一种自由曲面模具的多工具头自动增量成形机及成形方法与流程

本发明属于机械制造领域，尤其是指一种多工具头自动增量成形机及成形方法。

背景技术：

在传统板料成形方法中，模具成形方法生产效率高、加工件的精度高、适合大批量生产，多年来一直占据着主导地位。利用模具对板材成形是传统的板材加工工艺,其基本要求是产品的生产批量要有一定的规模,否则单件产品的成本就会太高，并且模具设计制造周期长，维护费用高，往往成形一个零件需要多个模具，造成新产品开发周期长，成本高，而且缺乏柔性，产品稍作改变后模具需要重新设计更换。近年来市场对产品的需求趋向于多品种、小批量,所以传统的板材成形工艺已不能满足这种要求。金属板材单点增量成形技术已经被提出并得到了一定的发展，但对于多工具头自动增量成形的研究还处于起步阶段。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种自由曲面模具的多工具头自动增量成形机及成形方法。

本发明采用的技术方案是：机床床身的中部安装夹紧部件，该夹紧部件的两侧机床床身上分别安装机床主运动部件，工具部件分别安装在机床主运动部件朝向夹紧部件的侧面。

所述机床主运动部件包括完全相同的左右两部分，其中机床主运动部件的左半部分由x轴导轨基体、x轴伺服电机、x轴联轴器、x轴直线导轨副、x轴滚珠丝杠轴承前座、x轴滚珠丝杠副、x轴滚珠丝杠轴承后座、z轴部件连接板、z轴固定件、z轴导轨基体、z轴直线导轨副、z轴滚珠丝杠副、z轴滚珠丝杠轴承前座、z轴联轴器、z轴伺服电机、工具部件连接板、z轴滚珠丝杠轴承后座组成，所述x轴导轨基体通过螺栓固定在机床床身上，x轴伺服电机通过螺栓固定在在x轴导轨基体上，x轴滚珠丝杠副与x轴伺服电机输出轴通过x轴联轴器相连，x轴滚珠丝杠副两端由轴承支承，两端的轴承分别安装在x轴滚珠丝杠轴承前座与x轴滚珠丝杠轴承后座的座孔之中，x轴滚珠丝杠轴承前座与x轴滚珠丝杠轴承后座通过螺栓固定在x轴导轨基体上，x轴直线导轨副的导轨固定在x轴导轨基体上，x轴直线导轨副的滑块固定在z轴部件连接板上，x轴滚珠丝杠副的螺母与z轴部件连接板通过螺栓固定在一起,z轴固定件通过螺栓固定在z轴部件连接板上，z轴导轨基体通过螺栓固定在z轴固定件上，z轴伺服电机通过螺栓连接在z轴导轨基体上，z轴滚珠丝杠副与z轴伺服电机输出轴通过z轴联轴器相连，z轴滚珠丝杠副的两端由轴承支承，两端的轴承分别安装在z轴滚珠丝杠轴承前座与z轴滚珠丝杠轴承后座的座孔之中，z轴滚珠丝杠轴承前座与z轴滚珠丝杠轴承后座通过螺栓固定在z轴导轨基体上，z轴滚珠丝杠副的螺母与工具连接板通过螺栓固定在一起,z轴直线导轨副的导轨固定在z轴导轨基体上，z轴直线导轨副的滑块固定在工具部件连接板上，工具部件通过螺栓固定在工具部件连接板上。

所述夹紧部件由夹紧机构固定件、夹紧机构基体、夹紧电机ⅰ、直线导轨ⅰ固定件、直线导轨ⅰ滑动件、滑块ⅰ、反旋向螺纹螺杆ⅰ、双孔螺母ⅰ、反旋向螺纹螺杆ⅱ、反旋向螺纹螺杆ⅱ右旋部分、反旋向螺纹螺杆ⅱ左旋部分、双孔螺母ⅱ、滑块ⅱ、反旋向螺纹螺杆ⅲ、该反旋向螺纹螺杆ⅲ包括右旋部分和反旋向螺纹螺杆ⅲ左旋部分、直线导轨ⅱ固定件、旋转轴ⅰ、夹紧电机ⅱ、直线导轨ⅲ滑动件、滑块ⅲ、直线导轨ⅲ固定件、工件组件、下夹紧框、上夹紧框、旋转轴ⅱ、涡轮ⅰ、蜗杆套ⅰ、涡轮ⅱ、蜗杆套ⅱ、直线导轨ⅱ滑动件构成，所述夹紧机构固定件由相同的两部分组成，夹紧机构固定件固定在机床床身上，夹紧机构基体通过螺栓固定在夹紧机构固定件上，夹紧电机ⅰ固定在夹紧机构基体上，夹紧电机ⅰ的输出轴与旋转轴ⅱ通过销连接在一起，旋转轴ⅱ两端由轴承进行支撑，蜗杆套ⅰ空套在旋转轴ⅱ上，涡轮ⅰ与蜗杆套ⅰ相啮合，涡轮ⅰ与反旋向螺纹螺杆ⅱ固连在一起，反旋向螺纹螺杆ⅱ的螺纹部分由反旋向螺纹螺杆ⅱ右旋部分、反旋向螺纹螺杆ⅱ左旋部分构成，反旋向螺纹螺杆ⅱ左旋部分与双孔螺母ⅰ相啮合，反旋向螺纹螺杆ⅱ右旋部分与双孔螺母ⅱ相啮合，反旋向螺纹螺杆ⅱ两端由轴承进行支承，两轴承分别安装在滑块ⅰ与滑块ⅲ内，直线导轨ⅰ滑动件固定在滑块ⅰ上，直线导轨ⅰ固定件与直线导轨ⅰ滑动件安装在一起，直线导轨ⅰ固定件固定在夹紧机构基体上，反旋向螺纹螺杆ⅰ上的螺纹部分与双孔螺母ⅰ相啮合，直线导轨ⅲ滑动件固定在滑块ⅲ上，直线导轨ⅲ固定件与直线导轨ⅲ滑动件安装在一起，直线导轨ⅲ固定件固定在夹紧机构基体上，反旋向螺纹螺杆ⅲ的螺纹部分由反旋向螺纹螺杆ⅲ右旋部分与反旋向螺纹螺杆ⅲ左旋部分组成，反旋向螺纹螺杆ⅲ右旋部分与双孔螺母ⅱ相啮合，反旋向螺纹螺杆ⅲ两端由轴承进行支承，轴承分别安装在两端的滑块内，直线导轨ⅱ固定件固定在夹紧机构基体上，直线导轨ⅱ滑动件与直线导轨ⅱ固定件安装在一起，直线导轨ⅱ滑动件固定在滑块ⅱ上，反旋向螺纹螺杆ⅲ与涡轮ⅱ固定在一起，涡轮ⅱ与蜗杆套ⅱ相啮合，蜗杆套ⅱ空套在旋转轴ⅰ上，旋转轴ⅰ与夹紧电机ⅱ的输出轴固连在一起，夹紧电机ⅱ固定在夹紧机构基体上，旋转轴ⅰ两端由轴承支承，轴承安装在夹紧机构基体上，工件组件安装在各双孔螺母的凹槽内，工件组件由下夹紧框、上夹紧框组成。

所述工具部件由工具部件基座、工具单元、该工具单元包括液压缸缸体、液压杆、虎克铰、滑块、固定螺母和工具球、工具单元限制框组成，工具部件基座通过螺栓固定在工具部件连接板上，液压缸缸体固定在工具部件基座上，液压杆装在液压缸缸体内，液压杆与虎克铰相连接，滑块与虎克铰焊接在一起，滑块的另一端加工有一圆形凹槽，工具球安装在其中，圆形凹槽的外螺纹与固定螺母的内螺纹配合在一起，工具单元限制框焊接在工具部件基座上，所有的工具单元安装在工具单元限制框。

成形方法包括下列步骤：

(1)、设计产品的三维模型；

(2)、根据金属板材的特性及加工精度要求，设置增量成形最大变形量a，以增量成形最大变形量a对三维模型进行切片处理，得到各个加工阶段的三维模型；

(3)、根据各个加工阶段的三维模型的数据点，以符合神经网络输入数据的位置关系的每组12个数据点din_n(n＝0,1,...,11)，利用金属板材的变形规律的数学模型公式：

计算出每组4个工具头的各自运动距离

其中：表示第i层的第y个神经元与第i-1层的第x个神经元之间的权重，表示，第i层的第x个神经元的偏置，神经元网络的输入数据为：

din_n(n＝0,1,...,11)，神经元网络的期望输出数据为：

(4)、重复各个过程，直到加工结束。

本发明优点是结构新颖，适应多品种、小批量的需求，工作时具有较高的柔性，可以显著减少新产品开发的周期，降低新产品开发成本。由于采用增量成形技术，每一点、每一步的变形量不是太大，因此增量成形比传统成形技术更充分地利用了材料的成形潜力，可以大幅度提高板材的成形极限；采用多工具头，相比于单工具头的增量成形机床，本发明可以大幅提高加工效率；采用一侧加工一侧支撑的“活动支撑”技术方案，降低金属板材加工过程中板材的局部应力，降低裂纹产生的可能，提高产品的合格率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明机床主运动部件的结构示意图；

图3是本发明机床主运动部件x轴组件的结构示意图；

图4是本发明机床主运动部件x轴组件拆分图；

图5是本发明机床主运动部件z轴组件的结构示意图；

图6是本发明机床主运动部件z轴组件拆分图；

图7是本发明夹紧部件的结构示意图；

图8是本发明夹紧部件局部放大图；

图9是本发明工件组件与自由曲面钣金的结构示意图；

图10是本发明工具部件的结构示意图；

图11是本发明工具单元的结构示意图；

图12是本发明工具单元爆炸图；

图13是本发明建模过程中测量点分布示意图；

图14是本发明神经网络结构示意图；

图中：机床床身1、机床主运动部件2、夹紧部件3、工具部件4、x轴导轨基体211、x轴伺服电机212、x轴联轴器213、x轴直线导轨副214、x轴滚珠丝杠轴承前座215、x轴滚珠丝杠副216、x轴滚珠丝杠轴承后座217、z轴部件连接板218、z轴固定件221、z轴导轨基体222、z轴直线导轨副223、z轴滚珠丝杠副224、z轴滚珠丝杠轴承前座225、z轴联轴器226、z轴伺服电机227、工具部件连接板228、z轴滚珠丝杠轴承后座229、夹紧机构固定件300、夹紧机构基体301、夹紧电机ⅰ302、直线导轨ⅰ固定件303、直线导轨ⅰ滑动件304、滑块ⅰ305、反旋向螺纹螺杆ⅰ306、双孔螺母ⅰ307、反旋向螺纹螺杆ⅱ308、反旋向螺纹螺杆ⅱ右旋部分3081、反旋向螺纹螺杆ⅱ左旋部分3082、双孔螺母ⅱ309、滑块ⅱ310、反旋向螺纹螺杆ⅲ311、反旋向螺纹螺杆ⅲ右旋部分3111、反旋向螺纹螺杆ⅲ左旋部分3112、直线导轨ⅱ固定件312、旋转轴ⅰ313、夹紧电机ⅱ314、直线导轨ⅲ滑动件315、滑块ⅲ316、直线导轨ⅲ固定件317、工件组件318、下夹紧框3181、上夹紧框3182、旋转轴ⅱ319、涡轮ⅰ320、蜗杆套ⅰ321、涡轮ⅱ322、蜗杆套ⅱ323、直线导轨ⅱ滑动件324、工具部件基座401、工具单元402、液压缸缸体4021、液压杆4022、虎克铰4023、滑块4024、固定螺母4025、工具球4026、工具单元限制框403、自由曲面钣金5。

具体实施方式

机床床身1的中部安装夹紧部件3，该夹紧部件3的两侧机床床身1上分别安装机床主运动部件2，工具部件4分别安装在机床主运动部件2朝向夹紧部件3的侧面。

所述机床主运动部件2包括完全相同的左右两部分，其中机床主运动部件2的左半部分由x轴导轨基体211、x轴伺服电机212、x轴联轴器213、x轴直线导轨副214、x轴滚珠丝杠轴承前座215、x轴滚珠丝杠副216、x轴滚珠丝杠轴承后座217、z轴部件连接板218、z轴固定件221、z轴导轨基体222、z轴直线导轨副223、z轴滚珠丝杠副224、z轴滚珠丝杠轴承前座225、z轴联轴器226、z轴伺服电机227、工具部件连接板228、z轴滚珠丝杠轴承后座229组成，所述x轴导轨基体211通过螺栓固定在机床床身1上，x轴伺服电机212通过螺栓固定在在x轴导轨基体211上，x轴滚珠丝杠副216与x轴伺服电机212输出轴通过x轴联轴器213相连，x轴滚珠丝杠副216两端由轴承支承，两端的轴承分别安装在x轴滚珠丝杠轴承前座215与x轴滚珠丝杠轴承后座217的座孔之中，x轴滚珠丝杠轴承前座215与x轴滚珠丝杠轴承后座217通过螺栓固定在x轴导轨基体211上，x轴直线导轨副214的导轨固定在x轴导轨基体211上，x轴直线导轨副214的滑块固定在z轴部件连接板218上，x轴滚珠丝杠副216的螺母与z轴部件连接板218通过螺栓固定在一起,z轴固定件221通过螺栓固定在z轴部件连接板218上，z轴导轨基体222通过螺栓固定在z轴固定件221上，z轴伺服电机227通过螺栓连接在z轴导轨基体222上，z轴滚珠丝杠副224与z轴伺服电机227输出轴通过z轴联轴器226相连，z轴滚珠丝杠副224的两端由轴承支承，两端的轴承分别安装在z轴滚珠丝杠轴承前座225与z轴滚珠丝杠轴承后座229的座孔之中，z轴滚珠丝杠轴承前座225与z轴滚珠丝杠轴承后座229通过螺栓固定在z轴导轨基体222上，z轴滚珠丝杠副224的螺母与工具连接板228通过螺栓固定在一起,z轴直线导轨副223的导轨固定在z轴导轨基体222上，z轴直线导轨副223的滑块固定在工具部件连接板228上，工具部件4通过螺栓固定在工具部件连接板228上。

所述夹紧部件3由夹紧机构固定件300、夹紧机构基体301、夹紧电机ⅰ302、直线导轨ⅰ固定件303、直线导轨ⅰ滑动件304、滑块ⅰ305、反旋向螺纹螺杆ⅰ306、双孔螺母ⅰ307、反旋向螺纹螺杆ⅱ308、反旋向螺纹螺杆ⅱ右旋部分3081、反旋向螺纹螺杆ⅱ左旋部分3082、双孔螺母ⅱ309、滑块ⅱ310、反旋向螺纹螺杆ⅲ311、该反旋向螺纹螺杆ⅲ包括右旋部分3111和反旋向螺纹螺杆ⅲ左旋部分3112、直线导轨ⅱ固定件312、旋转轴ⅰ313、夹紧电机ⅱ314、直线导轨ⅲ滑动件315、滑块ⅲ316、直线导轨ⅲ固定件317、工件组件318、下夹紧框3181、上夹紧框3182、旋转轴ⅱ319、涡轮ⅰ320、蜗杆套ⅰ321、涡轮ⅱ322、蜗杆套ⅱ323、直线导轨ⅱ滑动件324构成，所述夹紧机构固定件300由相同的两部分组成，夹紧机构固定件300固定在机床床身1上，夹紧机构基体301通过螺栓固定在夹紧机构固定件300上，夹紧电机ⅰ302固定在夹紧机构基体301上，夹紧电机ⅰ302的输出轴与旋转轴ⅱ319通过销连接在一起，旋转轴ⅱ319两端由轴承进行支撑，蜗杆套ⅰ321空套在旋转轴ⅱ319上，涡轮ⅰ320与蜗杆套ⅰ321相啮合，涡轮ⅰ320与反旋向螺纹螺杆ⅱ308固连在一起，反旋向螺纹螺杆ⅱ308的螺纹部分由反旋向螺纹螺杆ⅱ右旋部分3081、反旋向螺纹螺杆ⅱ左旋部分3082构成，反旋向螺纹螺杆ⅱ左旋部分3082与双孔螺母ⅰ307相啮合，反旋向螺纹螺杆ⅱ右旋部分3081与双孔螺母ⅱ309相啮合，反旋向螺纹螺杆ⅱ308两端由轴承进行支承，两轴承分别安装在滑块ⅰ305与滑块ⅲ316内，直线导轨ⅰ滑动件304固定在滑块ⅰ305上，直线导轨ⅰ固定件303与直线导轨ⅰ滑动件304安装在一起，直线导轨ⅰ固定件303固定在夹紧机构基体301上，反旋向螺纹螺杆ⅰ306上的螺纹部分与双孔螺母ⅰ307相啮合，直线导轨ⅲ滑动件315固定在滑块ⅲ316上，直线导轨ⅲ固定件317与直线导轨ⅲ滑动件315安装在一起，直线导轨ⅲ固定件317固定在夹紧机构基体301上，反旋向螺纹螺杆ⅲ311的螺纹部分由反旋向螺纹螺杆ⅲ右旋部分3111与反旋向螺纹螺杆ⅲ左旋部分3112组成，反旋向螺纹螺杆ⅲ右旋部分3111与双孔螺母ⅱ309相啮合，反旋向螺纹螺杆ⅲ311两端由轴承进行支承，轴承分别安装在两端的滑块内，直线导轨ⅱ固定件312固定在夹紧机构基体301上，直线导轨ⅱ滑动件324与直线导轨ⅱ固定件312安装在一起，直线导轨ⅱ滑动件324固定在滑块ⅱ310上，反旋向螺纹螺杆ⅲ311与涡轮ⅱ322固定在一起，涡轮ⅱ322与蜗杆套ⅱ323相啮合，蜗杆套ⅱ323空套在旋转轴ⅰ313上，旋转轴ⅰ313与夹紧电机ⅱ314的输出轴固连在一起，夹紧电机ⅱ314固定在夹紧机构基体301上，旋转轴ⅰ313两端由轴承支承，轴承安装在夹紧机构基体301上，工件组件318安装在各双孔螺母的凹槽内，工件组件318由下夹紧框3181、上夹紧框3182组成；

下夹紧框3181、自由曲面钣金5、上夹紧框3182通过螺栓固定在一起；

所述工具部件4由工具部件基座401、工具单元402、该工具单元402包括液压缸缸体4021、液压杆4022、虎克铰4023、滑块4024、固定螺母4025和工具球4026、工具单元限制框403组成，工具部件基座401通过螺栓固定在工具部件连接板228上，液压缸缸体4021固定在工具部件基座401上，液压杆4022装在液压缸缸体4021内，液压杆4022与虎克铰4023相连接，滑块4024与虎克铰4023焊接在一起，滑块4024的另一端加工有一圆形凹槽，工具球4026安装在其中，圆形凹槽的外螺纹与固定螺母4025的内螺纹配合在一起，工具单元限制框403焊接在工具部件基座401上，所有的工具单元402安装在工具单元限制框403。

工作原理：

1.将工件自由曲面钣金进行正确装夹后；

2.根据自由曲面钣金的特性及加工精度要求，设置增量成形最大变形量a，以增量成形最大变形量a对三维模型进行切片处理，得到各个加工阶段的三维模型；

3.根据各个加工阶段的三维模型得到各加工位置点坐标；

4.加工时左右两侧相对应的工具单元首先与工件表面接触，然后根据加工位置点的坐标一侧向前运动，一侧向后运动，以此保证在加工过程中加工位置点都有支承，增加自由曲面钣金的变形极限；

5.根据路径规划，直到加工完成。

成形方法包括下列步骤：

(1)、设计产品的三维模型；

(2)、根据金属板材的特性及加工精度要求，设置增量成形最大变形量a，以增量成形最大变形量a对三维模型进行切片处理，得到各个加工阶段的三维模型；

(3)、根据各个加工阶段的三维模型的数据点，以符合神经网络输入数据的位置关系的每组12个数据点din_n(n＝0,1,...,11)，利用金属板材的变形规律的数学模型公式：

计算出每组4个工具头的各自运动距离

其中：表示第i层的第y个神经元与第i-1层的第x个神经元之间的权重，表示，第i层的第x个神经元的偏置，神经元网络的输入数据为：

din_n(n＝0,1,...,11)，神经元网络的期望输出数据为：

(4)、重复各个过程，直到加工结束。

由于目前没有金属板材的变形规律的模型，首先利用深层神经网络建立金属板材的变形规律的数学模型；

所述金属板材的变形规律的数学模型建立流程如下：

(1)采用该机床随机加工一批相同材料的自由曲面的金属板材工件；

(2)采用精密的三坐标测量仪对工件的表面进行测量，在边长为d正方形的区域内，测量点为4*4均匀分布，如图13所示，白色点的z轴坐标作为神经网络的输入数据，黑色点的z轴坐标作为神经网络的输出数据；

(3)测量1000组数据用于神经网络的训练，为了尽可能避免神经网络的过度拟合，在原始数据的基础上，将所有数据全部加一和减一，由此得到3000组数据，随机抽取其中的2400组进行神经网络的训练，剩余的600组进行神经网络模型的评估，开始时采用高斯函数(均值为0，方差为1)对权重和偏置赋予随机值，对神经网络进行训练，直到神经网络的准确度达到要求，停止训练，保存所有的神经网络的权重及偏置，即可得到：

其中：表示第i层的第y个神经元与第i-1层的第x个神经元之间的权重，表示，第i层的第x个神经元的偏置，神经元网络的输入数据为：

din_n(n＝0,1,...,11)，

神经元网络的期望输出数据为：

(4)根据工件的三维模型得到din_n，将其带入上式计算出根据控制机床的每组的工具头进行运动(每相邻的四个工具头为一组)。

采用的神经网络具体如下：

采用3层的深度神经网络，如图14所示，为了显示的清晰，每层只画了一个神经元与下一层的神经元全部连接，真实情况是相互之间全部连接，为了便于表达清楚，先定义一些符号：

表示第i层的第y个神经元与第i-1层的第x个神经元之间的权重，表示第i层的第x个神经元的偏置，n为神经网络训练循环的轮数，设神经元网络的输入数据为din_j(j＝0,1,...,11)，设神经元网络的期望输出数据为dout_k(k＝0,1,2,3)；第0层神经元网络为数据输入层；

第1层神经元的激活函数为sigmoid函数：

第2层神经元的激活函数为sigmoid函数：

第3层神经元的激活函数为线性函数：f3(x)＝x；

对于第1层的输出值为y¹＝f1(w¹din+b¹)及

对于第2层的输出值为y²＝f2(w²y¹+b²)及

对于第3层的输出值为y³＝f3(w³y²+b³)及

定义输出误差：

对于第三层的误差：

对于第二层的误差：

对于第一层的误差：

e对于对第三层权重求偏导：

e对于对第三层偏置求偏导：

e对于对第二层权重求偏导：

e对于对第二层偏置求偏导：

e对于对第一层权重求偏导：

e对于对第一层偏置求偏导：

显然，调整权值的原则是使误差不断地减小，因此应使权值的调整量与误差的梯度成正比，即：

所以，将w+△w赋值给w，将b+△b赋值给b，以此更新神经网络的权重及偏置，经过多轮神经网络训练，神经网络的权重及偏置趋于稳定。保存此时的神经网络的权重及偏置的数值，即可得到金属板材的变形规律的数学模型：

其中：表示第i层的第y个神经元与第i-1层的第x个神经元之间的权重，表示，第i层的第x个神经元的偏置，神经元网络的输入数据为：din_n(n＝0,1,...,11)，神经元网络的期望输出数据为