一种基于极坐标系控制的三维自由弯曲成形系统的制作方法

本发明属于空体构件的弯曲成形技术领域，具体地说是一种基于极坐标系控制的三维自由弯曲成形系统。

背景技术：

现有技术中对管材和型材等空体构件进行弯曲成形加工，尤其是对于具有空间三维以及变曲率半径的弯曲件成形仍然存在技术难点。分别通过对径向位移、回转机构的回转方位和弯曲件进给量的调整，实现对弯管半径、弯管方向和弯管角度三个自由弯曲变量的精确控制，以实现对三维管材的弯曲变形。早期数控无模弯管机多采用直角坐标系进行控制，像日本nissin公司的数控无模弯管机在控制弯管方向时，因弯管驱动轴与弯管工艺参数无直接对应关系，需直角坐标两个驱动轴联动经数控系统的插补运算改变弯管方向，使得系统响应速度变慢及加工精度降低；如果要实现对系统运动准确、迅速的控制，必将使得数控系统复杂，对系统的控制及操作要求也必将较高。

日本nissin公司发现直角坐标系驱动方式的缺点，后期的数控无模弯管机由直角坐标的驱动方式更改为采用极坐标驱动方式。采用极坐标控制是一种较好的解决方案，可以直接将数控无模弯管机驱动轴与工艺参数直接对应。但其结构是采用将全部驱动机构直接安装在弯形模上的方式，即整个驱动装置围绕工件回转，该驱动结构也存在明显的缺点，由于驱动机构布置于工件周围，并且轮廓尺寸较大，易与弯形后的工件发生干涉，使其使用工艺范围变小。弯型机构部分集成了相关的运动控制结构，所以其几何尺度比较大，限制了被加工工件即弯管的曲率范围，难以实现大曲率弯管的受控高精度加工。因此迫切需要开发一种基于极坐标控制的，能够实现空间任意方向，大曲率半径管材及型材等空心件的无模弯曲方法和系统。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于极坐标系控制的三维自由弯曲成形系统，该系统和方法能够制造大曲率弯管，并且可以实现异型管材及型材等空心件等传统难加工零件的数控加工制造。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于极坐标系控制的三维自由弯曲成形系统，包括基座、极坐标系控制机构、仿形机构、弯形机构及辅助机构，其中，

所述极坐标系控制机构安装在所述基座上，通过产生径向进给运动和回转运动来实现极坐标系控制；

所述仿形机构安装在所述基座上、并且与所述极坐标系控制机构传动连接，所述仿形机构用于将所述极坐标系控制机构产生的径向进给运动和回转运动传递给所述弯形机构；

所述弯形机构安装在所述仿形机构上远离所述极坐标系控制机构的位置处，所述弯形机构通过所述仿形机构传递的运动完成构件的弯曲成形；

所述辅助机构安装在所述基座上、并且与所述弯形机构相对应，所述辅助机构用于驱动容置于所述弯形机构中待弯曲的构件进行沿轴向的进给运动。

所述仿形机构包括前支架、纵横导轨支架及后支架，其中后支架与所述基座连接，所述后支架上设有横向导轨，所述纵横导轨支架与所述横向导轨滑动连接，所述纵横导轨支架上设有纵向导轨，所述前支架与所述纵向导轨滑动连接；所述极坐标系控制机构与所述前支架转动连接。

所述仿形机构上远离所述极坐标系控制机构的一端设有弯形机构安装孔，所述弯形机构可转动地安装在所述弯形机构安装孔内。

所述极坐标系控制机构包括回转驱动机构和径向进给机构，其中回转驱动机构设置于所述基座上，所述径向进给机构设置于所述回转驱动机构上、并且与所述前支架转动连接。

所述回转驱动机构包括回转电机、回转支座及回转盘，其中回转支座容置于所述后支架的中心孔内、并且与所述基座连接，所述回转盘可转动地安装在所述回转支座上，所述回转电机安装在所述回转支座上、并且输出轴通过传动装置i与所述回转盘连接。

所述径向进给机构包括径向电机、丝母座、丝杠、径向滑动导轨、滑座及驱动杆，其中径向电机、丝杠及径向滑动导轨设置于所述回转盘上，所述径向电机与丝杠通过传动装置ii连接，所述丝母座通过丝母与丝杠螺纹连接，所述滑座与所述丝母座连接、并且与所述径向滑动导轨滑动连接，所述驱动杆的一端与所述滑座连接，另一端与所述前支架转动连接。

所述驱动杆与所述弯形机构传动连接。

所述弯形机构包括导管座、导管、弯管模、弯管模座及回转支撑，其中回转支撑可转动地安装在所述前支架上，所述弯管模座嵌设于所述回转支撑内，所述弯管模设置于所述弯管模座内；所述导管座设置于所述后支架上，所述导管插设于所述导管座内、并且所述导管的轴线与所述回转支撑的轴线同轴。

所述弯管模座的一相对两侧通过回转支撑轴与所述回转支撑转动连接，所述回转支撑轴的轴线与所述导管的轴线垂直，所述回转支撑轴通过传动装置iii与所述极坐标系控制机构连接，所述传动装置iii与所述导管座转动连接，所述弯管模座通过所述极坐标系控制机构的驱动沿构件的弯曲方向转动。

所述传动装置iii包括同步带轮i、同步带轮ii、同步带、齿轮及齿条，其中同步带轮i设置于所述极坐标系控制机构上，所述同步带轮ii可转动地安装在所述导管座上、并且与所述导管同轴，所述同步带轮ii通过同步带与所述同步带轮i连接，所述同步带轮ii的两侧分别设有两个齿条，两个所述回转支撑轴上均设有齿轮，两个齿轮分别与两个齿条啮合。

本发明的优点及有益效果如下：

1.本发明所涉及成形系统采用极坐标编程控制的方式，无需直角坐标下基于数控系统插补运算的两个驱动轴联动，而是将径向进给驱动装置安装在回转驱动装置上并共同组成极坐标系控制机构，利用两个独立的伺服电机驱动极坐标系控制机构输出指定的极径和极角，使得系统对弯形机构的控制更加简单、准确和迅速；

2.本发明将极坐标系控制机构和弯形机构分离，将动力源安装在机箱中下部远离弯管头部的位置处，采用仿形机构将极坐标控制机构产生的极坐标运动轨迹准确高效地传递到弯形机构，避免了传统设备中极坐标系控制机构和弯形机构集合与管材已弯曲部分的干涉，扩大了本发明系统的弯管曲率极限和工艺适用范围；

3.本发明所涉及的仿形机构主体为板状结构，沿着管材轴向(即仿形机构厚度方向)尺寸小、结构简单，采用纵横导轨结构来传递径向进给运动和周向旋转运动，运动的传递准确、高效并且可靠，仿形机构同时作为弯形机构的支座，直接控制弯管模，使极坐标系控制机构安装在远离头部的位置成为可能。

4.本发明同样可以实现径向位移等于零的回转运动，通过相应伺服电机直接带动极坐标系控制机构中的同步传动装置，将回转运动不经过仿形机构直接传递到弯形机构，补充了仿形机构的传动盲点，该运动仅带动弯形模具回转，结构简单、负荷小，容易实现。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中回转驱动机构和径向驱动机构的轴测图；

图3为本发明中回转驱动机构和径向驱动机构的剖视图；

图4为本发明中仿形机构的结构示意图；

图5为图4中d-d剖视图；

图6为图5中a处放大图；

图7为图5中b处放大图；

图8为图4中e-e剖视图；

图9为图8中c处放大图；

图10为本发明中仿形机构的轴测图；

图11为本发明中弯形机构的结构示意图；

图12为本发明中弯管模座的传动示意图；

图13为本发明中弯形机构的轴测图。

图14为本发明极坐标系控制自由弯曲整体原理示意图。

图中：1为回转驱动机构，101为回转电机，102为回转主动轮，103为回转支座，104为回转轴承，105为回转盘，106为回转从动轮，107为连接法兰a，2为径向进给机构，201为径向电机，202为丝母座，203为丝杠，204为径向电机座，205为径向从动轮，206为径向滑动导轨，207为滑座，208为驱动杆，209为轴承盖，210为轴承座，211为同步带轮i，212为连接法兰b，213为径向进给座，3为仿形机构，301为前支架，302为纵横导轨支架，303为后支架，304为横向导轨，305为弯形机构安装孔，306为纵向导轨，4为弯形机构，401为前法兰，402为后法兰，403为同步带轮ii，404为同步带轮底座，405为导管座，406为压盖，407为导管，408为齿轮，409为齿条，410为弯管模，411为连接法兰c，412为弯管模座，413为回转支撑，414为导管回转支撑轴承，415为端面轴承，416为回转支撑轴，5为构件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种基于极坐标系控制的三维自由弯曲成形系统，包括基座、极坐标系控制机构、仿形机构3、弯形机构4及辅助机构，其中极坐标系控制机构、仿形机构3及辅助机构安装在基座上，仿形机构3与所述极坐标系控制机构传动连接，弯形机构4安装在仿形机构3上远离所述极坐标系控制机构的位置处，所述辅助机构与弯形机构4相对应。所述极坐标系控制机构通过产生径向进给运动和回转运动来实现极坐标系控制；仿形机构3用于将所述极坐标系控制机构产生的径向进给运动和回转运动传递给弯形机构4；弯形机构4通过仿形机构3传递的运动完成构件5的弯曲成形；所述辅助机构用于驱动容置于弯形机构4中待弯曲的构件5进行沿轴向进给运动。

所述辅助机构主要由辅助电机和引导支撑模等组成，主要用来对工件施加轴向进给运动，并在弯管成形过程中对后侧未成形管坯提供有效地支撑和限制。

如图4-10所示，仿形机构3包括前支架301、纵横导轨支架302及后支架303，其中后支架303与基座连接，后支架303上设有横向导轨304，纵横导轨支架302与横向导轨304滑动连接，纵横导轨支架302上设有纵向导轨306，前支架301与纵向导轨306滑动连接；所述极坐标系控制机构与前支架301转动连接。

进一步地，横向导轨304和纵向导轨306均为交叉滚子导轨。

仿形机构3上远离极坐标系控制机构的一端设有弯形机构安装孔305，弯形机构4可转动地安装在弯曲机构安装孔305内。

所述极坐标系控制机构包括回转驱动机构1和径向进给机构2，其中回转驱动机构1设置于基座上，径向进给机构2设置于回转驱动机构1上、并且与前支架301转动连接。

仿形机构3的后支架303相对于系统固定不动，前支架301相对于后支架303进行横向和纵向的运动，通过纵横导轨传递运动准确、可靠。前支架301不仅受驱动杆208的径向位移的影响，而且受其回转运动的影响，将极坐标系控制机构的径向运动和回转运动自动分解为前支架301沿水平和竖直方向的平动。前支架301将极坐标系控制机构中伺服电机的回转运动转化为仿形机构3的平动特性，再将此种运动特性传递给弯形机构4。

如图2-3所示，回转驱动机构1包括回转电机101、回转支座103及回转盘105，其中回转支座103容置于后支架303的中心孔内、并且与基座连接，回转电机101与回转支座103连接，回转盘105通过回转轴承104可转动地安装在回转支座103上、并且通过传动装置i与回转电机101的输出轴连接。

所述传动装置i包括回转主动轮102和回转从动轮106，其中回转主动轮102设置于回转电机101的输出轴上，回转从动轮106为空心结构、并且套设于回转盘105上，回转主动轮102和回转从动轮106通过同步带传动连接。

径向进给机构2包括径向电机201、丝母座202、丝杠203、径向滑动导轨205、滑座207及驱动杆208，其中径向电机201、丝杠203及径向滑动导轨206设置于回转盘105上，径向电机201的输出轴与丝杠203平行、并且与回转电机101的输出轴垂直。径向电机201的输出轴与丝杠203通过传动装置ii连接，丝母座202通过丝母与丝杠203螺纹连接，滑座207与丝母座202连接、并且与径向滑动导轨206滑动连接，驱动杆208的一端与滑座207连接，另一端与前支架301通过轴承转动连接。

进一步地，驱动杆208与弯形机构4传动连接。

所述传动装置ii包括径向从动轮205、径向主动轮及径向同步带，径向从动轮205设置于丝杠203的端部，所述径向主动轮设置于径向电机201的输出轴上、并且通过径向同步带与径向从动轮205传动连接。

进一步地，回转盘105为空心结构，丝杠203、径向滑动导轨206及滑座207容置于回转盘105的空心腔体内，丝杠203两端的轴承通过连接法兰b212定位，连接法兰b212与回转盘105连接。

如图11-13所示，弯形机构4包括导管座405、导管407、弯管模410、弯管模座412及回转支撑413，其中回转支撑413通过端面轴承415可转动地安装在前支架301的弯曲机构安装孔305内，弯管模座412嵌设于回转支撑413内，弯管模座412与回转支撑413的球面有空隙不接触，弯管模410设置于弯管模座412内。导管座405设置于后支架303上，导管407插设于导管座405内、并且导管407的轴线与述回转支撑413的轴线同轴。

进一步地，弯管模座412的一相对两侧通过回转支撑轴416与回转支撑413转动连接，回转支撑轴416的轴线与导管407的轴线垂直，回转支撑轴416通过传动装置iii与所述极坐标系控制机构的驱动杆208连接，所述传动装置iii与导管座405转动连接，弯管模座412通过所述极坐标系控制机构的驱动沿构件5的弯曲方向转动。

进一步地，端面轴承415的前后侧分别通过前法兰401和后法兰402定位，前法兰401和后法兰402与前支架301连接。弯管模410通过设置于弯管模座412端部的连接法兰c411定位，连接法兰c411与弯管模座412连接。导管407通过设置于导管座405端部的压盖405定位，压盖405与导管座405连接。

所述传动装置iii包括同步带轮i211、同步带轮ii403、同步带、齿轮408及齿条409，其中同步带轮i211设置于驱动杆208上，同步带轮ii403安装在同步带轮底座404上，同步带轮底座404通过导管回转支撑轴承414可转动地安装在导管座405上，同步带轮ii403与导管407同轴，同步带轮ii403通过同步带与同步带轮i211连接。同步带轮ii403的两侧分别设有两个齿条409，两个回转支撑轴415上均设有齿轮408，两个齿轮408分别与两个齿条409啮合。

因仿形机构3不能传递径向位移等于零的回转运动，所以所述传动装置iii在成形过程中由回转驱动机构1直接带动同步带轮i211，再经过同步带驱动安装在弯形模上的同步带轮ii403，将回转运动不经仿形机构3而直接传递到弯形机构4上，补充仿形机构3的传动盲点。弯形机构4的弯管模410不仅能够受仿形机构3作用在径向上的运动，还能够在齿轮齿条作用下沿管材弯曲方向上做径向位移等于零的回转运动，这样就增加了管材弯曲的范围。

弯形机构4对管材进行弯曲成形制造，其控制弯管半径和弯管方向两个变量实现弯管操作；其中，弯管半径对应径向位移，径向位移是径向进给机构2通过驱动杆208带动仿形机构3的前支架301做径向运动，前支架301将径向运动传递到弯形机构4上，从而控制管件的弯管半径；弯管方向对应回转方向，回转方向是回转驱动机构1通过同步带轮i211带动同步带轮ii403进行回转运动，同步带轮ii403将回转运动通过齿轮齿条啮合传递到弯形机构4上，从而主动控制弯管变形。

本发明的工作原理是：

如图14所示，本发明采用极坐标控制对管材进行弯曲，所述辅助机构给予待弯曲的构件5施加轴向(-z轴方向)的进给运动，轴向进给距离为i，径向进给机构2沿径向进给距离为ρ，仿形机构3将径向进给运动ρ传递给弯形机构4，回转驱动机构1带动弯形机构4进行回转运动，产生回转角θ；i、ρ、θ三个参数确定了弯形件的自由弯曲成形，从而实现对构件5的极坐标系控制；将极坐标系控制机构安装在远离构件5的位置上，用仿形机构3将极坐标系控制传递到构件5上，扩大了弯形件的工艺参数范围，同时给弯曲件成形留有更大的空间，防止弯曲件已弯曲部分与极坐标系控制机构发生干涉。

径向运动

径向驱动电机201通过径向传动皮带带动与其连接的径向从动轮205进行回转运动，由于丝杠203(滚珠丝杠)两侧安装在轴承内，两侧轴承由连接法兰b212进行定位，所以丝杠203轴向被约束不能进行径向上的运动，只能相对于与其配合的丝母座202沿径向上进行运动；这样就将径向从动轮205的回转运动转化为径向进给机构2的径向运动，回转盘105将驱动杆208和丝母座202固定为一体，因此驱动杆208随丝母座202一起进行径向运动，驱动杆208通过轴承和仿形机构3的前支架301进行连接。这样就将径向运动传递到仿形机构3的前支架301上。由于弯形机构4安装在仿形机构3上，所以弯形机构4也就能够进行径向运动。径向运动控制构件5的弯曲半径，管材及型材等空体构件5的弯曲角度由辅助机构的沿轴向输送距离来决定。

径向位移为零的回转运动

初始时，回转电机101转动，通过同步带带动与其连接的回转从动轮106旋转，因回转从动轮106与回转盘105、连接法兰a107、同步带轮i211固定在一起，回转盘105通过回转轴承104与回转支座103进行连接，能够相对回转支座103进行回转运动。因此，回转电机101的回转运动就被同步传递到同步带轮i211上，同步带轮i211又通过同步带与弯形机构4上的同步带轮ii403相连接，同步带轮ii403通过导管回转支撑轴承414安装在导管座405上，能够沿导管407进行回转运动。同步带轮ii403又与弯形机构4的弯形部分相互作用，弯形部分包括弯管模410、连接法兰c411及弯管模座412。连接法兰c411将弯管模410和弯管模座412固定为一体，弯管模座412外侧有回转支撑轴416，回转支撑轴416安装在回转支撑413上，且能够沿管材弯曲方向进行旋转。回转支撑轴416上有齿轮408，齿轮408与齿条409进行啮合，齿条409带动齿轮408转动进行动作，完成径向位移为零的面内回转运动。

综上所述，本发明能够实现管材及型材等空体构件的三维任意变曲率弯曲成形，分别通过对径向位移、回转机构的回转方位和工件进给量的控制和调整，实现对弯管半径、弯管方向和弯管角度三个自由弯曲变量的精确控制。本发明将径向驱动机构安装在回转驱动机构上，实现极坐标的驱动方式，同时将极坐标系控制机构布置在远离工件的位置，用仿形机构将极坐标运动轨迹准确的传递到弯形机构上。仿形机构同时带动弯形机构中的弯形模座，保证成形过程中弯形模的稳定和静止，防止变形件表面起皱、曲率精度差等缺陷发生，从而实现对初始坯料自由弯曲成形的极坐标系控制。与现有技术相比，本发明的控制和操作更加的简单、准确和迅速，实现驱动轴与工艺参数直接对应，并且克服了工件已弯曲部分与模具发生干涉的问题，扩大了弯曲的加工适用范围。本发明填补了管材等空体构件成形领域的技术空白，具有可预期的巨大经济价值和社会价值。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。