一种多杆并联高速包络成形机

技术领域

本发明涉及高性能金属特种成形装备领域，更具体地说，涉及一种多杆并联高速包络成形机。

背景技术

薄壁高筋板类构件具有重量轻、强度高和承载能力强等优点，是航空航天等装备的主要承载构件，广泛用于制造导弹、火箭、航天器等装备外壳、筒体、舱段。薄壁高筋板类构件腹板薄、筋高，其制造难度极大。目前，薄壁高筋板类构件主要采用铣削加工，不仅效率低、材料利用率低，而且切断金属流线，损害表面完整性，不能满足其高性能高效率制造要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种多杆并联高速包络成形机，采用一个主电机即可驱动多杆同时协调运动，实现摆动模的空间包络运动，具有结构控制简单，可实现高速运动等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种多杆并联高速包络成形机，包括驱动系统、运动系统、支撑系统、摆动模系统、平动模系统和进给系统；

所述支撑系统包括电机安装板、上支撑柱、上底板、中心球法兰、中心支撑柱、中心球盖、导柱和床身；运动系统包括主电机、减速器、中心齿轮轴和圆周齿轮轴；运动系统包括球杆、球座、球盖和中心球平台；进给系统包括导套、进给工作台和进给油缸；摆动模系统包括摆动模外圈和摆动模芯模；平动模系统包括平动模外圈、坯料、平动模芯模、平动模模座、顶杆和项缸；

所述床身四角均安装有导柱，导柱的另一端与上底板固联，上底的上面通过支撑柱安装有电机安装板，上底板的下面中部安装中心球法兰；中心球法兰的下面圆周上通过中心支撑杆安装有中心球盖；减速器的一端通过法兰固定安装在电机安装板上，减速器的另一端与主电机连接，电机安装板上有一个中心轴承孔和三个圆周轴承孔，中心轴承孔上通过轴承安装有中心齿轮轴，圆周轴承孔上通过轴承安装有圆周齿轮轴，中心齿轮轴和三个圆周齿轮轴通过外端齿面两两啮合，圆周齿轮轴的端面设有偏心孔，偏心孔安装有球座和球盖；球座和球盖之间通过球面限制安装球杆，球杆的另一端球面也与球座和球盖连接，该端球座安装在中心球平台的圆周安装孔上；中心球平台三个圆周安装孔分别与球座固定，中心球平台的中心上端为一球面，与中心球法兰下端的球面形成球面动配合，中心球盖的内球面与中心球平台的外球面形成球面配合，从而中心球平台与中心球法兰的球平面始终保证接触；中心球平台的内部安装摆动模外圈和摆动模芯模；四个导柱分别通过四个导套与进给工作台形成滑动配合，进给工作台的下端安装在进给油缸的缸杆上，进给油缸的缸体安装在床身上，进给工作台在进给油缸的作用和导柱-导套的配合下上下移动；进给工作台下端面的中心法兰上安装有顶缸，顶缸的缸杆与顶杆固联，进给工作台上端面的中心法兰上安装有平动模模座，平动模模座上安装平动模外圈和平动模芯模，平动模芯模上放置坯料；

所述主电机驱动减速器转动，减速器驱动与之相连的中心齿轮轴转动，中心齿轮轴同时驱动三组圆周齿轮轴转动，进而使安装在圆周齿轮轴上的球座和球盖沿着圆周齿轮的中心转动，从而驱动三组球杆做空间运动，最终推动中心球平台以及安装在其上的摆动模外圈和摆动模芯模做空间圆轨迹运动。

上述方案中，所述床身的四个角均通过螺栓安装有导柱。

上述方案中，所述上底板的下面中部通过螺栓和定位法兰安装中心球法兰。

上述方案中，所述减速器的另一端与主电机通过键和联轴器连接。

上述方案中，所述中心球平台的内部通过螺栓和定位法兰安装摆动模外圈和摆动模芯模。

上述方案中，所述包络成形机平台的构型参数优化方法如下：

坐标系S

建立芯模的定点圆轨迹运动张量如下：

其中t表示运动时间，α

式中ω为芯模的转速，h

从而得到该机构三个支链的连杆长度如下：

式中l

式中l

实施本发明的多杆并联高速包络成形机，具有以下有益效果：

1、本发明专利可以实现薄壁高筋板类构件连续局部塑性成形，不仅效率高、材料利用率高，而且可以细化晶粒，获得连续致密金属流线，提高表面完整性，从而大幅提高薄壁高筋板类构件力学性能和承载能力。

2、本发明采用一个主电机同时驱动三个支链连杆实现摆动模的空间包络运动，传动链少，结构简单，传动效率高，可实现高速包络成形，同时控制简单，安装调试方便。

3、本发明采用三支链连杆同时支撑的构型，具有结构刚度好，运动稳定等特点，特别适合薄壁高筋板类构件高速重载的成形工况。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1多杆并联高速包络成形机整体结构图；

图2多杆并联高速包络成形机支撑系统结构示意图；

图3多杆并联高速包络成形机驱动系统结构示意图；

图4多杆并联高速包络成形机运动系统结构示意图；

图5多杆并联高速包络成形机进给系统、摆动模系统、平动模系统示意图；

图6多杆并联高速包络成形机参数计算模型示意图；

图7多杆并联高速包络成形机摆动模芯模角度曲线；

图8多杆并联高速包络成形机摆动模芯模角度误差曲线。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明多杆并联高速包络成形机，包括驱动系统、运动系统、支撑系统、摆动模系统、平动模系统、进给系统，如图1-5所示。

支撑系统主要用于连接和固定，包括电机安装板1、上支撑柱2、上底板3、中心球法兰4、中心支撑柱5、中心球盖6、导柱7、床身8；运动系统主要用于实现装备运动的分配与力传递，包括主电机9、减速器10、中心齿轮轴11、圆周齿轮轴12、球座13、球盖14；运动系统主要用于实现装备摆动模的定点摆动，包括球杆15、球座13、球盖14、中心球平台16；进给系统主要用于实现平动模的进给运动，包括导套18，进给工作台17，进给油缸19；摆动模系统主要用于安装和固定摆动模，包括摆动模外圈20、摆动模芯模21；平动模系统主要用于安装和固定工件，包括平动模外圈22、坯料23、平动模芯模24、平动模模座25、顶杆26、项缸27。

床身8四角均通过螺栓安装有导柱7，导柱7的另一端与上底板3固联，上底3的上面通过支撑柱2安装有电机安装板1，上底板3的下面中部通过螺栓和定位法兰安装中心球法兰4；中心球法兰4的下面圆周上通过中心支撑杆5安装有中心球盖6；减速器10的一端通过法兰固定安装在电机安装板1上，减速器10的另一端与主电机9通过键和联轴器连接，电机安装板1上有一个中心轴承孔和三个圆周轴承孔，中心轴承孔上通过轴承安装有中心齿轮轴11，圆周轴承孔上通过轴承安装有圆周齿轮轴12，中心齿轮轴11和3个圆周齿轮轴12通过外端齿面两两啮合，圆周齿轮轴12的端面有偏心孔，偏心孔安装有球座13和球盖14；球座13和球盖14之间通过球面限制安装球杆15，球杆15的另一端球面也与球座13和球盖14连接，该端球座13安装在中心球平台16的圆周安装孔上。中心球平台16三个圆周安装孔分别与球座13固定，中心球平台16的中心上端为一球面，与中心球法兰下端的球面形成球面动配合，中心球盖6的内球面与中心球平台16的外球面形成球面配合，从而中心球平台16与中心球法兰4的球平面始终保证接触；中心球平台的内部通过螺栓和定位法兰安装摆动模外圈20和摆动模芯模21；四个导柱7分别通过四个导套18与进给工作台17形成滑动配合，进给工作台17的下端安装在进给油缸19的缸杆上，进给油缸19的缸体安装在床身8上，从而进给工作台17可以在进给油缸19的作用和导柱-导套的配合下上下移动；进给工作台17下端面的中心法兰上安装有顶缸27，顶缸27的缸杆与顶杆26固联，进给工作台17上端面的中心法兰上安装有平动模模座25，平动模模座25上安装平动模外圈22和平动模芯模24，平动模芯模24上放置坯料23。

多杆并联高速包络成形机的传动过程如下：主电机9驱动减速器10转动，减速器10驱动与之相连的中心齿轮轴11转动，中心齿轮轴11同时驱动三组圆周齿轮轴12转动，进而使安装在圆周齿轮轴12上的球座13和球盖14沿着圆周齿轮12的中心转动，从而驱动三组球杆15做复杂空间运动，最终推动中心球平台16以及安装在其上的摆动模外圈20和摆动模芯模21做空间圆轨迹运动。

多杆并联高速包络成形机的使用过程如下：根据成形工件的形状设计摆动模芯模21和平动模芯模24的形状，将其安装到设备上。工作时主电机9驱动上模芯模21作空间圆轨迹运动，同时将坯料23放入平动模芯模中，打开进给油缸19的阀门，驱动进给工作台17向上运动，使坯料23与摆动模芯模21逐渐接触，最终在摆动模芯模21的圆轨迹空间运动和进给工作台17的平动运动作用下，坯料逐步成形。

多杆并联高速包络成形机构型参数求解与优化方法如下：

根据以上结构，包络成形机平台的运动自由度为1，为了实现特定要求的空间圆轨迹运动曲线，需要建立构型参数的约束关系，进而开展构型参数优化。可按如下方法进行，如图6所示。

坐标系S

建立芯模的定点圆轨迹运动张量如下：

其中t表示运动时间，α

式中ω为芯模的转速，h

从而得到该机构三个支链的连杆长度如下：

式中l

式中l

在上述最优构型参数下，获得多杆并联高速包络成形机摆动模芯模角度曲线，如图7所示，从图7可以看出，本发明的多杆并联高速包络成形机可以实现摆动模芯模特定的多自由度运动轨迹。图8是多杆并联高速包络成形机摆动模芯模角度误差曲线，从图8可以看出，摆动模芯模角度误差非常小，可以忽略不计。上述结果表明，本发明的多杆并联高速包络成形机是可行的。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。