本發(fā)明涉及金屬塑性加工技術及裝備領域，特別是一種機器人主動牽引的三維變曲率型材在線彎曲成形裝置。

背景技術：

著眼于將來的可持續(xù)發(fā)展，低油耗、低排放技術已成為汽車工業(yè)發(fā)展中亟待解決的關鍵技術。輕量化被廣泛認為是實現(xiàn)節(jié)能減排最有效的途徑。鋁合金具有密度低，比強度、比剛度高，碰撞性能好，易回收和無污染等一系列優(yōu)點，是車身理想的輕量化材料。全鋁車身相比鋼制車身減重30%以上，具有高剛性、耐撞性能好等特點，具有極好的發(fā)展前景，已成功應用于奧迪a2、路虎攬勝、特斯拉等中高端車型上。制造全鋁框架式車身的關鍵技術之一在于如何實現(xiàn)型材的高精度彎曲成形?？紤]空氣動力學、結構力學和美觀等方面的要求，框架式車身用鋁型材通常為三維變曲率型材，尺寸精度和性能要求高。

在實際生產(chǎn)中應用的彎曲鋁型材，通常是通過多道工序加工而成。一般工序是先將鋁合金鑄錠擠壓成所需斷面形狀的直型材，然后采用冷彎成形。然而由于鋁型材彈性模量低和時效強化的特性，傳統(tǒng)的先擠壓再冷彎加工，回彈、截面畸變和表面劃傷等缺陷總難以控制和避免，且生產(chǎn)效率和材料利用率低，制造成本昂貴，使得彎曲鋁型材的應用受到了很大限制。因此，縮短加工流程、提高生產(chǎn)效率、降低制造成本是解決這一問題的最有效途徑。

經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)有以下相關專利：

一種具有任意截面的曲線形金屬管和棒的制造裝置申請的韓國發(fā)明專利(專利申請?zhí)枺簑o/2001/096039a1，amanufacturingdeviceofthecurvedmetaltubeandrodwithanarbitrarysection，名稱：具有任意截面的曲線形金屬管和棒的制造裝置)，該方法通過擠壓過程能夠在模腔中將一個或多個坯料擠壓和焊接在一起，且由于在偏心錐形擠壓彎曲模和錐形芯塞的入口與出口之間空腔截面的偏心度，或者用多孔容器的孔的相對尺寸，或者用多個沖頭的相對移動速度而控制的擠壓速度的梯度，能夠在擠壓過程中對它們進行彎曲。

一種擠壓彎曲成形工藝及設備申請的美國發(fā)明專利（專利申請?zhí)枺簎s5305626，extrusionmethodandextrusionapparatus，名稱：擠壓方法及擠壓設備），該方法通過調整模具工作帶長度來獲得非均勻的材料流動，使型材一側的材料流速大于另一側，以達到彎曲成形的目的。

一種用于生產(chǎn)彎曲擠壓型材的方法和設備申請的美國發(fā)明專利（專利申請?zhí)枺簎s6634200，methodanddevicefortheproductionofcurvedextrudedprofiles，名稱：擠壓型材彎曲方法及設備），該方法將模具沿擠壓方向偏轉一定角度，型材擠壓出?？谝院髮⑾蛞粋葟澢?，從而獲得曲率較小的彎曲型材。

一種鎂合金型材擠壓－彎曲一體化成形方法申請的中國專利(專利號：zl200710171857.x，名稱：鎂合金型材擠壓彎曲一體化成形方法)，該方法通過在臥式擠壓機的出?？诤竺娌贾靡桓比嗇亸澭b置，鎂合金坯料經(jīng)過熱擠壓形成型材，型材在冷卻之前直接進入三輪輥彎裝置，由同一平面內的三個輥輪對型材施加彎矩，實現(xiàn)彎曲成形，控制輥輪的運動及位置得到所需彎曲角度與彎曲半徑。

一種汽車用鋁合金保險杠型材彎曲成形方法及裝置申請的中國發(fā)明專利(專利申請?zhí)枺簔l201210234529.0，名稱：一種汽車用鋁合金保險杠型材彎曲成形方法及裝置)，該方法在臥式擠壓機出口處布置一套矯直切割裝置、液壓驅動彎曲裝置及淬火裝置。鋁型材擠壓出?？跔恳了璧拈L度后矯直切斷，并送至液壓彎曲裝置進行彎曲成形，并進行在線淬火。通過調整液壓桿及定位塊的個數(shù)和位置可以實現(xiàn)不同的彎曲半徑。

一種三維變弧度擠壓型材在線彎曲成形裝置申請的中國發(fā)明專利（專利申請?zhí)枺簔l201310224782.2，名稱：一種三維變弧度擠壓型材在線彎曲成形裝置），該方法通過在臥式擠壓機出?？诤笠来尾贾迷诰€淬火裝置、多輥彎曲裝備和液壓導向裝置。通過控制系統(tǒng)精確控制輥彎裝備壓輥和導向裝置在各道次的位置、施力大小和停留時間，實現(xiàn)三維變弧度型材的在線彎曲加工。

一種用于擠壓彎曲成形的設備申請的美國發(fā)明專利（專利申請?zhí)枺簎s6634200，extrusionapparatus，名稱：擠壓設備），該方法在模具出口增加引導裝置，該引導裝置在型材外形的一側施加偏轉作用力，使型材彎曲成形。

一種用于制造多個彎曲的擠壓型材的方法申請的美國發(fā)明專利(專利申請?zhí)枺簎s7197907b2，methodforproducingapluralityofcurvedextrudedprofiles，名稱：用于制造多個彎曲的擠壓型材的方法)，該方法模具一次同時擠出2個型材，同時在擠壓出?？趥炔贾?副彎曲引導裝置對擠壓型材施加彎曲力，型材彎曲完成后采用切割機器人進行在線剪切。

一種彎曲的擠壓型材的擠壓方法和裝置申請的美國發(fā)明專利，(專利申請?zhí)枺簎s20040201126a1，methodanddeviceforextrudingcurvedextrusionprofiles，名稱：彎曲的擠壓型材的擠壓方法和裝置)，擠壓型材通過模具熱擠壓成形并隨后通過彎曲裝備施加外力作用被彎曲或彎折以及在擠壓加工線上被切分成段，然后由支承臺帶離開擠壓加工線并被送走。

由上可知，目前的型材擠壓-彎曲一體化成形方法主要分為2種，一是對鑄錠各模塊進行差速擠壓或調整模具工作帶不等長度來制備彎曲型材，該方法僅適合于單曲率型材的彎曲加工；二是在臥式擠壓機出模口添加多輥彎曲裝備，通過其主動輥輪對型材施加多向彎矩成形三維變曲率型材。該方法存在的主要缺點有：需要較高的擠壓速度來克服彎曲型材與輥輪之間的滾動摩擦力，導致更高的擠壓載荷；在彎曲成形過程型材橫截面的應力分布不均勻，外側為拉應力，內側為壓應力，受拉-壓兩向應力狀態(tài)作用，導致彎曲回彈大，型材內側在較大壓應力作用下容易產(chǎn)生起皺和截面畸變；型材靠模面與彎曲輥輪之間容易產(chǎn)生相對滑動，劃傷型材表面。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種機器人主動牽引的三維變曲率型材在線彎曲成形裝置，克服已有擠壓彎曲一體化方法存在的所需擠壓載荷高、型材橫截面受力不均勻以及表面劃傷的缺陷，提高產(chǎn)品的彎曲成形質量和材料利用率。

為解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案是：一種機器人主動牽引的三維變曲率型材在線彎曲成形裝置，包括：

臥式擠壓機：

淬火裝置：設置于所述臥式擠壓機出口側，用于控制擠壓型材各截面的溫度；

導引裝置：設置于所述淬火裝置內，用于對所述擠壓型材進行矯直和定位；

主動牽引機器人：設置于所述淬火裝置的出料側，用于牽引所述擠壓型材料實現(xiàn)三維變曲率；

切割機器人：用于對所述主動牽引機器人輸出的變曲率型材進行切割；

轉移機器人：用于將切割機器人輸出的切割后的變曲率型材送入擠壓輸送輥道；

卸料裝置：用于卸出所述擠壓輸送輥道出料端的變曲率型材。

所述淬火裝置包括冷床；所述冷床長度方向上平行設置有多個用于托送所述擠壓型材的毛氈輥；所述冷床上方設置有能在豎直方向上移動的倒u型上箱體；所述倒u型上箱體由包括上箱板、與所述上箱板兩端連接的側箱板，且所述側箱板能在豎直方向上上下移動；所述冷床上表面、上箱板下表面、側箱板內側面均設有多路水汽組合噴嘴；所述冷床設置在u型下箱體內，且所述上箱體與所述下箱體形成的空腔為淬火槽。

還包括plc控制系統(tǒng)；所述plc控制系統(tǒng)控制所述水汽組合噴嘴的出風量和出水量。

所述主動牽引機器人的機械臂與牽引裝置連接；所述牽引裝置包括兩個用于夾持所述擠壓型材的球形石墨塊；所述兩個球形石墨塊遠離所述擠壓型材的一側均與所述主動牽引機器人的機械臂連接。該牽引裝置結構簡單。

所述球形石墨塊中心點位置內表面的輪廓形狀與所述擠壓型材外輪廓匹配，且球形石墨塊的表面粗糙度小于0.01μm，保證更好地夾持和牽引擠壓型材。

所述主動牽引機器人一側設有測量儀，方便測量切割長度。

所述導引裝置包括半圓筒；所述半圓筒內設有多排用于矯直所述擠壓型材的輥輪；所述輥輪出料端的半圓筒內設有分別與所述擠壓型材上表面、下表面、左側面、右側面接觸的上彎曲模、下彎曲模、左彎曲模、右彎曲模。該導引裝置結構簡單，容易實現(xiàn)。

所述切割機器人包括用于夾持所述變曲率型材的抓夾；所述抓夾遠離所述變曲率型材的一端與導向軸固定連接；所述導向軸通過補償裝置與驅動裝置連接；所述驅動裝置驅動鋸片轉動并切割所述變曲率型材。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：本發(fā)明型材擠壓出?？诤笤跍亍釛l件下通過機器人的主動牽引與導引裝置不同方向的彎曲?？磕Ｖ苯右坏来螐澢尚?。在彎曲過程中由于主動牽引力的疊加，使型材整個橫截面上受拉應力作用。相比傳統(tǒng)的彎輥被動彎曲型材橫截面上受拉-壓兩向應力作用，本發(fā)明有利于減小型材彎曲回彈、內側起皺和截面畸變等缺陷；型材與石墨彎曲模之間不存在相對滑動，彎曲型材不會產(chǎn)生表面劃傷。此外，機器人主動牽引型材彎曲，由于牽引力的作用有利于減小擠壓載荷，克服了傳統(tǒng)傳統(tǒng)的彎輥被動彎曲需要較高的擠壓速度來克服彎曲型材與輥輪之間的滾動摩擦力。

附圖說明

圖1（a）和圖1（b）為機器人主動牽引彎曲與傳統(tǒng)彎輥被動彎曲型材截面的應力分布，其中：圖1(a)為機器人主動牽引彎曲，圖1(b)為傳統(tǒng)彎輥被動彎曲；

圖2為本發(fā)明一實施例結構示意圖，其中多個機器人的位置和狀態(tài)為成形三維變曲率型材的某一過程階段；

圖3為圖1中i—i向淬火裝置的剖面結構示意圖；

圖4為圖1中導引裝置的局部剖視結構示意圖；

圖5為圖1中彎曲機器人牽引裝置的結構示意圖；

圖6為圖1中切割機器人鋸切裝置系統(tǒng)的結構示意圖；

圖7為一種車身用鋁合金型材截面示意圖；

圖8為圖7所示型材的形狀尺寸，三維變曲率彎曲半徑依次為1545，1440mm示意圖；

圖9為另一種車身用鋁合金型材截面示意圖；

圖10為圖8所示型材的形狀尺寸，三維變曲率彎曲半徑依次為1460mm，1750mm示意圖；

其中：

1：擠壓機液壓缸；2：擠壓桿；3：擠壓筒；4；擠壓墊；5：擠壓坯料；6：擠壓模具；7：擠壓機前梁；8：淬火裝置；9：導引裝置；10：主動牽引機器人；11：牽引裝置；12：切割機器人；13：鋸切裝置系統(tǒng)；14：測量儀；15：三維變曲率型材；16：轉移機器人；17：夾持裝置；18：擠壓輸送輥道；19：卸料裝置；20：上箱體；21：下箱體；22：冷床；23：淬火槽；24：上箱板；25：左右箱板；26：組合噴嘴；27：毛氈輥；28：鋼制半圓筒；29：石墨導向輥輪；30：左彎曲模；31：右彎曲模；32：上彎曲模；33：下彎曲模；34：擠壓型材；35：球形石墨模塊；36：機械手臂安裝點；37：鋸片；38：抓夾；39：驅動裝置；40：導向軸；41：補償裝置；42：機械手臂；43：三維變曲率型材。

具體實施方式

如圖2所示，本發(fā)明一實施例包括臥式擠壓機1，所述臥式擠壓機1出模口側設有用于控制擠壓型材溫度的淬火裝置8，所述擠壓型材通過淬火裝置精確控制各截面的溫度，并通過導引裝置9的各導向輥輪進行矯直和定位，然后通過主動牽引機器人10牽引裝置在三維空間中沿一定軌跡路線主動牽引擠壓型材相應時間內與導引裝置中不同方向的彎曲模靠模實現(xiàn)三維變曲率的生成；所述變曲率型材經(jīng)切割機器人12和在線測量儀14定尺鋸切，然后由轉移機器人夾持送入擠壓輸送輥道，并由設置在所述擠壓輸送輥道出料端的卸料裝置卸出。通過多個機器人的協(xié)作運動實現(xiàn)擠壓型材的三維變曲率在線彎曲連續(xù)加工。

主動牽引、切割和轉移機器人，由機械本體、控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和傳感器四個部分構成；所述機械本體由末端執(zhí)行器、機械手臂、腰部和基座等構成；所述主動牽引、切割和轉移機器人的末端執(zhí)行器分別采用牽引裝置、鋸切裝置系統(tǒng)和夾持裝置。所述控制系統(tǒng)用于對末端執(zhí)行器發(fā)出指令信號，并按設定的軌跡和運行速度運動；所述驅動系統(tǒng)為機器人各關節(jié)和末端執(zhí)行器提供源動力；所述傳感器安裝于末端執(zhí)行器上，由位移傳感器和速度傳感器組成，能夠感知末端執(zhí)行器在三維空間中的初始位置，運行軌跡和運行速度。

型材彎曲變形區(qū)的溫度由彈塑性有限元分析求解確定。基于商業(yè)化有限元軟件建立型材三維變曲率連續(xù)多道次彎曲成形和卸載回彈全過程精確有限元模型，獲得最優(yōu)的彎曲變形溫度，在防止型材截面畸變和表面不劃傷的前提下，最大限度減少彎曲回彈。并通過回彈分布曲線對各機器人末端執(zhí)行器的理論運動軌跡和運動速度進行修正。

在擠壓機出口后面安裝一副箱體式結構的淬火裝置，沿擠壓方向平行分布周向多路冷卻風口和噴頭。根據(jù)型材斷面形狀、彎曲變形程度和合金淬火敏感性等，合理選擇淬火介質和介質的流量，從而使型材橫截面上的溫度均勻降到理論所需的彎曲變形溫度范圍。

在淬火裝置里面安裝一副導引裝置，根據(jù)型材截面形狀調節(jié)圓筒上各導向輥輪、彎曲模的位置和傾斜角度，使導向輥輪、彎曲模的軸線與型材表面的法向相垂直，確保其與型材表面接觸處的線速度一致。不同方向的彎曲模用于成形三維變曲率，根據(jù)型材曲率不同可以更換。各導向輥輪和彎曲模的材料采用高純石墨精磨加工而成，避免劃傷型材表面。

在淬火裝置和導引裝置后面布置一個主動牽引機器人，其牽引裝置由控制系統(tǒng)定位在導引裝置的出料口。牽引裝置的石墨模塊閉合并夾持擠壓型材，運動速度與型材擠出速度保持一致。精確控制牽引裝置的運行軌跡和速度，主動牽引擠壓型材相應時間內與導引裝置不同方向的彎曲模進行靠模，實現(xiàn)彎曲型材三維變曲率的生成。根據(jù)導引裝置的具體放置位置，三維變曲率動作可以在淬火槽里面或在淬火裝置出料口進行。

從彎曲變形區(qū)出來的型材，由鋸切機器人進行定尺鋸切。切割前，鋸切裝置系統(tǒng)由控制系統(tǒng)定位在彎曲型材的臨近位置。由抓夾抓住型材并與彎曲型材的曲率軌跡同步運動，運動速度也與型材擠出速度一致。然后通過驅動裝置啟動鋸片至高速旋轉狀態(tài)，并以合適的速度沿導向軸一維進給，切斷彎曲型材。為保證型材切割端面平整，鋸片沿其自身軸向方向有一定距離可以用來補償與彎曲型材之間的相對運動。整個切割動作應在2~4s時間內完成。為防止切割溫度過高切屑堵塞鋸齒，切割前在鋸齒上噴灑冷卻潤滑液。

為實現(xiàn)三維變曲率型材的連續(xù)加工，由各機器人協(xié)作運動完成。主動牽引機器人對擠壓直型材在執(zhí)行上一次的彎曲指令完成之前，切割機器人鋸切裝置系統(tǒng)在型材需被切斷的位置處抓夾彎曲型材并與彎曲型材的運行軌跡和速度一致，然后驅動鋸片對彎曲型材進行切割，一旦型材切斷自動復位；在彎曲型材被完全切斷之前，轉移機器人的夾持裝置也完成對型材夾持，并以彎曲型材擠出速度和運動軌跡同步運動，型材在被切斷后，再將其轉移到輸送輥道上，然后進行復位；主動牽引機器人在轉移機器人的夾持裝置完成對型材的夾持瞬間進行復位，并執(zhí)行下一次彎曲動作指令。

三維彎曲變形結束后，通過在線測量儀對型材曲率進行實時測量，并根據(jù)尺寸誤差結果反饋到各機器人的控制系統(tǒng)對末端執(zhí)行器的運行軌跡和運行速度進行實時修正。

如圖3所示，淬火裝置由上箱體20、下箱體21、冷床22及上下箱體封閉形成的淬火槽23等構成。所述上箱體呈倒u字型，通過齒輪傳動可上下移動，其結構由上箱板和左右側箱板組成，且左右側箱板相對上箱板可以移動，以適應不同規(guī)格型材各個表面處于最優(yōu)淬火位置；所述上箱板24、左右箱板25和所述冷床上表面均設有多路水汽組合噴嘴，每一路水汽組合噴嘴26可以靈活調節(jié)角度位置，由plc控制系統(tǒng)能單獨精確控制出風量和出水量，以適應不同合金、截面上不同位置壁厚、形狀差異所需的冷卻速度；所述冷床長度方向上平行布置多個托送所述擠壓型材的毛氈輥27。

如圖4所示，導引裝置位于淬火裝置里面的中后段或出料口，由鋼制圓筒28、鑲嵌在鋼制圓筒內表面的多排石墨導向輥輪29以及出口處的上下、左右不同方向的彎曲模組成，各導向輥輪和彎曲模的位置和傾斜角度可調。

如圖5所示，主動牽引機器人的牽引裝置11由2個球形石墨塊35精細加工組合而成，進出口近似喇叭狀，保證內表面與彎曲型材不碰撞。中心點位置內表面的輪廓形狀與彎曲型材的截面形狀一致，表面粗糙度小于0.01μm。

如圖6所示，所述切割機器人的鋸切裝置系統(tǒng)，由鋸片37、抓夾38、驅動鋸片旋轉運動的驅動裝置39、實現(xiàn)鋸片一維進給的導向軸40和用來補償鋸片與型材產(chǎn)生相對運動的補償裝置41等組成。

實施例1:用本發(fā)明的方法，在1900t擠壓機的出口處布置所述的機器人主動牽引的三維變曲率型材在線彎曲成形裝置（參見圖2）。圖7和8所示分別為擠壓型材斷面和三維變曲率彎曲半徑，材料為6061鋁合金，擠壓鑄錠直徑205mm，長度為400mm。擠壓機型號為xj-1900t，初始鑄錠溫度為480℃，擠壓筒溫度為450℃，擠壓墊和擠壓模具的溫度為450℃，擠壓桿速度為4mm/s，擠壓比35.4，淬火方式為水柱噴射。有限元分析確定最優(yōu)彎曲變形溫度為310℃，考慮回彈補償?shù)闹鲃訝恳龣C器人的牽引裝置運行軌跡路徑的半徑分別為1413和1228mm。牽引裝置和鋸切裝置系統(tǒng)的運行速度為141.6mm/s。鑄錠經(jīng)臥式擠壓機擠出?？谝院?，平直進入在線淬火裝置，并經(jīng)導引裝置矯直和定位。根據(jù)該型材規(guī)格尺寸和擠壓速度大小，淬火裝置噴嘴調整到最合適位置，調節(jié)上下噴嘴水流速度為9m/s，左噴嘴水流速度為6m/s，右噴嘴水流速度為12m/s。主動牽引機器人的牽引裝置沿回彈補償后的軌跡路徑曲線主動牽引擠壓型材分別與導引裝置中的左、右彎曲?？磕＿M行彎曲成形，然后切割機器人根據(jù)在線測量儀反饋的信息對變曲率型材進行定尺鋸切，然后由轉移機器人夾持型材放入擠壓輸送輥道上。圖8所示的三維變曲率型材彎曲半徑分別為1545mm和1440mm，能滿足裝配要求，成形后的型材尺寸精度高，無起皺，截面畸變小，表面光潔度較高。

實施例2:用本發(fā)明的方法，在800t擠壓機的出口處布置所述的主動牽引的三維變曲率型材在線彎曲成形裝置（參見圖2）。圖9和10所示為擠壓型材斷面和三維變曲率彎曲半徑，材料為6063鋁合金，擠壓機型號為xj-800t，擠壓鑄錠直徑86mm，長度為250mm。初始鑄錠溫度為480℃，擠壓筒溫度為430℃，擠壓墊和擠壓模具的溫度為430℃，擠壓桿速度為5mm/s，擠壓比23.7，淬火方式為風冷。有限元分析確定的最優(yōu)彎曲變形溫度為255℃，考慮回彈補償?shù)闹鲃訝恳龣C器的牽引裝置運行軌跡路徑的半徑分別為1358和1674mm。牽引裝置和鋸切裝置系統(tǒng)的運行速度為118.5mm/s。鑄錠經(jīng)臥式擠壓機擠出?？谝院?，平直進入在線淬火裝置，并經(jīng)導引裝置矯直和定位。根據(jù)該型材規(guī)格尺寸和擠壓速度大小，淬火裝置噴嘴調整到最合適位置，調節(jié)上下、左右每路風口的流速都為20m/s。主動牽引機器人的牽引裝置沿回彈補償后的軌跡路徑曲線主動牽引擠壓型材分別與導引裝置中的左、上彎曲模靠模進行彎曲成形，切割機器人根據(jù)在線測量儀反饋的信息對變曲率型材進行定尺鋸切，然后由轉移機器人夾持型材放入擠壓輸送輥道上。圖10所示的三維變曲率型材彎曲半徑依次為1460mm，1750mm，能滿足裝配要求，成形后的型材尺寸精度高，無起皺，截面畸變小，表面光潔度較高。