一种柔性支撑芯棒、支撑装置及弯管机器人成形控制方法
阅读说明：本技术 一种柔性支撑芯棒、支撑装置及弯管机器人成形控制方法 (Flexible support core rod, support device and pipe bending robot forming control method ) 是由 郑�硕 刘春梅 郭训忠 于 2021-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种柔性支撑芯棒、支撑装置及弯管机器人成形控制方法,所述芯棒包括芯头、芯尾,所述芯头为橡胶材质,其在气压作用下体积会增大,其从外往内共两层,分别为疏松多孔橡胶层和原始橡胶层。通过牵引伺服电机、牵引轮、牵引线与芯棒的结构解决了机器人弯管成形过程中无法加入芯棒的问题,且芯棒的芯头采用疏松多孔橡胶层,便于芯棒抽芯与弯曲成形过程中的润滑作用；通过气压控制系统、进气线、芯棒组成的气压可控式充气芯棒结构实现了管材弯曲成形时弯曲段内部支撑力可调,可有效改善机器人弯管成形过程中管材发生截面畸变、失稳及破裂等缺陷,提高了管材的成形性能。(The invention discloses a flexible supporting core rod, a supporting device and a pipe bending robot forming control method. The problem that the core rod cannot be added in the bending forming process of the robot is solved through the structure of the traction servo motor, the traction wheel, the traction wire and the core rod, and the core head of the core rod adopts the loose porous rubber layer, so that the core rod is convenient to loose core and lubricate in the bending forming process; the air pressure controllable type inflatable core rod structure composed of the air pressure control system, the air inlet wire and the core rod realizes that the internal supporting force of the bending section is adjustable when the pipe is bent and formed, can effectively overcome the defects of cross section distortion, instability, breakage and the like of the pipe in the pipe bending and forming process of the robot, and improves the forming performance of the pipe.)
技术领域
本发明涉及机器人弯管柔性成形加工技术领域，尤其涉及的是一种弯管用柔性支撑芯棒、支撑装置及方法。
背景技术
机器人弯管成形技术是近年来为降低生产成本，提高生产效率与精度，实现智能化、数字化的一项重要技术创新。该技术将传统绕弯成形技术与六轴式串联机器人相结合，在机器人手臂末端加装末端弯曲执行器，通过末端弯曲执行器与机器人手臂的多轴协同运动，从而实现各种空间复杂轴线、小/多弯曲半径构形弯管的整体精确快速成形，如图1所示。与传统的弯曲方法对比，机器人弯曲成形技术具有柔性大、成形效率高、生产成本低、产品适应性广、制造精度高等突出优势，且机器人弯曲装备自由度高、响应快、占地小，减少数控机床、模具等成本，尤其适用于具有结构紧凑化、构件整体化以及总体轻量化等特征的航空管路系统。
由于管材多为中空结构，其在弯曲成形过程中，尤其是进行小弯曲半径或薄壁管弯曲时，管材极易产生内壁失稳起皱、截面畸变甚至外壁减薄破裂等缺陷，严重影响弯管成形质量。目前，传统数控绕弯多采用添加芯棒的成形方式来解决上述缺陷，由于传统数控绕弯弯曲成形过程中弯曲模位置固定不变，因此芯棒的位置也是固定不变的或者是在弯曲模弯段内可调的，如专利CN109985942就公开了一种数控弯管机柔性抽芯装置，但是数控弯管机的弯曲位置时固定的，因此该装置中芯棒只能在固定弯曲位置的弯段内调节芯棒首芯头在管件中的位置，以消除传统数控绕弯过程中由于首芯头位置控制不合理，芯棒伸出量过大而产生的一些成形缺陷问题，但是与传统数控绕弯成形过程相比，机器人弯管由于其特殊的加工成形方式，加工成形时管材始终保持固定不动，其弯曲位置是不断变化的，弯曲模会随着机器人的运动而发生改变，因此添加的芯棒也需要跟随弯曲模的运动而运动，这就导致传统数控绕弯用的芯棒结构形式无法应用到机器人弯管成形技术中。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足以及机器人弯管成形技术的成形特点，提供一种弯管用柔性支撑芯棒、支撑装置及其成形控制方法，使得弯管机器人在弯管成形过程中，柔性支撑芯棒可以精确跟随弯曲模弯曲点位的变化而变化，同时柔性支撑芯棒采用牵引充气式橡胶结构，且充气式橡胶芯棒表面为疏松多孔状便于存储润滑油，实现了管材弯曲成形时弯曲段内部支撑力可调，以及便于芯棒在管内的装配、位置调整和拆卸，可有效改善机器人弯管成形过程中管材发生截面畸变、失稳及破裂等缺陷。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种弯管用柔性支撑芯棒，所述芯棒包括芯头31、芯尾32，芯尾32将芯头内部空腔密封，芯尾32上设置有进气口，该进气口与进气管6一端气密连接，进气管6的另一端连接到气压控制系统9，通过该气压控制系统控制芯头31内部空腔的压力，进而控制芯头3的膨胀体积，芯尾32还与牵引线7固定连接，牵引线7在牵引伺服电机2的带动下拖拽芯头31和芯尾32在管材中单向自由移动位置；所述芯头为橡胶材质，其在气压作用下体积会增大，其从外往内共两层，分别为疏松多孔橡胶层和原始橡胶层。
所述的弯管用柔性支撑芯棒，所述疏松多孔橡胶层为疏松多孔结构，其内部可以存储润滑油直接与管材内壁接触，用于管材弯曲时内部润滑，同时也方便芯棒的位置移动。
所述的弯管用柔性支撑芯棒，所述原始橡胶层为实心结构，其直接与气体接触。
所述的弯管用柔性支撑芯棒，所述芯尾为金属材质。
基于任一所述柔性支撑芯棒的柔性支撑装置，包括支撑底座1、牵引伺服电机2、夹紧机构5、芯棒3、进气管6、牵引线7、引导机构8、气压控制系统9；所述支撑底座顶部安装夹紧机构5，其中部安装有牵引伺服电机2与引导机构8。
所述的柔性支撑装置，所述夹紧机构5安装于支撑底座顶部，用于夹紧管材。
所述的柔性支撑装置，所述引导机构包括主动导向轮、从动导向轮、牵引轮，所述主动导向轮与牵引伺服电机相连，其上开设有一圈半圆凹槽用于对进气管进行导向；所述从动导向轮安装于支撑底座中部与主动导向轮水平并列可自由旋转，其上开设有与主动导向轮相同的凹槽，用于配合主动导向轮对进气管进行导向；所述牵引轮与牵引伺服电机相连，并与主动导向轮同轴等直径，其上固定并缠绕有牵引线，以保证牵引线与进气管在牵引伺服电机带动下的运动线速度相等。
所述的柔性支撑装置，所述牵引伺服电机通过减速器与主动导向轮和牵引轮相连，用于控制芯棒在管材中的位置。
所述的柔性支撑装置，所述进气管一端连接芯棒，另一端连接气压控制系统，用于将指定的气压传输到芯棒中。
所述的柔性支撑装置，所述牵引线一端连接芯棒，另一端固定连接在牵引轮上，用于带动芯棒在管材中运动。
所述的柔性支撑装置，所述气压控制系统通过进气管与芯棒相连，在管材弯曲成形时可为芯棒提供稳定准确可调节的气压值。
根据任一所述柔性支撑装置的弯管机器人成形控制方法，包括以下步骤：
(1)选择弯管机器人用弯曲成形管材，确定管材材料的屈服强度σs，管材外径D，管材壁厚δ；
(2)对管材零件三维模型进行测量，得到第1个直段L1、弯曲角度θ1、弯曲半径R1，第2个直段L2、弯曲角度θ2、弯曲半径R2，第3个直段L3、弯曲角度θ3、弯曲半径R3，……，第n个直段Ln、弯曲角度θn、弯曲半径Rn，最后1个直段Ln+1，并计算出所需管坯的总长度S为：
(3)将芯棒伸出距离调整为大于S的长度，对芯棒表面进行润滑，并将芯棒从管材中穿出，然后用加紧机构加紧管材，利用牵引伺服电机调整芯棒在管材中位置，使得芯棒的芯头漏在管外，而芯尾刚好没入管端内，完成芯棒及管材的安装；
(4)通过将牵引伺服电机和气压控制系统与机器人控制系统相连，实现机器人控制实时向牵引伺服电机及气压控制系统传输步骤(1)和步骤(2)中的数据信息；
(5)成形时，牵引伺服电机根据牵引距离控制公式：Si＝Li+θiRi；其中，Si为第i个牵引距离，单位为mm；Li为第i个直段，单位为mm；θi为第i个弯曲角度，单位为mm；Ri为第i个弯曲半径，单位为mm；牵引芯棒到达第一个弯曲支撑位置，然后气压控制系统根据气压控制公式：其中，Pi为弯曲成形时芯棒提供的内支撑压力，单位为N/mm2；σs为管材的材料屈服强度，单位为N/mm2；k为经验系数，取值在0.6～1之间；Ri为第i个弯曲半径，单位为mm；D为管材外径，单位为mm；δ为管材壁厚，单位为mm；P0为芯棒充气膨胀刚好接触管材内壁时的气压值，单位为N/mm2；为芯棒提供稳定精确的内支撑压力，之后弯管机器人开始执行弯曲成形工艺，最后气压控制系统将气压降为0N/mm2使芯棒与管材内壁脱离，完成第一个弯段的弯曲成形；
(6)重复上述步骤(5)依次对后续各弯段进行弯曲成形，直到弯曲成形完所有弯段，最终成形出所设计的弯曲构件。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提出了一种弯管机器人用柔性支撑芯棒装置及其成形控制方法，通过牵引伺服电机、牵引轮、牵引线与芯棒的结构解决了机器人弯管成形过程中无法加入芯棒的问题，且芯棒的芯头采用疏松多孔橡胶层，便于芯棒抽芯与弯曲成形过程中的润滑作用；通过气压控制系统、进气线、芯棒组成的气压可控式充气芯棒结构实现了管材弯曲成形时弯曲段内部支撑力可调，可有效改善机器人弯管成形过程中管材发生截面畸变、失稳及破裂等缺陷，提高了管材的成形性能，同时充气式芯棒结构更有利于芯棒的安装调试，方便弯曲成形后的抽芯动作，进一步拓展了机器人弯管成形技术的应用范围。
附图说明
图1背景技术中机器人弯管成形技术示意图；
图2弯管机器人用柔性芯棒装置局部剖视图；
图3弯管机器人用柔性芯棒装置示意图；
图4柔性芯棒示意图；
图5弯曲成形零件三维模型示意图；
图6成形前柔性芯棒装配位置示意图；
图中：1.支撑底座，2.牵引伺服电机，3.芯棒，31.芯头，311.疏松多孔橡胶层，312.原始橡胶层，32.芯尾，4.管材，5.夹紧机构，6.进气管，7.牵引线，8.引导机构，81.从动导向轮，82.主动导向轮，83.牵引轮，9.气压控制系统；
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
如图2-图6所示，公开了一种弯管机器人用柔性支撑芯棒装置，包括支撑底座1、牵引伺服电机2、夹紧机构5、芯棒3、进气管6、牵引线7、引导机构8、气压控制系统9。所述支撑底座1顶部安装有夹紧机构5，其中部安装有牵引伺服电机2与引导机构8。
所述加紧机构5安装于支撑底座1顶部，用于夹紧管材4。
所述引导机构8包括主动导向轮82、从动导向轮81、牵引轮83，所述主动导向轮82与牵引伺服电机2相连，其上开设有一圈半圆凹槽用于对进气管6进行导向；所述从动导向轮81安装于支撑底座1中部与主动导向轮82水平并列可自由旋转，其上开设有与主动导向轮82相同的凹槽，用于配合主动导向轮82对进气管6进行导向；所述牵引轮83与牵引伺服电机2相连，并与主动导向轮82同轴等直径，其上固定并缠绕有牵引线7，以保证牵引线7与进气管6在牵引伺服电机2带动下的运动线速度相等。
所述牵引伺服电机2通过减速器与主动导向轮82和牵引轮83相连，用于控制芯棒3在管材4中的位置。
所述进气管6一端连接芯棒3，另一端连接气压控制系统9，用于将指定的气压传输到芯棒3中。
所述牵引线7一端连接芯棒3，另一端固定连接在牵引轮83上，用于拉动芯棒3在管材4中单向运动。
所述气压控制系统9通过进气管6与芯棒3相连，在管材4弯曲成形时可为芯棒3提供稳定准确可调节的气压值。
所述芯棒3包括芯头31、芯尾32，其与进气管6和牵引线7相连接，在牵引伺服电机2的带动下可在管材4中单向移动位置。
所述芯头31为橡胶材质，其在气压作用下体积会增大，其从外往内共两层，分别为疏松多孔橡胶层311和原始橡胶层312。
所述疏松多孔橡胶层311为疏松多孔结构，其内部可以存储润滑油直接与管材4内壁接触，用于管材4弯曲时内部润滑，同时也方便芯棒3的位置移动。
所述原始橡胶层312为实心结构，其直接与气体接触，用于为机器人弯管成形提供内部支撑力。
所述芯尾32为金属材质，其上开设有与芯头31、进气管6以及牵引线7的连接接口，且各接口处均设有密封圈以保证芯棒3的气密性。
本发明涉及上述柔性支撑芯棒的成形控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选择弯管机器人用弯曲成形管材4，确定管材4材料的屈服强度σs，管材4外径D，管材4壁厚δ；
(2)对管材4零件三维模型进行测量，如图5所示，得到第1个直段L1、弯曲角度θ1、弯曲半径R1，第2个直段L2、弯曲角度θ2、弯曲半径R2，第3个直段L3、弯曲角度θ3、弯曲半径R3，最后1个直段L4，并计算出所需管坯的总长度S为：
(3)将芯棒3伸出距离调整为大于S的长度，对芯棒3表面进行润滑，并将芯棒3从管材4中穿出，然后用夹紧机构5夹紧管材4，利用牵引伺服电机2调整芯棒3在管材4中位置，使得芯棒3的芯头31露在管外，而芯尾32刚好没入管端内，如图6所示，完成芯棒3及管材4的安装。
(4)通过将牵引伺服电机2和气压控制系统9与机器人控制系统相连，实现机器人控制实时向牵引伺服电机2及气压控制系统9传输步骤(1)和步骤(2)中的数据信息。
(5)成形时，牵引伺服电机2根据牵引距离控制公式：Si＝Li+θiRi(其中，Si为第i个牵引距离，单位为mm；Li为第i个直段，单位为mm；θi为第i个弯曲角度，单位为mm；Ri为第i个弯曲半径，单位为mm；)牵引芯棒3到达第一个弯曲支撑位置，然后气压控制系统9根据气压控制公式：(其中，Pi为弯曲成形时芯棒提供的内支撑压力，单位为N/mm2；σs为管材的材料屈服强度，单位为N/mm2；k为经验系数，取值在0.6～1之间；Ri为第i个弯曲半径，单位为mm；D为管材外径，单位为mm；δ为管材壁厚，单位为mm；P0为芯棒充气膨胀刚好接触管材内壁时的气压值，单位为N/mm2；)为芯棒3提供稳定精确的内支撑压力，之后弯管机器人开始执行弯曲成形工艺，最后气压控制系统将气压降为0N/mm2使芯棒3与管材4内壁脱离，完成第一个弯段的弯曲成形。
(6)随后重复上述步骤(5)依次对后续第二和第三个弯段进行弯曲成形，最终成形出所设计的弯曲构件。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
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