一种基于并联机构的弯管成形装置

1.本发明涉及金属塑性成形领域与机器人并联技术领域，尤其涉及一种基于并联机构的弯管成形装置。


背景技术：

2.三维自由弯曲成形技术作为金属塑性成形领域近年来一项重要的技术创新，能够实现管材、型材、线材在各种弯曲半径条件下的精确成形，对传统弯曲成形技术带来了巨大的挑战。其摆脱了传统弯曲工艺对于空间弯曲构件或者弯曲半径连续变化的复杂弯曲构件的局限性，具有无需更换弯曲模即可改变弯曲半径、可实现空心构件弯曲半径的连续变化、可实现多种复杂弯曲形式、成形精度高、成形质量高等优点。
3.作为一种对于复杂异形截面的弯曲件的高效精确制造具有明显竞争优势的柔性成形工艺，未来在航空制造技术、汽车制造、医疗以及建筑工程等领域必将受到广泛的关注和应用。现有的弯曲成形结构一般体积大，占地面积大，且自由度较低，使用不方便。


技术实现要素：

4.为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种空间高自由度弯曲、减少人工与空间占用体积的三维高自由度基于并联机构的弯管设备。
5.具体地，本发明提供一种基于并联机构的弯管成形装置，所述弯管成形装置包括定平台、动平台、弯管伺服电机、进给机构以及三个并列的运动分支，所述三个并列的运动分支设置在所述定平台与所述动平台之间，所述三个并列运动分支结构完全相同，每一个运动分支均包括连接定平台和滑块的移动副、连接滑块和连杆的第一u副、连接连杆和动平台的第二u副及设置在所述动平台的上的第四转动副；
6.其中，所述第一u副由第一转动副和第二转动副组成，所述第二u副由第三转动副和所述第四转动副组成；
7.各个运动分支的第一转动副轴线与移动副的移动方向平行，第二转动副与第三转动副的轴线平行，第四转动副轴线与动平台平面之间的夹角和滑块与定平台平面之间的夹角相等；
8.所述动平台和定平台底座为等边三角形，进给管连接在定平台和动平台之间；
9.三个分支机构均为移动副
‑
u副
‑
u副结构，三个运动分支的两端分别连接定平台和动平台,动平台包括动平台本体和第四转动副，动平台本体为一个等边三角形，第四转动副分别设置在等边三角形的三个内角处，第四转动副设置为u型结构，每一个第四转动副分别连接有一个运动分支，通过控制运动分支使动平台在三维空间中进行升降、侧倾和俯仰运动三个自由度的运动；
10.所述定平台上设置有固定模，所述进料机构用于向弯管机构输送管件，进料机构包括伺服电机、联轴器、支撑板、调节组件和齿轮组；
11.所述调节组件包括调节螺栓、调节螺母、第一调节轴承座以及第二调节轴承座，借
助于所述调节螺栓和调节螺母能够调节第一调节轴承座以及第二调节轴承座的安装位置；
12.所述支撑底板用于将弯管机构与进料机构进行固定，保证弯管机构与进料机构的相互配合；
13.所述齿轮组包括位于上部的第一齿轮组、位于下部的第二齿轮组以及传动齿轮组，所述第一齿轮组借助于第一调节轴承座安装，所述第二齿轮组借助于第二调节轴承座安装，所述第一齿轮组和第二齿轮组中间形成夹送孔，所述夹送孔能够借助于调节组件进行调节；
14.使用前，先调节弯管伺服电机，在三个运动分支的共同作用下，使动平台的等边三角形平面与定平台的等边三角形平面相平行；准备工作完成后，将管料送入齿轮组的夹送孔内，伺服电机带动齿轮组同步转动，并将送入的管料咬入矫直，然后通过定平台的上底面中心孔进入固定模，管料由固定模出来后，进入弯曲模的中心孔内，当管料进给到需要弯曲的部分时，三个推运动分支的共同作用使动平台以及弯曲模在三维内根据管料弯曲需要进行角度倾斜，在弯曲模的中心孔内壁与管料产生作用力，使管料完成弯曲。
15.优选地，第一转动副轴线与移动副的移动方向不平行；第二转动副与第三转动副的轴线不平行；第四转动副轴线与动平面和滑块与定平台平面的夹角不相等；动平台和定平台的底座为非等边三角形。
16.优选地，所述传动齿轮组包括第一传动齿轮组和第二传动齿轮组，所述第一齿轮组和第二齿轮组均包括三个齿轮组，所述第二齿轮组包括中间的主动齿轮组以及两侧的从动齿轮组，所述第一传动齿轮组均为三个从动齿轮组，所述主动齿轮分别与两侧的从动齿轮组、第一齿轮组中间的从动齿轮组以及两个传动齿轮组啮合，两个传动齿轮组分别与第一齿轮组两侧的从动齿轮组啮合。
17.优选地，所述主动齿轮组、从动齿轮组、第一传动齿轮组以及第二传动齿轮组均包括滑动轴承、摩擦轮、齿轮和齿轮轴，所述摩擦轮与同步齿轮安装于齿轮轴上，上部第一齿轮组的三个摩擦轮和下部第二齿轮组的三个摩擦轮形成所述夹送孔，上部的第一齿轮组和下部的第二齿轮组啮合带动摩擦轮挤压管材向前进给。
18.优选地，所述第一调节轴承座的两端的外部分别设置有第一挡板和第二挡板，所述第二调节轴承座的两端的外部分别设置有第三挡板和第四挡板，所述第一挡板、所述第二挡板、所述第三挡板、所述第四挡板均为矩形方块；所述第一调节轴承座与所述第二调节轴承座均为矩形板，且第一调节轴承座与第二调节轴承座沿着长边方向均设有三个轴承座通孔，第一调节轴承座与第二调节轴承座的第一长边窄面上各设有三个方形孔；第一调节轴承座与第二调节轴承座分别安装于进料机构左侧板与进料机构右侧板的矩形槽内部，且保证第一调节轴承座与第二调节轴承座窄面上各自设有的三个方形孔分别与进料机构底板左侧的三个螺纹孔及右侧的三个螺纹孔同心；第一调节轴承座的外表面由第一挡板和第二挡板限位，第二调节轴承座由第三挡板和第四挡板限位第一挡板、第二挡板、第三挡板以及第四挡板均借助于矩形凹槽进行安装。
19.优选地，每个螺纹孔上均安装有调节螺栓，所述调节螺栓为长螺栓，长螺栓穿过进料机构底板的螺纹孔，并且末端与进料机构左侧板上的方形孔接触。
20.优选地，所述第一齿轮组的三个齿轮轴安装于进给机构左侧板与进给机构右侧板三个均布的轴承座孔内，所述第二齿轮组的三个齿轮轴安装于第一调节轴承座与第二调节
轴承座上三个均布的轴承座孔内。
21.优选地，所述伺服电机借助于所述进料机构电机座安装在进料机构左侧板的正方形凸台上，且伺服电机的输出轴与进料机构联轴器的一端连接；所述进料机构联轴器安装于进料机构左侧板上。
22.优选地，所述支撑底板包括支撑底板、底板支撑型钢、送料机构支撑型钢、送料机构调节型钢以及出料口支撑型钢；
23.所述支撑底板前方左右两侧各设有一个矩形槽，所述支撑底板后方中间位置也设有一矩形槽，支撑底板前方两矩形槽中间位置与四周方向上开设有安装定位孔；支撑底板右后方和左后方分别固定有所述底板支撑型钢；所述送料机构支撑型钢固定在支撑底板前方两矩形槽中间位置的后半部分；所述送料机构调节型钢固定在支撑底板前方两矩形槽中间位置的中间位置；所述出料口支撑型钢固定在支撑底板前方两矩形槽中间位置的前方位置；
24.两块底板支撑型钢的上半段均与底座下底面连接固定，出料口支撑型钢的上端面与管料导向块连接固定，使得弯管机构固定在支撑底板上且保证底座下底面的一边与水平面平行；
25.送料机构支撑型钢与送料机构调节型钢的上端与进料机构底板的底面连接固定，保证送料机构支撑型钢与送料机构调节型钢对送料机构的支撑作用，并使送料机构中的上摩擦轮与下摩擦轮之间的中心与底座下底面及上底面的中心孔圆心在同一直线上。
26.优选地，所述连接件的凵型结构平面上设有安装通孔，弯曲模的凵型结构与万向节铰接，进而使弯曲模与模具推杆机构连接上。
27.与现有技术相比较，本发明的效果如下：
28.(1)本发明提供一种空间高自由度弯曲、减少人工与空间占用体积的三维高自由度基于并联机构的弯管设备。
29.(2)本发明的装置在使用时，当管料进给到需要弯曲的部分时，三个分支机构的共同作用使弯曲模在三维内根据管料弯曲需要进行角度倾斜，在弯曲模的中心孔内壁与管料产生作用力，使管料完成弯曲，使用方便，弯曲时可以根据需要任意调节，减少了人力物力的浪费。
附图说明
30.图1为一种基于并联机构的弯管成形装置的整体结构示意图；
31.图2为定平台结构示意图；
32.图3为动平台结构示意图；
33.图4为进给管结构示意图；
34.图5为一个运动分支结构示意图；
35.图6a为一种基于并联机构的弯管成形装置初始状态示意图；
36.图6b为一种基于并联机构的弯管成形装置任意位置状态示意图；
37.图7为进料机构的局部示意图；
38.图8为进料机构的内部示意图；
39.图9为同步齿轮组结构示意图；
40.图10为进料机构右侧板示意图；
41.图11为进料机构左侧板的内侧示意图；
42.图12为进料机构左侧板的外侧示意图；
43.图13为进料机构底板的俯视图。
44.其中，部分附图标记如下：1
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定平台；2
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动平台；3
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进给管；4
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运动分支；5
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第四转动副；6
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第三转动副；7
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连杆；8
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第二转动副；9
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第一转动副；10
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滑块；11
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移动副；12
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动平台本体。
具体实施方式
45.以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
46.请参阅图1，现对本发明一实施例提供的三维高自由度的弯管装置进行说明。三维高自由度的弯管装置由定平台1、动平台2、进给管3、设置在所述定平台1与所述动平台2之间三个并列的运动分支4组成。
47.如图1至图13所示，三个并列运动分支4结构和尺寸均相同，每一个运动分支均包括连接定平台1和滑块10的移动副11、连接滑块10和连杆7的第一u副、连接连杆7和动平台2的第二u副及设置在动平台2的上的第四转动副5。其中，第一u副由第一转动副9和第二转动副8组成，第二u副由第三转动副6和第四转动副5组成。
48.具体地，本例提供的三维高自由度弯管装置包括三个并联的运动分支，分别为第一运动分支、第二运动分支和第三运动分支，三个运动分支的结构组成部分相同，均为移动副
‑
u副
‑
u副结构，三个运动分支的两端分别连接定平台1和动平台2。动平台2包括动平台本体12和第四转动副5，动平台本体12为一个等边三角形，第四转动副5分别设置在等边三角形的三个内角处，第四转动副5设置为u型结构，每一个第四转动副5分别连接有一个运动分支，通过控制运动分支使动平台2在三维空间中进行升降、侧倾和俯仰运动三个自由度的运动。
49.以第一运动分支为例，第一运动分支包括移动副11、滑块10、第一转动副9、第二转动副8、连杆7、第三转动副6。连杆与设置在第二u副的第三转动副6和设置在第一u副的第二转动副8连接。各运动分支的第一转动副9轴线与移动副11的移动方向平行，第二转动副8与第三转动副6的轴线平行，第四转动副5轴线与动平台2和滑块10与定平台1平面的夹角相等。
50.初始状态时，动平台平行于定平台，且处于最大的压缩状态，如图6所示；运动状态时，通过移动副驱动动平台运动，连杆机构随动，控制动平台的升降、侧倾和俯仰，由于三个运动分支上下对称，环周均布，控制简单且控制效果好。
51.在一个实施例中，进料机构包括齿轮组、伺服电机201、第一挡板2021、第二挡板2022、第三挡板2023、第四挡板2024、进料机构底板203、调节螺栓204、第一调节轴承座2051、第二调节轴承座2052、进料机构左侧板206、进料机构右侧板207、进料机构顶板208、进料机构电机座209和进料机构联轴器210。
52.齿轮组包括位于上部的第一齿轮组、位于下部的第二齿轮组以及传动齿轮组，第一齿轮组借助于第一调节轴承座2051安装，第二齿轮组借助于第二调节轴承座2052安装，第一齿轮组和第二齿轮组中间形成夹送孔，夹送孔能够借助于调节组件进行调节。
53.传动齿轮组包括第一传动齿轮组2121和第二传动齿轮组2132，第一齿轮组和第二齿轮组均包括三个齿轮组，第二齿轮组包括中间的主动齿轮组22以及两侧的从动齿轮组23，第一传动齿轮组均为三个从动齿轮组23，主动齿轮22分别与两侧的从动齿轮组23、第一齿轮组中间的从动齿轮组23以及两个传动齿轮组啮合，两个传动齿轮组分别与第一齿轮组两侧的从动齿轮组23啮合。
54.主动齿轮组、从动齿轮组、第一传动齿轮组以及第二传动齿轮组均包括滑动轴承、摩擦轮、齿轮和齿轮轴，摩擦轮与同步齿轮安装于齿轮轴上，上部第一齿轮组的三个摩擦轮和下部第二齿轮组的三个摩擦轮形成夹送孔，上部的第一齿轮组和下部的第二齿轮组啮合带动摩擦轮挤压管材向前进给。
55.进料机构底板203为矩形板，进料机构底板203两长边处分别设有三个螺纹孔。进料机构左侧板206与进料机构右侧板207为矩形板，进料机构左侧板206与进料机构右侧板207的一矩形长边上均设有一个矩形槽，进料机构左侧板206与进料机构右侧板207未设有矩形槽的另一长边的中部则设有两个轴承座孔，在进料机构左侧板206与进料机构右侧板207两个轴承座孔下方位置则均设有三个均布的轴承座孔，其中进料机构左侧板206外表面左上角具有一个正方形凸台，用于安装电机，因此，进料机构左侧板206左上角的轴承座孔被正方形凸台遮盖为非通孔，进料机构左侧板206的其余四个轴承座孔则为通孔，而进料机构右侧板207上五个轴承座孔都为通孔，在进料机构左侧板206与进料机构右侧板207上有矩形槽的边上，均形成了两块“细腿”结构，在进料机构左侧板206与进料机构右侧板207的两块“细腿”结构上均设有矩形凹槽；进料机构底板203为矩形板，且进料机构底板203的长边、进料机构左侧板206的长边、进料机构右侧板207的长边是等长的；进料机构底板203两长边均设有沿着长边线方向均布的三个螺纹孔；进料机构左侧板206与进料机构右侧板207的“细腿”结构分别固定安装在机构底板203的左右两边，且保证机构左侧板206上的五个轴承座孔与进料机构右侧板207上的五个轴承座孔分别同心；进料机构顶板208为大小与进料机构底板203大小相同的矩形板，且固定在进料机构左侧板206与进料机构右侧板207的长边上。
56.第一挡板2021、第二挡板2022、第三挡板2023、第四挡板2024均为矩形方块；第一调节轴承座2051与第二调节轴承座2052均为矩形板，且第一调节轴承座2051与第二调节轴承座2052沿着长边方向均设有三个轴承座通孔，第一调节轴承座2051与第二调节轴承座2052的一长边窄面上各设有三个方形孔；第一调节轴承座2051与第二调节轴承座2052分别安装于进料机构左侧板206与进料机构右侧板207的矩形槽内部，且保证第一调节轴承座2051与第二调节轴承座2052窄面上各自设有的三个方形孔分别与进料机构底板203左边的三个螺纹孔及右边的三个螺纹孔同心；第一调节轴承座2051的外表面由第一挡板2021、第二挡板2022限位，其中第一挡板2021固定安装在进料机构左侧板206的左边“细腿”结构矩形凹槽上，第二挡板2022固定安装在进料机构左侧板206的右边“细腿”结构矩形凹槽上，第二调节轴承座2052由第三挡板2023、第四挡板2024限位，其中第三挡板2023固定安装在进料机构右侧板207的左边“细腿”结构矩形凹槽上，第四挡板2024固定安装在进料机构左侧板206的右边“细腿”结构矩形凹槽上。
57.调节螺栓204为长螺栓，穿过进料机构底板203的螺纹孔，末端与进料机构左侧板206上的方形孔接触，前面已阐述在进料机构底板203上分布的六个螺纹孔皆在第一调节轴
承座2051与第二调节轴承座2052上有同心的方形孔对应，在每个螺纹孔上都有调节螺栓204的安装，由于安装技术与前文类似，此处不再赘述；因此调节六个调节螺栓204便可调整第一调节轴承座2051与第二调节轴承座2052的安装位置。
58.第一传动轴2121和第二传动轴2122安装于进给机构左侧板206与进给机构右侧板207上方轴承座孔内。
59.齿轮组均包括上摩擦轮221、上同步齿轮222、上同步齿轮轴223、下同步齿轮轴225、下同步齿轮226和下摩擦轮227。
60.第一齿轮组的三个齿轮轴安装于进给机构左侧板与进给机构右侧板三个均布的轴承座孔内，第二齿轮组的三个齿轮轴安装于第一调节轴承座与第二调节轴承座上三个均布的轴承座孔内。
61.进料机构电机座209安装于进料机构左侧板206凸台上，接触面中心与轴承座孔圆心重合；进料机构联轴器210安装于第三同步齿轮组24上同步齿轮轴223靠进料机构左侧板206一端，伺服电机201固定安装在进料机构电机座209上，且伺服电机201的输出轴与进料机构联轴器210的一端连接。
62.在本发明的一较佳实施方式中：设备使用前，先调节弯管伺服电机113，在三个分支机构的共同作用下，使动平台的等边三角形平面与动平台的上下底面相平行；准备工作完成后，前处理设备将管料送入上摩擦轮221与下摩擦轮227的夹送孔内，伺服电机201带动主动同步齿轮组的齿轮，经第一传动齿轮组，第二传动齿轮组以及剩余几个从动齿轮组的齿轮，从而使三个上摩擦轮221与三个下摩擦轮227同步转动，并将送入的管料咬入矫直，然后进入固定模102，管料由固定模102出来后，进入弯曲模103的中心孔内，此时管料的进给并不需要停止，当管料进给到需要弯曲的部分时，三个分支机构的共同作用使弯曲模103在三维内根据管料弯曲需要进行角度倾斜，在弯曲模103的中心孔内壁与管料产生作用力，使管料完成弯曲。
63.以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。