并联轨道式智能机器人复合弯曲成形加工方法及装置与流程

1.本发明涉及到管材成形加工技术领域，特别涉及到一种基于并联轨道式智能机器人的复合弯曲成形加工方法及装置。


背景技术：

2.随着轻量化需求愈演愈烈，被广泛应用在航空航天、石油化工、汽车、船舶等领域装备中管路系统的空心构件的结构复杂程度越来越高，具有复杂三维空间构型的空心管件更有利于提高管路系统结构紧凑性，以此大大提升装备空间的利用率，对装备减重发挥着重要的作用。
3.当前，空心管件的弯曲成形技术主要为滚弯、拉弯、绕弯、推弯等技术，若通过上述传统方法弯曲各种空间轴线复杂，弯曲半径连续变化的空心管件，必须针对不同的弯曲特征不断地更换弯曲成形模具或不同的成形方法，有些甚至需要分段成形后进行焊接，而且所成形构件的尺寸精度和成形质量无法保证，这样将大大增加了工艺流程的复杂度、生产成本及周期。传统弯曲技术自身成形的局限性，使得具有复杂三维空间构型的空心管件的一体短流程成形存在巨大的困难。
4.工业机器人的整个机构类似于人手，能够提供更高的自由度及更加复杂的运动轨迹，这样的话能够更好的适配复杂空间构型。将自由弯曲成形技术和绕弯成形技术与机器人技术相结合，体现两种弯曲成形技术的优点，将突破现有弯曲成形系统的机构特点及控制模式，能够更好的规避成形过程中的运动干涉，成形出具有更加复杂空间构型的管件，实现复杂空间管件复合弯曲一体化短流程成形。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术存在的不足以及工业机器人的高自由度特点，提供了一种基于并联轨道式智能机器人的复合弯曲成形加工方法及成形装置，采用两台带地轨的工业机器人，在机器人末端分别安装自由弯曲成形系统和绕弯成形系统，使得复杂空间构件的弯曲成形过程中，既可以成形连续变曲率半径特征，又可以成形小弯曲半径特征，甚至是弯扭复合特征。这样有效地避免了单一成形方式频繁更换模具，实现了多特征复杂空间管件多种弯曲方式复合一体化短流程成形。
6.本发明所采用的技术方案是：
7.一种并联轨道式智能机器人复合弯曲成形加工装置，包括工业机器人(12)(42)、自由弯曲成形装置(13)、绕弯成形装置(41)、外部夹持导向装置(2)，地轨(11)(43)；自由弯曲成形装置(13)和绕弯成形装置(41)分别装在工业机器人(12)(42)末端，工业机器人(12)(42)安装在地轨(11)(43)上，两台工业机器人(12)(42)并联式排布，可分别沿地轨(11)(43)进行水平运动；外部夹持导向装置(2)处于两工业机器人(12)(42)之间。
8.所述的复合弯曲成形加工装置，所述工业机器人(12)(42)为串联式六轴机器人。
9.所述的复合弯曲成形加工装置，所述地轨(11)(43)为并联式排布，可以实现两工
业机器人(12)(42)水平移动，交替完成管件的弯曲成形。
10.所述的复合弯曲成形加工装置，所述自由弯曲成形装置(13)包括气缸座(131)，气缸(132)，传动机构(133)，自由弯曲模具(134)，自由弯曲模具(134)为开合式模具，通过气缸(132)活塞杆的运动带动传动机构(133)来实现自由弯曲模具(134)的开闭，配合机器人运动可以实现在任意位置夹取管坯(3)，使管坯(3)贯穿模具；而后控制自由弯曲模具(134)的各个方向上的偏距及偏角，不同的偏距对应不同的弯曲半径，不同的偏角对应不同的弯曲平面；通过实时控制弯曲模具的偏距及偏角的大小并同时进行管材轴向进给，实现连续变曲率的空间弯管成形。
11.所述的复合弯曲成形加工装置，所述绕弯成形装置(41)包括弯曲机构(411)、夹紧机构(412)、驱动机构(413)、连接机构(414)和压料机构(415)；所述绕弯成形装置(41)安装在工业机器人(42)手臂末端，由工业机器人(42)带动绕弯成形装置(41)运动至起弯位置，夹紧机构(412)由气缸驱动连杆组对管坯(3)进行夹紧，压料机构(415)由气缸驱动连杆组将管坯(3)压住进行导向，夹紧机构(412)与弯曲机构(411)夹紧管坯(3)一同旋转，使管坯(3)充分贴靠模具；同时，整个装置在工业机器人(42)手臂的配合下沿着管坯(3)轴线方向进行平动，压料机构(415)中与管坯(3)接触的部分模块弯曲时与管坯(3)保持相对静止，弯曲成形后，夹紧机构(412)和弯曲机构(411)打开复位的同时，在气缸的带动下压料机构(415)进行复位，最后成形出和弯曲模具半径一样大小的弯曲段；随着工业机器人(42)手臂的运动即可实现不同弯曲平面的弯曲成形。
12.所述的复合弯曲成形加工装置，所述外部夹持导向装置(2)包括导向部分和夹持部分，在执行自由弯曲成形时，释放夹持装置，起导向作用；在执行绕弯成形时，夹紧管坯(3)，起夹紧作用。
13.一种基于任一所述装置的复合弯曲成形加工方法，包括以下步骤：
14.1)将所成形管件的几何参数进行提取，输入软件控制系统，经过数次迭代计算确定自由弯曲成形系统(1)、绕弯成形系统(4)和外部夹持导向装置(2)协调配合方式；自由弯曲成形系统(1)中自由弯曲成形装置(13)对应各特征的弯曲模具中心位置坐标(x
i
，y
j
，z
k
)、弯曲角与时间关系曲线(θ
‑
t)、扭转角与时间关系曲线和管坯(3)进给距离与时间关系曲线(s
‑
t)；绕弯成形系统(4)中绕弯成形装置(41)对应各特征的夹紧模具末端轴心位置坐标(x
l
，y
m
，z
n
)、绕弯成形装置旋转角与时间(α
‑
t)关系曲线、弯曲模具弯曲角与时间(β
‑
t)关系曲线、弯曲模具轴向移动距离与时间(l
‑
t)关系曲线；
15.2)将上述各类工艺参数分别传送机器人运动控制系统、弯曲成形装置控制系统和外部夹持导向控制系统。机器人运动控制系统根据弯曲模具的各个点的空间坐标及距离
‑
时间(s
‑
t、l
‑
t)关系曲线来确定各机器人各个阶段的空间运动轨迹，弯曲成形装置控制系统根据自由弯曲成形装置(13)弯曲角与时间(θ
‑
t)、自由弯曲成形装置(13)扭转角与时间绕弯成形装置(41)扭转角度与时间(α
‑
t)和绕弯成形装置(41)弯曲角与时间(β
‑
t)等各类关系曲线来确定两种弯曲成形方式的复合工艺曲线及外部夹持导向装置(2)夹持/导向作用的切换节点；
16.3)机器人运动控制系统、弯曲成形装置控制系统和外部夹持导向控制系统同时启动，执行上述各运动曲线，完成目标管件的自由弯/扭复合成形或自由弯/绕弯复合成形。
17.所述的复合弯曲成形加工方法，具体的步骤为：
18.第一，将所成形管件的几何参数进行提取，输入软件控制系统，经过数次迭代计算确定自由弯曲成形装置(13)对应各特征的弯曲模具中心位置坐标(x
i
，y
j
，z
k
)、弯曲角与时间(θ
‑
t)、扭转角与时间绕弯成形装置(41)夹持管坯(3)的旋转角与时间(α
‑
t)以及进给距离与时间(s
‑
t)等关系曲线：s＝vt,a＝|z
k
‑
z0|，|，(x0，y0，z0)为外部夹持导向装置(2)前端中心点坐标，r为管件的弯曲半径，a为自由弯曲模具中心到外部夹持导向装置(2)前端中心点的轴向距离，v为绕弯成形装置(41)夹持管坯(3)进给速度；
19.第二，将上述所得工艺参数分别传送机器人运动控制系统、弯曲成形装置控制系统；机器人运动控制系统根据各特征点的空间坐标及管坯(3)进给距离与时间(s
‑
t)关系曲线来确定机器人各个阶段的空间运动轨迹，弯曲成形装置控制系统根据自由弯曲成形装置(13)弯曲角与时间(θ
‑
t)、自由弯曲成形装置(13)扭转角与时间和绕弯成形装置(41)旋转角与时间(α
‑
t)等各类关系曲线来确定自由弯/扭复合成形工艺曲线，此时的外部夹持导向装置(2)起导向作用；
20.第三，绕弯成形系统(4)对管坯(3)进行夹取，运送至外部夹持导向装置(2)上，外部夹持导向装置(2)对管坯(3)进行导向；
21.第四，机器人运动控制系统、弯曲成形装置控制系统和外部夹持导向控制系统进行协同控制，执行第二步获得的各运动曲线，完成目标管件的自由弯/扭复合弯曲成形；
22.第五，弯曲成形完成后，外部夹持导向装置(2)打开；
23.第六，绕弯成形系统(4)再将成形构件抓取放置指定位置，随后进行下一根管坯(3)弯曲成形。
24.所述的复合弯曲成形加工方法，具体步骤为：
25.第一，将所成形管件的几何参数进行提取，输入软件控制系统，根据目标构件的成形要求，对管件进行分段处理，分成带直段的小相对弯曲半径段，带直段的大相对弯曲半径段，无直段大相对弯曲半径段，连续变曲率弯曲段，并确定各个不同特征段的结合点位置；
26.第二，对于带直段的小弯曲半径段，获取绕弯成形系统(4)中绕弯成形装置(41)对应各特征的夹紧模具末端轴心位置坐标(x
l
，y
m
，z
n
)，绕弯成形装置(41)旋转角变化曲线(α
‑
t)，弯曲模具弯曲角变化曲线(β
‑
t)及轴向移动距离曲线(l
‑
t)。对于带直段的大弯曲半径段/无直段大相对弯曲半径段/连续变曲率弯曲段，获取自由弯曲成形系统(1)对应各特征的弯曲模具中心位置坐标(x
i
，y
j
，z
k
)、弯曲角与时间(θ
‑
t)、扭转角与时间等关系曲线；绕弯成形装置(41)夹持管坯(3)旋转角与时间(α
‑
t)、管坯(3)进给距离与时间(s
‑
t)的关系曲线；
27.第三，将上述各类工艺参数分别传送机器人运动控制系统、弯曲成形装置控制系统和外部夹持导向控制系统。机器人运动控制系统根据各特征点的空间坐标及距离
‑
时间(s
‑
t、l
‑
t)关系曲线来确定各机器人各个阶段的空间运动轨迹，弯曲成形装置控制系统根据自由弯曲成形装置(13)弯曲角与时间(θ
‑
t)、自由弯曲成形装置(13)扭转角与时间等关系曲线；绕弯成形装置(41)旋转角与时间(α
‑
t)和弯曲模具弯曲角与时间(β
‑
t)等各类
关系曲线来确定自由弯/绕弯复合成形工艺曲线，外部夹持导向控制系统根据所得复合工艺曲线来确定夹持/导向作用的切换节点；
28.第四，绕弯成形系统(4)对管坯进行夹取，运送至外部夹持导向装置(2)上，外部夹持导向装置(2)对管坯(3)进行夹紧或导向；
29.第五，机器人运动控制系统、弯曲成形装置控制系统和外部夹持导向控制系统进行协同控制，最终完成目标管件的自由弯/扭复合弯曲成形。对于带直段的小弯曲半径段，采用绕弯成形工艺，外部夹持导向装置(2)对管坯(3)进行夹紧，绕弯成形装置(41)对管坯(3)进行弯曲成形。对于带直段的大弯曲半径段/无直段大相对弯曲半径段/连续变曲率弯曲段，采用自由弯曲成形工艺，外部夹持导向装置(2)松开管坯(3)起导向作用，绕弯成形装置(41)移动到管坯(3)另一端夹取管坯(3)，进行管坯(3)的进给，自由弯曲成形装置(13)对管坯(3)进行自由弯曲成形；
30.第六，弯曲成形完成后，外部夹持导向装置(2)打开；
31.第七，绕弯成形系统(4)再将成形构件抓取放置指定位置，随后进行下一根管坯(3)弯曲成形。
32.所述的复合弯曲成形加工方法，当r/d≤2.5时为小弯曲半径，r/d≥2.5时为大弯曲半径，其中r为弯曲半径，d为管坯外径。
33.本发明的有益效果：1)本发明为复杂三维空间构型管件的生产制造提供一种新的柔性成形方法及装置；2)本发明有利于优化空间复杂管件成形工艺，充分发挥各弯曲成形工艺的优势，既实现小弯曲半径段的成形，又可以实现多特征连续变曲率段的成形；
34.3)本发明相对于传统机床控制，其自由度、灵活度更高，对于复杂空间构件，能够有效的规避管件与机构之间的干涉；4)本发明有利于减少生产周期，避免频繁更换成形模具，实现了多种弯曲方式复合一体化柔性成形；5)本发明经济效益明显，实现了自动智能化操作，包括机器人上下料及弯曲成形。
附图说明
35.图1基于并联轨道式智能机器人的复合弯曲成形方法流程图；
36.图2基于并联轨道式智能机器人的复合弯曲成形系统；
37.图3自由弯/扭复合成形之自由弯曲成形阶段示意图；
38.图4自由弯/扭复合成形之扭转后自由弯曲阶段示意图；
39.图5自由弯/绕弯复合成形之自由弯曲成形阶段示意图；
40.图6自由弯/绕弯复合成形之绕弯成形阶段示意图；
41.图7自由弯曲成形装置结构示意图；
42.图8绕弯成形装置结构示意图；
43.图9绕弯成形装置中管材夹紧过程示意图；
44.图10绕弯成形装置中管材弯曲过程示意图；
45.图中：1.自由弯曲成形系统，11.地轨，12.工业机器人，13.自由弯曲成形装置，131.气缸座，132.气缸，133.传动机构，134.自由弯曲模具，2.外部夹持导向装置，3.管坯，4.绕弯成形系统，41.绕弯成形装置，411.弯曲机构，412.夹紧机构，413.驱动机构，414.连接机构，415.压料机构，42.工业机器人，43.地轨；
具体实施方式
46.以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
47.实施例1
48.图3自由弯/扭复合成形之自由弯曲成形阶段示意图，图4自由弯/扭复合成形之扭转后弯曲阶段示意图。自由弯曲成形装置13和绕弯成形装置41分别装在工业机器人12、42末端，工业机器人12、42安装在地轨上，两台机器人并联式排布，可沿地轨11、43进行运动；外部加持导向装置2处于两机器人之间。自由弯曲成形系统1和绕弯成形系统4分别位于外部夹持导向装置2的两侧，均包括机器人运动控制系统和弯曲模控制系统。通过机器人控制自由弯曲成形装置13的位置及姿态来实现不同曲率的空间弯曲成形，并经外部夹持导向装置2导向，绕弯成形装置41夹持管坯3另一端进行管坯3的进给和扭转，实现复杂空间管件的自由弯/扭复合弯曲成形。
49.其中所述自由弯曲成形装置(13)包括气缸座131，气缸132，传动机构133，自由弯曲模具134，自由弯曲模具(134)为开合式模具，通过气缸(132)活塞杆的运动带动传动机构(133)来实现自由弯曲模具(134)的开闭，配合机器人运动可以实现在任意位置夹取管坯(3)，使管坯(3)贯穿模具。而后控制自由弯曲模具(134)的各个方向上的偏距及偏角，不同的偏距对应不同的弯曲半径，不同的偏角对应不同的弯曲平面。通过实时控制弯曲模具的偏距及偏角的大小并同时进行管材轴向进给，实现连续变曲率的空间弯管成形。
50.其中所述绕弯成形装置(41)包括弯曲机构(411)、夹紧机构(412)、驱动机构(413)、连接机构(414)和压料机构(415)。整个装置安装在工业机器人(42)手臂末端，由工业机器人(42)带动绕弯成形装置(41)运动至起弯位置，夹紧机构(412)由气缸驱动连杆组对管坯(3)进行夹紧，压料机构(415)由气缸驱动连杆组将管坯(3)压住进行导向，夹紧机构(412)与弯曲机构(411)夹紧管坯(3)一同旋转，使管坯(3)充分贴靠模具。同时，整个装置在工业机器人(42)手臂的配合下沿着管坯(3)轴线方向进行平动，压料机构(415)中与管坯(3)接触的部分模块弯曲时与管坯(3)保持相对静止，弯曲成形后，夹紧机构(412)和弯曲机构(411)打开复位的同时，在气缸的带动下压料机构(415)进行复位，最后成形出和弯曲模具半径一样大小的弯曲段。随着工业机器人(42)手臂的运动即可实现不同弯曲平面的弯曲成形，对于不同的弯曲半径需配置多套模具，且不可避免的存在夹持直段，无法成形连续变曲率等复杂特征空间弯管，但由于成形过程处于多约束条件下，能够成形出小相对弯曲半径(r/d≤2.5)的弯曲段，对于小相对弯曲半径的弯曲段的成形具有独特的优势。
51.在这一实施例中，具体步骤为：
52.第一，将所成形管件的几何参数进行提取，输入软件控制系统，经过数次迭代计算确定自由弯曲成形装置13对应各特征的弯曲模具中心位置坐标(x
i
，y
j
，z
k
)、弯曲角与时间(θ
‑
t)、扭转角与时间绕弯成形装置41夹持管坯3的旋转角与时间(α
‑
t)以及进给距离与时间(s
‑
t)等关系曲线s＝vt，a＝|z
k
‑
z0||((x0，y0，z0)为外部夹持导向装置2前端中心点坐标，r为管件的弯曲半径，a为自由弯曲模具中心到外部夹持导向装置2前端中心点的轴向距离，v为绕弯成形装置41夹持管坯3进给速度)
53.第二，将上述所得工艺参数分别传送机器人运动控制系统、弯曲成形装置控制系统。机器人运动控制系统根据各特征点的空间坐标及管坯3进给距离与时间(s
‑
t)关系曲线来确定机器人各个阶段的空间运动轨迹，弯曲成形装置控制系统根据自由弯曲成形装置13弯曲角与时间(θ
‑
t)、自由弯曲成形装置13扭转角与时间和绕弯成形装置41旋转角与时间(α
‑
t)等各类关系曲线来确定自由弯/扭复合成形工艺曲线，此时的外部夹持导向装置2起导向作用。
54.第三，绕弯成形系统4对管坯3进行夹取，运送至外部夹持导向装置2上，外部夹持导向装置2对管坯3进行导向。
55.第四，机器人运动控制系统、弯曲成形装置控制系统和外部夹持导向控制系统进行协同控制，执行第二步获得的各运动曲线，完成目标管件的自由弯/扭复合弯曲成形。
56.第五，弯曲成形完成后，外部夹持导向装置2打开；
57.第六，绕弯成形系统4再将成形构件抓取放置指定位置，随后进行下一根管坯3弯曲成形。
58.实施例2
59.图5自由弯/绕弯复合成形之自由弯曲成形阶段示意图，图6自由弯/绕弯复合成形之绕弯成形阶段示意图。自由弯曲成形装置13和绕弯成形装置41分别装在工业机器人12、42末端，工业机器人12、42安装在地轨11、43上，两台机器人并联式排布，可沿地轨11、43进行运动；外部加持导向装置2处于两机器人之间。管件弯曲成形加工时，自由弯曲成形系统1和绕弯成形系统4依据各个弯曲部分的特征进行依次弯曲成形，对于带直段的小弯曲半径段，采用绕弯成形工艺；对于带直段的大弯曲半径段/无直段大相对弯曲半径段/连续变曲率弯曲段，采用自由弯曲成形工艺，最终实现具有复杂空间结构管件的自由弯/绕弯复合弯曲成形。
60.在这一实施例中，具体步骤为：
61.第一，将所成形管件的几何参数进行提取，输入软件控制系统，根据目标构件的成形要求，对管件进行分段处理，分成带直段的小相对弯曲半径段，带直段的大相对弯曲半径段，无直段大相对弯曲半径段，连续变曲率弯曲段，并确定各个不同特征段的结合点位置。
62.第二，对于带直段的小弯曲半径段，获取绕弯成形系统4中绕弯成形装置41对应各特征的夹紧模具末端轴心位置坐标(x
l
，y
m
，z
n
)，绕弯成形装置41旋转角变化曲线(α
‑
t)，弯曲模具弯曲角变化曲线(β
‑
t)及轴向移动距离曲线(l
‑
t)。对于带直段的大弯曲半径段/无直段大相对弯曲半径段/连续变曲率弯曲段，获取自由弯曲成形系统1对应各特征的弯曲模具中心位置坐标(x
i
，y
j
，z
k
)、弯曲角与时间(θ
‑
t)、扭转角与时间等关系曲线；绕弯成形装置41夹持管坯3旋转角与时间(α
‑
t)、管坯3进给距离与时间(s
‑
t)的关系曲线。
63.第三，将上述各类工艺参数分别传送机器人运动控制系统、弯曲成形装置控制系统和外部夹持导向控制系统。机器人运动控制系统根据各特征点的空间坐标及距离
‑
时间(s
‑
t、l
‑
t)关系曲线来确定各机器人各个阶段的空间运动轨迹，弯曲成形装置控制系统根据自由弯曲成形装置13弯曲角与时间(θ
‑
t)、自由弯曲成形装置13扭转角与时间等关系曲线；绕弯成形装置41旋转角与时间(α
‑
t)和弯曲模具弯曲角与时间(β
‑
t)等各类关系曲线来确定自由弯/绕弯复合成形工艺曲线，外部夹持导向控制系统根据所得复合工艺曲线
来确定夹持/导向作用的切换节点。
64.第四，绕弯成形系统4对管坯3进行夹取，运送至外部夹持导向装置2上，外部夹持导向装置2对管坯3进行夹紧或导向。
65.第五，机器人运动控制系统、弯曲成形装置控制系统和外部夹持导向控制系统进行协同控制，最终完成目标管件的自由弯/扭复合弯曲成形。对于带直段的小弯曲半径段，采用绕弯成形工艺，外部夹持导向装置2对管坯3进行夹紧，绕弯成形装置41对管坯3进行弯曲成形。对于带直段的大弯曲半径段/无直段大相对弯曲半径段/连续变曲率弯曲段，采用自由弯曲成形工艺，外部夹持导向装置2松开管坯3起导向作用，绕弯成形装置41移动到管坯3另一端夹取管坯3，进行管坯3的进给，自由弯曲成形装置13对管坯3进行自由弯曲成形。
66.第六，弯曲成形完成后，外部夹持导向装置2打开；
67.第七，绕弯成形系统4再将成形构件抓取放置指定位置，随后进行下一根管坯3弯曲成形。
68.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。