一种基于串并联机器人的三维复杂构件成形系统及方法与流程

本发明涉及三维复杂构件先进成形技术领域，尤其涉及一种基于串并联机器人的三维复杂构件成形系统及方法。

背景技术

成形方法制造的三维复杂构件是指具有三维空间轴线、复杂局部特征、连续渐变曲率半径等的空心弯曲构件，应用主要包括军用飞机复杂空间导管及型材承力构件、大推力航空发动机系列复杂空间导管、空间站及卫星复杂管路零件等。

上述导管类及型材类三维复杂构件长期在高温、高应力、强腐蚀及复杂载荷等极端环境下服役，对构件的结构强度、抗腐蚀、疲劳蠕变等性能提出了非常高的要求。

我国长期以来对于具有复杂结构的三维构件均采用传统方法制造，且以工序分级的方式依次成形。此外，生产三维复杂构件的冷成形加工方法仅在力场的作用下依靠模具约束单向施加载荷。

现有的制造方法和冷成形技术主要存在以下缺点：

(1)采用单向加载成形，成形过程中材料始终处于非定向流动的非均匀变形状态，造成了单向加载条件下的高应力、大回弹、大畸变等缺陷，制约了三维复杂构件的精确、高效、高性能制造；

(2)受制于单一力场作用的变形机理，三维复杂构件长期采用工序分级的方式依次成形，工序复杂且制造成本昂贵，制造周期也相应加长。

工业机器人是一种对生产条件和生产环境适应性和灵活性很强的柔性自动化设备，尤其是在高温、高辐射、有毒有害等作业环境对安全性的要求较高，使用机器人参与研制生产不仅在提高装备核心构件质量、提高生产效率以及降低生产成本等方面有重要意义，而且能有效提升敏捷制造或精密制造等制造能力。

技术实现要素：

本发明针对现有三维复杂构件成形方法的弊端，提出了一种基于串并联机器人的三维复杂构件成形系统及方法，应用自动化无模矢量成形技术，引入力学载荷场、温度梯度场、气压梯度场等多场条件，集成三维自由成形等子系统，通过串并联机器人系统，完成构件的在线加工处理，实现复杂特征三维构件的高精度整体成形

为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种基于串并联机器人的三维复杂构件成形系统，包括串联机器人系统和并联机器人系统，串联机器人系统包括送料机器人手臂、成形机器人手臂、特征机器人手臂和在线热处理装置，送料机器人手臂用于输送坯料，送料机器人手臂还通过固定坯料提供成形的反作用力，成形机器人手臂通过夹持坯料末端以提供加工力，特征机器人手臂用于装载在线热处理装置对变形进行局部感应加热和成形后的淬火处理；并联机器人系统包括导向送料机器人、并联机器人和单臂成形机器人，导向送料机器人通过进给装置将坯料由并联机器人输送至单臂成形机器人，单臂成形机器人前端安装防滑夹持单元。

作为本发明的优化方案，在线热处理装置包括高频加热变压器、感应线圈和热处理环，高频加热变压器分别驱动感应线圈和热处理环进行高频加热。

为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：利用所述基于串并联机器人的三维复杂构件成形系统成形的方法，包括如下步骤：

1)首先基于塑性变形分析构建精确的半径-偏距轨迹数学模型，并将目标构件的三维光测数据，编译成机器人的手臂轨迹曲线数据；

2)控制成形机器人手臂或单臂成形机器人及送料机器人手臂或导向送料机器人执行手臂轨迹曲线路径，并启动特征机器人手臂对坯料进行热处理；

3)在成形过程中，根据成形样件的三维光测数据和软件设计中样件的三维数据的尺寸差异，对手臂轨迹曲线进行实时校正。

作为本发明的优化方案，成形方法还包括：通过完成对各机器人的全程组合协调控制，实现难变形材料在多向加载及多场耦合条件下的定向均匀流动及连续均匀塑性变形，并实现三维复杂构件具体成形段与局部特征点空间相对位置的定向矢量控制。

作为本发明的优化方案，多向加载是在难变形材料的径向、轴向、周向或多个角度施加载荷；多场耦合包括力学载荷场、温度梯度场或气压梯度场。

作为本发明的优化方案，半径-偏距轨迹数学模型为：

rn＝f1(uxn,uyn)

θn＝f2(uxn,uyn,wn)

ln＝f3(wn)

其中，rn为成形第n段时的成形半径，θn为成形第n段时的成形角度，ln为成形第n段前的直段长度，为成形第n段时x-y平面上的成形方向，uxn为成形第n段时x方向上偏心距，uyn为成形第n段时y方向上偏心距，wn为成形第n段时坯料进给的长度。

本发明具有积极的效果：1)本发明有利于难变形材料发生均匀塑性变形，使三维构件呈现低应力及小畸变等成形特征，能够实现多向加载条件下难变形材料的精确成形和高性能制造，提高了三维复杂构件的变形均匀性及成形质量；

2)本发明整合三维自由成形、在线热处理、局部气压胀形等一系列关键成形工艺，使具有复杂三维轴线及局部特征的难变形高强度构件实现一次快速精确整体成形；

3)本发明通过组合协调控制多组机器人执行预定轨迹路径，完成对构件的在线加工处理，实现了三维复杂构件无模矢量的无人智能化制造；

4)本发明方法简单可行，可以有效的提高生产效率，在航空、航天、汽车制造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

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明成形方法的流程图；

图2是本发明半径-偏距轨迹数学模型设计图；

图3是串联机器人系统；

图4是本发明成形系统的部分结构；

图5是并联机器人系统。

其中：1、串联机器人，2、送料机器人手臂，3、成形机器人手臂，4、特征机器人手臂，5、在线热处理装置，9、坯料，12、导向送料机器人，13、并联机器人，15、单臂成形机器人，7、进给装置，52、感应线圈，53、热处理环，10、导向装置。

具体实施方式

如图1-5所示，本发明公开了一种基于串并联机器人的三维复杂构件成形系统，包括串联机器人系统和并联机器人系统，串联机器人系统包括送料机器人手臂2、成形机器人手臂3、特征机器人手臂4和在线热处理装置5，送料机器人手臂2用于输送坯料9，送料机器人手臂2还通过固定坯料9提供成形的反作用力，成形机器人手臂3通过夹持坯料9末端以提供加工力，特征机器人手臂4用于装载在线热处理装置5对变形进行局部感应加热和成形后的淬火处理；并联机器人系统包括导向送料机器人12、并联机器人13和单臂成形机器人15，导向送料机器人12通过进给装置7将坯料9由并联机器人13输送至单臂成形机器人15，单臂成形机器人15前端安装防滑夹持单元。

其中，送料机器人手臂2安装支撑装置，通过进给装置7将坯料9输送至成形机器人手臂3处，此过程中进给方向的准确度由导向装置10保证。送料机器人手臂2不仅起到输送坯料的作用，还可以通过固定坯料9的直段以提供成形作用反力。成形机器人手臂3安装夹持装置，通过夹持坯料9的末端以提供加工力。对于难变形三维复杂构件的成形，可以由特征机器人手臂4装载在线热处理装置5对变形处进行局部感应加热，成形完成后进行淬火处理。

导向送料机器人12通过进给装置7将坯料9由并联机器人13输送至单臂成形机器人15处，此过程中进给方向的准确度由导向装置10保证。单臂成形机器人15前端安装防滑夹持系统，由防滑夹持机构和力学感应机构组成，针对于不同截面的管材，可装载不同的防滑夹持前端。通过并联机器人13多足的不同运动方向、角度的合成以及单臂成形机器人15的牵引作用完成三维复杂构件的多向加载成形。

在线热处理装置5包括高频加热变压器、感应线圈52和热处理环53，高频加热变压器分别驱动感应线圈52和热处理环53进行高频加热。

利用基于串并联机器人的三维复杂构件成形系统成形的方法，包括如下步骤：

1)首先基于塑性变形分析构建精确的半径-偏距轨迹数学模型，并将目标构件的三维光测数据，编译成机器人的手臂轨迹曲线数据；

2)控制成形机器人手臂3或单臂成形机器人15及送料机器人手臂2或导向送料机器人12执行手臂轨迹曲线路径，并启动特征机器人手臂4对坯料9进行热处理；

3)在成形过程中，根据成形样件的三维光测数据和软件设计中样件的三维数据的尺寸差异，对手臂轨迹曲线进行实时校正。

其中，成形过程中根据成形样件的三维光测数据，即用三维光学测量仪获得的样件的三维数据和三维模型数据，和设计样件时设计软件中样件的三维数据的尺寸差异，对机器人手臂轨迹曲线进行实时校正；最后，通过完成对各机器人的全程组合协调控制，实现难变形材料在多向加载及多场耦合条件下的定向均匀流动及连续均匀塑性变形，并实现三维复杂构件具体成形段与局部特征点空间相对位置的定向矢量控制。

半径-偏距轨迹数学模型为：

rn＝f1(uxn,uyn)

θn＝f2(uxn,uyn,wn)

ln＝f3(wn)

其中，rn为成形第n段时的成形半径，θn为成形第n段时的成形角度，ln为成形第n段前的直段长度，为成形第n段时x-y平面上的成形方向，uxn为成形第n段时x方向上偏心距，uyn为成形第n段时y方向上偏心距，wn为成形第n段时坯料进给的长度。构件的几何尺寸，均通过成形系统运动过程中与管材轴线之间的偏距控制。本发明基于多向加载及多场耦合的成形理论，并结合成形过程中材料参数、机械因素等诸多因素的影响程度，特别是在多向加载及多场耦合的条件下材料的变形特性、塑性失稳机制等因素，推导构建精确的半径-偏距轨迹数学模型。同时在材料的径向轴向周向等多个方向以及不同角度对材料施加相应的载荷，使三维构件呈现低应力及小畸变等成形特征。成形方法针对需要一次性整体成形的几何复杂程度及精度要求较高的三维构件，突破单一力场作用的变形机理，整合三维自由成形、在线热处理、局部气压胀形等一系列关键成形技术，引入力学载荷场、温度梯度场、气压梯度场等多场条件，使材料在多场耦合状态下变形抗力大幅降低。改变三维复杂构件多约束或全约束条件下成形的传统制造思路及装备整体结构，提出基于成形系统三维运动轨迹精确控制的自动化无模制造方法，提高了成形装备的智能化程度及成形构件的三维紧凑程度。

以下结合“u”形管三维复杂构件的弯曲具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

第一步，获取“u”形管三维复杂构件的几何数据：

第一直段长度l1＝50mm、第一弯曲段弯曲半径r＝87.85mm、弯曲角度θ＝45°、过渡直段长度l2＝70mm、第二弯曲段弯曲半径r＝87.85mm、弯曲角度θ＝45°、第二直段长度l3＝50mm，管材直径20mm。结合成形过程的特征，对各部分分段，并确定每一部分的长度。直段l1＝50mm，过渡段θ＝arcsin(a/r)，s1＝44.9mm；弯曲段过渡段s3＝a’＝43mm；直段l2＝70-43＝27mm；过渡段θ＝arcsin(a/r)，s4＝44.9mm；弯曲段过渡段s6＝a’＝43mm；直段l3＝50-43＝7mm。将以上数据转化为机器人手臂轨迹曲线数据。

第二步，将第一步所得机器人手臂轨迹曲线数据输入串联机器人系统，送料机器人手臂2安装支撑装置，通过进给装置7将三维复杂构件坯料9输送至成形机器人手臂3处，此过程中进给方向的准确度由导向装置10保证；成形机器人手臂3安装夹持装置，通过夹持坯料9末端以提供加工力，两手臂的共同作用下对坯料进行弯曲成形。

第三步，弯曲进行的同时启动特征机器人手臂4，通过控制特征机器人手臂4移动感应线圈52与热处理环53到弯曲位置，对弯曲部位进行快速高频加热。

第四步，对比成形样件的三维光测数据与三维模型数据的尺寸差异。若数据对比结果若一致，则视为获得性能优良的目标构件；若不一致，则对机器人的手臂轨迹曲线进行实时校正，直至对比结果一致。

实施例2

第一步，获取“u”形管三维复杂构件的几何数据：第一直段长度l1＝50mm、第一弯曲段弯曲半径r＝87.85mm、弯曲角度θ＝45°、过渡直段长度l2＝70mm、第二弯曲段弯曲半径r＝87.85mm、弯曲角度θ＝45°、第二直段长度l3＝50mm，管材直径20mm。结合成形过程的特征，对各部分分段，并确定每一部分的长度。直段l1＝50mm，过渡段s1＝44.9mm；弯曲段过渡段s3＝a’＝43mm；直段l2＝70-43＝27mm；过渡段θ＝arcsin(a/r)，s4＝44.9mm；弯曲段过渡段s6＝a’＝43mm；直段l3＝50-43＝7mm。将以上数据转化为机器人手臂轨迹曲线数据。

第二步，将第一步所得机器人手臂轨迹曲线数据输入并联机器人系统，导向送料机器人12通过进给装置7将坯料9由并联机器人13输送至单臂成形机器人15处，通过并联机器人13多足的不同运动方向、角度的合成以及单臂成形机器人的牵引作用，模拟机器人手臂轨迹曲线，来完成“u”形管的弯曲成形。

第三步，弯曲进行的同时启动特征机器人手臂4，通过控制特征机器人手臂4移动感应线圈52与热处理环53到弯曲位置，对弯曲部位进行快速高频加热。

第四步，对比成形样件的三维光测数据与三维模型数据的尺寸差异。若数据对比结果若一致，则视为获得性能优良的目标构件；若不一致，则对机器人的手臂轨迹曲线进行实时校正，直至对比结果一致。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。