聯牽引機構22串聯連接在一起構成一個結構為{4RPU-UPR}的混聯機構，其中R表示轉動副，P表示移動副，U表示萬向節，且本發明中的移動副P均由液壓缸實現。
[0021]如圖1、圖2和圖5所示，所述的并聯支撐架21由連接橫梁215和并聯連接在底座I與連接橫梁215之間的第一支鏈211、第二支鏈212、第三支鏈213、第四支鏈214組成，且所述的第一支鏈211、第二支鏈212、第三支鏈213與第四支鏈214的結構完全相同，都是采用{RPU}結構，其中R表示轉動副，P表示移動副，U表示萬向節，且上述四個支鏈中的移動副均由液壓缸實現。
[0022]如圖1、圖2和圖5所示，所述的第一支鏈211由第一轉動副2111、第一主液壓缸2112和第一萬向節2113組成。其中，所述的第一主液壓缸2112的下端通過第一轉動副2111與底座I相連接，第一主液壓缸2112的上端通過第一萬向節2113與連接橫梁215相連接。所述的第二支鏈212由第二轉動副2121、第二主液壓缸2122和第二萬向節2123組成。其中，所述的第二主液壓缸2122的下端通過第二轉動副2121與底座I相連接，第二主液壓缸2122的上端通過第二萬向節2123與連接橫梁215相連接。所述的第三支鏈213由第三轉動副2131、第三主液壓缸2132和第三萬向節2133組成。其中，所述的第三主液壓缸2132的下端通過第三轉動副2131與底座I相連接，第三主液壓缸2132的上端通過第三萬向節2133與連接橫梁215相連接。所述的第四支鏈214由第四轉動副2141、第四主液壓缸2142和第四萬向節2143組成。其中，所述的第四主液壓缸2142的下端通過第四轉動副2141與底座I相連接，第四主液壓缸2142的上端通過第四萬向節2143與連接橫梁215相連接。
[0023]如圖1、圖2和圖5所示，所述的第一支鏈211、第二支鏈212、第三支鏈213、第四支鏈214中的轉動副、移動副(即液壓缸)及萬向節的軸線之間保持嚴格的尺度約束關系。所述的第一轉動副2111、第二轉動副2121、第三轉動副2131和第四轉動副2141的軸線相互平行；所述的第一主液壓缸2112的軸線垂直于第一轉動副2111的軸線，所述的第二主液壓缸2122的軸線垂直于第二轉動副2121的軸線，所述的第三主液壓缸2132的軸線垂直于第三轉動副2131的軸線，所述的第四主液壓缸2142的軸線垂直于第四轉動副2141的軸線；所述的第一萬向節2113的十字軸的軸線與第二萬向節2123的十字軸的軸線相互平行或垂直，且第一轉動副2111的軸線與第一萬向節2113的十字軸的一條軸線相互平行；第三萬向節2133的十字軸的軸線與第四萬向節2143的十字軸的軸線相互平行或垂直，且第三轉動副2131的軸線與第三萬向節2133的十字軸的一條軸線相互平行。
[0024]如圖1和圖3所示，所述的串聯牽引機構22由萬向節連接座221、次液壓缸222和連接耳座223組成。其中，所述的萬向節連接座221的下端與連接橫梁215相固連，其上端與次液壓缸222的底部相固連；所述的連接耳座223與次液壓缸222的活塞桿末端相固連。
[0025]如圖3和圖4所示，所述的左夾板機構4由夾板體41、夾緊液壓缸42、連桿43、導桿44和活動夾頭45組成。其中，在所述的夾板體41的頂部設有雙耳座411，在夾板體41的前端設有U形缺口 412，且在U形缺口 412的下表面上設有上鋸齒形防滑層413 ;所述的夾緊液壓缸42內置于夾板體41的后端，且夾緊液壓缸42的底部通過螺釘與夾板體41相連接；所述的連桿43的后端與夾緊液壓缸42的活塞桿通過鉸鏈相連接，連桿43的中部與夾板體41上的雙耳座411通過鉸鏈相連接，連桿43的前端與導桿44的頂部通過鉸鏈相連接；所述的活動夾頭45置于夾板體41的U形缺口 412內，且在活動夾頭45的下表面上設有下鋸齒形防滑層451，所述的活動夾頭45的上端與導桿44的下端相固連。
[0026]本發明的左牽引裝置2、右牽引裝置3在底座I上的安裝位置可以左右調節，配合使用的拉形模具可以采用實體模具，也可以采用多點可調式拉形模具6。
[0027]如圖1和圖5所示，拉形時，使用全部或若干個左夾板機構4、右夾板機構5分別夾持住板料7，并通過相對應的左牽引裝置2、右牽引裝置3在多點可調式拉形模具6的配合下將板料7拉伸成形。本發明的牽引裝置可采用分層次調節及拉形作業方式。安裝板料7或進行初步拉形作業時，可同步使用左牽引裝置2和右牽引裝置3中的并聯支撐架實現較大幅度的姿態調整及初步拉形作業；而在進行板料各位置點的差異性拉形運動時主要依靠多點分散布置的串聯牽引機構的運動完成。通過調整左牽引裝置2、右牽引裝置3上各主液壓缸和次液壓缸的行程與液壓力，可以獲得最佳拉伸位置和角度。尤其是通過調節不同位置的次液壓缸的行程與液壓力可以使夾持在板料各位置點上的左夾板機構4和右夾板機構5沿拉伸方向產生不同的位移量與轉角；由于左牽引裝置2、右牽引裝置3具有空間兩平移兩轉動共四個運動自由度，在拉形時，左夾板機構4、右夾板機構5會順應模具曲面的變化趨勢而移動、擺動或轉動，使得板料產生變形的柔性度較高。因此，拉形件的拉應力和拉應變的分布更加均勻。
[0028]以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入本發明要求保護的范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【權利要求】
1.一種四自由度混聯式多頭柔性拉形機，由底座、左牽引裝置、右牽引裝置、左夾板機構、右夾板機構組成，其特征在于:所述的左牽引裝置、右牽引裝置的底部固定在底座上，且所述的左牽引裝置與右牽引裝置的結構完全相同；所述的左夾板機構、右夾板機構的結構完全相同，所述的左夾板機構的左端與左牽引裝置的頂部通過鉸鏈相連接，所述的右夾板機構的右端與右牽引裝置的頂部通過鉸鏈相連接；所述的左牽引裝置由并聯支撐架和串聯牽引機構組成，且串聯牽引機構的數量不少于三個，所述的串聯牽引機構的下端與并聯支撐架的頂部相固連； 所述的并聯支撐架由連接橫梁和并聯連接在底座與連接橫梁之間的第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈、第四支鏈組成，且所述的第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈與第四支鏈的結構完全相同； 所述的第一支鏈由第一轉動副、第一主液壓缸和第一萬向節組成，所述的第一主液壓缸的下端通過第一轉動副與底座相連接，第一主液壓缸的上端通過第一萬向節與連接橫梁相連接；第二支鏈由第二轉動副、第二主液壓缸和第二萬向節組成，所述的第二主液壓缸的下端通過第二轉動副與底座相連接，第二主液壓缸的上端通過第二萬向節與連接橫梁相連接；所述的第三支鏈由第三轉動副、第三主液壓缸和第三萬向節組成，所述的第三主液壓缸的下端通過第三轉動副與底座相連接，第三主液壓缸的上端通過第三萬向節與連接橫梁相連接；所述的第四支鏈由第四轉動副、第四主液壓缸和第四萬向節組成，所述的第四主液壓缸的下端通過第四轉動副與底座相連接，第四主液壓缸的上端通過第四萬向節與連接橫梁相連接；所述的第一轉動副、第二轉動副、第三轉動副和第四轉動副的軸線相互平行；所述的第一主液壓缸的軸線垂直于第一轉動副的軸線，所述的第二主液壓缸的軸線垂直于第二轉動副的軸線，所述的第三主液壓缸的軸線垂直于第三轉動副的軸線，所述的第四主液壓缸的軸線垂直于第四轉動副的軸線；所述的第一萬向節的十字軸的軸線與第二萬向節的十字軸的軸線相互平行或垂直，且第一轉動副的軸線與第一萬向節的十字軸的一條軸線相互平行；第三萬向節的十字軸的軸線與第四萬向節的十字軸的軸線相互平行或垂直，且第三轉動副的軸線與第三萬向節的十字軸的一條軸線相互平行； 所述的串聯牽引機構由萬向節連接座、次液壓缸和連接耳座組成，所述的萬向節連接座的下端與連接橫梁相固連，其上端與次液壓缸的底部相固連；所述的連接耳座與次液壓缸的活塞桿末端相固連。
2.根據權利要求1所述的四自由度混聯式多頭柔性拉形機，其特征在于:所述的左夾板機構由夾板體、夾緊液壓缸、連桿、導桿和活動夾頭組成，在所述的夾板體的頂部設有雙耳座，在夾板體的前端設有U形缺口，且在U形缺口的下表面上設有上鋸齒形防滑層；所述的夾緊液壓缸內置于夾板體的后端，且夾緊液壓缸的底部通過螺釘與夾板體相連接；所述的連桿的后端與夾緊液壓缸的活塞桿通過鉸鏈相連接，連桿的中部與夾板體上的雙耳座通過鉸鏈相連接，連桿的前端與導桿的頂部通過鉸鏈相連接；所述的活動夾頭置于夾板體的U形缺口內，且在活動夾頭的下表面上設有下鋸齒形防滑層，所述的活動夾頭的上端與導桿的下端相固連。
【文檔編號】B21D25/04GK104174733SQ201410475947
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月17日 優先權日:2014年9月17日
【發明者】王成軍, 劉志衛, 劉凱, 張超, 李龍, 劉瓊, 章天雨 申請人:安徽理工大學, 王成軍