基于逆向測繪的金屬導(dǎo)管數(shù)控彎曲技術(shù)

文/鐘琪平（國營蕪湖機(jī)械廠）

金屬導(dǎo)管作為各種汽車、飛機(jī)、船舶等管路系統(tǒng)的重要組成部分，為管路輸送相應(yīng)介質(zhì)，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)未考慮設(shè)計(jì)管路形狀及走向，需根據(jù)設(shè)備的接口位置進(jìn)行取樣配裝。取樣后的導(dǎo)管若需要大批量生產(chǎn)時(shí)，常規(guī)的手工彎管生產(chǎn)效率低，形狀精度差，難以滿足生產(chǎn)需要，必須使用數(shù)控彎管技術(shù)。

數(shù)控彎管技術(shù)基于矢量彎管原理，將原有的管型坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)，控制彎管機(jī)進(jìn)行矢量運(yùn)動(dòng)彎管。取樣的導(dǎo)管因無明確的矢量數(shù)據(jù)，需先進(jìn)行逆向測繪，測得數(shù)據(jù)方能開展數(shù)控彎曲工作。本文將介紹取樣模式下基于逆向測繪技術(shù)的金屬導(dǎo)管數(shù)控彎曲技術(shù)。

一、導(dǎo)管形狀逆向測繪

1.導(dǎo)管取樣驗(yàn)裝

導(dǎo)管取樣驗(yàn)裝是指根據(jù)設(shè)備接口位置在設(shè)備上取樣，取樣時(shí)應(yīng)保證可數(shù)控彎曲，原則為導(dǎo)管各中間直線段長度應(yīng)保證在彎管機(jī)夾模長度的2 倍以上，彎曲半徑應(yīng)選用統(tǒng)一彎曲半徑，常用彎曲半徑為3D、3.5D、4D。形狀取樣后，應(yīng)進(jìn)行多臺設(shè)備的驗(yàn)裝，滿足裝配時(shí)則固化管型。

2.導(dǎo)管形狀更改

管型固化時(shí)常發(fā)生在兩端直線段長度不滿足要求時(shí)，可先測得取樣導(dǎo)管的YBC 數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)中的Y 值進(jìn)行增減。針對首尾兩端位置滿足要求，中間直線段長度不滿足要求時(shí)，可使用CATIA 的Tubing Design 模塊對中間直線段進(jìn)行加長、減短，該種方式在更改時(shí)可不改變首尾兩端的位置。更改后，可在Tubing Design 模塊中輸出新的YBC 數(shù)據(jù)。YBC 數(shù)據(jù)因坐標(biāo)系位置的不同，B 值有時(shí)需要取相反數(shù)。

3.導(dǎo)管逆向測繪

如圖1 所示，固化管型后需要對導(dǎo)管測量設(shè)備進(jìn)行形狀數(shù)據(jù)采集，采集前需確定導(dǎo)管的直線段數(shù)量及彎曲半徑。導(dǎo)管經(jīng)測量設(shè)備測量后，將生成特定格式的文件，用于后續(xù)的彎管加工和儲存檢測。測量數(shù)據(jù)本質(zhì)為導(dǎo)管的拐點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)XYZR 和矢量彎管數(shù)據(jù)YBC，拐點(diǎn)指的是導(dǎo)管直線段延長線的交點(diǎn)，矢量彎管YBC 數(shù)據(jù)用于數(shù)控彎管加工，對應(yīng)數(shù)控彎管機(jī)的小車進(jìn)給、夾頭旋轉(zhuǎn)及彎曲軸旋轉(zhuǎn)。

圖1 導(dǎo)管逆向測繪

二、導(dǎo)管彎曲

1.數(shù)控加工程序轉(zhuǎn)換

測得固化管型的數(shù)據(jù)后，多數(shù)數(shù)控彎管機(jī)無法直接讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行彎曲。需對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行程序轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化時(shí)根據(jù)彎管機(jī)加工程序文件本身的復(fù)雜性，可考慮將回彈補(bǔ)償算法補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)加入加工程序中。彎管加工程序文件的復(fù)雜與否，可通過彎管機(jī)是否存在復(fù)合運(yùn)動(dòng)做基本判斷，即YBC 軸或其他運(yùn)動(dòng)軸聯(lián)動(dòng)，常見為C 軸回轉(zhuǎn)同時(shí)，B 軸旋轉(zhuǎn)，Y 軸同步。對于復(fù)雜加工程序文件，回彈數(shù)據(jù)依靠數(shù)控彎管機(jī)控制程序添加。先進(jìn)數(shù)控彎管機(jī)可直接讀取STP、IGS格式的三維模型，并轉(zhuǎn)化成YBC 數(shù)據(jù)。當(dāng)測量設(shè)備無法直接生成STP、IGS 格式的三維模型時(shí)，可采用CATIA 的Tubing Design 模塊生成，但CATIA 軟件需進(jìn)行定制化處理，否則CATIA 中無相應(yīng)的管材外徑、厚度規(guī)格，生成的管型數(shù)據(jù)讀取時(shí)，需對外徑及厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。針對批量性轉(zhuǎn)化的項(xiàng)目，可定制軟件將坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為STP、IGS 格式，如圖2 所示。

圖2 測量文件轉(zhuǎn)化三維模型示意圖

2.回彈計(jì)算

如圖3 所示，數(shù)控彎管屬于繞彎形式的一種。彎管過程中材料發(fā)生彈塑性變形，彎管時(shí)夾模夾緊導(dǎo)管，壓模緊貼導(dǎo)管，對于大管徑薄壁導(dǎo)管還需增加芯棒與防皺模。彎管機(jī)旋轉(zhuǎn)到指定角度后，夾模、壓模卸載松開，彎制后的導(dǎo)管將產(chǎn)生回彈現(xiàn)象。已有研究證明，回彈角與彎曲角度成線性相關(guān)，線性函數(shù)的斜率及截距分別被稱為比例回彈和固定回彈。一般以20°和120°兩彎角進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，并計(jì)算比例回彈值與固定回彈值。對于一些進(jìn)口數(shù)控彎管機(jī)，需以三個(gè)角度進(jìn)行彎管試驗(yàn)。回彈計(jì)算后，對導(dǎo)管各個(gè)角度進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后因弧長發(fā)生改變，還需要對各直線段長度進(jìn)行修正。回彈后造成的導(dǎo)管彎曲半徑更改，目前暫未精確控制。回彈計(jì)算前，模具的安裝調(diào)試應(yīng)到位。當(dāng)發(fā)生模具重新安裝或管材批次更換時(shí)，應(yīng)重新進(jìn)行回彈計(jì)算。

圖3 數(shù)控彎管示意圖

3.下料

數(shù)控加工前，需按導(dǎo)管理論長度加上工藝余料進(jìn)行下料。導(dǎo)管理論長度為導(dǎo)管各段弧和直段的長度總和。工藝余料根據(jù)數(shù)控彎管機(jī)的結(jié)構(gòu)不同而各不相同，對于可進(jìn)行送進(jìn)- 夾模夾緊- 夾頭退縮- 壓模壓緊動(dòng)作的彎管機(jī)，可實(shí)現(xiàn)無余料彎管。有余料彎管時(shí)，下料應(yīng)保證管料長度盡可能一致，以減少后續(xù)的測量切割余料工作。目前主流采取的方式為對切割機(jī)進(jìn)行改造，在切割機(jī)夾持的中心線方向上增加可移動(dòng)的擋塊，調(diào)整等長下料的長度。等長下料的優(yōu)勢在于不需要反復(fù)調(diào)整數(shù)控彎管機(jī)中的管料長度，可實(shí)現(xiàn)批量循環(huán)加工。等長下料后，可將彎管誤差集中在設(shè)備誤差及管材性能不均的誤差上，為后續(xù)切割余料提供便利。

4.數(shù)控彎管

數(shù)控彎管由加工程序控制, 彎管前一般需進(jìn)行仿真程序驗(yàn)證，以判斷在彎管過程中是否會(huì)發(fā)生干涉。干涉判斷需要對彎管機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化建模，安裝的模具也應(yīng)按廠家設(shè)定的接口參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。干涉判斷不通過，往往可采用逆反導(dǎo)管的形式，即調(diào)換首尾段進(jìn)行彎曲。對于B 軸旋轉(zhuǎn)干涉的可采用“順逆時(shí)針”旋轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)整。對于有芯彎曲的導(dǎo)管，應(yīng)按照管材材料選用正確的材料芯棒，不銹鋼導(dǎo)管采用銅合金芯棒，鋁合金導(dǎo)管采用鍍鉻合金鋼芯棒。彎曲前應(yīng)對管體填充潤滑油或潤滑脂潤滑芯棒。常用的潤滑油為20 號機(jī)油，潤滑脂為IRMCO 861-980-410。使用潤滑脂時(shí)，因潤滑較為黏稠，可保證在整個(gè)彎管過程均能潤滑充分。使用潤滑油潤滑時(shí)，多數(shù)潤滑油在芯棒進(jìn)管后會(huì)流出管體，導(dǎo)致后續(xù)旋轉(zhuǎn)加工時(shí)潤滑油量大大減少，無法進(jìn)行有效潤滑。對此，可利用空心芯棒桿、通孔芯棒，從彎管機(jī)末端填充潤滑油；對于無自動(dòng)滴油裝置的彎管機(jī)，小批量彎制時(shí)，可采用從前端以注射器和軟管向彎曲處充油，每開始一個(gè)彎曲前，補(bǔ)充一次。彎管時(shí)需注意彎管的速度，對于徑厚比大的導(dǎo)管應(yīng)適當(dāng)降低彎管速度。

5.導(dǎo)管形狀檢驗(yàn)

導(dǎo)管數(shù)控彎制后，需進(jìn)行形狀檢驗(yàn)工序。形狀檢驗(yàn)可根據(jù)精度需求不同，選用實(shí)物比對法或測量機(jī)檢測方法。實(shí)物比對法是指利用實(shí)體原機(jī)樣件管與彎制后的導(dǎo)管進(jìn)行上下比對，比對畫線后，增加擴(kuò)口余量。測量機(jī)檢測方法則是以導(dǎo)管模型為基準(zhǔn)，利用測量機(jī)的測量功能對彎制后的導(dǎo)管進(jìn)行建模，將兩個(gè)導(dǎo)管按照一定的算法，對端點(diǎn)、切點(diǎn)進(jìn)行對齊，從而得出兩端的余量。當(dāng)前導(dǎo)管檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)分為LRA 誤差和護(hù)套偏差，LRA 誤差可反映加工時(shí)每個(gè)程序的偏差，護(hù)套偏差可理解為在導(dǎo)管外按公差偏移一個(gè)新導(dǎo)管，彎制后的導(dǎo)管模型應(yīng)始終處于新導(dǎo)管內(nèi)部。對于徑向偏差符合公差要求的導(dǎo)管，按測量機(jī)測得的軸向偏差數(shù)據(jù)切除余量。對于徑向偏差不滿足要求的導(dǎo)管，需對數(shù)控加工程序進(jìn)行修正。修正前可再次彎制一根導(dǎo)管并測量，以排除管材材料不均勻造成的回彈計(jì)算不正確問題。修正的方法是對加工程序中的YBC 數(shù)據(jù)，按照測得的LRA 誤差進(jìn)行修正，修正時(shí)應(yīng)數(shù)值均較小，故不再考慮數(shù)據(jù)之間的耦合關(guān)系。對于多個(gè)彎角的導(dǎo)管，可通過軟件進(jìn)行快速補(bǔ)償，如圖4 所示。根據(jù)精度需要可進(jìn)行多次補(bǔ)償，直至達(dá)到彎管機(jī)的重復(fù)精度為止。

圖4 軟件誤差補(bǔ)償示意圖

三、結(jié)語

本文介紹了基于逆向測繪模式下的導(dǎo)管數(shù)控彎曲技術(shù)，通過形狀逆向測繪、加工程序轉(zhuǎn)化、回彈計(jì)算、下料、彎管、形狀檢驗(yàn)等工序，可實(shí)現(xiàn)大多數(shù)導(dǎo)管的彎曲，但目前導(dǎo)管在10°以下的小角度彎曲時(shí)，線性補(bǔ)償不準(zhǔn)確，需要進(jìn)行進(jìn)一步研究，以提升導(dǎo)管彎曲精度。