四自由度混联式多头柔性拉形的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种四自由度混联式多头柔性拉形机，由底座、左牵引装置、右牵引装置、左夹板机构、右夹板机构组成。左牵引装置、右牵引装置的底部固定在底座上，分别用于支撑左夹板机构和右夹板机构，左牵引装置与右牵引装置的结构完全相同，均为{4RPU-UPR}结构的四自由度混联机构。用于夹持与固定板料的左夹板机构、右夹板机构的结构也完全相同。与现有技术相比，本发明的牵引装置采用四自由度混联机构和分层次调节及拉形作业方式，使拉形件上各位置点易于实现柔性变形，减少工艺余量，提高成形质量和材料的利用率。本发明不仅运动自由度多、所需液压缸的数量少，还具有柔性度高、控制简单、设备制造成本低等优点。
【专利说明】四自由度混联式多头柔性拉形机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种板材塑性成形设备领域，特别涉及一种具有空间两平移两转动共四个运动自由度的混联式多头柔性拉形机。
【背景技术】
[0002]三维曲面件广泛应用于航空航天、高速铁路、船舶舰艇、医学工程、现代建筑等行业中，很多军用或民用的重大项目及工程都需要能够加工高质量三维曲面件的先进制造技术。传统的塑性成形技术因为需要使用生产周期很长、制造和调试费用很高的模具，限制了相关行业在产品多样化、个性化以及更新升级等方面的发展。为替代塑性成形过程中使用的曲面成形用模具，众多专家学者开展了与“柔性制造”技术相关的研究。现有的柔性制造技术主要有:应用在航空航天工业的喷丸成形、应用在造船业的水火弯板以及单点渐进成形等，但存在生产效率低、工件成形精度低、过分依赖操作者经验以及成形板材厚度受限等问题。而多点成形技术是将柔性制造和计算机技术结合为一体，基于离散思想，将实体模具离散为一系列规则排列的基本体单元，通过计算机控制各基本体单元高度，构造出成形面，再通过多头柔性拉形机在多点数字化可调形模具上拉伸板材实现板材的三维曲面成形。多点成形技术因其具有的独特优势，已经成为现代制造领域的重要研究方向。
[0003]拉形机是使板材产生拉伸成形的关键设备，主要应用于航空航天领域中双曲率蒙皮零件的成形。传统的拉形机可分为横向拉形机和纵向拉形机。拉形可以使板材的内外层在拉伸方向产生拉应力和拉应变，从而减少工件塑性变形后的回弹量。由于传统拉形机的夹钳夹持住板材后在拉形模的配合下使板材的各个部分沿纵向同步拉伸，在成形双曲率蒙皮零件时零件的拉应力和拉应变分布明显不均匀，易产生不贴模、拉裂或起皱等成形缺陷。因此，为了消除缺陷，拉形用坯料往往需要较大的工艺余量，导致材料的利用率降低。另外，目前已有的高柔性多头拉形机(ZL200910217701.X)采用了多分支多轴液压伺服控制系统，一个点位就需要三个大位移液压缸，不仅所需液压缸数量多，而且结构复杂，控制不便，还导致其制造费用昂贵。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对现有多头柔性拉形机技术的不足，提供一种具有空间两平移两转动共四个运动自由度的混联式多头柔性拉形机。本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。
[0005]一种四自由度混联式多头柔性拉形机，由底座、左牵引装置、右牵引装置、左夹板机构、右夹板机构组成。其中，所述的左牵引装置、右牵引装置的底部固定在底座上，分别用于支撑左夹板机构和右夹板机构，所述的左牵引装置与右牵引装置的结构完全相同，且均具有空间两个方向的平移和两个转动共四个自由度的运动与调节功能。用于夹持与固定板料的左夹板机构、右夹板机构的结构完全相同，所述的左夹板机构的左端与左牵引装置的顶部通过铰链相连接；所述的右夹板机构的右端与右牵引装置的顶部通过铰链相连接。所述的左牵引装置由并联支撑架和串联牵引机构组成，其中并联支撑架具有两个平移和一个转动共三个自由度的运动与调节功能；而所述的串联牵引机构具有一个独立平移和两个转动共三个自由度的运动与调节功能，串联牵引机构的数量不少于三个，串联牵引机构的下端与并联支撑架的顶部相固连。所述的并联支撑架为4-{RPU}结构的并联机构，所述的串联牵引机构为采用IUPR}结构的串联机构，并联支撑架与串联牵引机构串联连接在一起构成一个结构为{4RPU-UPR}的混联机构，其中R表示转动副，P表示移动副，U表示万向节，且本发明中的移动副P均由液压缸实现。
[0006]所述的并联支撑架由连接横梁和并联连接在底座与连接横梁之间的第一支链、第二支链、第三支链、第四支链组成，且所述的第一支链、第二支链、第三支链与第四支链的结构完全相同，都是采用{RPU}结构，且上述四个支链中的移动副P均由液压缸实现。
[0007]所述的第一支链由第一转动副、第一主液压缸和第一万向节组成。其中，所述的第一主液压缸的下端通过第一转动副与底座相连接，第一主液压缸的上端通过第一万向节与连接横梁相连接。所述的第二支链由第二转动副、第二主液压缸和第二万向节组成。其中，所述的第二主液压缸的下端通过第二转动副与底座相连接，第二主液压缸的上端通过第二万向节与连接横梁相连接。所述的第三支链由第三转动副、第三主液压缸和第三万向节组成。其中，所述的第三主液压缸的下端通过第三转动副与底座相连接，第三主液压缸的上端通过第三万向节与连接横梁相连接。所述的第四支链由第四转动副、第四主液压缸和第四万向节组成。其中，所述的第四主液压缸的下端通过第四转动副与底座相连接，第四主液压缸的上端通过第四万向节与连接横梁相连接。
[0008]所述的第一支链、第二支链、第三支链、第四支链中的转动副、移动副(即液压缸)及万向节的轴线之间保持严格的尺度约束关系。所述的第一转动副、第二转动副、第三转动副和第四转动副的轴线相互平行；所述的第一主液压缸的轴线垂直于第一转动副的轴线，所述的第二主液压缸的轴线垂直于第二转动副的轴线，所述的第三主液压缸的轴线垂直于第三转动副的轴线，所述的第四主液压缸的轴线垂直于第四转动副的轴线；所述的第一万向节的十字轴的轴线与第二万向节的十字轴的轴线相互平行或垂直，且第一转动副的轴线与第一万向节的十字轴的一条轴线相互平行；第三万向节的十字轴的轴线与第四万向节的十字轴的轴线相互平行或垂直，且第三转动副的轴线与第三万向节的十字轴的一条轴线相互平行。
[0009]所述的串联牵引机构由万向节连接座、次液压缸和连接耳座组成。其中，所述的万向节连接座的下端与连接横梁相固连，其上端与次液压缸的底部相固连；所述的连接耳座与次液压缸的活塞杆末端相固连。
[0010]所述的左夹板机构由夹板体、夹紧液压缸、连杆、导杆和活动夹头组成。其中，在所述的夹板体的顶部设有双耳座，在夹板体的前端设有U形缺口，且在U形缺口的下表面上设有上锯齿形防滑层；所述的夹紧液压缸内置于夹板体的后端，且夹紧液压缸的底部通过螺钉与夹板体相连接；所述的连杆的后端与夹紧液压缸的活塞杆通过铰链相连接，连杆的中部与夹板体上的双耳座通过铰链相连接，连杆的前端与导杆的顶部通过铰链相连接；所述的活动夹头置于夹板体的U形缺口内，且在活动夹头的下表面上设有下锯齿形防滑层，所述的活动夹头的上端与导杆的下端相固连。
[0011]本发明的左牵引装置、右牵引装置在底座上的安装位置可以左右调节，配合使用的拉形模具可以采用实体模具，也可以采用多点可调式拉形模具。
[0012]拉形时，使用全部或若干个左夹板机构、右夹板机构分别夹持住板料，并通过相对应的左牵引装置、右牵引装置在拉形模具的配合下拉伸成形料。通过调整左牵引装置、右牵引装置上各主液压缸和次液压缸的行程与液压力，可以获得最佳拉伸位置和角度。尤其是通过调节不同位置的次液压缸的行程与液压力可以使各位置点上的左夹板机构和右夹板机构沿拉伸方向产生不同的位移量与转角；由于左牵引装置、右牵引装置具有板料变形时所需的运动自由度，在拉形时，左夹板机构、右夹板机构会顺应模具曲面的变化趋势而移动、摆动或转动。因此，拉形件的拉应力和拉应变的分布更加均匀。
[0013]本发明的有益效果是，与现有技术相比，本发明的四自由度混联式多头柔性拉形机的牵引装置采用四自由度的混联机构、分层次调节及拉形作业方式。其中，具有两平移一转动共三个自由度的并联支撑架主要用于较大幅度的姿态调整及拉形作业，而多点分散布置且具有一平移两转动共三个自由度的串联牵引机构主要用于各位置点的差异性拉形运动，不仅可以使施加在被加工板料各位置点的载荷路径更加合理，使拉形件的拉应力和拉应变的分布更加均匀，减少拉形件的工艺余量，提高成形质量和材料的利用率，还可实现横向曲率较大或横向有一定波浪的曲面件的拉形。本发明相对现有一点三缸式多点高柔性多头拉形机，不仅运动自由度多，加工柔性度高，而且所需液压缸的数量大大减少，还可以简化液压缸的控制，降低设备的制造成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明的总体结构示意图；
[0015]图2为本发明的并联支撑架的结构示意图；
[0016]图3为本发明的串联牵引机构与左夹板机构的结构示意图；
[0017]图4为本发明的左夹板机构的内部结构示意图；
[0018]图5为本发明的工作状态示意图。
【具体实施方式】
[0019]为了使本发明所实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。
[0020]如图1和图5所示，一种四自由度混联式多头柔性拉形机，由底座1、左牵引装置
2、右牵引装置3、左夹板机构4、右夹板机构5组成。其中，所述的左牵引装置2、右牵引装置3的底部固定在底座I上，分别用于支撑左夹板机构4和右夹板机构5，所述的左牵引装置2与右牵引装置3的结构完全相同，且均具有沿着空间X向、Z向的平移和绕X轴和Y轴的转动共四个自由度的运动与调节功能。用于夹持与固定板料的左夹板机构4、右夹板机构5的结构完全相同，所述的左夹板机构4的左端与左牵引装置2的顶部通过铰链相连接；所述的右夹板机构5的右端与右牵引装置3的顶部通过铰链相连接。所述的左牵引装置2由并联支撑架21和串联牵引机构22组成，其中并联支撑架21具有沿着空间X向、Z向的两个平移和绕Y轴的转动共三个自由度的运动与调节功能；而所述的串联牵引机构22具有沿着X向或Z向的一个独立平移和绕着X轴、Z轴两个转动共三个自由度的运动与调节功能，串联牵引机构22的下端与并联支撑架21的顶部相固连。串联牵引机构22的数量可根据板料7的宽度进行选取，板料7的宽度越宽、板料变形越复杂，所需串联牵引机构22的数量越多，一般情况下串联牵引机构22的数量最小不少于三个。所述的并联支撑架21为4-{RPU}结构的并联机构，所述的串联牵引机构22为{UPR}结构的串联机构，并联支撑架21与串联牵引机构22串联连接在一起构成一个结构为{4RPU-UPR}的混联机构，其中R表示转动副，P表示移动副，U表示万向节，且本发明中的移动副P均由液压缸实现。
[0021]如图1、图2和图5所示，所述的并联支撑架21由连接横梁215和并联连接在底座I与连接横梁215之间的第一支链211、第二支链212、第三支链213、第四支链214组成，且所述的第一支链211、第二支链212、第三支链213与第四支链214的结构完全相同，都是采用{RPU}结构，其中R表示转动副，P表示移动副，U表示万向节，且上述四个支链中的移动副均由液压缸实现。
[0022]如图1、图2和图5所示，所述的第一支链211由第一转动副2111、第一主液压缸2112和第一万向节2113组成。其中，所述的第一主液压缸2112的下端通过第一转动副2111与底座I相连接，第一主液压缸2112的上端通过第一万向节2113与连接横梁215相连接。所述的第二支链212由第二转动副2121、第二主液压缸2122和第二万向节2123组成。其中，所述的第二主液压缸2122的下端通过第二转动副2121与底座I相连接，第二主液压缸2122的上端通过第二万向节2123与连接横梁215相连接。所述的第三支链213由第三转动副2131、第三主液压缸2132和第三万向节2133组成。其中，所述的第三主液压缸2132的下端通过第三转动副2131与底座I相连接，第三主液压缸2132的上端通过第三万向节2133与连接横梁215相连接。所述的第四支链214由第四转动副2141、第四主液压缸2142和第四万向节2143组成。其中，所述的第四主液压缸2142的下端通过第四转动副2141与底座I相连接，第四主液压缸2142的上端通过第四万向节2143与连接横梁215相连接。
[0023]如图1、图2和图5所示，所述的第一支链211、第二支链212、第三支链213、第四支链214中的转动副、移动副(即液压缸)及万向节的轴线之间保持严格的尺度约束关系。所述的第一转动副2111、第二转动副2121、第三转动副2131和第四转动副2141的轴线相互平行；所述的第一主液压缸2112的轴线垂直于第一转动副2111的轴线，所述的第二主液压缸2122的轴线垂直于第二转动副2121的轴线，所述的第三主液压缸2132的轴线垂直于第三转动副2131的轴线，所述的第四主液压缸2142的轴线垂直于第四转动副2141的轴线；所述的第一万向节2113的十字轴的轴线与第二万向节2123的十字轴的轴线相互平行或垂直，且第一转动副2111的轴线与第一万向节2113的十字轴的一条轴线相互平行；第三万向节2133的十字轴的轴线与第四万向节2143的十字轴的轴线相互平行或垂直，且第三转动副2131的轴线与第三万向节2133的十字轴的一条轴线相互平行。
[0024]如图1和图3所示，所述的串联牵引机构22由万向节连接座221、次液压缸222和连接耳座223组成。其中，所述的万向节连接座221的下端与连接横梁215相固连，其上端与次液压缸222的底部相固连；所述的连接耳座223与次液压缸222的活塞杆末端相固连。
[0025]如图3和图4所示，所述的左夹板机构4由夹板体41、夹紧液压缸42、连杆43、导杆44和活动夹头45组成。其中，在所述的夹板体41的顶部设有双耳座411，在夹板体41的前端设有U形缺口 412，且在U形缺口 412的下表面上设有上锯齿形防滑层413 ;所述的夹紧液压缸42内置于夹板体41的后端，且夹紧液压缸42的底部通过螺钉与夹板体41相连接；所述的连杆43的后端与夹紧液压缸42的活塞杆通过铰链相连接，连杆43的中部与夹板体41上的双耳座411通过铰链相连接，连杆43的前端与导杆44的顶部通过铰链相连接；所述的活动夹头45置于夹板体41的U形缺口 412内，且在活动夹头45的下表面上设有下锯齿形防滑层451，所述的活动夹头45的上端与导杆44的下端相固连。
[0026]本发明的左牵引装置2、右牵引装置3在底座I上的安装位置可以左右调节，配合使用的拉形模具可以采用实体模具，也可以采用多点可调式拉形模具6。
[0027]如图1和图5所示，拉形时，使用全部或若干个左夹板机构4、右夹板机构5分别夹持住板料7，并通过相对应的左牵引装置2、右牵引装置3在多点可调式拉形模具6的配合下将板料7拉伸成形。本发明的牵引装置可采用分层次调节及拉形作业方式。安装板料7或进行初步拉形作业时，可同步使用左牵引装置2和右牵引装置3中的并联支撑架实现较大幅度的姿态调整及初步拉形作业；而在进行板料各位置点的差异性拉形运动时主要依靠多点分散布置的串联牵引机构的运动完成。通过调整左牵引装置2、右牵引装置3上各主液压缸和次液压缸的行程与液压力，可以获得最佳拉伸位置和角度。尤其是通过调节不同位置的次液压缸的行程与液压力可以使夹持在板料各位置点上的左夹板机构4和右夹板机构5沿拉伸方向产生不同的位移量与转角；由于左牵引装置2、右牵引装置3具有空间两平移两转动共四个运动自由度，在拉形时，左夹板机构4、右夹板机构5会顺应模具曲面的变化趋势而移动、摆动或转动，使得板料产生变形的柔性度较高。因此，拉形件的拉应力和拉应变的分布更加均匀。
[0028]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种四自由度混联式多头柔性拉形机，由底座、左牵引装置、右牵引装置、左夹板机构、右夹板机构组成，其特征在于:所述的左牵引装置、右牵引装置的底部固定在底座上，且所述的左牵引装置与右牵引装置的结构完全相同；所述的左夹板机构、右夹板机构的结构完全相同，所述的左夹板机构的左端与左牵引装置的顶部通过铰链相连接，所述的右夹板机构的右端与右牵引装置的顶部通过铰链相连接；所述的左牵引装置由并联支撑架和串联牵引机构组成，且串联牵引机构的数量不少于三个，所述的串联牵引机构的下端与并联支撑架的顶部相固连； 所述的并联支撑架由连接横梁和并联连接在底座与连接横梁之间的第一支链、第二支链、第三支链、第四支链组成，且所述的第一支链、第二支链、第三支链与第四支链的结构完全相同； 所述的第一支链由第一转动副、第一主液压缸和第一万向节组成，所述的第一主液压缸的下端通过第一转动副与底座相连接，第一主液压缸的上端通过第一万向节与连接横梁相连接；第二支链由第二转动副、第二主液压缸和第二万向节组成，所述的第二主液压缸的下端通过第二转动副与底座相连接，第二主液压缸的上端通过第二万向节与连接横梁相连接；所述的第三支链由第三转动副、第三主液压缸和第三万向节组成，所述的第三主液压缸的下端通过第三转动副与底座相连接，第三主液压缸的上端通过第三万向节与连接横梁相连接；所述的第四支链由第四转动副、第四主液压缸和第四万向节组成，所述的第四主液压缸的下端通过第四转动副与底座相连接，第四主液压缸的上端通过第四万向节与连接横梁相连接；所述的第一转动副、第二转动副、第三转动副和第四转动副的轴线相互平行；所述的第一主液压缸的轴线垂直于第一转动副的轴线，所述的第二主液压缸的轴线垂直于第二转动副的轴线，所述的第三主液压缸的轴线垂直于第三转动副的轴线，所述的第四主液压缸的轴线垂直于第四转动副的轴线；所述的第一万向节的十字轴的轴线与第二万向节的十字轴的轴线相互平行或垂直，且第一转动副的轴线与第一万向节的十字轴的一条轴线相互平行；第三万向节的十字轴的轴线与第四万向节的十字轴的轴线相互平行或垂直，且第三转动副的轴线与第三万向节的十字轴的一条轴线相互平行； 所述的串联牵引机构由万向节连接座、次液压缸和连接耳座组成，所述的万向节连接座的下端与连接横梁相固连，其上端与次液压缸的底部相固连；所述的连接耳座与次液压缸的活塞杆末端相固连。
2.根据权利要求1所述的四自由度混联式多头柔性拉形机，其特征在于:所述的左夹板机构由夹板体、夹紧液压缸、连杆、导杆和活动夹头组成，在所述的夹板体的顶部设有双耳座，在夹板体的前端设有U形缺口，且在U形缺口的下表面上设有上锯齿形防滑层；所述的夹紧液压缸内置于夹板体的后端，且夹紧液压缸的底部通过螺钉与夹板体相连接；所述的连杆的后端与夹紧液压缸的活塞杆通过铰链相连接，连杆的中部与夹板体上的双耳座通过铰链相连接，连杆的前端与导杆的顶部通过铰链相连接；所述的活动夹头置于夹板体的U形缺口内，且在活动夹头的下表面上设有下锯齿形防滑层，所述的活动夹头的上端与导杆的下端相固连。
【文档编号】B21D25/04GK104174733SQ201410475947
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年9月17日 优先权日:2014年9月17日
【发明者】王成军, 刘志卫, 刘凯, 张超, 李龙, 刘琼, 章天雨 申请人:安徽理工大学, 王成军