表面不规则大曲率薄壁板料快速柔性成形方法及柔性工装

摘要

本发明公开了一种表面不规则大曲率薄壁板料快速柔性成形方法及柔性工装，包括支撑底座、装配于支撑底座上的固定支架和活动支架、通过固定架安装在固定支架和活动支架上的两层支撑板，以及若干单元压杆；每层支撑板都包括相对的两个I型支撑板和相对的两个II型支撑板，相对的两个I型支撑板和相对的两个II型支撑板为边，围成矩形或正方形空腔；单元压杆上带有外螺纹，每个I型支撑板和II型支撑板均设置通孔，通孔中设置内螺纹，通过该外螺纹、内螺纹将单元压杆装配于I型支撑板和II型支撑板上，形成上下两组一一相对的可以移动的单元压杆阵列；从而解决复杂大曲率不规则曲面板料的快速再成形及再制造的装夹问题。

说明书

技术领域

本发明属于机器人柔性成形技术领域，具体涉及一种表面不规则大曲率薄壁板料快速柔性成形方法及柔性工装。

背景技术

机器人柔性成形技术(Flexible Forming Technology of Robot，FFTR)是基于计算机辅助建模技术、计算机辅助加工技术以及金属塑性成形原理之上所形成的一种高效的板料无模柔性成形技术，该技术采用快速原型的基本思想模式，将加工模型外轮廓沿着竖直方向按照一定层间距在各等高层面分离出一系列二维轮廓线，并利用CAM(ComputerAided Manufacturing)软件生成各二维轮廓线上的轨迹加载路径，成形工具头在机器人的控制下沿着生成的加载路径，并按照设定的加工速度及进给量在各等高层面上进行小变形连续加载，最终加工出预设的制件，实现金属板料的数字化柔性成形，与其他板料塑性成形工艺相比，FFTR在保证成形精度的情况下不需要制造成本高昂的模具，利用通用机器人设备即可实现成形，极大地缩短了零件的制造周期。

目前在板料成形领域中，初始板材坯料多为未经加工的平板，即便采用多道次成形工艺，其各道次成形过程中板料的边缘区域依然为平板；且现存的板料成形工装多为上下压板结构，只能装夹边缘平直的板材，该类夹持装置只能够在单一水平面上根据板材的外形尺寸进行大小调节，即传统的成形制造为“从平板坯料到零件”的思想模式，而在某些特殊环境下制造需要实现就地取材以及对特殊环境中仅有宝贵资源的高效利用，而特殊环境下的原始坯料多为已成形的复杂不规则大曲率薄壁板料，且板料边缘区域并非在单一水平面内，这与“从坯料到零件”的制造模式相违背，因此缺少一种“从表面不规则的大曲率板料到新零件”的柔性再成形方法及柔性工装。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种表面不规则大曲率薄壁板料快速柔性成形方法及柔性工装，从而解决复杂大曲率不规则曲面板料的快速再成形及再制造的装夹问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种表面不规则大曲率薄壁板料快速柔性成形工装，包括支撑底座(1)、装配于支撑底座(1)上的固定支架(2)和活动支架(9)、通过固定架安装在固定支架(2)和活动支架(9)上的两层支撑板，以及若干单元压杆(7)；每层支撑板都包括相对的两个I型支撑板(5)和相对的两个II型支撑板(8)，相对的两个I型支撑板(5)和相对的两个II型支撑板(8)为边，围成矩形或正方形空腔；单元压杆(7)上带有外螺纹，每个I型支撑板(5)和II型支撑板(8)均设置通孔，通孔中设置内螺纹，通过该外螺纹、内螺纹将单元压杆(7)装配于I型支撑板(5)和II型支撑板(8)上，形成上下两组一一相对的可以移动的单元压杆(7)阵列，单元压杆(7)用于压紧坯料(6)。

所述的柔性成形工装，所述的支撑底座表面相应位置开设有六个矩形孔洞以及两条T型凹槽用于装配固定支架和活动支架，固定支架(2)一共6个，支撑底座(1)左侧设置两组间隔一定距离的固定支架(2)，每组包括两个并列的固定支架(2)，距离左侧一定距离设置两个间隔一定距离的单独的两个固定支架(2)，活动支架(9)一共2个，活动支架(9)可以在T型凹槽中滑动并最终靠拢固定在上述单独的两个固定支架(2)上，所述T型凹槽侧边设有限位螺钉以防止柔性工装闭合加工时活动支架产生位移。

所述的柔性成形工装，所述固定支架冷压入支撑底座上的矩形孔洞内，其上在相应位置处开设螺纹孔用于安装固定架，固定架为三角固定支架。

所述的柔性成形工装，所述活动支架装配于支撑底座内的T型凹槽中,其上在相应位置处开设螺纹孔用于安装三角固定支架，用于固定上下两个对应的II型支撑板(8)，且两个活动支架可以沿着T型凹槽进行平移，使柔性工装打开或闭合。

所述的柔性成形工装，所述I型支撑板为长方形结构，其上开设有若干螺纹孔用于装配单元压杆，其下部开设有与三角固定支架进行连接的螺纹孔。

所述的柔性成形工装，所述单元压杆包括支撑杆、限位固定螺母以及压头，其通过支撑杆在螺纹孔内转动进行升降，可实现对坯料的压紧，且可独立运动，以适应坯料外缘轮廓。

所述的柔性成形工装，所述支撑杆顶部为球头状，底部为六角头状，中部杆上攻有与I型支撑板和II型支撑板上螺纹孔相配合的螺纹，其侧面铣出一个平面，并在平面上标记刻度线，用于测量支撑杆各段距离压头顶部的长度。

所述的柔性成形工装，所述固定螺母用于各单元压杆压紧坯料后的限位和紧固作用；

所述的柔性成形工装，所述压头顶部包裹有一层橡胶衬垫，并与支撑杆进行球面副连接，使得各单元压杆在压紧坯料时，压头绕支撑杆发生轻微转动，以适应坯料边缘轮廓形状，同时被挤压后的橡胶衬垫可以充分地与坯料进行接触以提供一定的压边力。

一种表面不规则大曲率薄壁板料快速柔性成形方法，包括以下步骤：

(1)任取一个已成形的表面不规则大曲率原始板料，利用机器人末端执行器上的激光切割器在激光切割的投影方向上沿着X、Y方向切割出一个边长为a的正方形区域；

(2)将切割下的坯料进行三维点云扫描与逆向重构，得到坯料三维模型；

(3)将坯料三维模型导入三维建模软件中，并规定激光切割的方向为坯料模型的X、Y轴方向，且初始切割点为O

(4)将设计好的零件模型导入(3)中的坯料三维模型中，调整其相对于坯料三维模型的空间位置，使得零件模型尽可能贴近坯料模型的形状与曲率，且零件模型整体要在整个坯料模型的下部，之后建立辅助加工面，使得辅助加工面的顶部位于坯料模型的正上方，保证加工时成形工具头的起刀点在原始板料的上方，且位于原始板料上部的辅助加工面为空走刀区域，原始板料下部为成形区域，最终将辅助加工面与坯料三维模型进行缝合建立起零件加工模型，同时设置成形工艺参数并生成机器人识别的加工指令代码；

(5)取下限位螺钉沿着T型凹槽移动活动支架打开柔性工装，将坯料装夹上任一所述的柔性成形工装，调节柔性工装四个角上的单元压杆来调整坯料相对于柔性工装的空间位置，使得坯料的X、Y轴与柔性工装的X、Y轴平行，再沿着T型凹槽移动活动支架闭合柔性工装，并用限位螺钉进行固定限位，之后调节其余单元压杆，使其按照坯料的外缘形状进行压紧固定；

(6)通过读取压在坯料初始切割点O

(7)导入机器人加工指令代码，驱动机器人控制末端成形工具头对坯料按照预设的成形轨迹进行成形，加工时成形工具头从空走刀区开始逐层加工，逐渐过渡到加工区域，最终成形出所需零件，加工结束后利用机器人末端执行器上的激光切割器沿着零件模型的外轮廓进行切割，最终得到所需的零件。

本发明提供的一种“从表面不规则的大曲率板料到新零件”的柔性再成形方法及柔性工装，满足了在某些特殊环境下需要实现就地取材以及对特殊环境中仅有宝贵资源的高效利用。

附图说明

图1为本发明柔性工装结构示意图；

图2为图一的主视图；

图3为图一的左视图；

图4为图一的俯视图；

图5为单元压杆结构示意图；

图6为本发明柔性工装结构打开示意图；

图7为从原始板料切割下坯料示意图；

图8为零件加工模型的建立与成形示意图；

图中：1.支撑底座，2.固定支架，3.三角固定支架，4.紧固螺钉，5.I型支撑板，6.坯料，61.坯料三维模型，7.单元压杆，71.支撑杆，72.固定螺母，73.压头，8.II型支撑板，9.活动支架，10.限位螺钉，11.激光切割器，12.原始板料，13.零件模型，14.辅助加工面，15.成形工具头，16.零件加工模型；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。本实施例是以本发明技术方案为前提下进行实施的，描述了详细的实施方式和具体的操作过程，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但本发明的保护范围并不限于下述实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-图6所示，一种表面不规则大曲率薄壁板料快速柔性工装，薄壁板料的壁厚在0.5mm-1.2mm，包括支撑底座1、装配于支撑底座1上的固定支架2和活动支架9、通过三角固定支架3安装在固定支架2和活动支架9上的两层支撑板，以及若干单元压杆7；每层支撑板都包括相对的两个I型支撑板5和相对的两个II型支撑板8，相对的两个I型支撑板5和相对的两个II型支撑板8为边，围成矩形或正方形空腔；单元压杆7上带有外螺纹，每个I型支撑板5和II型支撑板8均设置通孔，通孔中设置内螺纹，通过该外螺纹、内螺纹将单元压杆7装配于I型支撑板5和II型支撑板8上，形成上下两组一一相对的可以移动的单元压杆7阵列，单元压杆7用于压紧坯料6。

进一步的，所述的支撑底座1表面相应位置开设有六个矩形孔洞以及两条T型凹槽用于装配固定支架2和活动支架9，固定支架2一共6个，参考图4，支撑底座1左侧设置两组间隔一定距离的固定支架2，每组包括两个并列的固定支架2，距离左侧一定距离设置两个间隔一定距离的单独的两个固定支架2，活动支架9一共2个，活动支架9可以在T型凹槽中滑动并最终靠拢固定在上述单独的两个固定支架2上，所述T型凹槽侧边设有限位螺钉10以防止柔性工装闭合加工时活动支架9产生位移。

进一步的，所述固定支架2冷压入支撑底座1上的矩形孔洞内，其上在相应位置处开设螺纹孔用于安装三角固定支架3。

进一步的，所述活动支架9装配于支撑底座1内的T型凹槽中,其上在相应位置处开设螺纹孔用于安装三角固定支架3，用于固定上下两个对应的II型支撑板8，且两个活动支架9可以沿着T型凹槽进行平移，使柔性工装打开或闭合。

进一步的，所述I型支撑板5为长方形结构，其上开设有若干螺纹孔用于装配单元压杆7，其下部开设有与三角固定支架3进行连接的螺纹孔。

进一步的，所述II型支撑板8为“凸字形”结构，其上开设有若干螺纹孔用于装配单元压杆7，其下部开设有与三角固定支架3进行连接的螺纹孔。

进一步的，所述三角固定支架3通过紧固螺钉将固定支架2和活动支架9分别同I型支撑板5和II型支撑板8进行固定连接，保证整体工装的刚度。

进一步的，所述单元压杆7包括支撑杆71、固定螺母72以及压头73，其通过支撑杆71在螺纹孔内转动进行升降，可实现对坯料6的压紧，且可独立运动，以适应坯料6外缘轮廓。

进一步的，所述支撑杆71顶部为球头状，底部为六角头状，中部杆上攻有与I型支撑板5和II型支撑板8上螺纹孔相配合的螺纹，其侧面铣出一个平面，并在平面上标记刻度线，用于测量支撑杆71各段距离压头73顶部的长度。

进一步的，所述固定螺母72用于各单元压杆压紧坯料后的限位和紧固作用；

进一步的，所述压头73顶部包裹有一层橡胶衬垫，并与支撑杆71进行球面副连接，使得各单元压杆7在压紧坯料6时，压头73绕支撑杆71发生轻微转动，以适应坯料6边缘轮廓形状，同时被挤压后的橡胶衬垫可以充分地与坯料6进行接触以提供一定的压边力。

进一步的，所述坯料6为从原始板料12上利用激光切割器切割下来的板料，其在加工方向上投影的形状为边长为80mm的正方形。

进一步的，所属原始板料12为已成形的复杂不规则大曲率薄壁板料。

一种表面不规则大曲率薄壁板料快速柔性成形方法，包括以下步骤：

(1)任取一个已成形的不规则的原始板料12，利用机器人末端执行器上的激光切割器11在激光切割的投影方向上沿着X、Y方向切割出一个边长为80mm的正方形区域得到坯料。

(2)将切割下的坯料进行三维点云扫描与逆向重构,得到坯料三维模型61。

(3)将坯料三维模型61导入三维建模软件中，并规定激光切割的方向为坯料6模型的X、Y轴方向，且初始切割点为O

(4)将设计好的零件模型13导入步骤(3)中的坯料三维模型61中，调整其相对于坯料三维模型61的空间位置，使得零件模型13尽可能贴近(或吻合)坯料三维模型61的形状与曲率，且零件模型13整体要在整个坯料三维模型61的下部，之后建立辅助加工面14，使得辅助加工面14的顶部位于坯料三维模型61的正上方，这样就可以保证加工时成形工具头15的起刀点在坯料的上方，且位于坯料上部的辅助加工面14为空走刀区域，坯料下部为成形区域，最终将辅助加工面14与坯料三维模型61进行缝合建立起零件加工模型16，同时设置成形工艺参数并生成机器人识别的加工指令代码。

(5)取下限位螺钉10沿着T型凹槽向外移动活动支架9打开柔性工装，将坯料6装夹上柔性工装，调节柔性工装四个角上的单元压杆7来调整坯料6相对于柔性工装的空间位置，使得坯料6的X、Y轴与柔性工装的X、Y轴平行，再沿着T型凹槽移动活动支架9闭合柔性工装，并用限位螺钉10进行固定限位，之后调节其余单元压杆7，使上下两组单元压杆7一一相对压紧在坯料6上，将坯料6保持其外缘形状进行压紧固定。

(6)通过读取压在坯料6初始切割点O

(7)导入机器人加工指令代码，驱动机器人控制末端成形工具头15对坯料6按照预设的成形轨迹进行成形，加工时成形工具头15从空走刀区开始逐层加工，逐渐过渡到加工区域，最终成形出所需零件，加工结束后利用机器人末端执行器上的激光切割器11沿着零件模型13的外轮廓进行切割，最终得到所需的零件。

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。