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与流程

本发明属于金属复杂构件先进制造技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

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。本发明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。

本发明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，P_i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，为转动副向量ri即连杆向量Li与竖直移动副向量之间水平面的转角，ψi为转动副向量ri即连杆Li与竖直移动副向量竖直平面间的转角，规定顺时针转动为正，逆时针转动为负)；

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TPS驱动杆件长度(主动支链)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TPS驱动杆件长度公式为：r点O’为在固定参考系O-xyz下的位置矢量，bi和ai为铰点B、A的位置矢量在坐标系O-xyz和O’-x’y’z’下的度量，T为动平台姿态的方向余弦矩阵；

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。

有益效果：

1、本发明为三维自由弯曲设备的改进方案，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。

2、本发明方法简单可行，生产效率高，在航空航天、核电、汽车等工程领域具有重要的工程应用价值和明显的经济效益。

附图说明

图1为基于多足并联机器人的复杂构件三维自由弯曲成形方法流程图；

图2为基于立式Stewart并联机构的三维自由弯曲设备示意图；

图3为基于卧式Stewart并联机构的三维自由弯曲设备示意图；

图4为基于立式3-RPSR并联机构的三维自由弯曲设备示意图；

图5为基于卧式3-RPSR并联机构的三维自由弯曲设备示意图；

图6为基于Tricept并联机构和串联转动手腕装置的混联机构三维自由弯曲设备示意图；

图7为Stewart并联机构的运动原理示意图；

图8为3-RPSR并联机构的运动原理示意图；

图9为Tricept并联机构的运动原理示意图；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

图2和图3为基于立式和卧式Stewart并联机构的三维自由弯曲设备示意图。图2的Stewart并联机构为立式安装，即静平台1固定于水平地面上，而弯曲模7垂直固定于弯曲模运动平台5中心；图3的Stewart并联机构为卧式安装，即静平台1固定于机身侧面(与水平地面垂直)，而弯曲模7平行固定于弯曲模运动平台5中心。两种设备均包括弯曲模运动装置和管材顶推装置两大部分。其中弯曲模运动装置包括静平台1、弯曲模运动平台5(也就是末端执行器)以及连接在两者之间的六组相同的SPS驱动杆件3。驱动杆件3通过球形铰链(2、4)分别与静平台1和弯曲模运动平台5相连，同时改变六组SPS驱动杆件3的长度，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。六组伸缩杆件3由电液伺服系统直接驱动。管材顶推装置由导套8、推块9、芯轴10、滚珠丝杆副11组成。伺服电机驱动丝杆螺母旋转，丝杆螺母副将自身的旋转运动转化为管材6的轴向直线运动。

在这一实例中，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)(P₀＝[x₀,y₀,z₀]^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，P_i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。

实施例2

图4和图5为基于立式和卧式3-RPSR并联机构的三维自由弯曲设备示意图。图4的3-RPSR并联机构为立式安装，即静平台1固定于水平地面上，而弯曲模7垂直固定于弯曲模运动平台5中心；图5的3-RPSR并联机构为卧式安装，即静平台1固定于机身侧面(与水平地面垂直)，而弯曲模7平行固定于弯曲模运动平台5中心。两种设备均包括弯曲模运动装置和管材顶推装置两大部分。其中弯曲模运动装置包括静平台1、弯曲模运动平台5(也就是末端执行器)以及连接在两者之间的三组相同的RPSR驱动杆件13。驱动杆件13一端分别通过移动副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，另一端通过转动副14和弯曲模运动平台5相连，通过并行调整三组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。三组杆件13的移动副22由电液伺服系统直接驱动。管材顶推装置由导套8、推块9、芯轴10、滚珠丝杆副11组成。伺服电机驱动丝杆螺母旋转，丝杆螺母副将自身的旋转运动转化为管材6的轴向直线运动。

在这一实例中，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，为转动副向量ri即连杆向量Li与竖直移动副向量之间水平面的转角，ψi为转动副向量ri即连杆Li与竖直移动副向量竖直平面间的转角，规定顺时针转动为正，逆时针转动为负)；

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。

实施例3

图6为基于Tricept并联机构和串联转动手腕装置的混联机构三维自由弯曲设备示意图。与基于Stewart并联机构和3-RPSR并联机构的三维自由弯曲设备相比，基于混联机构的三维自由弯曲设备可有效地克服六自由度纯并联机构动平台实现姿态能力差的缺点，进而获得较大的工作空间与机床体积比，具有工作空间大、刚度/重量比高、可重构能力强、且可实现末端位置全闭环反馈等优点。该设备包括弯曲模运动装置和管材顶推装置两大部分。其中弯曲模运动装置包括Tricept并联机构和二自由度串联转动手腕装置12。Tricept并联机构包括静平台1、动平台20以及连接与两者之间的三组相同的TPS驱动杆件17和被动中心约束支链18。二自由度串联转动手腕装置21相连于动平台20和弯曲模运动平台5之间。驱动杆件通过球形铰链19和虎克铰链15分别与动平台20和静平台1相连，中心约束支链18一端通过虎克铰16与静平台1相连，一端直接与动平台20紧固连接。通过并行调控三组驱动杆件17的长度，可实现弯曲模7在空间内的位置控制，通过弯曲模运动平台5与动平台20之间的二自由度转动手腕装置21可控制弯曲模7在空间内的姿态。三组TPS伸缩杆件17由电液伺服系统直接驱动，二自由度串联转动手腕装置21可由伺服电机直接实现。管材顶推装置由导套8、推块9、芯轴10、滚珠丝杆副11组成。伺服电机驱动丝杆螺母旋转，丝杆螺母副将自身的旋转运动转化为管材6的轴向直线运动。

在这一实例中，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TPS驱动杆件长度(主动支链)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TPS驱动杆件长度公式为：(r点O’为在固定参考系O-xyz下的位置矢量，bi和ai为铰点B、A的位置矢量在坐标系O-xyz和O’-x’y’z’下的度量，T为动平台姿态的方向余弦矩阵)；

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。

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。