逐步成型工件的方法

摘要

本发明公开了一种逐步成型工件的方法。该方法包括确定所需工件几何形状；产生工具路径，其中，从距参考平面距离最远处的点向外成型特征；以及逐步成型工件。

说明书

技术领域

本发明涉及逐步成型工件的方法。

背景技术

在逐步成型期间，在由一个或多个工具对工件施加的负载力下使工件成 型为所需形状。在工件已逐步成型为所需形状之后，工件几何形状可在成型 工具与工件分离时发生改变。因此，当工具负载力不再施加在工件上时，工 件可能回弹为与所需形状不同的形状。另外，逐步成型的工件中的残余应力 可导致不希望的变形，其也会导致尺寸不精确。尺寸不精确会在成型工件时 积累。例如，尺寸的精确度和先前成型特征的刚度会对在工件上精确成型特 征的能力产生影响。因此，先前成型的特征的尺寸不精确可能会影响或增加 后续成型的特征的尺寸不精确性和/或不希望的塑性变形。

发明内容

根据本发明的一个方面，公开了一种逐步成型工件的方法。该方法包括 确定工具挤压参数、部分地基于工具挤压参数产生工具路径、并基于工具路 径将工件逐步成型为所需几何形状。

根据本发明的另一个方面，公开了一种逐步成型工件的方法。该方法包 括确定所需工件几何形状、确定所需工件几何形状的法向矢量、对所需工件 几何形状的特征分类、基于与各个特征相关联的法向矢量确定用于各个特征 的工具路径、确定工具挤压参数以及基于工具路径和工具挤压参数逐步成型 工件。

根据本发明的一个实施例，其中确定工具挤压参数的步骤进一步包含产 生最终工具路径并将最终工具路径从基于法向矢量的坐标系转换至XYZ坐 标系。

根据本发明的一个实施例，其中确定法向矢量的步骤包括确定所需工件 几何形状的一组坐标并对该组坐标的成员确定法向矢量。

附图说明

图1为用于成型工件的逐步成型系统的示例性侧视图。

图2、3为说明了示例性法向矢量的工件的示例性侧面截面图。

图4-7为正在逐步成型的工件的示例性侧面截面图。

图8为用于逐步成型工件的示例性工具路径的立体图。

图9为图8的顶视图，显示了U-V平面。

图10为工件在图8的U-V平面中的截面图。

图11为逐步成型工件的方法的流程图。

具体实施方式

本说明书中公开了本发明的具体实施例，然而应理解，所公开的实施例 仅为本发明的示例，其可以多种替代形式实施。附图无需按比例绘制，可放 大或缩小一些特征以显示特定组件的细节。另外，一个实施例的任意或所有 特征可与任何其它实施例相组合。因此，本说明书中所公开的具体结构性和 功能性细节不可解释为限定，而仅为权利要求的代表性基础和/或用于教导本 领域技术人员以不同方式实施本发明的代表性基础。

参考图1、2，显示了用于逐步成型工件12的示例性系统10。工件12可 由任意合适的材料或具有所需成型特性的材料(例如金属、金属合金、聚合 材料、或其组合)制成。在至少一个实施例中，工件12可设置为金属板材。 在一个或多个实施例中，工件12可设置为总体上平坦或至少部分预成型为非 平坦构造的初始构造。

系统10可用于逐步成型工件。在逐步成型时，通过一系列较小的逐步变 形使工件成型为所需配置。可通过沿着工件的一个或多个表面并与其抵靠来 移动一个或多个工具以提供较小的逐步变形。可沿着预定的或编程的路径进 行工具移动。另外，可适应性地基于例如来自传感器(如测压元件)的测量 的反馈实时编程工具移动路径。这样，可在移动至少一个工具时逐步地进行 逐步成型而不从工件去除材料。美国专利申请文件12/369,336中公开了这种 系统10的更多细节，其作为参考以全文合并入本文。下面将提供这种系统 10所设有的一些组件的概要。

系统10可包括多个帮助成型工件12的组件，例如夹具总成20、第一操 纵装置22、第二操纵装置24和控制器26。

夹具总成20可被设置为用于支撑工件12。夹具总成20可被配置为至少 地部分形成开口28的框架。当夹具总成20支撑工件12时，工件12可设置 在开口28中或至少部分地遮盖开口28。

夹具总成20可包括可被配置为用于接合工件12并对其施加力的多个夹 具30。夹具30可沿开口28的多个侧面设置，且可具有任意合适的构造和相 关联的驱动机构。例如，可手动、气动、液压或电驱动夹具30。另外，夹具 30可被构造成用于向工件12提供固定大小的或可调节大小的力。

第一和第二定位装置或操纵装置22、24可被设置为用于定位第一和第二 成型工具32、32’。第一和第二操纵装置22、24可具有多个自由度，例如可 具有六个自由度的六轴操纵装置(hexapod manipulator)。操纵装置22、24可 被构造成用于沿多个轴(例如在不同正交方向上延伸的轴，例如X、Y、Z轴) 移动相关联的工具。

第一和第二成型工具32、32’可分别容纳在第一和第二工具架34、34’中。 在一个或多个实施例中，第一和第二工具架34、34’可设置在转轴上并可被构 造成用于围绕相关联的转动轴旋转。

成型工具32、32’可施加力以形成工件12而无需移除材料。成型工具32、 32’可具有任意合适的几何形状，包括但不限于平坦、弯曲、球形、锥形或者 其组合。为简短起见，附图及相关文本中描述了球形工具。

一个或多个控制器26或控制模块可被设置为用于控制系统10的运转。 控制器26可适用于接收计算机辅助设计(CAD)或坐标数据并提供计算机数 控(CNC)以使工件12成型为设计规格。另外，控制器26可检测并控制测 量系统的运转，测量系统可被设置为用于在成型过程期间监测工件12的空间 特征。

在逐步成型期间，在由一个或多个工具对工件施加的负载力下使工件成 型为所需形状。在工件已逐步成型为所需形状之后，工件几何形状可在成型 工具与工件分离时发生改变。因此，当工具负载力不再施加在工件上时，工 件可能回弹为与所需形状不同的形状。另外，逐步成型的工件中的残余应力 可导致不希望的变形，其也会导致尺寸不精确。尺寸不精确会在成型工件时 积累。例如，尺寸的精确度和先前成型特征的刚度会对在工件上精确成型特 征的能力产生影响。因此，先前成型的特征的尺寸不精确可能会影响或增加 后续成型的特征的尺寸不精确性和/或不希望的塑性变形。

为了帮助解决一个或多个上述问题，可使用如下文所述的逐步成型的方 法来成型工件。该方法可采用设置在工件相对侧上的成型工具。可以以独立 或连续成型一个或多个特征的相对方式在工件上成型特征。另外，各个特征 可从特征上的点或区域向外成型，该点或区域被设置为：(1)距参考平面或 参考位置距离最大；和/或(2)从工件表面延伸的法向矢量被设置为与从参 考平面或参考位置延伸的法向矢量或法向轴线基本上平行。

参考图2、3，显示了逐步成型工件的两个示例，描述了可进行向外成型 的点或区域。

在图2中，工件12显示为带有距示例性参考平面42距离最远的点40。 法向矢量44显示为在点40处从工件12的表面开始延伸。法向矢量44的指 向与从参考平面42延伸的法向矢量或法向轴线46基本上平行。因此，可从 法向轴线46向外成型工件12以实现图中显示的所需工件构造。

在图3中，显示了多个从工件12的区域延伸的法向矢量44，其指向与 从参考平面42延伸的法向矢量或法向轴线46基本上平行。因此，可从法向 轴线46或类似位置中的任意一个向外成型工件12以实现图中显示的所需工 件构造。

在图2、3中，将参考平面42描述为延伸穿过工件12的至少一部分。在 一个或多个实施例中，工件12的初始构造可形成参考平面或参考位置。例如， 对于具有基本上平坦初始构造的工件，参考平面42可为工件12所在的平面。 对于不平坦工件，参考位置可为工件12在逐步成型之前尚未预成型的表面。 另外，参考构造可为数学确定的不与工件12相交的表面或基准面。例如，这 种参考表面可为在初始构造时被设置为与工件12的至少一部分平行但间隔 开的平面或表面，例如参考平面42’。

参考图4-7，显示了正在经历逐步成型的示例性工件12的侧视图。这些 附图说明了在工件12上从设置在距参考平面或参考位置距离最大处的点或 区域向外逐步成型特征。应理解，可采用这些附图以及任何相关方法步骤逐 步成型可能具有多种几何形状的工件的特征，这些几何形状可能相对于轴线 对称也可能不对称。

参考图4，显示了处于初始构造的工件12。工件12的初始构造可为工件 12在逐步成型之前的构造或形状。初始构造可如图所示基本上为平坦的。可 替代地，可预成型或设置工件12使得工件12的至少一部分在逐步成型之前 为不平坦的。

可在轴线50处开始逐步成型。出于说明目的，通过比较图4中所示初始 工件位置和图7中所示最终工件构造可看出，轴线50与设置于在向下延伸或 朝向页面底部延伸的方向上距参考平面42距离最大处的点位置相同。逐步成 型的特征可能相对于轴线50对称也可能不对称。

参考图5、6，显示了从轴线50向外部分逐步成型之后的工件12。在逐 步成型期间，成型工具32、32’可沿顺时针或逆时针方向的螺旋形路径移动。 如下文更为详细地描述的，螺旋形路径可基于法向矢量52。另外，在一个或 多个实施例中，法向矢量52可基本上穿过各个逐步成型工具32、32’的中心 地延伸。如图所示，通过比较图5、图6所说明的，成型工具32、32’可沿着 使其进一步移动离开轴线50的路径。在图5、6中，被成型的特征具有凹面 配置。

图7说明了工件12在成型序列期间可设有凹面和凸面的组合。在图7中， 显示了已从轴线50和特征的凹陷部分向外成型凸面之后的工件12。成型凸 面可朝向参考平面42向上拉拔凹陷部分。尽管在成型凸面时凹陷部分可相对 于参考平面42移动，轴线50仍在所示的图中以向下的方向设置在距参考平 面距离最大的点或区域。

参考图8-10，显示了正经历逐步成型的示例性工件的多个视图。这些视 图提供用于显示可用于确定逐步成型参数的几何特征的数学特征。为清楚起 见，在这些附图中仅显示了工件的一部分。因此，工件可包括更多逐步成型 且构造与所描述不同的特征。

在图8中，工件12显示为带有特征60和用于成型特征60的示例性工具 路径62。点P为工具路径62上的代表性点。下文关于点P所描述的几何特 征和坐标为示例性的且可计算或确定用于工具路径上的其它点。类似地，尽 管特征60显示为锥形凸起的锥形构造，特征60仅为示例性的且可设置为其 它至少可能不是部分锥形的构造。

点P在XYZ坐标系中的坐标为(x_n，y_n，z_n)。另外，点P具有相对于工 件12表面的法向矢量U。法向矢量U设置在包含法向矢量U和轴向矢量V 的平面中。轴向矢量V设置为与Z轴平行并从点P延伸。因此，设置有法向 矢量U和轴向矢量V的平面称为U-V平面，在图8中其由标为“U-V平面” 的平面表示。法向矢量U在U-V平面中的坐标为(i_n，j_n，k_n)。法向矢量U 和轴向矢量V之间的角度为θ，其可由公式(1)数学地确定。

θ＝cos^-1(k_n)    (1)

其中，k_n为法向矢量U的k分量。

图9为图8中所示U-V平面的顶视图。为清楚起见，未显示工件和工具 路径，且U-V平面显示为具有一定厚度以便更好地显示法向矢量U。根据所 示的视图，轴线V与点P重合。法向矢量U或U-V平面与轴线X(或穿过 点P与轴线X平行延伸的线)之间的夹角为，其可由公式(2)数学地确 定。

其中，i_n为法向矢量U的i分量；j_n为法向矢量U的j分量。

参考图10，在U-V平面中显示了工件12和成型工具32、32’的侧面截面 图。U-V平面可认为是说明了图10的平面。为清楚起见，U-V平面中的轴线 显示为小写字母以便不与矢量U、V相混淆。

工件12具有标称的或预成型的厚度，指定为t。工件12在成型之后的厚 度由公式(3)确定。

Sf(θ)*t    (3)

其中，Sf为挤压系数；θ为来自公式(1)的角度；t为工件的标称厚度。

该挤压系数可为指示在逐步成型期间由工具32、32’在工件12上施加的 压缩力的数字值。下文将更为详细地讨论对挤压系数的确定。

上部或顶部工具32具有中心T和指示为D_t的直径。下部或底部工具具 有中心B和指示为D_b的直径。法向矢量显示为穿过顶部和底部工具32、32’ 的中心T、B。

顶部工具32的中心T在U-V平面中的坐标可根据公式(4)、(5)确定。

u_t＝0.5*[t*Sf(θ)+D_t]*sin(θ)    (4)

其中，t为逐步成型之前的标称工件厚度；Sf为挤压系数；θ为来自公式 (1)的角度；Dt为顶部工具的直径。

v_t＝0.5*(D_b+D_t)*cos(θ)+t*Sf(θ)*cos(θ)-0.5*(D_b+D_t+t)

                                  (5)

其中，D_b为底部工具的直径；D_t为顶部工具的直径；θ为来自公式(1) 的角度；t为逐步成型之前的标称工件厚度；Sf为挤压系数。

底部工具32’的中心在U-V平面中的坐标可根据公式(6)、(7)确定。

u_b＝-0.5*[t*Sf(θ)+D_b]*sin(θ)    (6)

其中，t为逐步成型之前的标称工件厚度；Sf为挤压系数；θ为来自公式 (1)的角度；Db为底部工具的直径。

v_b＝-0.5*t    (7)

其中，t为逐步成型之前的标称工件厚度。

参考图11，显示了逐步成型工件的方法的流程图。该方法可采用上文所 述的成型工件的特点以有助于减少可能与弹性回复和/或塑性或永久变形相 关联的尺寸不精确。

在100处，该方法可通过确定工件的所需几何形状或构造而开始。可以 以本领域技术人员已知的方式在虚拟或CAD环境中确定所需构造。

在102处，可离散或分析所需工件几何形状以确定沿预定轴(例如Z轴) 具有相同坐标的坐标。这样，可确定距参考位置或参考平面距离相同的一组 或多组点或坐标。这种点或坐标可确定代表距参考位置或参考平面距离相同 的相邻点的等高线，类似于在地形图上显示具有相同高度的点的等高线。因 此，可搜集具有相同或恒定Z轴值的点或等高线。参考位置可为工件12的初 始位置或如上文所述的另一参考数据。

在104处，对坐标计算法向矢量。对这种法向矢量的确定可通过本领域 技术人员已知的方式数学地进行确定。例如，可从CAD数据提取各个数据点 的坐标，并随后可基于坐标计算法向矢量。

在106处，对在工件上逐步成型的特征分类。特征可分类为凹入或是凸 起。可相对于参考位置或参考平面进行分类。

在108处，对一个或多个特征确定工具路径。工具路径可包括用于各个 逐步成型工具的工具路径。所确定的工具路径可为总体上螺旋形工具路径， 其可基于各个特征的离散的坐标和相关联的法向矢量。例如，可通过连接Z 轴值相同的点或等高线并将Z轴值恒定的工具路径与相邻Z轴值相连接一次 来为特征产生工具路径。

在110处，可确定工具挤压参数。挤压参数可为恒定值或可变值，且可 基于工件材料的厚度、构成工件的材料的特性以及逐步成型工具的几何形状。 可提前确定一系列或一组挤压参数并存储以用于后续使用。例如，可以由实 验法确定的多个挤压参数值制订查值表。实验法可包括采用迭代过程，其中 选择初始挤压参数和工具顶角并用于成型工件。随后可测量工件以确定其与 所需形状有多符合。随后可修改挤压参数和/或顶角并可成型并测量另一工 件。可选择与所需形状匹配得最好的工件相关挤压参数来制定查值表。

在112处，产生最终工具路径。最终工具路径可为用于一个或多个特征 的最终工具路径。可根据直角坐标系(例如X、Y、Z轴)或任何适合逐步成 型装置的坐标系来表示工具路径。例如，根据另一坐标系(例如U-V平面坐 标系)表示的坐标可转换为适合所采用的装置和处理技术的另一坐标系。另 外，可确定逐步成型特征的顺序。更为具体地，如果有被例如基本上平坦的 表面或其它未指定用于被共用螺旋形工具路径成型的表面彼此分开的多个工 件特征，则可在最终工具成型路径中组织并排序这些特征。排序可基于多个 因素，例如相邻性(即用于第一个逐步成型的特征的最终工具位置和下一最 接近特征之间的最短距离)或工具路径长度(即成型工具路径长度逐次更长 或更短的特征)。

例如，可使用公式(8)至(10)将用于顶部工具32的U-V平面坐标转 换为X、Y、Z坐标。

xt＝x_n+u_t*cos(θ)    (8)

yt＝y_n+u_t*sin(θ)    (9)

zt＝v_t               (10)

其中，x_n为法向矢量坐标的x轴坐标；y_n为法向矢量坐标的y轴坐标； u_t为来自公式(4)的值；v_t为来自公式(5)的值。

可使用公式(11)至(13)将用于底部工具32’的U-V平面坐标转换为X、 Y、Z坐标。

x_b＝x_n+u_b*cos(θ)    (11)

y_b＝y_n+u_b*sin(θ)    (12)

z_b＝v_b               (13)

其中，xn为法向矢量坐标的x轴坐标；y_n为法向矢量坐标的y轴坐标； u_b为来自公式(6)的值；v_b为来自公式(7)的值。

另外，顶部工具和底部工具的法向轴的指向可被设定为相反方向。例如， 可根据(i_t，j_t，k_t)＝(0，0，1)设定顶部工具的轴指向，并可根据(i_b，j_b，k_b)＝(0，0，-1) 设定底部工具的轴指向。

在114处，通过执行最终工具路径逐步成型工件。因此，可沿工具路径 移动成型工具并采用合适的挤压参数以将工件逐步成型为所需构造。本发明 还预见到可沿整个工具路径采用一个挤压参数，也可不这样。例如，在工具 路径的一部分期间可能希望在工件和至少一个逐步成型工具之间提供间隙。 在这种区域内，作用在工件上的挤压参数可实际上为零。另外，工具路径的 一部分期间工具可能与工件分离以移动至另一可继续进行逐步成型的位置。 因此，工具路径可进一步改进或确定为主要为进行逐步成型的工具移动路径。

尽管已经说明并描述了本发明实施例，其并非意为这这些实施例说明并 描述了本发明的所有可能形式。应当理解为，本说明书中所使用的词语为描 述性词语而非限定，且应理解可作出多种改变而不脱离本发明的实质与范围。