一种金属管材3D自由弯曲成形方法及五轴自由弯曲设备

摘要

本发明公开了一种金属管材3D自由弯曲成形方法及五轴自由弯曲设备，包括管材推进模块、管材轴向运动导向模块、机械手弯曲模块、感应线圈加热模块、润滑模块、逆向扫描与测量模块；管材推进模块包括锥状推杆(3)，Z向伺服电机(5)、滚珠丝杠(4)、直线导轨(1)，其中Z向伺服电机(5)用于管材的轴向送料；机械手弯曲模块包括：X向伺服电机(15)、Y向伺服电机(16)、弯曲模驱动伺服电机(18)、弯曲模座驱动伺服电机(17)、弯曲模(8)和弯曲模座(9)，仅需通过控制机械手弯曲装置的运动轨迹，即可成形不同弯曲半径的弯管，同时由于弯曲模平面与管材轴线能保持实时垂直，因此弯曲出的管材成形质量较好。

说明书

技术领域

本发明属于金属复杂构件先进制造技术领域，特别涉及一种金属管材3D自由弯曲成形方法及五轴自由弯曲设备。

背景技术

目前，航空航天、核能、石化工程领域对变弯曲半径、轴线为平面或空间曲线的平面或立体弯管具有非常重要的实际需求。在航空航天工程领域，航空航天器由于重量及空间的限制，一般无大尺寸空心构件。对于弯管而言，由于变弯曲半径、轴线为平面或空间曲线的复杂弯管空间构型较为灵活，因此可以有效利用空间，使组件的整体结构更加紧凑。另外，使用以上复杂构型弯管可以大大降低管路系统重量，对于航空发动机以及导弹系统非常重要。

目前，传统的金属构件弯曲技术如压弯、拉弯、绕弯、推弯以及由上述基本工艺衍生出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，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，无法实现复杂金属构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。

目前，国内外的军用飞机和商用飞机的油路系统、环控系统中的一些典型弯管零件，很多情况下依然采用传统管成形工艺：(1)半管对焊接；(2)双管角焊。以上成形工艺的主要问题是：(1)由于存在焊缝与残余应力，管件的强度降低、可靠性差；(2)焊接弯管管内表面不光滑，流体阻力大等。

发明内容

本发明针对现有的管材弯曲方法存在的不足，提出了一种新的金属管材3D自由弯曲成形方法及五轴自由弯曲设备。

本发明采用以下技术方案：

一种金属管材五轴自由弯曲设备，包括管材推进模块、管材轴向运动导向模块、机械手弯曲模块、感应线圈加热模块、润滑模块、逆向扫描与测量模块；管材推进模块包括锥状推杆(3)，Z向伺服电机(5)、滚珠丝杠(4)、直线导轨(1)，其中Z向伺服电机(5)用于管材的轴向送料；机械手弯曲模块包括：X向伺服电机(15)、Y向伺服电机(16)、弯曲模驱动伺服电机(18)、弯曲模座驱动伺服电机(17)、弯曲模(8)和弯曲模座(9)，其中X向伺服电机(15)和Y向伺服电机(16)用于驱动弯曲模(8)沿X轴和Y轴方向的平移，满足弯曲半径为R时的偏心距，弯曲模驱动伺服电机(17)用于驱动弯曲模绕自身轴线方向转动，使得成形过程中弯曲模与管材成形部位始终保持垂直，提高成形质量，弯曲模座驱动伺服电机(17)用于驱动弯曲模座(9)绕Z轴旋转，进而带动弯曲模(8)绕Z轴旋转，满足复杂弯曲构件成形时弯曲模(8)与X轴正方向的夹角逆向扫描与测量模块包括3D扫描测量仪(20)、逆向扫描与测量工作站(21)，3D扫描测量仪用于对通过半自动化方式成形的目标“L”形弯管进行逆向扫描，获得其三维几何模型I；逆向扫描与测量工作站用于对三维几何模型I进行解析以获得具体尺寸参数，并将具体的尺寸参数转换成实际弯曲工艺参数；逆向扫描与测量工作站用于还用于对弯曲后的管材进行逆向扫描以获得其三维几何模型II，并对比该三维几何模型II与三维几何模型I的尺寸差异，并根据该差异修正弯曲工艺参数，将上述修正后的弯曲工艺参数导入五轴自由弯曲设备控制软件中，利用该修正后的弯曲工艺参数驱动X向伺服电机(15)、Y向伺服电机(16)、弯曲模驱动伺服电机(18)、弯曲模座驱动伺服电机(17)进行实际弯曲；

所述的金属管材五轴自由弯曲设备，所述管材轴向运动导向模块包括气缸(7)、管材夹持机构(6)，气缸(7)为管材夹持机构(6)提供夹持管材的夹持力。

所述的金属管材五轴自由弯曲设备，感应线圈加热模块用于为进入弯曲模8的管材加热至设定温度，其包括：高频感应线圈(10)、绝缘隔热层(11)，绝缘隔热层(11)设置在高频感应线圈(10)和管材之间；润滑模块用于为进入弯曲模8的管材提供润滑，其主要包括油泵(14)、注油孔(13)、油槽(12)、光电开关(19)。

所述的金属管材五轴自由弯曲设备，所述逆向扫描与测量工作站对三维几何模型I进行解析的方法如下：

第一步，将复杂形状弯管的三维几何模型进行分段，包括直段、弯曲段；

第二步，在不同的弯曲段之间补充过渡段；

第三步，建立直段、过渡段、弯曲段的包括直段长度L、弯曲半径R、弯曲角度在内的几何形状参数与弯曲工艺参数之间的数量关系。

所述的金属管材五轴自由弯曲设备，所述锥状推杆(3)紧密地插入管材尾部，以推动管材前进，以防止管材在弯曲过程中出现旋转的现象；管材夹持机构(6)材料选用聚四氟乙烯；弯曲模座(9)上具有锯齿形结构，在伺服电机(17)的带动下实现绕Z轴转动，进而带动弯曲模绕Z轴旋转，满足复杂弯曲构件成形时弯曲模与X轴正方向的夹角高频感应线圈(10)内部放置有绝缘隔热层(11)，以防止热量散失，同时防止对高频线圈加热；润滑装置根据设备工作条件的不同选择高温润滑油或常温润滑油。

一种根据任一所述设备进行金属管材3D自由弯曲的成形方法，包括以下步骤：

1)采用3D扫描测量仪(20)对采用半自动化方法弯曲成形的目标金属复杂构件进行逆向扫描，获得其三维几何模型；

2)在逆向扫描与测量工作站(21)中对三维几何模型进行解析以获得具体尺寸参数，并将具体的尺寸参数转换成实际弯曲工艺参数，导入五轴自由弯曲设备控制软件中；

3)将管材水平放置在夹持机构(6)上，并将锥状推杆(3)插入管材尾部，管材与锥状推杆紧密配合，以防止管材在弯曲过程中出现旋转的现象；

4)启动气缸(7)，带动管材夹持机构(6)将管材压紧；

5)对高频感应线圈(10)通电，并将其加热温度设置为合适的大小；

6)启动五轴自由弯曲设备控制软件，管材在轴向推进伺服电机(5)的推动作用下沿轴向运动，当管材前端运动至光电开关(19)时，触发油泵(14)自动将润滑油通过注油孔(13)注入油槽(12)中，同时触发机械手弯曲模块，在管材运动至弯曲模后，机械手弯曲模块在四个伺服电机的同时作用下开始弯曲过程；

7)对弯曲后的管材进行逆向扫描以获得其三维几何模型，并对比该三维几何模型与步骤1)中所获得的三维几何模型的尺寸差异，进而修正弯曲工艺参数。

所述的成形方法，所述步骤2)中将复杂形状弯管按照相邻直段和圆弧段为一组的方式进行分段，并获得每一段中的几何尺寸参数包括：直段长度L、圆弧段弯曲半径R、弯曲角度θ、弯曲方向与X轴正方向夹角

所述的成形方法，在直段和圆弧段中间补充从直段向圆弧段过渡的第一过渡段和从该圆弧段向下一直段过渡的第二过渡段。

所述的成形方法，通过以下公式将具体的几何尺寸参数转换成每一小段区间内实际弯曲工艺参数：

弯曲模绕管材轴线方向转动至与X轴正方向夹角为处；

直段：u_x＝u_y＝w＝0u_z＝v

第一过渡段：

u_z＝v，

弯曲段：u_x＝u_y＝w＝0，u_z＝v，

第二过渡段：u_z＝u，

其中设定弯曲过程中管材轴向送进速度u_z为定值v，弯曲模至弯曲模座中心距离为A，t为时间变量，几何尺寸参数包括:直段长度L、圆弧段弯曲半径R、弯曲角θ；弯曲工艺参数包括：弯曲方向与X轴正方向夹角弯曲模x向运动速度u_x、弯曲模y向运动速度u_y、管材轴向送进速度u_z、弯曲模绕自身轴线转动角速度w、弯曲模绕Z轴转动角度、成形每一小段所需时间Δt。

有益效果：

1、本发明为金属复杂构件的3D自由弯曲成形提供了一种新的成形工艺分析及优化方法；

2、本发明所提供的五轴自由弯管设备不需更换弯曲模具，仅需通过控制机械手弯曲装置的运动轨迹，即可成形不同弯曲半径的弯管，同时由于弯曲模平面与管材轴线能保持实时垂直，因此弯曲出的管材成形质量较好，能克服传统管材弯曲技术所固有的管材截面畸变、弯管内弧壁厚增厚、外弧壁厚减薄等缺陷。又由于该五轴弯曲模具具有很高的自由度，因此其能弯曲构型极为复杂的弯管；

3、本发明所提供的金属管材3D自由弯曲成形方法简单可行，生产效率高，在航空航天、核能、石化等工程领域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、本发明五轴自由弯管设备总体示意图；

图2、本发明管材推进模块示意图；

图3、本发明管材轴向运动导向模块示意图；

图4、本发明机械手弯曲模块示意图；

图5、本发明感应线圈加热模块及润滑模块示意图；

图中，1-直线导轨、2-管材、3-锥状推杆、4-滚珠丝杠、5-Z向伺服电机、6-管材夹持机构、7-气缸、8-弯曲模、9-弯曲模座、10-高频感应线圈、11-绝缘隔热层、12-油槽、13-注油孔、14-油泵、15-X向驱动伺服电机、16-Y向驱动伺服电机、17-弯曲模座驱动伺服电机、18-弯曲模驱动伺服电机、19-光电开关、20-3D扫描测量仪、21-逆向扫描与测量工作站；

图6、本发明金属管材3D自由弯曲成形步骤流程图；

图7、本发明五轴自由弯管设备部分关键参数示意图；

图8、“L”形弯管3D自由弯曲成形方法示意图；

图中，22-第一直段，23-第一过渡段，24-第一弯曲段，25-第二过渡段，26-第二直段；

图9、“U”形弯管3D自由弯曲成形方法示意图；

图中，27-第三直段，28-第三过渡段，29-第二弯曲段，30-第四过渡段，31-第四直段，32-第五过渡段，33-第三弯曲段，34-第六过渡段，35-第五直段；

图10、“S”形弯管3D自由弯曲成形方法示意图；

图中，36-第七过渡段，37-第四弯曲段，38-第八过渡段，39-第九过渡段，40-第五弯曲段，41-第十过渡段。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

如图1、2、3、4、5所示，本发明的五轴自由弯管设备，包括管材推进模块、管材轴向运动导向模块、机械手弯曲模块、感应线圈加热模块、润滑模块、逆向扫描与测量模块。管材推进模块包括锥状推杆(3)，Z向伺服电机(5)、滚珠丝杠(4)、直线导轨(1)，其中Z向伺服电机(5)用于管材的轴向送料；所述管材轴向运动导向模块包括气缸(7)，管材夹持机构(6)，气缸(7)为管材夹持机构(6)提供夹持管材的夹持力；机械手弯曲模块主要包括：X向伺服电机(15)、Y向伺服电机(16)、弯曲模驱动伺服电机(18)、弯曲模座驱动伺服电机(17)、弯曲模(8)和弯曲模座(9)，其中X向伺服电机(15)和Y向伺服电机(16)用于驱动弯曲模(8)沿X轴和Y轴方向的平移，满足弯曲半径为R时的偏心距，弯曲模驱动伺服电机(17)用于驱动弯曲模绕自身轴线方向转动，使得成形过程中弯曲模与管材成形部位始终保持垂直，提高成形质量，弯曲模座驱动伺服电机(17)用于驱动弯曲模座(9)绕Z轴旋转，进而带动弯曲模(8)绕Z轴旋转，满足复杂弯曲构件成形时弯曲模(8)与X轴正方向的夹角感应线圈加热模块用于为进入弯曲模8的管材加热至设定温度，其主要包括：高频感应线圈(10)、绝缘隔热层(11)，绝缘隔热层(11)设置在高频感应线圈(10)和管材之间；润滑模块用于为进入弯曲模8的管材提供润滑，其主要包括油泵(14)、注油孔(13)、油槽(12)、光电开关(19)；逆向扫描与测量模块主要包括3D扫描测量仪(20)，逆向扫描与测量工作站(21)，3D扫描测量仪用于对通过半自动化方式成形的目标“L”形弯管进行逆向扫描，获得其三维几何模型I；逆向扫描与测量工作站用于对三维几何模型I进行解析以获得具体尺寸参数，并将具体的尺寸参数转换成实际弯曲工艺参数；逆向扫描与测量工作站用于还用于对弯曲后的管材进行逆向扫描以获得其三维几何模型II，并对比该三维几何模型II与三维几何模型I的尺寸差异，并根据该差异修正弯曲工艺参数，将上述修正后的弯曲工艺参数导入五轴自由弯曲设备控制软件中，利用该修正后的弯曲工艺参数驱动X向伺服电机(15)、Y向伺服电机(16)、弯曲模驱动伺服电机(18)、弯曲模座驱动伺服电机(17)进行实际弯曲；

所述逆向扫描与测量工作站对三维几何模型I进行解析的方法如下：

第一步，将复杂形状弯管的三维几何模型进行分段，包括直段、弯曲段；

第二步，在不同的弯曲段之间补充过渡段；

第三步，建立直段、过渡段、弯曲段的包括直段长度L、弯曲半径R、弯曲角度在内的几何形状参数与弯曲工艺参数之间的数量关系；上述锥状推杆(3)紧密地插入管材尾部，以推动管材前进，以防止管材在弯曲过程中出现旋转的现象；管材夹持机构(6)材料选用聚四氟乙烯；弯曲模座(9)上具有锯齿形结构，在伺服电机(17)的带动下实现绕Z轴转动，进而带动弯曲模绕Z轴旋转，满足复杂弯曲构件成形时弯曲模与X轴正方向的夹角高频感应线圈(10)内部放置有绝缘隔热层(11)，以防止热量散失，同时防止对高频线圈加热；润滑装置根据设备工作条件的不同选择高温润滑油或常温润滑油。

以下结合“L”形、“U”形、“S”形弯管的具体实施实例，对本发明进行详细说明。

实施例1

1)、采用3D扫描测量仪对通过半自动化方式成形的目标“L”形弯管进行逆向扫描，获得其三维几何模型；

2)、在逆向扫描与测量工作站中，对三维几何模型进行解析得到“L”形弯管的尺寸参数为：外径为20mm,两端直段长分别为200mm，圆弧段半径为87.85mm，对该“L”形弯管进行如图8所示的分段。现取管材轴向送进速度u_z＝10mm/s，弯曲模至弯曲模座中心距离A为30mm。将该尺寸参数转换成每一小段实际弯曲工艺参数，如下所示，其中u_x为弯曲模x向运动速度、u_y为弯曲模y向运动速度、w为弯曲模绕自身轴线转动角速度、Δt为成形每一段所需时间、R为弯曲段弯曲半径、A为弯曲模至弯曲模座中心距离、管材轴向推进速度u_z为定值v、为弯曲模平动时与X轴正方向夹角、L为直段长度、t为时间变量：

弯曲模座固定不动；

第一直段22：u_x＝u_y＝w＝0，u_z＝10，

第一过渡段23：

u_z＝10mm/s，w＝0.1138rad/s，

第一弯曲段24：u_x＝u_y＝w＝0，u_z＝10mm/s，

第二过渡段25：

u_z＝10mm/s；

第二直段26：u_x＝u_y＝w＝0，u_z＝10，

将上述实际弯曲工艺参数导入五轴自由弯曲设备控制软件中；

3)、将待弯曲管材水平放置在管材夹持机构上，并将锥状推杆插入管材尾部，管材与锥状推杆紧密配合，以防止管材在弯曲过程中出现旋转的现象；

4)、启动气缸，带动管材夹持机构将管材压紧；

5)、对高频感应线圈通电，并将其加热温度设置为合适的大小；

6)、启动五轴自由弯曲设备控制软件(该软件为常规控制软件，本发明不再赘述)，管材在轴向推进伺服电机的推动作用下沿轴向运动，当管材前端运动至光电开关时，触发油泵自动将润滑油通过注油孔注入油槽中，同时触发机械手弯曲装置，在管材运动至弯曲模后，X和Y向驱动伺服电机驱动弯曲模在X和Y方向按照上述u_x、u_y实现平动，满足弯曲半径R所需的偏心距，弯曲模驱动伺服电机驱动弯曲模沿自身轴线方向按照角速度w转动，以使弯曲模与管材成形部位始终保持垂直，弯曲模座驱动伺服电机则驱动弯曲模转动至与X轴正方向夹角为的方向；

7)、对步骤6)弯曲获得的“L”形弯管进行逆向扫描以获得其三维几何模型，并对比该三维几何模型与步骤1)中所获得的三维几何模型的尺寸差异，进而修正弯曲工艺参数。

8)、采用修正后的弯曲工艺参数按照上述步骤3)-6)进行实际弯管过程。

实施例2

1)、采用3D扫描测量仪对采用半自动化方式成形的目标“U”形弯管进行逆向扫描，获得其三维几何模型；

2)、在逆向扫描与测量工作站中，对三维几何模型进行解析得到“U”形弯管的尺寸参数为：外径为15mm,两端及底部直段长均为200mm，圆弧段半径为63.75mm，两个圆弧段的均为90°。对该“U”形弯管进行如图9所示的分段。现取管材轴向送进速度u_z＝10mm/s，弯曲模至弯曲模座中心距离为22.5mm。将该尺寸参数转换成实际弯曲工艺参数如下所示，其中u_x为弯曲模x向运动速度、u_y为弯曲模y向运动速度、w为弯曲模绕自身轴线转动角速度、Δt为成形每一段所需时间、R为弯曲段弯曲半径、A为弯曲模至弯曲模座中心距离、管材轴向推进速度u_z为定值v、为弯曲模平动时与X轴正方向夹角、L为直段长度、t为时间变量：

在弯曲两个圆弧段时，弯曲模座均固定不动；

第三直段27：u_x＝u_y＝0，w＝0，u_z＝10mm/s，

第三过渡段28：

u_z＝10mm/s，w＝0.1569rad/s，

第二弯曲段29：u_x＝u_y＝0，w＝0，u_z＝10mm/s，

第四过渡段30：

u_z＝10mm/s；

第四直段31：u_x＝u_y＝0，w＝0，u_z＝10mm/s，

第五过渡段32：

u_z＝10mm/s，w＝0.1569rad/s，

第三弯曲段33：u_x＝u_y＝0，w＝0，u_z＝10mm/s，

第六过渡段34：

u_z＝10mm/s；

第五直段35：u_x＝u_y＝w＝0，u_z＝10mm/s，

将上述实际弯曲工艺参数导入五轴自由弯曲设备控制软件中；

3)、将管材水平放置在夹持机构上，并将锥状推杆插入管材尾部，管材与锥状推杆紧密配合，以防止管材在弯曲过程中出现旋转的现象；

4)、启动气缸，带动夹持机构将管材压紧；

5)、对高频感应线圈通电，并将其加热温度设置为合适的大小；

6)、启动五轴自由弯曲设备专用控制软件，管材在轴向推进伺服电机的推动作用下沿轴向运动，当管材前端运动至光电开关时，触发油泵自动将润滑油通过注油孔注入油槽中，同时触发机械手弯曲装置，在管材运动至弯曲模后，X和Y向驱动伺服电机驱动弯曲模在X和Y方向实现平动，满足弯曲半径R所需的偏心距，弯曲模驱动伺服电机驱动弯曲模沿自身轴线方向的转动，使弯曲模与管材成形部位始终保持垂直，弯曲模座驱动伺服电机则驱动弯曲模转动至弯曲方向方向；

7)、对步骤6)弯曲后获得的“U”形弯管进行逆向扫描以获得其三维几何模型，并对比该三维几何模型与步骤1)中所获得的三维几何模型的尺寸差异，进而修正弯曲工艺参数；

8)、采用修正后的弯曲工艺参数按照上述步骤3)-6)进行实际弯管过程。

实施例3

1)、采用3D扫描测量仪对采用半自动化方式成形的目标“S”形弯管进行逆向扫描，获得其三维几何模型；

2)、在逆向扫描与测量工作站中，对三维几何模型进行解析得到“S”形弯管的尺寸参数为：外径为15mm,两个半圆半径均为100mm，两个圆弧段的值均为90°。对该“S”形弯管进行如图10所示的分段。现取管材轴向送进速度u_z＝10mm/s，弯曲模至弯曲模座中心距离为22.5mm。将该尺寸参数转换成实际弯曲工艺参数如下所示，其中u_x为弯曲模x向运动速度、u_y为弯曲模y向运动速度、w为弯曲模绕自身轴线转动角速度、Δt为成形每一段所需时间、R为弯曲段弯曲半径、A为弯曲模至弯曲模座中心距离、管材轴向推进速度u_z为定值v、为弯曲模平动时与X轴正方向夹角、L为直段长度、t为时间变量：

在弯曲两个圆弧段时，弯曲模座均固定不动；

第七过渡段36：

u_z＝10mm/s，w＝0.1569rad/s，

第四弯曲段37：u_x＝u_y＝w＝0，u_z＝10mm/s，Δt＝:26.736s；

第八过渡段38：

u_z＝10mm/s；

第九39过渡段：

u_z＝10mm/s，w＝0.1569rad/s，

第五弯曲段40：u_x＝u_y＝w＝0，u_z＝10mm/s，Δt＝:26.736s；

第十过渡段41：

将上述实际弯曲工艺参数导入五轴自由弯曲设备专用控制软件中；

3)、将管材水平放置在夹持机构上，并将锥状推杆插入管材尾部，管材与锥状推杆紧密配合，以防止管材在弯曲过程中出现旋转的现象；

4)、启动气缸，带动夹持机构将管材压紧；

5)、对高频感应线圈通电，并将其加热温度设置为合适的大小；

6)、启动五轴自由弯曲设备专用控制软件，管材在轴向推进伺服电机的推动作用下沿轴向运动，当管材前端运动至光电开关时，触发油泵自动将润滑油通过注油孔注入油槽中，同时触发机械手弯曲装置，在管材运动至弯曲模后，X和Y向驱动伺服电机驱动弯曲模在X和Y方向实现平动，满足弯曲半径R所需的偏心距，弯曲模驱动伺服电机驱动弯曲模沿自身轴线方向的转动，使弯曲模与管材成形部位始终保持垂直，弯曲模座驱动伺服电机则驱动弯曲模转动至与X轴正方向夹角为的方向；

7)、对弯曲后的管材进行逆向扫描以获得其三维几何模型，并对比该三维几何模型与步骤1)中所获得的三维几何模型的尺寸差异，进而修正弯曲工艺参数；

8)、采用修正后的弯曲工艺参数按照上述步骤3)-6)进行实际弯管过程。

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。