[发明专利]一种柔性支撑芯棒、支撑装置及弯管机器人成形控制方法

权利要求书

1.基于柔性支撑芯棒的柔性支撑装置，其特征在于，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)；所述夹紧机构(5)安装于支撑底座顶部，用于夹紧管材；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(31 )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；成形时，牵引伺服电机根据牵引距离控制公式：s_i＝L_i+θ_iR_i；其中，S_i为第i个牵引距离，单位为mm；L_i为第i个直段，单位为mm；θ_i为第i个弯曲角度，单位为mm；R_i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，P_i为弯曲成形时芯棒提供的内支撑压力，单位为N/mm²；σ_s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；R_i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；重复上述步骤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。

2.根据权利要求1所述的柔性支撑装置，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的柔性支撑装置，其特征在于，所述原始橡胶层为实心结构，其直接与气体接触。

4.根据权利要求1所述的柔性支撑装置，其特征在于，所述芯尾为金属材质。

5.根据权利要求1所述的柔性支撑装置，其特征在于，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。

6.根据权利要求1所述的柔性支撑装置，其特征在于，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。

7.根据权利要求1所述的柔性支撑装置，其特征在于，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。

8.根据权利要求1-7任一所述柔性支撑装置的弯管机器人成形控制方法，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，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L_n、弯曲角度θ_n、弯曲半径R_n，最后1个直段L_n+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：S_i＝L_i+θ_iR_i；其中，S_i为第i个牵引距离，单位为mm；L_i为第i个直段，单位为mm；θ_i为第i个弯曲角度，单位为mm；R_i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，P_i为弯曲成形时芯棒提供的内支撑压力，单位为N/mm²；σ_s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；R_i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。