CN106077251A - 一种交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形方法及装置，所述激光诱导自由成形方法包括：提取待成形整体壁板的几何信息，确定待成形壁板的几何信息与成形所需应变的对应关系；根据待成形整体壁板的几何信息及成形所需应变确定对待成形整体壁板激光扫描时的激光扫描路径及激光工艺参数；测量待成形整体壁板的待成形曲面信息；计算待成形曲面信息与目标曲面信息之间的误差；判断所述误差是否大于设定阈值；如果是，则根据误差调整在对待成形整体壁板激光扫描时的激光扫描路径及激光工艺参数；否则，停止激光扫描。本发明交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形方法在整个加工过程中可以一次或多次增量成形,无需模具，简单易行，且不受初始状态的影响，成形精度可控。

Description

一种交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形方法及装置

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形方法及装置。

背景技术

工程上有这样一类板筋零件(例如飞机、空间站的整体壁板零件)，是蒙皮与支撑筋条一体化的构件，需要采取压弯(滚弯，压弯的另一种形式，成形零件可以在被压弯的同时随支撑辊转动)方式成形。为了保障成形安全、满足成形量和形状精度要求，对这类零件往往需要采取小量变形多次退火或人工时效的办法成形，之后还需要根据经验采用“人工锤敲”、“皮条抽打”或“喷丸”等手段进行校形。然而上述校形方式不仅容易在工件表面留下损伤和安全隐患，而且其效果依赖操作者的经验，难以实现自动化制造，制造精度比较低。

随着工程需求的发展，这类零件的尺寸越来越大、支撑筋条越来越高、结构形状越来越复杂。采用上述方法成形的技术难度也越来越大，甚至完全无法成形。其主要体现是：零件的变形抗力大、回弹量大、塑性变形能力低、成形精度差、易出现导致零件报废的筋条起皱和开裂等变形损伤。

采用压弯与喷丸复合成形的方法可在一定程度上解决上述难题。该方法的原理是:利用胎模压弯并固定整体壁板，然后通过喷丸处理使其因表层发生面内塑性变形和弹性内能释放而定型。由于喷丸方法产生的塑性变形仅限于零件表层，由其导致的壁板的弯曲量也很有限。高温时效(蠕变)也是成形大尺寸整体壁板的有效方法，该方法也需要将整体壁板压弯并固定于胎模，但其定型是在特制的高温罐内通过人工时效实现的。该方法的单次成形量显然大于压弯和喷丸复合成形方法，但其成形零件的整体强度可能因为长时间高温时效而降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形方法，可控制待成形整体壁板进行激光诱导自由成形的精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形方法，所述激光诱导自由成形方法包括：

步骤一：提取待成形整体壁板的几何信息，确定所述待成形壁板的几何信息与成形所需应变的对应关系；

步骤二：根据所述待成形整体壁板的几何信息及成形所需应变确定对所述待成形整体壁板激光扫描时的激光扫描路径及激光工艺参数；

步骤三：在以所述激光工艺参数并按照激光扫描路径对所述待成形整体壁板进行激光扫描的过程中，测量待成形整体壁板的待成形曲面信息；

步骤四：计算所述待成形曲面信息与目标曲面信息之间的误差，

步骤五：判断所述误差是否大于设定阈值，如果是，则根据所述误差调整在对所述待成形整体壁板激光扫描时的激光扫描路径及激光工艺参数；否则，停止激光扫描，激光诱导自由成形完成。

可选的，所述确定所述待成形壁板的几何信息与成形所需应变的对应关系的方法包括：

将待成形整体壁板的三维几何模型分解；

提取分解后三维几何模型的特征线和特征点；

根据所述特征线和特征点向整体壁板外形曲面上投影，以建立待成形壁板的几何信息与成形所需应变的对应关系。

可选的，所述应变包括：壁板弯曲时应力应变的分布、变化规律以及弹性势能的分布、变化规律。

可选的，所述确定对所述待成形整体壁板激光扫描时的激光扫描路径的方法包括：

对所述待成形整体壁板的几何信息进行分析；

获取所述待成形整体壁板的待成形曲面的最大曲率线方向和大小，所述激光扫描路径为沿着所述待成形曲面的最大曲率线方向移动的路径。

可选的，所述激光工艺参数包括激光扫描速度；其中，

所述确定对所述待成形整体壁板激光扫描时激光工艺参数的方法包括：

获取所述待成形曲面的各个曲率；

将所述待成形曲面的各个曲率的数值按照大小顺序均匀分为N个部分，选取分别对应各个曲率数值范围的激光扫描速度V_i，其中，i＝1,...,N，且激光扫描速度V_i依次递增；

按照设定的激光扫描速度，对对应各个曲率数值范围的待成形整体壁板进行激光扫描。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形方法在根据待成形整体壁板的几何信息及及成形所需应变确定激光扫描路径及激光工艺参数后，在以所述激光工艺参数按照激光扫描路径对所述待成形整体壁板进行激光扫描的过程中，测量待成形整体壁板的待成形曲面信息，进而根据所述待成形曲面信息与目标曲面信息之间的误差调整所述待成形整体壁板激光扫描时的激光扫描路径及激光工艺参数，实现对热成形工艺实现自动数控反馈控制。在整个加工过程中可以一次或多次增量成形,无需模具，简单易行，且不受初始状态的影响，成形精度可控。

本发明的另一目的是提供一种交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形装置，可控制待成形整体壁板进行激光诱导自由成形的精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形装置，所述激光诱导自由成形装置包括：

分析单元，用于提取待成形整体壁板的几何信息，确定所述待成形壁板的几何信息与成形所需应变的对应关系；

确定单元，用于根据所述待成形整体壁板的几何信息及成形所需应变确定对所述待成形整体壁板激光扫描时的激光扫描路径及激光工艺参数；

测量单元，用于在以所述激光工艺参数按照激光扫描路径对所述待成形整体壁板进行激光扫描的过程中，测量待成形整体壁板的待成形曲面信息；

计算单元，用于计算所述待成形曲面信息与目标曲面信息之间的误差；

判断单元，用于判断所述误差是否大于设定阈值，如果是，则根据所述误差调整在对所述待成形整体壁板激光扫描时的激光扫描路径及激光工艺参数；否则，停止激光扫描，激光诱导自由成形完成。

可选的，所述分析单元包括：

分解模块，用于将待成形整体壁板的三维几何模型分解；

提取模块，用于提取分解后三维几何模型的特征线和特征点；

投影模块，用于根据所述特征线和特征点向整体壁板外形曲面上投影，以建立待成形壁板的几何信息与成形所需应变的对应关系。

可选的，所述确定单元包括：

分析模块，用于对所述待成形整体壁板的几何信息进行分析；

第一获取模块，用于获取所述待成形整体壁板的待成形曲面的最大曲率线方向和大小，所述激光扫描路径为沿着所述待成形整体壁板的曲面的最大曲率线方向移动的路径。

可选的，所述激光工艺参数包括激光扫描速度；其中，

所述确定单元还包括：

第二获取模块，用于获取所述待成形曲面的各个曲率；

均分模块，用于将所述待成形曲面的各个曲率的数值按照大小顺序均匀分为N个部分，选取分别对应各个曲率数值范围的激光扫描速度V_i，其中，i＝1,...,N，且激光扫描速度V_i依次递增；

按照设定的激光扫描速度，对对应各部分待成形曲面的曲率数值范围的待成形整体壁板进行激光扫描。

相对于现有技术，本发明交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形装置与上述交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形方法的有益效果相同，再次不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形方法的流程图；

图2为本发明交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形装置的模块结构示意图。

符号说明：

分析单元 1 确定单元 2

测量单元 3 计算单元 4

判断单元 5。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形方法，在根据待成形整体壁板的几何信息及成形所需应变确定激光扫描路径及激光工艺参数后，在以所述激光工艺参数按照激光扫描路径对所述待成形整体壁板进行激光扫描的过程中，测量待成形整体壁板的待成形曲面信息，进而根据所述待成形曲面信息与目标曲面信息之间的误差调整所述待成形整体壁板激光扫描时的激光扫描路径及激光工艺参数，实现对热成形工艺实现自动数控反馈控制。在整个加工过程中可以一次或多次增量成形，无需模具，简单易行，且不受初始状态的影响，成形精度可控。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形方法包括：

步骤100：提取待成形整体壁板的几何信息，确定所述待成形壁板的几何信息与成形所需应变的对应关系；

步骤200：根据所述待成形整体壁板的几何信息及成形所需应变确定对所述待成形整体壁板激光扫描时的激光扫描路径及激光工艺参数；

步骤300：在以所述激光工艺参数并按照激光扫描路径对所述待成形整体壁板进行激光扫描的过程中，测量待成形整体壁板的待成形曲面信息；

步骤400：计算所述待成形曲面信息与目标曲面信息之间的误差；

步骤500：判断所述误差是否大于设定阈值；如果是，则根据所述误差调整在对所述待成形整体壁板激光扫描时的激光扫描路径及激光工艺参数；否则，停止激光扫描，激光诱导自由成形完成。

其中，步骤100中，所述确定所述待成形壁板的几何信息与成形所需应变的对应关系的方法包括：

步骤101：将待成形整体壁板的三维几何模型分解；

步骤102：提取分解后三维几何模型的特征线和特征点；

步骤103：根据所述特征线和特征点向整体壁板外形曲面上投影，以建立待成形壁板的几何信息与成形所需应变的对应关系。

进一步地，所述应变包括：壁板弯曲时应力应变的分布、变化规律以及弹性势能的分布、变化规律。

在步骤200中，所述确定对所述待成形整体壁板激光扫描时的激光扫描路径的方法包括：

步骤201：对所述待成形整体壁板的几何信息进行分析；

步骤202：获取所述待成形整体壁板的待成形曲面的最大曲率线方向和大小，所述激光扫描路径为沿着所述待成形曲面的最大曲率线方向移动的路径。

进一步地，所述激光工艺参数包括激光扫描速度；其中，所述确定对所述待成形整体壁板激光扫描时激光工艺参数的方法包括：

步骤203：获取所述待成形曲面的各个曲率；

步骤204：将所述待成形曲面的各个曲率的数值按照大小顺序均匀分为N个部分，选取分别对应各个曲率数值范围的激光扫描速度V_i，其中，i＝1,...,N，且激光扫描速度V_i依次递增；

步骤205：按照设定的激光扫描速度，对对应各个曲率数值范围的待成形整体壁板进行激光扫描。

在激光诱导自由成形的过程中，采用数字近景测量技术对成形加工过程中的待成形整体壁板的形成进行实时测量，从而不断调整待成形整体壁板激光扫描时的激光扫描路径及激光工艺参数，提高加工精度。

下面以一具体实施例进行详细介绍：

步骤1：采用三维整体壁板展开建模方法对整体壁板的几何信息进行提取分析。

将三维整体壁板几何模型分解后提取特征线和特征点，并向整体壁板外形曲面上投影，建立壁板几何特征与成形所需应变的对应关系。

步骤2：根据壁板的几何特征及成形所需应变确定激光的扫描路径。

对壁板的几何信息进行分析，获得其曲面的极大曲率线方向及大小，并使激光扫描路径沿着壁板曲面极大曲率线的方向。

步骤3：将待成形整体壁板的待成形曲面的曲率按照数值大小均匀分为5个部分，根据对5个曲面曲率范围依次设定激光扫描速度V1、V2、V3、V4、V5，并按照设定激光扫描速度,对相应曲面曲率对应的壁板范围进行加热扫描。其中V1、V5分别对应最小及最大曲面曲率范围的激光扫描速度，V1、V2、V3、V4、V5依次均匀递增。

步骤4：根据三维扫描设备以设定的激光工艺参数按照激光扫描路径对待成形整体壁板进行激光扫描，获取测量待成形整体壁板的待成形曲面信息。

步骤5：将待成形曲面信息与目标曲面信息进行对比，找出小于所述目标曲面信息的位置后重新设定激光扫描路径及速度后再次扫描。一般情况下，新的激光速度比之前的激光扫描速度要大。

步骤6:循环进行步骤4和5，直到满足成形误差，得到最终成形的整体壁板。

此外，本发明还提供一种交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形装置。如图2所示，本发明交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形装置包括分析单元1、确定单元2、测量单元3、计算单元4及判断单元5。其中，所述分析单元1，用于提取待成形整体壁板的几何信息，确定所述待成形壁板的几何信息与成形所需应变的对应关系；所述确定单元2用于根据所述待成形整体壁板的几何信息及成形所需应变确定对所述待成形整体壁板激光扫描时的激光扫描路径及激光工艺参数；所述测量单元3用于在以所述激光工艺参数按照激光扫描路径对所述待成形整体壁板进行激光扫描的过程中，测量待成形整体壁板的待成形曲面信息；所述计算单元4用于计算所述待成形曲面信息与目标曲面信息之间的误差；所述判断单元5用于判断所述误差是否大于设定阈值，如果是，则根据所述误差调整在对所述待成形整体壁板激光扫描时的激光扫描路径及激光工艺参数；否则，停止激光扫描，激光诱导自由成形完成。

其中，所述分析单元1包括分解模块、提取模块及投影模块。其中，所述分解模块用于将待成形整体壁板的三维几何模型分解；所述提取模块用于提取分解后三维几何模型的特征线和特征点；所述投影模块，用于根据所述特征线和特征点向整体壁板外形曲面上投影，以建立待成形壁板的几何信息与成形所需应变的对应关系。

所述确定单元2包括分析模块及第一获取模块。其中，所述分析模块用于对所述待成形整体壁板的几何信息进行分析；所述第一获取模块，用于获取所述待成形整体壁板的待成形曲面的最大曲率线方向和大小，所述激光扫描路径为沿着所述待成形整体壁板的曲面的最大曲率线方向移动的路径。

所述激光工艺参数包括激光扫描速度；其中，所述确定单元2还包括第二获取模块、均分模块。所述第二获取模块与所述分析模块连接，用于获取所述待成形曲面的各个曲率；所述均分模块用于将所述待成形曲面的各个曲率的数值按照大小顺序均匀分为N个部分，选取分别对应各个曲率数值范围的激光扫描速度V_i，其中，i＝1,...,N，且激光扫描速度V_i依次递增；按照设定的激光扫描速度，对对应各个曲率数值范围的待成形整体壁板进行激光扫描。

相对于现有技术，本发明交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形装置与上述交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形方法的有益效果相同，再次不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形方法，其特征在于，所述激光诱导自由成形方法包括：

步骤一：提取待成形整体壁板的几何信息，确定所述待成形壁板的几何信息与成形所需应变的对应关系；

步骤二：根据所述待成形整体壁板的几何信息及成形所需应变确定对所述待成形整体壁板激光扫描时的激光扫描路径及激光工艺参数；

步骤三：在以所述激光工艺参数并按照激光扫描路径对所述待成形整体壁板进行激光扫描的过程中，测量待成形整体壁板的待成形曲面信息；

步骤四：计算所述待成形曲面信息与目标曲面信息之间的误差；

步骤五：判断所述误差是否大于设定阈值；如果是，则根据所述误差调整在对所述待成形整体壁板激光扫描时的激光扫描路径及激光工艺参数；否则，停止激光扫描，激光诱导自由成形完成。

2.根据权利要求1所述的交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形方法，其特征在于，所述确定所述待成形壁板的几何信息与成形所需应变的对应关系的方法包括：

将待成形整体壁板的三维几何模型分解；

提取分解后三维几何模型的特征线和特征点；

根据所述特征线和特征点向整体壁板外形曲面上投影，以建立待成形壁板的几何信息与成形所需应变的对应关系。

3.根据权利要求1所述的交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形方法，其特征在于，所述应变包括：壁板弯曲时应力应变的分布、变化规律以及弹性势能的分布、变化规律。

4.根据权利要求1所述的交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形方法，其特征在于，所述确定对所述待成形整体壁板激光扫描时的激光扫描路径的方法包括：

对所述待成形整体壁板的几何信息进行分析；

获取所述待成形整体壁板的待成形曲面的最大曲率线方向和大小，所述激光扫描路径为沿着所述待成形曲面的最大曲率线方向移动的路径。

5.根据权利要求4所述的交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形方法，其特征在于，所述激光工艺参数包括激光扫描速度；其中，

所述确定对所述待成形整体壁板激光扫描时激光工艺参数的方法包括：

获取所述待成形曲面的各个曲率；

将所述待成形曲面的各个曲率的数值按照大小顺序均匀分为N个部分，选取分别对应各个曲率数值范围的激光扫描速度V_i，其中，i＝1，...N，且激光扫描速度V_i依次递增；

按照设定的激光扫描速度，对对应各个曲率数值范围的待成形整体壁板进行激光扫描。

6.一种交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形装置，其特征在于，所述激光诱导自由成形装置包括：

分析单元，用于提取待成形整体壁板的几何信息，确定所述待成形壁板的几何信息与成形所需应变的对应关系；

确定单元，用于根据所述待成形整体壁板的几何信息及成形所需应变确定对所述待成形整体壁板激光扫描时的激光扫描路径及激光工艺参数；

测量单元，用于在以所述激光工艺参数按照激光扫描路径对所述待成形整体壁板进行激光扫描的过程中，测量待成形整体壁板的待成形曲面信息；

计算单元，用于计算所述待成形曲面信息与目标曲面信息之间的误差；

判断单元，用于判断所述误差是否大于设定阈值，如果是，则根据所述误差调整在对所述待成形整体壁板激光扫描时的激光扫描路径及激光工艺参数；否则，停止激光扫描，激光诱导自由成形完成。

7.根据权利要求6所述的交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形装置，其特征在于，所述分析单元包括：

分解模块，用于将待成形整体壁板的三维几何模型分解；

提取模块，用于提取分解后三维几何模型的特征线和特征点；

投影模块，用于根据所述特征线和特征点向整体壁板外形曲面上投影，以建立待成形壁板的几何信息与成形所需应变的对应关系。

8.根据权利要求6所述的交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形装置，其特征在于，所述确定单元包括：

分析模块，用于对所述待成形整体壁板的几何信息进行分析；

第一获取模块，用于获取所述待成形整体壁板的待成形曲面的最大曲率线方向和大小，所述激光扫描路径为沿着所述待成形整体壁板的曲面的最大曲率线方向移动的路径。

9.根据权利要求8所述的交叉筋整体壁板的激光诱导自由成形装置，其特征在于，所述激光工艺参数包括激光扫描速度；其中，

所述确定单元还包括：

第二获取模块，用于获取所述待成形曲面的各个曲率；

均分模块，用于将所述待成形曲面的各个曲率的数值按照大小顺序均匀分为N个部分，选取分别对应各个曲率数值范围的激光扫描速度V_i，其中，i＝1，...，N，且激光扫描速度V_i依次递增；

按照设定的激光扫描速度，对对应各个曲率数值范围的待成形整体壁板进行激光扫描。