CN102082319A - 一种天线罩成型模具型面修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天线罩成型模具型面修正方法，技术特征在于：利用数控测量机测量天线罩实物的外形曲面，得到天线罩的测量点云数据。通过天线罩测量点云测量与天线罩的设计曲面进行匹配，计算出两者之间的偏差，以此偏差值为变形量，在天线罩成型模具设计时对模具型面做相应的修正，进而快速制造出高精度的天线罩。本发明通过变形规律及各点的变形计算对天线罩成型模具型面进行修正，提高了天线罩成型精度。相比于常规试模修模方法，减少了试模、修模次数及模具设计时间，提高了材料利用，显著降低天线罩制造成本。

Description

一种天线罩成型模具型面修正方法

技术领域

本发明涉及一种天线罩成型模具型面修正方法，涉及飞机复合材料天线罩成型模具的型面修正技术。

背景技术

目前，飞机天线罩采用复合材料制造，天线罩外形复杂且采用热压罐成型。成型模具材料为铸铝或铸铁时，由于模具材料与天线罩材料热膨胀系数的差异，以及复合材料固化过程中加温、加压对模具造成的应力应变影响，成型后的天线罩将产生较大的变形，如某型飞机翼尖天线罩最大误差达到10mm，对天线罩气动外形、透波率产生影响，并对装配提出了更高的要求。因此提高天线罩产品精度是亟待解决的问题。

在制造易发生固化变形同时又具有严格型面精度要求的复合材料天线罩时，目前通常采用的方法为：

1)根据天线罩的设计形状制造模具；

2)制造工艺试验件；

3)根据工艺试验件的固化变形量调整固化工艺规范或修正模具型面；

4)再次制造工艺试验件；

5)再次根据工艺试验件的固化变形量调整固化工艺规范或修正模具型面；

6)重复上述过程直至构件固化后形状满足设计要求。

这种“试错法”可以在一定程度上解决天线罩固化变形引起的问题，使零件质量达到设计要求，但要浪费大量工时和耗费材料。

虽然复合材料在国内应用日益广泛，但由于复合材料结构复杂，成型过程影响因素较多，因此目前从理论方面预测天线罩成型的变形有较大难度。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种天线罩成型模具型面修正方法，针对飞机天线罩在加热固化过程中变形问题，在原材料、成型设备和现有的成型工艺的情况下的型面修正方法，从而减少试模、修模的次数并得到较高精度的天线罩。

技术方案

一种天线罩成型模具型面修正方法，其特征在于步骤如下：

步骤1确定天线罩设计曲面最高点和测量点云数据的最高点：

采用初始模具加工天线罩，利用数控测量机测量天线罩的外形曲面，得到天线罩的测量点云数据，将天线罩的测量点云数据按Z轴坐标进行排序，最大Z值的点为初始模具加工的天线罩最高点(x_h，y_h，z_h)；所述初始模具的型面来源于天线罩的设计曲面；

采用CATIA软件将天线罩的设计曲面进行离散得到天线罩的设计曲面点云数据，设计曲面建模时的最高点(0，0，0)为点云数据的最高点；

步骤2确定天线罩设计曲面点云数据的最高点法线和测量点云数据的最高点法线：

采用双三次B样条插值对天线罩的测量点云数据进行拟合，得到测量点云数据的最高点处曲面片参数方程：r＝r(u，v)，其中u为测量点云数据的最高点处曲面片截面参数方向，v为测量点云数据的最高点处曲面片另一控制参数方向；

通过曲面片参数方程求出通过最高点处r＝r(u₀，v₀)的两个方向切矢：u向切矢

v向切矢

计算出最高点的单位法矢： $\stackrel{\→}{n}=\frac{r_u(u_0,v_0)\×r_v(u_0,v_0)}{|r_u(u_0,v_0)\×r_v(u_0,v_0)|};$

采用双三次B样条插值对天线罩的设计曲面点云数据进行拟合，得到设计曲面点云数据的最高点处曲面片参数方程：r′＝r′(u′，v′)，其中u′为设计曲面点云数据的最高点处曲面片截面参数方向，v′为设计曲面点云数据的最高点处曲面片另一控制参数方向；通过曲面片参数方程求出通过最高点处r′＝r′(u′₀，v′₀)的两个方向切矢：u′向切矢

v′向切矢

进而计算出最高点的单位法矢： ${\stackrel{\→}{n}}^{\′}=\frac{r_{u^{\′}}^{\′}(u_0^{\′},v_0^{\′})\×r_{v^{\′}}^{\′}(u_0^{\′},v_0^{\′})}{|r_{u^{\′}}^{\′}(u_0^{\′},v_0^{\′})\×r_{v^{\′}}^{\′}(u_0^{\′},v_0^{\′})|};$

步骤3合天线罩设计曲面点云数据的最高点和测量点云数据的最高点：

计算天线罩测量点云数据的最高点(x_h，y_h，z_h)平移至天线罩设计曲面点云数据的最高点(0，0，0)的平移向量(-x_h，-y_h，-z_h)，将天线罩测量点云数据中所有点按向量(-x_h，y_h，-z_h)进行平移，使得天线罩设计曲面点云数据的最高点和测量点云数据的最高点的重合；

步骤4重合天线罩设计曲面点云数据的最高点法线和测量点云数据的最高点法线：

根据天线罩测量点云数据的最高点法线

旋转至天线罩设计曲面点云数据的最高点法线

方向的旋转角度α，β，γ和旋转变换矩阵，分别绕X、Y、Z轴进行旋转，将天线罩测量点的坐标(x，y，z)旋转为坐标(x′，y′，z′)；

x轴旋转变换矩阵

旋转角度为α，

y轴旋转变换矩阵旋转角度为β，

z轴旋转变换矩阵

旋转角度为，

所述α，β，γ符合右手螺旋规则；

步骤5计算天线罩测量点云数据在天线罩设计曲面上的投影点：

通过旋转后得到的天线罩测量点坐标(x′，y′，z′)和天线罩设计曲面，利用VB对CATIA进行二次开发，调用CATIA中创成式外形设计模块的投影功能，计算天线罩测量点在天线罩设计曲面上的投影点坐标；

步骤6计算最小距离目标函数，匹配测量曲面和设计曲面：

将天线罩测量点云数据以天线罩设计曲面点云数据的最高点法线为旋转轴，在0°～360°的范围内旋转并以角度增量为1°计算距离目标函数F，以距离目标函数的最小值

所对应的旋转角度η为天线罩测量点云数据和天线罩设计曲面点云数据的匹配位置，实现测量曲面和设计曲面匹配；所述距离目标函数F为天线罩测量点云数据点p(x_i，y_i，z_i)到天线罩设计曲面上对应投影点p′(x′_i，y′_i，z′_i)的距离平方和其中 $d_i=\sqrt{(x_i-x_i^{\′})+(y_i-y_i^{\′})+(z_i-z^{\′})};$

步骤7在天线罩设计曲面上进行反向补偿修正天线罩成型模具型面：

以

对天线罩设计曲面进行修正，将所有修正曲面上对应点坐标导入CATIA的Digitized Shape Editor模块中，利用Mesh Creation功能生成天线罩成型模具型面的修正曲面；其中：O为原点，e为修正系数，

(x_i，y_i，z_i)为测量点云数据点，(x′_i，y′_i，z′_i)为该点在天线罩设计曲面的投影点，所述的修正系数e为-1～0。

所述的修正系数e＝-0.8。

有益效果

本发明提出的一种天线罩成型模具型面修正方法，利用数控测量机测量天线罩实物的外形曲面，得到天线罩的测量点云数据。通过天线罩测量点云测量与天线罩的设计曲面进行匹配，计算出两者之间的偏差，以此偏差值为变形量，在天线罩成型模具设计时对模具型面做相应的修正，进而快速制造出高精度的天线罩，满足设计和使用要求。

本发明通过变形规律及各点的变形计算对天线罩成型模具型面进行修正，提高了天线罩成型精度。相比于常规试模修模方法，减少了试模、修模次数及模具设计时间，提高了材料利用，显著降低天线罩制造成本。

附图说明

图1：本发明方法流程图

图2：基于最高点及其法线不变的曲面匹配示意图；

A-最高点，B-天线罩热变形后的曲面，C-天线罩设计曲面；

图3：最高点及其法线重合示意图；

图4：曲面匹配前后结果对比；

a：曲面匹配前，b曲面匹配前后

图5：型面修正后拟合的曲面；

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

采用初始模具加工天线罩，利用数控测量机测量天线罩的外形曲面，得到天线罩的测量点云数据，所述初始模具的型面来源于天线罩的设计曲面。将天线罩的测量点云数据按Z轴坐标进行排序，Z轴坐标最大的点为初始模具加工的天线罩最高点(x_h，y_h，z_h)；采用CATIA软件将天线罩的设计曲面进行离散得到天线罩的设计曲面点云数据，坐标原点(0，0，0)为设计曲面建模时的最高点。

●确定天线罩设计曲面点云数据的最高点法线和测量点云数据的最高点法线

采用双三次B样条插值对天线罩的测量点云数据进行拟合，得到测量点云数据的最高点处曲面片参数方程：r＝r(u，v)，其中u为测量点云数据的最高点处曲面片截面参数方向，v为测量点云数据的最高点处曲面片另一控制参数方向。通过曲面片参数方程求出通过最高点处r＝r(u₀，v₀)的两个方向切矢：u向切矢

向切矢

进而计算出最高点的单位法矢： $\stackrel{\→}{n}=\frac{r_u(u_0,v_0)\×r_v(u_0,v_0)}{|r_u(u_0,v_0)\×r_v(u_0,v_0)|}.$

采用双三次B样条插值对天线罩的设计曲面点云数据进行拟合，得到设计曲面点云数据的最高点处曲面片参数方程：r′＝r′(u′，v′)，其中u′为设计曲面点云数据的最高点处曲面片截面参数方向，v′为设计曲面点云数据的最高点处曲面片另一控制参数方向。通过曲面片参数方程求出通过最高点处r′＝r′(u′₀，v′₀)的两个方向切矢：u′向切矢

v′向切矢

进而计算出最高点的单位法矢： ${\stackrel{\→}{n}}^{\′}=\frac{r_{u^{\′}}^{\′}(u_0^{\′},v_0^{\′})\×r_{v^{\′}}^{\′}(u_0^{\′},v_0^{\′})}{|r_{u^{\′}}^{\′}(u_0^{\′},v_0^{\′})\×r_{v^{\′}}^{\′}(u_0^{\′},v_0^{\′})|}.$

本实施例中最高点处的点云进行曲面拟合时，天线罩的测量点云数据和设计曲面点云数据都采用双三次B样条插值拟合得到最高点处点云数据曲面片参数方程，分别求出天线罩的测量点云数据和设计曲面点云数据的最高点两个参数方向的切矢，继而求出两个最高点的法矢

本实施例中：天线罩的测量点云数据最高点和设计曲面点云数据最高点重合，将测量点云数据进行旋转变换使其最高点法线与设计曲面点云数据最高点的法线方向重合，旋转变换矩阵R为 $R=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 1\\ 0& 1& 0\\ -1& 0& 0\end{array}\right].$

●重合天线罩设计曲面点云数据的最高点和测量点云数据的最高点

计算天线罩测量点云数据的最高点(x_h，y_h，z_h)平移至天线罩设计曲面点云数据的最高点(0，0，0)的平移向量(-x_h，y_h，-z_h)，将天线罩测量点云数据中所有点按向量(-x_h，-y_h，-z_h)进行平移，使得天线罩设计曲面点云数据的最高点和测量点云数据的最高点的重合。

●重合天线罩设计曲面点云数据的最高点法线和测量点云数据的最高点法线计算天线罩测量点云数据的最高点法线

旋转至天线罩设计曲面点云数据的最高点法线

方向的旋转角度α，β，γ，其中α，β，γ分别为绕X、Y、Z轴的旋转角度。利用旋转变换将天线罩测量点云数据进行旋转变换，使天线罩测量点云数据最高点法线与天线罩设计曲面点云数据的最高点法线重合，设旋转前测量点的坐标为(x，y，z)，R为旋转变换矩阵，旋转后坐标为(x′，y′，z′)，(x′，y′，z′)＝(x，y，z)R，其中 $R=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}\\ 0& -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right],$ $R=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& 0& -\sin \mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right],$ $R=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}& 0\\ -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$ 分别为绕X、Y、Z轴旋转时的旋转变换矩阵，α，β，γ符合右手螺旋规则。

本实施例中天线罩的测量点云数据以过最高点p₀(p′₀)的矢量

为旋转轴绕旋转，旋转角在0～360°的范围内以距离目标函数作优化，找出使得F(η)最小的η＝2°，根据η值求解转换矩阵完成天线罩的测量点云数据最高点和设计曲面点云数据的匹配，匹配前后结果如图4所示。

●计算天线罩测量点云数据在天线罩设计曲面上的投影点

利用VB对CATIA进行二次开发，调用CATIA中创成式外形设计模块的投影功能，通过读取天线罩测量点坐标和选取天线罩设计曲面，计算并输出天线罩测量点在天线罩设计曲面上的投影点坐标。

●计算最小距离目标函数，匹配测量曲面和设计曲面

将天线罩测量点云数据以天线罩设计曲面点云数据的最高点法线为旋转轴，在0°～360°的范围内旋转并以角度增量为1°计算距离目标函数F，所述距离目标函数F为天线罩测量点云数据点p(x_i，y_i，z_i)到天线罩设计曲面上对应投影点p′(x′_i，y′_i，z′_i)的距离平方和

其中

以距离目标函数的最小值

所对应的旋转角度η为天线罩测量点云数据和天线罩设计曲面点云数据的匹配位置，实现测量曲面和设计曲面匹配。

●修正天线罩成型模具型面

在天线罩设计曲面上进行反向补偿即可得到模具的修正曲面。设测量点云数据点为p(x_i，y_i，z_i)，该点在天线罩设计曲面的投影点为p′(x′_i，y′_i，z′_i)，修正曲面上对应的点为p″(x″_i，y″_i，z″_i)，则

其中O为原点，e为修正系数，

修正系数e由经验给定或多次试验总结给出为-1～0，本文给定修正系数e＝-0.8即可求出修正曲面上对应点坐标，将所有修正曲面上对应点坐标导入CATIA的Digitized Shape Editor模块中，利用Mesh Creation功能生成天线罩成型模具型面的修正曲面。

本实施例中计算各测量点云数据在设计曲面上的投影点，并计算各测量点与其对应投影点的距离，其中最大距离即天线罩的最大变形误差为4.88mm，天线罩变形较大。根据变形补偿原理对理论曲面进行反向补偿，计算出修正曲面各点坐标，生成点云，将所有的点云拟合成曲面如图5所示。

Claims (2)

1.一种天线罩成型模具型面修正方法，其特征在于步骤如下：

步骤1确定天线罩设计曲面最高点和测量点云数据的最高点：

采用初始模具加工天线罩，利用数控测量机测量天线罩的外形曲面，得到天线罩的测量点云数据，将天线罩的测量点云数据按Z轴坐标进行排序，最大Z值的点为初始模具加工的天线罩最高点(x_h，y_h，z_h)；所述初始模具的型面来源于天线罩的设计曲面；

采用CATIA软件将天线罩的设计曲面进行离散得到天线罩的设计曲面点云数据，设计曲面建模时的最高点(0，0，0)为点云数据的最高点；

步骤2确定天线罩设计曲面点云数据的最高点法线和测量点云数据的最高点法线：

采用双三次B样条插值对天线罩的测量点云数据进行拟合，得到测量点云数据的最高点处曲面片参数方程：r＝r(u，v)，其中u为测量点云数据的最高点处曲面片截面参数方向，v为测量点云数据的最高点处曲面片另一控制参数方向；

通过曲面片参数方程求出通过最高点处r＝r(u₀，v₀)的两个方向切矢：u向切矢

v向切矢

计算出最高点的单位法矢： $\stackrel{\→}{n}=\frac{r_u(u_0,v_0)\×r_v(u_0,v_0)}{|r_u(u_0,v_0)\×r_v(u_0,v_0)|};$

采用双三次B样条插值对天线罩的设计曲面点云数据进行拟合，得到设计曲面点云数据的最高点处曲面片参数方程：r′＝r′(u′，v′)，其中u′为设计曲面点云数据的最高点处曲面片截面参数方向，v′为设计曲面点云数据的最高点处曲面片另一控制参数方向；通过曲面片参数方程求出通过最高点处r′＝r′(u′₀，v′₀)的两个方向切矢：u′向切矢

v′向切矢

进而计算出最高点的单位法矢： ${\stackrel{\→}{n}}^{\′}=\frac{r_{u^{\′}}^{\′}(u_0^{\′},v_0^{\′})\×r_{v^{\′}}^{\′}(u_0^{\′},v_0^{\′})}{|r_{u^{\′}}^{\′}(u_0^{\′},v_0^{\′})\×r_{v^{\′}}^{\′}(u_0^{\′},v_0^{\′})|};$

步骤3合天线罩设计曲面点云数据的最高点和测量点云数据的最高点：

计算天线罩测量点云数据的最高点(x_h，y_h，z_h)平移至天线罩设计曲面点云数据的最高点(0，0，0)的平移向量(-x_h，-y_h，-x_h)，将天线罩测量点云数据中所有点按向量(-x_h，-y_h，-z_h)进行平移，使得天线罩设计曲面点云数据的最高点和测量点云数据的最高点的重合；

步骤4重合天线罩设计曲面点云数据的最高点法线和测量点云数据的最高点法线：

根据天线罩测量点云数据的最高点法线

旋转至天线罩设计曲面点云数据的最高点法线

方向的旋转角度α，β，γ和旋转变换矩阵，分别绕X、Y、Z轴进行旋转，将天线罩测量点的坐标(x，y，z)旋转为坐标(x′，y′，z′)；

x轴旋转变换矩阵

旋转角度为α，

y轴旋转变换矩阵

旋转角度为β，

z轴旋转变换矩阵

旋转角度为，

所述α，β，γ符合右手螺旋规则；

步骤5计算天线罩测量点云数据在天线罩设计曲面上的投影点：

通过旋转后得到的天线罩测量点坐标(x′，y′，z′)和天线罩设计曲面，利用VB对CATIA进行二次开发，调用CATIA中创成式外形设计模块的投影功能，计算天线罩测量点在天线罩设计曲面上的投影点坐标；

步骤6计算最小距离目标函数，匹配测量曲面和设计曲面：

将天线罩测量点云数据以天线罩设计曲面点云数据的最高点法线为旋转轴，在0°～360°的范围内旋转并以角度增量为1°计算距离目标函数F，以距离目标函数的最小值

所对应的旋转角度η为天线罩测量点云数据和天线罩设计曲面点云数据的匹配位置，实现测量曲面和设计曲面匹配；所述距离目标函数F为天线罩测量点云数据点p(x_i，y_i，z_i)到天线罩设计曲面上对应投影点p′(x′_i，y′_i，z′_i)的距离平方和其中 $d_i=\sqrt{(x_i-x_i^{\′})+(y_i-y_i^{\′})+(z_i-z^{\′})};$

步骤7在天线罩设计曲面上进行反向补偿修正天线罩成型模具型面：

以对天线罩设计曲面进行修正，将所有修正曲面上对应点坐标导入CATIA的Digitized Shape Editor模块中，利用Mesh Creation功能生成天线罩成型模具型面的修正曲面；其中：O为原点，e为修正系数，

(x_i，y_i，z_i)为测量点云数据点，(x′_i，y′_i，z′_i)为该点在天线罩设计曲面的投影点，所述的修正系数e为-1～0。

2.根据权利要求1所述的天线罩成型模具型面修正方法，其特征在于：所述的修正系数e＝-0.8。

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