數(shù)字復(fù)雜彎曲管件成形機的設(shè)計

湯彥平 王梓榆

（常州固高智能裝備技術(shù)研究院有限公司，江蘇常州 213000）

0.引言

三維空心彎曲管件在石化、航天、核電等軍、民用工業(yè)領(lǐng)域有著極其廣泛的運用，空心管件可作為各類液氣壓系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等的管路以及連接構(gòu)件。隨著新能源汽車等新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，產(chǎn)品向小型化、緊湊化發(fā)展，這對彎曲成形機構(gòu)的成形能力和成形精度提出了更高的要求。傳統(tǒng)的管材加工方式包括繞彎、推彎及滾彎等已無法適應(yīng)新的加工要求[1-3]。近年來，一種名為三維矢量彎曲技術(shù)的新興彎曲成形技術(shù)逐漸進入大眾視野，它具有強大的彎曲能力以及進行復(fù)雜彎曲構(gòu)型設(shè)計的潛力，適用于多彎曲半徑、無直段連續(xù)彎曲成形領(lǐng)域。三維矢量彎曲成形中，通過在控制彎曲模的運動軌跡的同時軸向推進管材，可以在不更換模具的前提下成形多彎曲半徑及復(fù)雜軸線的空心構(gòu)件。矢量彎管彎曲成形方式可根據(jù)彎曲模的運動方式分為隨動式和主動式，也可根據(jù)聯(lián)動控制彎曲模的軸數(shù)分為三軸、五軸、六軸等。

1.三維彎曲成形基本原理

不同于傳統(tǒng)的繞彎機，矢量彎管機無需在每次彎管動作中進行裝夾。管坯受到送料機構(gòu)的軸向力PL作用而勻速沿機床坐標(biāo)的Z軸方向運動，同時安裝在驅(qū)動機構(gòu)上的彎曲模在機構(gòu)的帶動下在XY平面內(nèi)運動，對管坯產(chǎn)生垂直于其軸向的力Pu。彎曲模幾何中心到導(dǎo)向機構(gòu)之間的距離稱為變形區(qū)長度A，彎曲模在XY平面內(nèi)做偏心運動，其中心距離導(dǎo)向機構(gòu)軸線的相對距離稱為彎曲模偏心距U。彎曲成形過程中，導(dǎo)向距離A一般固定不變，偏心距U則決定了加工產(chǎn)生的管半徑R。管半徑R與A值、U值的關(guān)系如式（1）[4]。三維矢量彎曲裝置及原理如圖1所示。

圖1 三維矢量彎曲裝置及原理

管材彎曲過程中的加載彎矩M與導(dǎo)向距離A、偏心距U、軸向力PL和偏心力Pu的關(guān)系如表達式（2）。

2.彎曲成形機總體設(shè)計

依據(jù)三維矢量彎曲原理，管材成型運動可以分為彎曲模中心在XY平面內(nèi)的偏心運動和Z軸（送料軸）在的勻速進給運動。彎曲模的運動是保證管材加工精度的關(guān)鍵，需要進行高精度的運動控制，所以采用了將其安裝在六軸并聯(lián)機器人運動臺上的方案。并聯(lián)機器人具有無積累誤差的特性，運動精度高，且剛度高、承載能力強，適應(yīng)大載荷的彎曲成形運動場合。送料軸的勻速推進運動為直線往復(fù)運動，且加工過程中送料軸受到的軸向力最大，所以采用步進電機通過絲杠螺母驅(qū)動的方案。其主體結(jié)構(gòu)如圖2所示，由驅(qū)動機構(gòu)、送料機構(gòu)、床身、電柜箱和上位機組成。

圖2 三維矢量彎管機總裝示意圖

2.1 六軸并聯(lián)機器人

本彎管機的并聯(lián)驅(qū)動機構(gòu)由運動臺、列文虎克鉸、電動推桿和支撐臺組成。每根根電動推桿的兩端通過一組列文虎克鉸分別與運動臺和支撐臺連接。電動推桿伸長量由伺服電機控制。安裝完成的六軸并聯(lián)機器人運動臺如圖3所示。

圖3 驅(qū)動機構(gòu)樣機

2.2 送料結(jié)構(gòu)

彎管機送料機構(gòu)的作用是儲存管材、實現(xiàn)上料和推管動作，其中在管材推進過程中機構(gòu)需要受到較大的負載，負載主要包含彎曲模指向管材軸線的分力和導(dǎo)向機構(gòu)摩擦帶來的阻力。送料機構(gòu)由伺服電機、推進塊、取管夾和滾輪組成。上料時，管材在取管夾和滾輪的輔助夾持下送出儲管倉；送料時，取管夾自動復(fù)位防止與推進塊發(fā)生干涉。送料機構(gòu)俯視、側(cè)視示意圖如圖4和圖5所示。

圖4 送料機構(gòu)俯視圖

圖5 送料機構(gòu)側(cè)視圖

3.控制系統(tǒng)及軟件設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

彎管機需要對7個軸進行控制，其中6根軸是6根電動推桿，第七根軸為送料軸。由于彎管加工的誤差產(chǎn)生的特性，對各軸運動位置控制要求較高。故本產(chǎn)品采用固高GSN-024-V-00高性能24軸Glink-II總線式運動控制卡，該控制卡最高可控制軸數(shù)為24根，采用固高自研的Glink-II總線進行設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸。電機選型為多摩川電機TSM1308，電機伺服驅(qū)動器選用固高公司的伺創(chuàng)系列伺服驅(qū)動器GSHD-013-2A-GL2[5]。

3.2 控制軟件設(shè)計

根據(jù)實際加工需求，控制系統(tǒng)軟件設(shè)計框架如圖6所示，該軟件由參數(shù)設(shè)置、工藝解析、手動/自動加工和系統(tǒng)監(jiān)控部分構(gòu)成。本軟件采用C++語言編寫，圖形界面與功能模塊基于Visual Studio2015 + Qt5.10.1平臺開發(fā)。通過調(diào)用GSN系列運動控制卡的動態(tài)鏈接庫（.dll）和靜態(tài)鏈接庫（.lib）中的各個指令完成運動控制的開發(fā)[6]。

圖6 控制系統(tǒng)軟件框架

參數(shù)設(shè)置包括機床參數(shù)和工藝參數(shù)，機床參數(shù)默認保存在程序目錄下，可通過專門的調(diào)試軟件修改；工藝參數(shù)包含軸運動參數(shù)、管材成形參數(shù)和管材空間坐標(biāo)參數(shù)，上位機讀入工藝參數(shù)后通過工藝解析器生成各軸的運動參數(shù)并壓入加工緩存區(qū)。加工方式分為手動和自動，其中手動部分包含回零運動和Jog（點動）運動，應(yīng)對機床調(diào)試和檢修場合；自動部分采用PT和PVT模式，負責(zé)在加工時執(zhí)行壓入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的加工運動參數(shù)。參數(shù)讀取界面如圖7所示。

圖7 工藝參數(shù)讀取界面

系統(tǒng)監(jiān)控模塊包括IO監(jiān)控、位置監(jiān)控和軸狀態(tài)報警3部分，IO監(jiān)控是以總線形式查詢接口數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)；位置監(jiān)控是讀取各軸上安裝的絕對值編碼器數(shù)據(jù)計算軸移動距離；軸狀態(tài)報警是檢測函數(shù)返回值，實現(xiàn)對位置超限、過壓、過流等問題的監(jiān)控。

4.結(jié)語

基于上述方案研制了設(shè)備樣機，目前已完成了驅(qū)動機構(gòu)六軸并聯(lián)機器人和送料機構(gòu)的組裝與調(diào)試，正在進行管材的彎曲實驗，成功實現(xiàn)了管材的三維矢量彎曲。但在管成形加工過程中，模具間隙和管材的加工回彈是重要的影響因素。目前的運動參數(shù)僅參考了理論上的數(shù)學(xué)模型，未將材料等多種影響因素納入考慮范圍。后續(xù)研究將進一步研究模具間隙和管材回彈率對加工成形的影響，并通過修正偏心率U和中心距A的方式提高管材加工的精度。