一種多點成形柔性模具的調(diào)形方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多點成形柔性模具的調(diào)形方法通過電磁調(diào)形的方式，以磁場分層掃描控制的方法，解決多點成形柔性模具的調(diào)形時間長和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點，提高多點成形柔性模具的工作效率和使用壽命。
【專利說明】一種多點成形柔性模具的調(diào)形方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種多點成形柔性模具的調(diào)形方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 部分電機訂單是按照客戶要求定制設(shè)計和生產(chǎn)，因此產(chǎn)品具有單件小批量生產(chǎn)的 特點。傳統(tǒng)上每新做一種規(guī)格的電機就要重新設(shè)計、制造一整套配套的工裝和模具，不僅造 成產(chǎn)品的生產(chǎn)周期長、制造成本高，而且長年累月下來工裝模具的種類繁多、尺寸各異，不 能相互借用。因此，繼續(xù)設(shè)計出一種具有柔性的新型模具，可以根據(jù)產(chǎn)品的尺寸變化改變模 具成型面的外觀形狀。最適合的是多點成形柔性模具。
[0003] 多點成形柔性模具使用規(guī)則排列的基本單元體，通過離散的基本體矩陣代替?zhèn)鹘y(tǒng) 整體式模具的型面，這種模具具有多點式、數(shù)控變型的柔性加工特點。模具中每一個基本單 元體的高度，都是由計算機程序根據(jù)三維實體造型的位置參數(shù)來控制，執(zhí)行元件分別對每 個基本單元體的高度進(jìn)行調(diào)整，最終形成型面各異的模具。
[0004] 多點成形技術(shù)已經(jīng)逐步走出實驗室，在實際的工業(yè)生產(chǎn)和工程上得到了初步的應(yīng) 用，取得了一定的成果。但是，由于其自身的結(jié)構(gòu)特點，柔性模具調(diào)形時間長和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的 缺點一直是阻礙其進(jìn)一步發(fā)展和推廣的主要原因。
[0005] -般來說，多點成形模具的調(diào)形方式主要有以下兩種：
[0006] -種是用機械手調(diào)整，在機械手上安裝調(diào)整裝置，每移動一次機械手僅對一個基 本體的高低進(jìn)行調(diào)整，此種方法制造的模具結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低，但調(diào)形時間較長，每 個基本體調(diào)節(jié)需要20秒，對于2千多個基本體，調(diào)節(jié)一次就超過12小時，不能很有效的發(fā) 揮柔性模具型面隨時可變的特點。
[0007] 另一種調(diào)形方式是對所有基本體單元同時進(jìn)行調(diào)整，即在每個基本體下方安裝一 套由電機和絲桿滑零機構(gòu)組成的控制系統(tǒng)，用于調(diào)整每個基本體的高度，此種調(diào)形方式由 于是所有基本體同時調(diào)整，屬于并行處理，所以調(diào)形速度很快，基本等于一個基本體調(diào)整的 時間，一般可以控制在15秒以內(nèi)。但模具自身的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，制造成本高，而且在實際生 產(chǎn)中非常容易出現(xiàn)故障。
[0008] 在研究了大量傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的柔性模具后，發(fā)現(xiàn)雖然調(diào)形機構(gòu)各異，但是究其根本，都 是通過一系列的機械傳動系統(tǒng)，產(chǎn)生各種動作來完成的，對于多達(dá)上千套的基本體調(diào)節(jié)，這 樣復(fù)雜的機械傳動勢必造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜
[0009] 通過分析，發(fā)現(xiàn)利用電磁場作用力和空間分布，作為模具基本體高度的調(diào)整機制， 將接觸式調(diào)形變?yōu)榉墙佑|式調(diào)形，具有技術(shù)可行性，如圖1是電磁調(diào)形的原理簡圖，利用電 磁鐵2'通電產(chǎn)生磁場，使基本體Γ感應(yīng)產(chǎn)生電磁吸引力，達(dá)到移動基本體Γ的目的。這 樣不僅可以大大簡化系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，還能增加調(diào)形時的動態(tài)性能，進(jìn)一步減少調(diào)形時間。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷而提供一種多點成形柔性模具的調(diào)形方 法，通過電磁調(diào)形的方式，以磁場分層掃描控制的方法，解決多點成形柔性模具的調(diào)形時間 長和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點，提高多點成形柔性模具的工作效率和使用壽命。
[0011] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0012] 本發(fā)明的一種多點成形柔性模具的調(diào)形方法，包括以下步驟：
[0013] S1，根據(jù)多點成形柔性模具所需調(diào)成的形狀，設(shè)定基本體頂針需抓取的高度值，將 該設(shè)定高度值分成若干層，設(shè)定每層高度需抓取的基本體頂針的數(shù)量，并設(shè)定將基本體頂 針抓取至相應(yīng)高度所需磁力的閾值；
[0014] S2,多點成形柔性模具的磁場分層掃描控制調(diào)形，采用磁場分層掃描控制來實現(xiàn) 對基本體頂針的設(shè)定高度值的調(diào)節(jié)，基本體頂針采用逐段抓取的方式，利用多次抓取的定 量位移之和，達(dá)到設(shè)定高度值，包括以下工序：
[0015] S21，根據(jù)每層高度的基本體頂針需抓取的高度值，控制器將該層的高度信號轉(zhuǎn)化 為調(diào)節(jié)時間內(nèi)電流的大小，電流通過電磁鐵后產(chǎn)生電磁力，經(jīng)過調(diào)節(jié)時間的積分作用，產(chǎn)生 基本體頂針的位置移動，然后傳感器反饋高度信號，所述控制器將偏差進(jìn)行修正，直到基本 體頂針的實際高度與該層高度的基本體頂針的需抓取的高度值一致，完成該層高度的基本 體頂針的調(diào)形；
[0016] S22,參照步驟S21進(jìn)行下一層高度的基本體頂針的調(diào)形，直至將基本體頂針移動 到設(shè)定高度值；
[0017] S3,測量完成調(diào)形的多點成形柔性模具的型面：先使用三坐標(biāo)測量儀測量完成調(diào) 形的多點成形柔性模具的X軸和Y軸的位置坐標(biāo)；再用萬能工具顯微鏡通過光學(xué)非接觸測 量完成調(diào)形的多點成形柔性模具的基本體頂針的Z軸高度。
[0018] 上述的一種多點成形柔性模具的調(diào)形方法，其中，步驟Sl中，將每層高度的基本 體頂針抓取至相應(yīng)高度值所需磁力的閾值需要保證電磁鐵和每層高度的基本體頂針相距 Imm時吸引力大于摩擦力，同時在電磁鐵和該層高度的基本體頂針相距2_時吸引力小于 摩擦力。
[0019] 上述的一種多點成形柔性模具的調(diào)形方法，其中，步驟S2中，所述電磁鐵包括外 殼和呈3X3矩陣排列的九個電磁螺線管，所述外殼的材質(zhì)為鐵，并呈一端開口的箱體結(jié) 構(gòu)，所述九個電磁螺線管分別從所述外殼的開口端插入并固定在該外殼內(nèi)，所述外殼的殼 壁上開設(shè)有若干散熱孔。
[0020] 上述的一種多點成形柔性模具的調(diào)形方法，其中，所述電磁鐵和基本體頂針之間 設(shè)置有厚度為0. 5mm的有機玻璃板，當(dāng)電磁鐵產(chǎn)生吸力時，將基本體頂針吸到接觸所述有 機玻璃板為止。
[0021] 上述的一種多點成形柔性模具的調(diào)形方法，其中，所述電磁鐵的外殼的開口端設(shè) 置一磁路集縮板，所述磁路集縮板包括由不導(dǎo)磁材料制成的基板以及垂直穿插在基板上的 九個導(dǎo)磁管，所述九個導(dǎo)磁管一一對應(yīng)地與所述九個電磁螺線管相連。
[0022] 上述的一種多點成形柔性模具的調(diào)形方法，其中，所述基板由聚四氟乙烯材料制 成，每個所述導(dǎo)磁管的直徑為1mm，九個所述導(dǎo)磁管的尾端位于同一平面。
[0023] 上述的一種多點成形柔性模具的調(diào)形方法，其中，步驟S4中，所述三坐標(biāo)測量儀 采用加長紅寶石測頭，并且該加長紅寶石測頭在測量過程里始終保持與基本體頂針垂直， 所述萬能工具顯微鏡防止基本體頂針因測量而誤移動，在顯微鏡的放大和綠色激光背光源 的作用下，基本體頂針的端部被放大了 20倍，通過光學(xué)變焦對齊后，使用電腦讀數(shù)，可以精 確的測量每一層上每一根基本體頂針的高度值。
[0024] 本發(fā)明的多點成形柔性模具的調(diào)形方法，針對柔性模具調(diào)形時間長和結(jié)構(gòu)復(fù)雜這 兩個核心問題，通過離散型面成形機理的研究，驗證了電磁調(diào)形的可行性，并通過理論計算 和有限元分析，分別模擬了磁路集縮系統(tǒng)角點、邊中點和正中間三個典型位置的磁場大小 分布，精確控制磁場矩陣的閾值范圍，實現(xiàn)了磁場分層掃描控制。通過對柔性模具各個模塊 的重新設(shè)計，簡化了模具的機械機構(gòu)，以機械結(jié)構(gòu)和電子系統(tǒng)的分離提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和 使用壽命，經(jīng)過不斷的試驗、分析和優(yōu)化，完成了多點成形柔性模具的磁場矩陣控制快速調(diào) 形，大大縮短了柔性模具的調(diào)形時間。同時，優(yōu)化了新結(jié)構(gòu)的柔性模具調(diào)形精度，達(dá)到了預(yù) 期的設(shè)計要求，使柔性模具更接近實際工程應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1是電磁調(diào)形的原理簡圖；
[0026] 圖2是實施例中磁場分層掃描控制的流程示意圖；
[0027] 圖3是每層高度的基本體頂針的調(diào)形的流程圖；
[0028] 圖4是實施例中單個電磁螺線管抓取基本體頂針的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖5是實施例中磁路集縮板的工作原理圖。

【具體實施方式】
[0030] 下面將結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0031] 本發(fā)明的實施例，一種多點成形柔性模具的調(diào)形方法，包括以下步驟：
[0032] S1，根據(jù)多點成形柔性模具所需調(diào)成的形狀，設(shè)定基本體頂針需抓取的高度值，將 該設(shè)定高度值分成若干層，設(shè)定每層高度需抓取的基本體頂針的數(shù)量，并設(shè)定將基本體頂 針抓取至相應(yīng)高度所需磁力的閾值，該磁力的閾值需要保證電磁鐵和每層高度的基本體頂 針相距Imm時吸引力大于摩擦力，同時在電磁鐵和該層高度的基本體頂針相距2mm時吸引 力小于摩擦力；
[0033] S2,多點成形柔性模具的磁場分層掃描控制調(diào)形，采用磁場分層掃描控制來實現(xiàn) 對基本體頂針的設(shè)定高度值的調(diào)節(jié)，基本體頂針采用逐段抓取的方式，利用多次抓取的定 量位移之和，達(dá)到設(shè)定高度值，請參閱圖2,若將基本體頂針3需抓取的設(shè)定高度值分成a、 b、c三層，先將基本體頂針3從a移動至b，再將基本體頂針3從b移動至c，最終的位移就 是基本體頂針需抓取的設(shè)定高度值，包括以下工序：
[0034] S21，請參閱圖3,根據(jù)每層高度的基本體頂針需抓取的高度值Xr，控制器1將該層 的高度信號轉(zhuǎn)化為調(diào)節(jié)時間內(nèi)電流i的大小，電流通過電磁鐵2后產(chǎn)生電磁力f，經(jīng)過調(diào)節(jié) 時間的積分作用，產(chǎn)生該層基本體頂針3的位置移動Z，然后傳感器4反饋高度信號，控制器 1將偏差Xc進(jìn)行修正，直到基本體頂針3的實際高度與該層高度的基本體頂針的需抓取的 高度值Xr -致，完成該層高度的基本體頂針的調(diào)形；
[0035] S22,參照步驟S21進(jìn)行下一層高度的基本體頂針的調(diào)形，直至將基本體頂針移動 到設(shè)定高度值；
[0036] S3,測量完成調(diào)形的多點成形柔性模具的型面：先使用三坐標(biāo)測量儀測量完成調(diào) 形的多點成形柔性模具的X軸和Y軸的位置坐標(biāo)；再用萬能工具顯微鏡通過光學(xué)非接觸測 量完成調(diào)形的多點成形柔性模具的基本體頂針的Z軸高度。
[0037] 三坐標(biāo)測量儀采用加長紅寶石測頭，并且該加長紅寶石測頭在測量過程里始終保 持與基本體頂針垂直，萬能工具顯微鏡防止基本體頂針因測量而誤移動，在顯微鏡的放大 和綠色激光背光源的作用下，基本體頂針的端部被放大了 20倍，通過光學(xué)變焦對齊后，使 用電腦讀數(shù)，可以精確的測量每一層上每一根基本體頂針的高度值。
[0038] 通過分析，發(fā)現(xiàn)利用電磁場作用力和空間分布，作為模具基本體高度的調(diào)整機制， 將接觸式調(diào)形變?yōu)榉墙佑|式調(diào)形，具有技術(shù)可行性，如圖1是電磁調(diào)形的原理簡圖，利用電 磁鐵2'通電產(chǎn)生磁場，使基本體Γ感應(yīng)產(chǎn)生電磁吸引力，達(dá)到移動基本體Γ的目的。這 樣不僅可以大大簡化系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，還能增加調(diào)形時的動態(tài)性能，進(jìn)一步減少調(diào)形時間。
[0039] 為了進(jìn)一步提高效率，縮短調(diào)形時間，電磁鐵包括外殼和呈3X3矩陣排列的九個 電磁螺線管，外殼的材質(zhì)為鐵，并呈一端開口的箱體結(jié)構(gòu)，九個電磁螺線管分別從所述外殼 的開口端插入并固定在該外殼內(nèi)，使用呈3X3矩陣排列的九個電磁螺線管同時調(diào)形。鐵質(zhì) 材料的外殼，用于屏蔽磁力線，其原理是提前形成磁路，減少漏磁的產(chǎn)生，電磁鐵在通電時， 電磁螺線管的電阻會產(chǎn)生一定的熱量，因此，在外殼的殼壁上設(shè)置若干散熱孔，以便電磁鐵 工作在較低溫度，防止溫升造成的參數(shù)變化。
[0040] 再請參閱圖4,電磁鐵和基本體頂針3之間設(shè)置有厚度為0. 5mm的有機玻璃板5， 當(dāng)電磁鐵產(chǎn)生吸力時，電磁鐵的電磁螺線管21將基本體頂針3吸到接觸所述有機玻璃板5 為止。
[0041] 磁場分層掃描控制調(diào)形是利用有機玻璃板5限位來實現(xiàn)的，在電磁螺線管21與基 本體頂針之間加入一塊不導(dǎo)磁的有機玻璃板5,作用是當(dāng)電磁鐵產(chǎn)生吸力時，將基本體頂針 3吸到接觸有機玻璃板5為止，起到限位的效果。然后電磁鐵在有機玻璃板5上根據(jù)程序 移動，程序控制是否抓取該位置的基本體頂針3, 一直重復(fù)這個過程，直到這一層高度需要 抓取的基本體頂針3都被吸到有機玻璃板5上，即完成了這一層高度的基本體頂針的調(diào)形。 接著，電磁鐵上移，進(jìn)行下一層高度的基本體頂針3的調(diào)形。
[0042] 由于有機玻璃板5的磁導(dǎo)率接近空氣，磁阻很大，為此需選用盡量薄的厚度，同時 基本體頂針在磁力的作用下加速運動，最后撞擊在有機玻璃板5上停止，會產(chǎn)生很大的噪 音，更會產(chǎn)生強烈的振動，這對柔性模具的成型精度是很大的破壞，為此，根據(jù)經(jīng)驗選用了 厚度為〇. 5mm的有機玻璃材料制作，減少了磁力的損失，同時起到了一定的抑振效果。
[0043] 再請參閱圖5,為了進(jìn)一步提高電磁鐵對基本體的控制精度，設(shè)計了磁路集縮板， 電磁鐵的外殼的開口端設(shè)置一磁路集縮板，磁路集縮板包括由不導(dǎo)磁材料制成的基板以及 垂直穿插在基板上的九個導(dǎo)磁管61，九個導(dǎo)磁管61-一對應(yīng)地與九個電磁螺線管21相連。
[0044] 每個導(dǎo)磁管61的直徑d為1mm，九個導(dǎo)磁管61的尾端位于同一平面。磁路集縮 板利用導(dǎo)磁材料磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣磁導(dǎo)率的特點，將電磁螺線管21中磁力線束縛在導(dǎo)磁 管61中，由于導(dǎo)磁管61的磁飽和值較大，可以起到增加磁密的作用，在保持磁場強度不變 的情況下，通過幾何尺寸的減少，實現(xiàn)抓取系統(tǒng)處于可控范圍。其中，各導(dǎo)磁管61的磁路部 分互不平形，減少相互之間磁場的影響；導(dǎo)磁管61的頭部彎折，保持最后輸出的磁場垂直 同一平面，利于調(diào)整其法向磁力的大小。
[0045] 考慮到導(dǎo)磁管61相互之間會受到漏磁磁場和基本體頂針的反作用力，直徑Imm的 導(dǎo)磁管61為懸臂梁結(jié)構(gòu)，機械強度較差，會產(chǎn)生一定的撓度和變形。因此，在實際設(shè)計中， 采用了在不導(dǎo)磁材料制成的基板中鑲?cè)雽?dǎo)磁管61的辦法，提高磁路集縮板整體的機械強 度。同時，基板也可作為有機玻璃板5的代用品，控制抓取高度。經(jīng)過反復(fù)實驗，最后選用 了聚四氟乙烯材料制作基板，選用聚四氟乙烯材料的原因是其具有最合適的理化性能。
[0046] 在滿足了電磁抓取系統(tǒng)原理上可行的分析后，最關(guān)鍵的核心技術(shù)是分層掃描控制 中，需要設(shè)定每層抓取磁力的閾值，使得不需要被抓取的下層頂針不被誤操作抓取上來，這 是準(zhǔn)確抓取頂針的必要條件。
[0047] 對于Imm精度的分層抓取系統(tǒng)，要求在電磁鐵和頂針相距Imm時吸引力大于摩擦 力，同時在2_時吸引力小于摩擦力，此時頂針保持靜止，達(dá)到分層抓取的目的。使用ANSYS 進(jìn)行系統(tǒng)整體的有限元分析，分別計算基本體頂針和集縮板磁導(dǎo)管相距2_和Imm時的磁 力大小。電磁鐵抓取基本體頂針的摩擦力合力為〇· 001715X9 = 0· 015435N。匯總受力情 況，如表1所示不同間距受力與摩擦力關(guān)系，2mm處的吸引力小于摩擦力，上層頂針不發(fā)生 移動；Imm處的吸引力大于摩擦力，故本層的頂針被抓取，符合分層掃描控制的每層抓取磁 力的閾值的要求。

【權(quán)利要求】
1. 一種多點成形柔性模具的調(diào)形方法，其特征在于，包括以下步驟： S1，根據(jù)多點成形柔性模具所需調(diào)成的形狀，設(shè)定基本體頂針需抓取的高度值，將該設(shè) 定高度值分成若干層，設(shè)定每層高度需抓取的基本體頂針的數(shù)量，并設(shè)定將基本體頂針抓 取至相應(yīng)高度所需磁力的閾值； 52, 多點成形柔性模具的磁場分層掃描控制調(diào)形，采用磁場分層掃描控制來實現(xiàn)對基 本體頂針的設(shè)定高度值的調(diào)節(jié)，基本體頂針采用逐段抓取的方式，利用多次抓取的定量位 移之和，達(dá)到設(shè)定高度值，包括以下工序： S21，根據(jù)每層高度的基本體頂針需抓取的高度值，控制器將該層的高度信號轉(zhuǎn)化為調(diào) 節(jié)時間內(nèi)電流的大小，電流通過電磁鐵后產(chǎn)生電磁力，經(jīng)過調(diào)節(jié)時間的積分作用，產(chǎn)生基本 體頂針的位置移動，然后傳感器反饋高度信號，所述控制器將偏差進(jìn)行修正，直到基本體頂 針的實際高度與該層高度的基本體頂針的需抓取的高度值一致，完成該層高度的基本體頂 針的調(diào)形； S22,參照步驟S21進(jìn)行下一層高度的基本體頂針的調(diào)形，直至將基本體頂針移動到設(shè) 定高度值； 53, 測量完成調(diào)形的多點成形柔性模具的型面：先使用三坐標(biāo)測量儀測量完成調(diào)形的 多點成形柔性模具的X軸和Y軸的位置坐標(biāo)；再用萬能工具顯微鏡通過光學(xué)非接觸測量完 成調(diào)形的多點成形柔性模具的基本體頂針的Z軸高度。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種多點成形柔性模具的調(diào)形方法，其特征在于，步驟S1中， 將每層高度的基本體頂針抓取至相應(yīng)高度值所需磁力的閾值需要保證電磁鐵和每層高度 的基本體頂針相距1mm時吸引力大于摩擦力，同時在電磁鐵和該層高度的基本體頂針相距 2mm時吸引力小于摩擦力。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種多點成形柔性模具的調(diào)形方法，其特征在于，步驟S2中，所 述電磁鐵包括外殼和呈3X3矩陣排列的九個電磁螺線管，所述外殼的材質(zhì)為鐵，并呈一端 開口的箱體結(jié)構(gòu)，所述九個電磁螺線管分別從所述外殼的開口端插入并固定在該外殼內(nèi)， 所述外殼的殼壁上開設(shè)有若干散熱孔。
4. 如權(quán)利要求1或3所述的一種多點成形柔性模具的調(diào)形方法，其特征在于，所述電磁 鐵和基本體頂針之間設(shè)置有厚度為0. 5mm的有機玻璃板，當(dāng)電磁鐵產(chǎn)生吸力時，將基本體 頂針吸到接觸所述有機玻璃板為止。
5. 如權(quán)利要求3所述的一種多點成形柔性模具的調(diào)形方法，其特征在于，所述電磁鐵 的外殼的開口端設(shè)置一磁路集縮板，所述磁路集縮板包括由不導(dǎo)磁材料制成的基板以及垂 直穿插在基板上的九個導(dǎo)磁管，所述九個導(dǎo)磁管一一對應(yīng)地與所述九個電磁螺線管相連。
6. 如權(quán)利要求5所述的一種多點成形柔性模具的調(diào)形方法，其特征在于，所述基板由 聚四氟乙烯材料制成，每個所述導(dǎo)磁管的直徑為1mm，九個所述導(dǎo)磁管的的尾端位于同一平 面。
7. 如權(quán)利要求1所述的一種多點成形柔性模具的調(diào)形方法，其特征在于，步驟S4中，所 述三坐標(biāo)測量儀采用加長紅寶石測頭，并且該加長紅寶石測頭在測量過程里始終保持與基 本體頂針垂直；所述萬能工具顯微鏡防止基本體頂針因測量而誤移動，在顯微鏡的放大和 綠色激光背光源的作用下，基本體頂針的端部被放大了 20倍，通過光學(xué)變焦對齊后，使用 電腦讀數(shù)，可以精確的測量每一層上每一根基本體頂針的高度值。
【文檔編號】H02K15/00GK104393717SQ201410775418
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月15日
【發(fā)明者】陸犇, 詹順余, 張巍 申請人:上海電氣集團(tuán)上海電機廠有限公司