CN105138747B - 一种基于stl文件格式的渐进成形主方向判决方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于STL文件格式的渐进成形主方向判决方法，利用STL文件格式中三角面片外法矢量，为渐进成形零件选择合理的成形位置提供依据。本发明所达到的有益效果：1)传统渐进成形加工主成形方向选择具有很大的随意性，无法保证零件顺利渐进成形加工；本方法可以有效控制零件各位置成形角落在成形极限角范围内，保证零件的顺利成形；2)可以有效控制实现零件不同位置的厚度均匀，改善零件的强度、刚度及后续装配条件；3)对于零件特殊位置的特殊厚度要求，可以预先进行控制选择合理的成形主方向；4)料厚分布改善可以提高渐进成形工艺的适应性，有助于渐进成形技术在实际生产中的推广使用。

Description

一种基于STL文件格式的渐进成形主方向判决方法

技术领域

本发明涉及一种钣金件渐进成形主方向的判别方法，具体涉及一种基于STL文件格式的渐进成形主方向判决方法。

背景技术

板料渐进成形(Incremental Sheet Forming，ISF)是上世纪60年代由美国的Leszak提出的一种无模柔性成形技术，90年代由日本的松原茂夫等对该技术进行了进一步研究，逐渐引起了各国学者的重视。渐进成形技术是一种基于计算机技术、数控技术和塑性成形技术基础之上的先进制造技术，它采用快速原型制造技术“分层制造”的思想，将三维模型离散成为系列二维轮廓形状，通过局部塑性成形积累而获得零件整体形状的一种柔性无模成形技术,具有高柔性、低成本、高效率等特点，所需的成形力小，设备能耗低、振动小、噪声低，属于绿色加工，同时可以大幅度提高板材的成形极限，是近年来发展迅速的一种板材成形技术。

渐进成形中金属材料的整体流动不明显，料厚变化遵循余弦定理减薄原则，即t＝t₀*cosθ(成形角θ是加工位置法矢与Z轴的夹角)，成形角不同的部位零件厚度也不均匀。板材在成形过程中会受到成形极限角θ_max的约束，当成形角θ＞θ_max零件将会会发生破裂；当θ＜θ_max虽然不会发生破裂，但是当零件加工位置摆放不合理，将会导致零件不同部位厚度差别过大，将影响零件的强度、刚度等力学性能；另外，对于一些需要后续焊接、联结的结构件，对于焊接、装配位置有一些特殊厚度要求，当加工位置不合理时候，局部厚度往往不能达到要求，会直接影响到后续工序。

零件的渐进成形加工摆放方向(下称为渐进成形主方向)决定了零件各位置的成形角大小，根据零件厚度余弦定理t＝t₀*cosθ，也直接决定了成形零件各位置的厚度。目前，渐进成形零件的成形主方向决策主要是操作人员凭经验手工摆放，存在很大的随意性和不确定性，对于比较复杂的渐进成形零件，很难控制零件各位置的成形厚度，不容易达到理想的零件加工效果。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于STL文件格式的渐进成形主方向判决方法，利用STL文件格式中三角面片外法矢量，为渐进成形零件选择合理的成形位置提供依据。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于STL文件格式的渐进成形主方向判决方法，其特征是，包括如下步骤：

1)测试零件加工板材的成形极限角θ_max；

2)根据零件的三维模型，在CAD平台以一定的精度生成STL格式文件；

3)对步骤2)生成的STL文件进行格式处理：

4)按照右手螺旋法则，以STL文件中各三角面片顶点坐标获得该三角片位置的外法向矢量，取该矢量与Z轴正向夹角作为该位置的初始成形角；

5)确定模型旋转的边界约束条件：

i)根据测定的板材成形极限角θ_max，任意位置三角片法向矢量与Z轴夹角大小不超过θ_max；

ii)在有等厚要求的不同部位取三角片单位法向矢量，通过旋转使得各三角片外法矢量与Z轴夹角相同；

iii)依据局部位置的特殊厚度t，根据厚度余弦定理确定该位置成形角θ_p＝arccos(t/t₀)，θ_p为该位置三角片法矢与Z轴夹角；进行模型旋转：

6)对于任意三角片顶点P，设置步动旋转角度Δθ，利用旋转矩阵分别绕X轴、Y轴旋转；

7)旋转后的零件STL模型重建：根据三角片外法矢量与三角片顶点坐标之间的关系，利用步骤6)中矢量旋转矩阵得到旋转后的所有三角面片顶点坐标，获得旋转后的零件STL模型：为旋转矩阵，模型所处的空间位置即为优化后的零件成形主方向。

前述的一种基于STL文件格式的渐进成形主方向判决方法，其特征是，所述步骤1)中，由半径为R的圆弧绕中心轴旋转得到曲面圆锥体的渐进成形零件模型，模型曲面上各点对应的成形角为该点法向与Z轴的夹角；测试中加工零件直至产生破裂，在破裂位置取点Q，Q点处成形角即为该板材的成形极限角θ_max＝arccos((H-h)/R)，式中H为成形零件模型的高度，h为破裂点位置的高度。

前述的一种基于STL文件格式的渐进成形主方向判决方法，其特征是，所述步骤3)包括如下步骤：

31)对STL文件进行冗余顶点数据和冗余边进行简化归并；

32)对STL模型数据的有效性和STL模型封闭性检查。

前述的一种基于STL文件格式的渐进成形主方向判决方法，其特征是，所述步骤32)中，检查内容包括模型是否存在几何缺陷，几何缺陷包括裂隙和孤立边；封闭性检查要求所有STL三角形围成一个内外封闭的几何体。

前述的一种基于STL文件格式的渐进成形主方向判决方法，其特征是，所述步骤6)中，绕X轴旋转矩阵为P_x'＝R_x(Δθ₁+Δθ₂+…+Δθ_m)·P＝R_x(m·Δθ)·P，m为步动次数；绕Y轴旋转矩阵为P_y'＝R_y(Δθ₁+Δθ₂+…+Δθ_n)·P＝R_y(n·Δθ)·P，n为步动次数。

本发明所达到的有益效果：1)传统渐进成形加工主成形方向选择具有很大的随意性，无法保证零件顺利渐进成形加工；本方法可以有效控制零件各位置成形角落在成形极限角范围内，保证零件的顺利成形；2)可以有效控制实现零件不同位置的厚度均匀，改善零件的强度、刚度及后续装配条件；3)对于零件特殊位置的特殊厚度要求，可以预先进行控制选择合理的成形主方向；4)料厚分布改善可以提高渐进成形工艺的适应性，有助于渐进成形技术在实际生产中的推广使用。

附图说明

图1是厚度分布示意图；

图2是不同部位同厚度要求的原始三角片法矢示意图；

图3是标定同厚位置三角片旋转后的法矢示意；

图4是三角片顶点坐标及外法矢量示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

针对渐进成形零件，由于传统加工摆放位置没有统一标准，成形主方向存在很大的随意性，不容易控制成形零件的质量。基于渐进成形中零件厚度变化遵循余弦定理t＝t₀*cosθ，其中成形角θ是成形部位的法矢与Z轴的夹角，利用STL文件格式中三角面片外法矢量，提出一种渐进成形主方向的判决方法，为渐进成形零件选择合理的成形位置提供依据。

本方法将零件模型表面离散化为STL格式的三角形面片，利用三角面片的矢量代表零件曲面不同位置的法向矢量，并以其与Z轴的夹角作为该位置的渐进成形角，通过矢量旋转调整各位置的成形角来选择合适的加工位置，可以在保证零件各位置成形角θ不超过板材的成形极限角θ_max的基础上，实现加工零件不同部位的厚度均匀，同时，还可以满足零件任意位置的指定加工厚度要求。

对渐进成形主方向的判决包括如下步骤：

1)测试零件加工板材的成形极限角θ_max；具体测试方法为，如图1所示意，由半径为R的圆弧绕中心轴旋转得到曲面圆锥体的渐进成形零件模型，模型曲面上各点对应的成形角为该点法向与Z轴的夹角；测试中加工零件直至产生破裂，在破裂位置取点Q，Q点处成形角即为该板材的成形极限角θ_max＝arccos((H-h)/R)，式中H为成形零件模型的高度，h为破裂点位置的高度。

2)根据零件的三维模型，在CAD平台以一定的精度生成STL格式文件；

3)对步骤2)生成的STL文件进行格式处理：

31)对STL文件进行冗余顶点数据和冗余边进行简化归并；

32)对STL模型数据的有效性和STL模型封闭性检查，检查内容包括模型是否存在几何缺陷，几何缺陷包括裂隙和孤立边；封闭性检查要求所有STL三角形围成一个内外封闭的几何体。

4)按照右手螺旋法则，以STL文件中各三角面片顶点坐标获得该三角片位置的外法向矢量，取该矢量与Z轴正向夹角作为该位置的初始成形角，这样外法矢量的旋转实际转化为三角片顶点坐标的旋转，也即零件模型的旋转；如图4所示，设任一三角片的顶点坐标为(x_i1,y_i1,z_i1)、(x_i2,y_i2,z_i2)、(x_i3,y_i3,z_i3)，设此三角片的外法矢量为n_i，其在x、y、z三向分量分别为n_ii、n_ij、n_ik，则按照右手螺旋法则，三角片顶点坐标与外法矢分量之间存在如下关系：

5)确定模型旋转的边界约束条件：

i)根据测定的板材成形极限角θ_max，任意位置三角片法向矢量与Z轴夹角大小不超过θ_max；

ii)在有等厚要求的不同部位取三角片单位法向矢量，通过旋转使得各三角片外法矢量与Z轴夹角相同；

iii)依据局部位置的特殊厚度t，根据厚度余弦定理确定该位置成形角θ_p＝arccos(t/t₀)，θ_p为该位置三角片法矢与Z轴夹角；

6)进行模型旋转：数模旋转可以分解为绕X、Y、Z轴旋转及整体平移，由于成形角是各部位法矢与Z轴的夹角，绕Z轴的旋转及整体平移都不影响成形角的大小，实际应用中只需考虑零件绕X、Y轴的旋转即可。

对于任意三角片顶点P，设置步动旋转角度Δθ，利用旋转矩阵分别绕X轴、Y轴旋转，绕X轴旋转矩阵为P_x'＝R_x(Δθ₁+Δθ₂+…+Δθ_m)·P＝R_x(m·Δθ)·P，m为步动次数；绕Y轴旋转矩阵为P_y'＝R_y(Δθ₁+Δθ₂+…+Δθ_n)·P＝R_y(n·Δθ)·P，n为步动次数，这里旋转次数m、,n是根据边界约束条件自动确定。

由于旋转次数无法提前确定，根据旋转的边界约束条件，基本判决条件是使得各位置三角片矢量与Z轴夹角不大于板材成形极限角θ_max；在此基础上，对于有等厚要求的不同部位，旋转要使得各三角片外法矢量与Z轴夹角差值最小；对特殊厚度t要求的部位，旋转到该位置三角片法矢与Z轴夹角到θ_p，根据厚度余弦定理该位置的成形角θ_p＝arccos(t/t₀)，t₀为板材原始厚度。

7)旋转后的零件STL模型重建：根据三角片外法矢量与三角片顶点坐标之间的关系，利用步骤6)中矢量旋转矩阵得到旋转后的所有三角面片顶点坐标，获得旋转后的零件STL模型：为旋转矩阵，模型所处的空间位置即为优化后的零件成形主方向。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于STL文件格式的渐进成形主方向判决方法，其特征是，包括如下步骤：

1)测试零件加工板材的成形极限角θ_max；

2)根据零件的三维模型，在CAD平台以一定的精度生成STL格式文件；

3)对步骤2)生成的STL文件进行格式处理，包括如下步骤：

31)对STL文件进行冗余顶点数据和冗余边进行简化归并；

32)对STL模型数据的有效性和STL模型封闭性检查，检查内容包括模型是否存在几何缺陷，几何缺陷包括裂隙和孤立边；封闭性检查要求所有STL三角形围成一个内外封闭的几何体;

4)按照右手螺旋法则，以STL文件中各三角面片顶点坐标获得该三角片位置的单位外法向矢量，取该矢量与Z轴正向夹角作为该位置的初始成形角；

5)确定模型旋转的边界约束条件：

i)根据测定的板材成形极限角θ_max，任意位置三角片法向矢量与Z轴夹角大小不超过θ_max；

ii)在有等厚要求的不同部位取三角片单位法向矢量，通过旋转使得各三角片外法矢量与Z轴夹角相同；

iii)依据局部位置的特殊厚度t，根据厚度余弦定理确定该位置成形角θ_p＝arccos(t/t₀)，t₀为板材原始厚度，θ_p为该位置三角片法矢与Z轴夹角；

6)进行模型旋转：

对于任意三角片顶点P，设置步动旋转角度Δθ，利用旋转矩阵分别绕X轴、Y轴旋转；

7)旋转后的零件STL模型重建：根据三角片外法矢量与三角片顶点坐标之间的关系，利用步骤6)中矢量旋转矩阵得到旋转后的所有三角面片顶点坐标，获得旋转后的零件STL模型：P′_i为旋转后三角片的顶点坐标，P_i为旋转前的三角片顶点坐标，为旋转矩阵，模型所处的空间位置即为优化后的零件成形主方向。

2.根据权利要求1所述的一种基于STL文件格式的渐进成形主方向判决方法，其特征是，所述步骤1)中，由半径为R的圆弧绕中心轴旋转得到曲面圆锥体的渐进成形零件模型，模型曲面上各点对应的成形角为该点法向与Z轴的夹角；测试中加工零件直至产生破裂，在破裂位置取点Q，Q点处成形角即为该板材的成形极限角θ_max＝arccos((H-h)/R)，式中H为成形零件模型的高度，h为破裂点位置的高度。

3.根据权利要求1所述的一种基于STL文件格式的渐进成形主方向判决方法，其特征是，所述步骤6)中，绕X轴旋转矩阵为P_x'＝R_x(Δθ₁+Δθ₂+···+Δθ_m)·P＝R_x(m·Δθ)·P，m为步动次数；绕Y轴旋转矩阵为P_y'＝R_y(Δθ₁+Δθ₂+···+Δθ_n)·P＝R_y(n·Δθ)·P，n为步动次数。