一种基于多足并联机器人的复杂构件三维自由弯曲成形方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多足并联机器人的复杂构件三维自由弯曲成形方法，其特征在于，采用的弯曲模运动装置包括一个静平台、一个末端执行器以及对应连接在每个末端执行器与静平台之间并用于控制末端执行器在空间内运动的多组驱动杆件；弯曲模运动平台的驱动采用六自由度并联机构直接驱动，或者采用串并联混合驱动的形式实现；充分地发挥了并联机构刚度重量比大、承载能力强、误差累计小、动态性能好、结构紧凑、综合制造成本低等优势，提高了三维自由弯曲的成形精度，解决了三维自由弯曲成形难成形大尺寸厚壁管件的问题。

A bending method of complex components of parallel robot based on 3D free multiped

The invention discloses a forming method of bending component with complex 3D free multiped based on parallel robot, which is characterized in that the device adopts the bending die movement includes a static platform, an end effector and a corresponding connection between each end effector and the static platform and is used to control the end effector motion within the space of multi driving rod bending die; motion platform driven by a six DOF parallel mechanism of direct drive, or by using the series parallel hybrid drive form; full use of parallel mechanism stiffness weight ratio, high carrying capacity, small accumulative error, good dynamic performance, compact structure, low manufacturing cost and comprehensive advantages improve the forming precision, 3D free bending, forming hard forming large size thick walled tube bending problem of 3D free solution.

【技术实现步骤摘要】
一种基于多足并联机器人的复杂构件三维自由弯曲成形方法
本专利技术属于金属复杂构件先进制造
，特别涉及一种基于多足并联机器人的复杂构件三维自由弯曲成形方法。
技术介绍
各种截面形状的金属复杂构件在航空航天、核电、汽车、舰船、石化、建筑以及其它民用工业等诸多领域具有广泛的应用，对于降低产品的生产成本以及减重方面发挥着重要的作用。大尺寸厚壁管强度高，拥有良好的耐压抗弯性能，主要用做石油地质钻探管、石油化工用的裂化管、锅炉管、轴承管以及汽车、拖拉机、航空用高精度结构管等。复杂构件的三维自由弯曲方法能实现管材、型材、线材在各种弯曲半径条件下的高精度无模成形。现有自由弯曲成形方法为伺服电机驱动弯曲模在平面或空间内的运动同时结合管材的轴向送进，进而实现管材的弯曲成形。但在成形大尺寸厚壁管时，由于伺服电机驱动力不足，机头整体刚度低且管材的轴向成形力很大，容易导致机头整体变形，弯曲模的偏心距大大超过理论最大值，从而直接影响成形件的几何精度。如果实施多自由度的机头加固，将大大提升整个装备的制造成本。同时由于弯曲模在空间内的平动和转动需有多组伺服电机共同驱动，在机床控制时易产生累计误差。并联机构为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。多足并联机器人机构通常有电液伺服系统驱动，具有刚度重量比大、承载能力强、误差累计小、动态性能好、结构紧凑、综合制造成本低等优势，在需要高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工作空间的领域内得到了广泛应用。
技术实现思路
现有的管材三维自由弯曲系统无法快速精确成形大尺寸厚壁管。本专利技术针对现有的管材三维自由弯曲系统存在的不足，提出了一种新的基于多足并联机器人的复杂构件三维自由弯曲成形方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于多足并联机器人的复杂构件三维自由弯曲成形方法，采用的弯曲模运动装置包括一个静平台、一个末端执行器以及对应连接在每个末端执行器与静平台之间并用于控制末端执行器在空间内运动的多组驱动杆件；弯曲模运动平台的驱动采用六自由度并联机构直接驱动，或者采用串并联混合驱动的形式实现；成形方法包括以下步骤：1)、将管件的几何参数输入设备控制系统，经过迭代计算确定弯曲模偏心平动距离U、弯曲模转动角度θ、管材轴向送进距离S的时间位移曲线；2)、将上述工艺参数分别传送弯曲模运动装置和管材顶推装置，弯曲模运动装置根据弯曲模的运动轨迹确定驱动杆件长度或其移动副长度的位移时间曲线，管材顶推装置确定管材送进的位移时间曲线；3)、弯曲模运动装置和管材顶推装置同时启动，执行上述的运动曲线，完成管件的实际弯曲成形。所述的基于多足并联机器人的复杂构件三维自由弯曲成形方法，其中所述闭环运动机构为一个立或卧式六自由度并联机构，或一个包括一个少自由度并联机构的五自由度串并联混合机构。所述的基于多足并联机器人的复杂构件三维自由弯曲成形方法，所述六自由度并联机构为Stewart并联机构或3-RPSR并联机构，所述五自由度串并联混合机构为三自由度Tricept并联机构和二自由度串联转动手腕装置串接组成的混联机构。所述的基于多足并联机器人的复杂构件三维自由弯曲成形方法，所述Stewart并联机构包括静平台(1)、弯曲模运动平台(5)以及连接在两者之间的六组相同的SPS(S-球铰链，P-移动副，S-球铰链)驱动杆件(3)，驱动杆件(3)通过球形铰链或与其等效的三自由度虎克较(2、4)分别与静平台(1)和弯曲模运动平台(5)相连，通过驱动电液伺服系统，并行调控六组SPS驱动杆件(3)的长度，可控制弯曲模运动平台(5)在空间内的位置和姿态(确定其绕笛卡尔坐标系XYZ轴转过的角度)，以及完成各种曲线运动，进而实现弯曲模(7)的多维运动，结合管材(6)的轴向推进完成弯曲成形过程。所述的基于多足并联机器人的复杂构件三维自由弯曲成形方法，所述3-RPSR并联机构包括静平台(1)、弯曲模运动平台(5)以及连接在两者之间的三组相同的RPSR(R-旋转副，P-移动副，S-球铰链，R-旋转副)驱动杆件(13)；驱动杆件一端(13)依次通过移动副(22)和球面副(23)组成的复合副(12)以及在静平台中心的三角旋转副(24)与静平台(1)相连，另一端通过旋转副(14)和弯曲模运动平台(5)相连，通过驱动电液伺服系统，同时调整三组RPSR驱动杆件(13)的移动副(22)长度，可控制弯曲模(7)在空间内的位置和姿态以及完成各种曲线运动，结合管材(6)的轴向推进实现弯曲成形过程。所述的基于多足并联机器人的复杂构件三维自由弯曲成形方法，所述Tricept并联机构的TPS(T-胡克铰，P-移动副，S-球铰链)驱动杆件(主动支链)(17)通过球形铰链(19)和胡克铰(15)分别与动平台(20)、静平台(1)相连，中心从动支链(18)的一端通过胡克铰(16)与静平台(1)相连，另一端直接与动平台(20)紧固连接；通过驱动电液伺服系统，同时改变三组杆件的长度可实现弯曲模运动平台(5)在空间内的位置控制，通过弯曲模运动平台(5)和动平台(20)之间的二自由度串联转动手腕装置(12)可控制弯曲模(7)在空间内的姿态，最终结合管材(6)的轴向推进实现弯曲成形过程。所述的基于多足并联机器人的复杂构件三维自由弯曲成形方法，所述弯曲模在运动机构驱动下的空间运动范围为：偏心距离范围为0-100mm，绕笛卡尔坐标系XYZ轴转动的角度范围为0-25°。所述的基于多足并联机器人的复杂构件三维自由弯曲成形方法，弯管成形的具体步骤为：第一，将管件的几何参数输入设备控制系统，经过迭代计算确定弯曲模偏心平动距离U、弯曲模转动角度θ、管材轴向送进距离S的时间位移曲线：θ＝vt/R，S＝vt(R为管材弯曲半径，A为弯曲模中心与导套前端的距离，v为管材水平送进的速度)；第二，将上述工艺参数传送至弯曲模运动装置和管材顶推装置，弯曲模运动装置根据弯曲模的运动轨迹确定六组SPS驱动杆件伸缩的位移时间曲线，管材顶推装置确定管材送进的位移时间曲线，其中六组SPS驱动杆件的长度公式为：(i＝1,2,3,4,5,6)(P(0)＝[x(0),y(0),z(0)]T为弯曲模动平台中心的位置矢量，T为动平台姿态的方向余弦矩阵，Pi动平台上的铰链中心点在动坐标系中的向量，bi固定机座上的铰链中心点的向量，Li为第i个连杆向量，连杆的长度为li)；第三，弯曲模运动装置和管材顶推装置同时启动，执行上述的运动曲线，完成管件的实际弯曲成形。所述的基于多足并联机器人的复杂构件三维自由弯曲成形方法，弯管成形的具体步骤为：第一，将管件的几何参数输入设备控制系统，经过迭代计算确定弯曲模偏心平动距离U、弯曲模转动角度θ、管材轴向送进距离S的时间位移曲线：其中，U＝θ＝vt/R，S＝vt(R为管材弯曲半径，A为弯曲模中心与导套前端的距离，v为管材水平送进的速度)；第二，将上述工艺参数传送弯曲模运动装置和管材顶推装置，弯曲模运动装置根据弯曲模的运动轨迹确定三组RPSR驱动杆件移动副长度的位移时间曲线，管材顶推装置确定管材送进的位移时间曲线，其中三组RPSR驱动杆件移动副长度公式为：(Ri为静平台端点与原点连线在坐标系O-XYZ的向量，θi为静平台与竖直移动副之间的夹角，为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多足并联机器人的复杂构件三维自由弯曲成形方法，其特征在于，采用的弯曲模运动装置包括一个静平台、一个末端执行器以及对应连接在每个末端执行器与静平台之间并用于控制末端执行器在空间内运动的多组驱动杆件；弯曲模运动平台的驱动采用六自由度并联机构直接驱动，或者采用串并联混合驱动的形式实现；成形方法包括以下步骤：1)、将管件的几何参数输入设备控制系统，经过迭代计算确定弯曲模偏心平动距离U、弯曲模转动角度θ、管材轴向送进距离S的时间位移曲线；2)、将上述工艺参数分别传送弯曲模运动装置和管材顶推装置，弯曲模运动装置根据弯曲模的运动轨迹确定驱动杆件长度或其移动副长度的位移时间曲线，管材顶推装置确定管材送进的位移时间曲线；3)、弯曲模运动装置和管材顶推装置同时启动，执行上述的运动曲线，完成管件的实际弯曲成形。

【技术特征摘要】
1.一种基于多足并联机器人的复杂构件三维自由弯曲成形方法，其特征在于，采用的弯曲模运动装置包括一个静平台、一个末端执行器以及对应连接在每个末端执行器与静平台之间并用于控制末端执行器在空间内运动的多组驱动杆件；弯曲模运动平台的驱动采用六自由度并联机构直接驱动，或者采用串并联混合驱动的形式实现；成形方法包括以下步骤：1)、将管件的几何参数输入设备控制系统，经过迭代计算确定弯曲模偏心平动距离U、弯曲模转动角度θ、管材轴向送进距离S的时间位移曲线；2)、将上述工艺参数分别传送弯曲模运动装置和管材顶推装置，弯曲模运动装置根据弯曲模的运动轨迹确定驱动杆件长度或其移动副长度的位移时间曲线，管材顶推装置确定管材送进的位移时间曲线；3)、弯曲模运动装置和管材顶推装置同时启动，执行上述的运动曲线，完成管件的实际弯曲成形。2.根据权利要求1所述的基于多足并联机器人的复杂构件三维自由弯曲成形方法，其特征在于，其中所述闭环运动机构为一个立或卧式六自由度并联机构，或一个包括一个少自由度并联机构的五自由度串并联混合机构。3.根据权利要求2所述的基于多足并联机器人的复杂构件三维自由弯曲成形方法，其特征在于，所述六自由度并联机构为Stewart并联机构或3-RPSR并联机构，所述五自由度串并联混合机构为三自由度Tricept并联机构和二自由度串联转动手腕装置串接组成的混联机构。4.根据权利要求3所述的基于多足并联机器人的复杂构件三维自由弯曲成形方法，其特征在于，所述Stewart并联机构包括静平台(1)、弯曲模运动平台(5)以及连接在两者之间的六组相同的SPS(S-球铰链，P-移动副，S-球铰链)驱动杆件(3)，驱动杆件(3)通过球形铰链或与其等效的三自由度虎克较(2、4)分别与静平台(1)和弯曲模运动平台(5)相连，通过驱动电液伺服系统，并行调控六组SPS驱动杆件(3)的长度，可控制弯曲模运动平台(5)在空间内的位置和姿态(确定其绕笛卡尔坐标系XYZ轴转过的角度)，以及完成各种曲线运动，进而实现弯曲模(7)的多维运动，结合管材(6)的轴向推进完成弯曲成形过程。5.根据权利要求3所述的基于多足并联机器人的复杂构件三维自由弯曲成形方法，其特征在于，所述3-RPSR并联机构包括静平台(1)、弯曲模运动平台(5)以及连接在两者之间的三组相同的RPSR(R-旋转副，P-移动副，S-球铰链，R-旋转副)驱动杆件(13)；驱动杆件一端(13)依次通过移动副(22)和球面副(23)组成的复合副(12)以及在静平台中心的三角旋转副(24)与静平台(1)相连，另一端通过旋转副(14)和弯曲模运动平台(5)相连，通过驱动电液伺服系统，同时调整三组RPSR驱动杆件(13)的移动副(22)长度，可控制弯曲模(7)在空间内的位置和姿态以及完成各种曲线运动，结合管材(6)的轴向推进实现弯曲成形过程。6.根据权利要求3所述的基于多足并联机器人的复杂构件三维自由弯曲成形方法，其特征在于，所述Tricept并联机构的TPS(T-胡克铰，P-移动副，S-球铰链)驱动杆件(主动支链)(17)通过球形铰链(19)和胡克铰(15)分别与动平台(20)、静平台(1)相连，中心从动支链(18)的一端通过胡克铰(16)与静平台(1)相连，另一端直接与动平台(20)紧固连接；通过驱动电液伺服系统，同时改变三组杆件的长度可实现弯曲模运动平台(5)在空间内的位置控制，通过弯曲模运动平台(5)和动平台...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭训忠，熊昊，王辉，马燕楠，陶杰，徐勇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32