CN104616326B - 一种面向复合材料铺层单元数控下料工序的展开轮廓线修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种面向复合材料铺层单元数控下料工序的展开轮廓线修正方法，该方法的处理对象是铺层单元展开轮廓。首先对展开轮廓中不封闭的端点用直线段连接进行闭合，并对轮廓中圆弧段和样条线进行离散，同时分别用直线段首位连接离散点，得到只有直线段组成的铺层单元展开轮廓；其次删除展开轮廓中在一条直线段上的点，大幅度减少直线段多次拼接的线段数；最后删除展开轮廓中所有的凹点，得到全凸多边形，得到的展开轮廓用于后续的组合排样和数控下料。通过本发明的方法能够实现在保证展开单元轮廓几何形状基本不变的情况下快速减少轮廓线段数，相比于现有技术，本发明不仅仅能够快速判别并去除凹点，而且能够快速判别并去除轮廓中同一条直线上的点。

Description

一种面向复合材料铺层单元数控下料工序的展开轮廓线修正 方法

技术领域

本发明涉及一种面向复合材料铺层单元数控下料工序的展开轮廓线修正方法，属于飞机复合材料制造技术领域。

背景技术

复合材料是一种由高强度、高刚度增强材料铺设在基体中所构成的新型材料，由多种物理相组成，具有高比强度、高比模量、高比刚度、良好的抗疲劳性、抗腐蚀性、特殊的电磁性能和便于大面积整体成型等优点，被广泛应用于航空航天领域。典型的飞机复合材料构件有梁、肋、壁板、盒段，机身侧壁等。复合材料构件腹板多为平面结构，腹板周边存在弯边、下陷，为满足刚度、减重、制造、装配等需求，腹板上存在定位孔、装配孔等结构要素。

现代飞机的发展使得其外形变化更为复杂，同时对疲劳性能、飞行寿命的要求也越来越高，对复合材料构件的成型精度和成型质量提出了更高的要求，这就要求构件能够精确成型，特别是要求尽量减少手工修正量，甚至不允许手动修正。复合材料构件传统生产过程中，预浸料下料是一个费时、费力、繁琐的工序，手工下料需要很多人用刀子按样板形状手工切割，效率低、精度差，并且裁料时需要放样，浪费很严重。随着计算机技术和数控技术的不断发展，各种各样的软件和数控设备相继出现，使复合材料构件研制过程以数字量传递成为可能，为复合材料构件实现数字化技术创造了良好的条件。

自动剪裁机是复合材料预浸料数字化下料的专用设备。在进行预浸料下料时，将预浸料排样文件输入到自动剪裁机设备中，根据单元排样文件进行数控编程。现阶段用展开软件展开之后的铺层单元二维轮廓大多由小线段多次拼接而成，甚至有的展开轮廓不封闭，以此展开轮廓导入自动剪裁机设备后，系统根据轮廓几何信息自动生成数控代码，其中任意两条相邻线段之间的连接点是刀具的停顿点，因此展开轮廓中多次拼接的小线段势必会影响切割效率。因此需要对铺层单元展开轮廓进行修正，以便提高切割效率。

本专利研究的对象是下料工序过程中的铺层单元展开轮廓线修正问题。铺层单元展开轮廓线修正关键问题是在保证单元轮廓几何形状基本不变的情况下，使得轮廓中的线段数尽可能的少，也就是对展开轮廓中同一条直线上的点、凹凸点的处理问题。期刊文献中，管燕等人介绍了一种根据圆弧长度来判断轮廓线凹凸性的方法，依据内圆弧与背圆弧的曲率大小关系将轮廓分为凹状、凸状和直线段，进而判断轮廓线端点的凹凸性；黄洁琼等人介绍了一种AutoCAD中封闭轮廓凹凸性的判断方法，该方法中圆心角小于180°的圆弧用直线段代替，对封闭轮廓进行了简化；张荣国等人提出了一种计算轮廓局部三角形面积来判断局部区域凹凸方向，当三角形面积值为正时，局部区域是向外凸的，面积值为负时，局部区域是向内凹的；宋晓眉等人介绍了六种多边形顶点凹凸性判断方法，分别是角度法、左右点法、矢量面积法、向量积法、射线法和斜率法和极点顺序法。这些方法仅仅是在铺层单元展开轮廓中单纯的判别并去除凹点，而单纯的去除凹点并不能够有效的减少线段数，只有在去除凹点的基础上，同时判断并去除轮廓中同一条直线上的点，才能更高效的在保证单元轮廓几何形状基本不变的情况下，减少轮廓中的线段数。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种面向复合材料铺层单元数控下料工序的展开轮廓线修正方法，在保证展开单元轮廓几何形状基本不变的情况下快速减少轮廓线段数。

本发明的技术方案为：

所述一种面向复合材料铺层单元数控下料工序的展开轮廓线修正方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：通过以下步骤1.a对不闭合的铺层单元S^P展开轮廓C^U进行封闭化处理，得到封闭的展开轮廓C^C，所述封闭的展开轮廓C^C由直线段L^L、圆弧段L^C和样条线L^S组成；并通过以下步骤1.b对展开轮廓C^C中圆弧段L^C和样条线L^S进行离散，分别用直线段连接相邻离散点，得到只由直线段组成的封闭展开轮廓

步骤1.a：铺层单元S^P经CAD展开软件展开得到展开轮廓C^U，对于展开轮廓C^U中所有不闭合处的两个线段端点，均采用直线段连接相应的两个线段端点，得到新的展开轮廓C^C；

步骤1.b：对展开轮廓C^C中圆弧段L^C和样条线L^S进行离散，得到圆弧段L^C和样条线L^S离散点分别为用直线段分别连接圆弧段L^C和样条线L^S中的相邻离散点，分别得到近似逼近圆弧段L^C和样条线L^S的多边形 L^PC、L^PS与展开轮廓C^C中直线段L^L共同构成新的展开轮廓

步骤2：采用以下步骤2.a和步骤2.b删除展开轮廓线中在同一直线段上的点，得到新的展开轮廓线

步骤2.a：以展开轮廓线C^LU中任一连接点P_i(i＝3,4…I)为开始点，沿同一方向对展开轮廓C^LU进行搜索，判断搜索方向上连接点P_i(3≤i≤I)到线段P_i-2P_i-1的距离是否满足

公式中对应点坐标为P_i(x_i,y_i)、P_i-1(x_i-1,y_i-1)、P_i-2(x_i-2,y_i-2)；满足上述条件的连接点P_i为无效连接点P_i ^N，不满足上述条件的连接点P_i为有效连接点P_i ^P；

步骤2.b：若连接点P_i为无效连接点P_i ^N，则将线段P_i-1P_i的终点P_i(x_i,y_i)设置为线段P_i-2P_i-1的终点P_i-1(x_i-1,y_i-1)，采用线段P_i-2P_i替换原展开轮廓C^LU中的线段P_i-2P_i-1和P_{i- 1}P_i；若连接点P_i为有效连接点P_i ^P，则将P_i+1(i≤I)作为新的开始点，重复步骤2.a、2.b继续进行判断，直到i＝I为止，此时得到新的展开轮廓为C^NU；

步骤3采用以下步骤3.a和步骤3.b判断步骤2得到的新的展开轮廓线中连接点P_j(2≤j≤J)的凹凸性，删除展开轮廓C^NU中所有凹点，得到新的展开轮廓

步骤3.a；以展开轮廓线C^NU中任一连接点P_j(j＝2,3,…,J)为开始点进行搜索，开始点两个相邻边分别为P_j-1P_j、P_jP_j+1，方向向量分别为 其中对应点坐标为P_j(x_j,y_j)、P_j+1(x_j+1,y_j+1)、P_j-1(x_j-1,y_j-1)，与之间的夹角为θ，同时垂直于和的向量为则有 当搜索方向为沿轮廓线顺时针方向D^c时，若sinθ＞0，则连接点P_j为凸点，若sinθ＜0，则连接点P_j为凹点；当搜索方向为沿轮廓线逆时针方向D^ac时，若sinθ＞0，则连接点P_j为凹点，若sinθ＜0，则连接点P_j为凸点；

步骤3.b：如果开始点P_j为凸点，判断连接点P_j+1的凸凹性，若P_j+1为凸点，则将P_j+1作为新的开始点，若P_j+1为凹点，则将线段P_j+1P_j+2的终点P_j+2(x_j+2,y_j+2)设置为线段P_jP_j+1的终点P_j+1(x_j+1,y_j+1)，采用线段P_jP_j+2替换原展开轮廓C^NU中的线段P_jP_j+1和P_j+1P_j+2，将P_j+2作为新的开始点继续搜索判断剩余点；如果开始点P_j为凹点，则舍弃当前连接点P_j，重新选择开始点P_j+1并进行凹凸性判断，直到判断的开始点为凸点为止，后续的处理方法与前述开始点为凸点的处理方法相同；得到处理后的展开轮廓为

有益效果

通过本发明的方法能够实现在保证展开单元轮廓几何形状基本不变的情况下快速减少轮廓线段数，相比于现有技术，本发明不仅仅能够快速判别并去除凹点，而且能够快速判别并去除轮廓中同一条直线上的点。

附图说明

图1是铺层分片单元。

图2是铺层单元展开轮廓。

图3是铺层单元展开轮廓不封闭端点放大图。

图4是封闭后铺层单元展开轮廓。

图5是离散展开轮廓中圆弧段和样条线。

图6是连接点为有效连接点。

图7是连接点为无效连接点。

图8是删除同一直线上点后的铺层单元展开轮廓。

图9是连接点为凹点。

图10是连接点为点。

图11是删除凹点后的铺层单元展开轮廓。

具体实施方式

将铺层分片单元S^P(图1)进行展开得到铺层单元展开轮廓C^U(图2)，现以图2为例，接合附图，说明铺层单元展开轮廓修正方法的具体实施过程。

步骤1：通过以下步骤1.a对不闭合的铺层单元展开轮廓C^U进行封闭化处理，得到封闭的展开轮廓C^C，所述封闭的展开轮廓C^C由直线段L^L、圆弧段L^C和样条线L^S组成；并通过以下步骤1.b对展开轮廓C^C中圆弧段L^C和样条线L^S进行离散，分别用直线段连接相邻离散点，得到只由直线段组成的封闭展开轮廓

步骤1.a：铺层单元S^P经CAD展开软件展开之后所得的展开轮廓C^U大多数是不闭合的，对于展开轮廓C^U中所有不闭合处的两个线段端点，均采用直线段连接相应的两个线段端点，得到新的展开轮廓C^C。例如图2中铺层单元展开轮廓C^U有2处端点不封闭，图3是2处端点的放大图，在AutoCAD中分别测量图3中2处端点之间的距离，分别是端点距离小于5mm，直接用直线段连接两线段端点将不会影响展开轮廓C^U几何形状，所以分别用直线段连接2端点，得到封闭的展开轮廓C^C，如图4。

步骤1.b：对展开轮廓C^C中圆弧段L^C和样条线L^S进行离散，得到圆弧段L^C和样条线L^S离散点分别为用直线段分别连接圆弧段L^C和样条线L^S中的相邻离散点，分别得到近似逼近圆弧段L^C和样条线L^S的多边形 L^PC、L^PS与展开轮廓C^C中直线段L^L共同构成新的展开轮廓离散图4展开轮廓C^C中圆弧段L^C和样条线L^S,得到圆弧段L^C离散点样条线L^S离散点 分别用直线段首位连接各离散点，并与展开轮廓C^C中直线段L^L得到只由直线段组成的封闭展开轮廓C^LU。

步骤2：采用以下步骤2.a和步骤2.b删除展开轮廓线中在同一直线段上的点，得到新的展开轮廓线

步骤2.a：以展开轮廓线C^LU中任一连接点P_i(i＝3,4…I)为开始点，沿同一方向对展开轮廓C^LU进行搜索，判断搜索方向上连接点P_i(3≤i≤I)到线段P_i-2P_i-1的距离是否满足

公式中对应点坐标为P_i(x_i,y_i)、P_i-1(x_i-1,y_i-1)、P_i-2(x_i-2,y_i-2)；满足上述条件的连接点P_i为无效连接点P_i ^N，不满足上述条件的连接点P_i为有效连接点P_i ^P。

步骤2.b：若连接点P_i为无效连接点P_i ^N，则将线段P_i-1P_i的终点P_i(x_i,y_i)设置为线段P_i-2P_i-1的终点P_i-1(x_i-1,y_i-1)，采用线段P_i-2P_i替换原展开轮廓C^LU中的线段P_i-2P_i-1和P_{i- 1}P_i；若连接点P_i为有效连接点P_i ^P，则将P_i+1(i≤I)作为新的开始点，重复步骤2.a、2.b继续进行判断，直到i＝I为止，此时得到新的展开轮廓为C^NU。

图6是选取展开轮廓C^LU的2条直线段，连接点为P_i-2(x_i-2,y_i-2)、P_i-1(x_i-1,y_i-1)、P_i(x_i,y_i)，点P_i到直线段P_i-2P_i-1距离点P_i-1为有效连接点。图7为展开轮廓C^LU的任意2条直线段，点P_i到直线段P_i-2P_i-1距离点P_i-1为无效连接点，即将线段P_i-1P_i的终点P_i(x_i,y_i)设置为线段P_i-2P_i-1的终点P_i-1(x_i-1,y_i-1)，即线段P_i-2P_i替换原展开轮廓C^LU中的线段P_i-2P_i-1和P_i-1P_i。处理后的展开轮廓C^NU如图7。

步骤3采用以下步骤3.a和步骤3.b判断步骤2得到的新的展开轮廓线中连接点P_j(2≤j≤J)的凹凸性，删除展开轮廓C^NU中所有凹点，得到新的展开轮廓

步骤3.a；以展开轮廓线C^NU中任一连接点P_j(j＝2,3,…,J)为开始点进行搜索，开始点两个相邻边分别为P_j-1P_j、P_jP_j+1，方向向量分别为 其中对应点坐标为P_j(x_j,y_j)、P_j+1(x_j+1,y_j+1)、P_j-1(x_j-1,y_j-1)，与之间的夹角为θ，同时垂直于和的向量为则有 当搜索方向为沿轮廓线顺时针方向D^c时，若sinθ＞0，则连接点P_j为凸点，若sinθ＜0，则连接点P_j为凹点；当搜索方向为沿轮廓线逆时针方向D^ac时，若sinθ＞0，则连接点P_j为凹点，若sinθ＜0，则连接点P_j为凸点；

步骤3.b：如果开始点P_j为凸点，判断连接点P_j+1的凸凹性，若P_j+1为凸点，则将P_j+1作为新的开始点，若P_j+1为凹点，则将线段P_j+1P_j+2的终点P_j+2(x_j+2,y_j+2)设置为线段P_jP_j+1的终点P_j+1(x_j+1,y_j+1)，采用线段P_jP_j+2替换原展开轮廓C^NU中的线段P_jP_j+1和P_j+1P_j+2，将P_j+2作为新的开始点继续搜索判断剩余点；如果开始点P_j为凹点，则舍弃当前连接点P_j，重新选择开始点P_j+1并进行凹凸性判断，直到判断的开始点为凸点为止，后续的处理方法与前述开始点为凸点的处理方法相同；得到处理后的展开轮廓为此时的展开轮廓C^NC就可以进行后续的组合排样和数控下料。

图9是选取展开轮廓C^NU的2条直线段，连接点为P_j-1(x_j-1,y_j-1)、P_j(x_j,y_j)、P_j+1(x_j+1,y_i+1)，方向为顺时针方向D_c，sinθ＜0，连接点P_j为凹点，即将线段P_jP_j+1的终点P_j+1(x_j+1,y_j+1)设置为线段P_j-1P_j的终点P_j(x_j,y_j)，即线段P_j-1P_j+1替换原展开轮廓C^NU中的线段P_j-1P_j和P_jP_j+1。图10是选取展开轮廓C^NU的2条直线段，方向为顺时针方向D^c，sinθ＞0，连接点P_j为凸点。处理后的展开轮廓C^NC如图11。

Claims (1)

1.一种面向复合材料铺层单元数控下料工序的展开轮廓线修正方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：通过以下步骤1.a对不闭合的铺层单元S^P展开轮廓C^U进行封闭化处理，得到封闭的展开轮廓C^C，所述封闭的展开轮廓C^C由直线段L^L、圆弧段L^C和样条线L^S组成；并通过以下步骤1.b对展开轮廓C^C中圆弧段L^C和样条线L^S进行离散，分别用直线段连接相邻离散点，得到只由直线段组成的封闭展开轮廓

步骤1.a：铺层单元S^P经CAD展开软件展开得到展开轮廓C^U，对于展开轮廓C^U中所有不闭合处的两个线段端点，均采用直线段连接相应的两个线段端点，得到新的展开轮廓C^C；

步骤1.b：对展开轮廓C^C中圆弧段L^C和样条线L^S进行离散，得到圆弧段L^C和样条线L^S离散点分别为用直线段分别连接圆弧段L^C和样条线L^S中的相邻离散点，分别得到近似逼近圆弧段L^C和样条线L^S的多边形 L^PC、L^PS与展开轮廓C^C中直线段L^L共同构成新的展开轮廓

步骤2：采用以下步骤2.a和步骤2.b删除展开轮廓线中在同一直线段上的点，得到新的展开轮廓线

步骤2.a：以展开轮廓线C^LU中任一连接点P_i(i＝3,4…I)为开始点，沿同一方向对展开轮廓C^LU进行搜索，判断搜索方向上连接点P_i(3≤i≤I)到线段P_i-2P_i-1的距离是否满足条件

$D^{P_{i-2}{P}_{i-1}}=\frac{(y_{i-2}-y_{i-1})x_i-(x_{i-2}-x_{i-1})y_i+x_{i-2}{y}_{i-1}-x_{i-1}{y}_{i-2}}{\sqrt{{(y_{i-2}-y_{i-1})}^2+{(x_{i-2}-x_{i-1})}^2+{(x_{i-2}{y}_{i-1}-x_{i-1}{y}_{i-2})}^2}}=0$

公式中对应点坐标为P_i(x_i,y_i)、P_i-1(x_i-1,y_i-1)、P_i-2(x_i-2,y_i-2)；满足上述条件的连接点P_i为无效连接点P_i ^N，不满足上述条件的连接点P_i为有效连接点P_i ^P；

步骤2.b：若连接点P_i为无效连接点P_i ^N，则将线段P_i-1P_i的终点P_i(x_i,y_i)设置为线段P_{i- 2}P_i-1的终点P_i-1(x_i-1,y_i-1)，采用线段P_i-2P_i替换原展开轮廓C^LU中的线段P_i-2P_i-1和P_i-1P_i；若连接点P_i为有效连接点P_i ^P，则将P_i+1(i≤I)作为新的开始点，重复步骤2.a、2.b继续进行判断，直到i＝I为止，此时得到新的展开轮廓为C^NU；

步骤3采用以下步骤3.a和步骤3.b判断步骤2得到的新的展开轮廓线中连接点P_j(2≤j≤J)的凹凸性，删除展开轮廓C^NU中所有凹点，得到新的展开轮廓

步骤3.a；以展开轮廓线C^NU中任一连接点P_j(j＝2,3,…,J)为开始点进行搜索，开始点两个相邻边分别为P_j-1P_j、P_jP_j+1，方向向量分别为 其中对应点坐标为P_j(x_j,y_j)、P_j+1(x_j+1,y_j+1)、P_j-1(x_j-1,y_j-1)，与之间的夹角为θ，同时垂直于和的向量为则有 当搜索方向为沿轮廓线顺时针方向D^c时，若sinθ＞0，则连接点P_j为凸点，若sinθ＜0，则连接点P_j为凹点；当搜索方向为沿轮廓线逆时针方向D^ac时，若sinθ＞0，则连接点P_j为凹点，若sinθ＜0，则连接点P_j为凸点；

步骤3.b：如果开始点P_j为凸点，判断连接点P_j+1的凸凹性，若P_j+1为凸点，则将P_j+1作为新的开始点，若P_j+1为凹点，则将线段P_j+1P_j+2的终点P_j+2(x_j+2,y_j+2)设置为线段P_jP_j+1的终点P_j+1(x_j+1,y_j+1)，采用线段P_jP_j+2替换原展开轮廓C^NU中的线段P_jP_j+1和P_j+1P_j+2，将P_j+2作为新的开始点继续搜索判断剩余点；如果开始点P_j为凹点，则舍弃当前连接点P_j，重新选择开始点P_j+1并进行凹凸性判断，直到判断的开始点为凸点为止，后续的处理方法与前述开始点为凸点的处理方法相同；得到处理后的展开轮廓为