CN108170903A - 一种基于曲率映射的双曲面零件回弹补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于曲率映射的双曲面零件回弹补偿方法，具体步骤为按照成组试验件成型回弹数据构建零件曲率变化插值函数，形成回弹曲率半径和设计曲率半径的映射函数关系。通过对产品原始设计曲面布置构造曲线并进行曲线的曲率离散，按照曲率映射关系函数反求回弹前的曲线曲率并形成新的修形曲面构造曲线，并由此曲线拟合最终的曲率补偿修形曲面。该方法具有发放适应性好、补偿修形准确、效率高的特点。

Description

一种基于曲率映射的双曲面零件回弹补偿方法

技术领域

本发明属于飞机数字化制造领域，涉及一种薄壳类双曲面零件的回弹补偿方法，具体涉及一种通过建立曲面构造曲线的曲率半径映射关系函数实现零件的回弹修形曲面建模方法。

背景技术

大曲度薄壳类双曲面零件大量应用于飞机结构设计中，该类型零件大多与飞机气动外形有关，为飞机提供气动升力、整流及结构承载的作用，如飞机机翼前缘、翼尖及襟翼滑轨整流罩等。这些零件具有零件曲度大，外形复杂的特点，同时具有外形精度要求高，装配配合协调性高的要求。此类零件大多采用为铝合金、碳纤维复合材料，铝合金材料多采用靠模拉伸成型工艺，复材料多采用铺贴模铺贴固化工艺。铝合金材料成型后由于材料的弹性变形部分的回弹导致零件产生比较显著的回弹，碳纤维复材料采用铺贴模铺贴固化过程中由于温度梯度效应的影响，零件在脱模后均产生明显的收缩回弹现象。在后续加工过程中导致零件的外形定位精度以及在装配阶段造成零件之间、零件与装配工装协调性不能满足要求等问题。

目前常用的型面修形方法是：1.按照零件理论形状设计成型模型面。2.对成型后的零件进行测量。3.按照测量结果对成型模型面进行修形。4.按修形的模具对零件进行成型和验证。5.判定是否满足工程需求，如不能满足成型公差要求则需再次进行测量修形并进一步进行成型精度验证。

该方法具有以下缺点：1.回弹测量不准确，大多数情况下借用成型模定位零件后测量零件边缘轮廓偏离模胎型面的距离作为回弹量。2.基于边缘轮廓测量数据进行修形仅能解决边缘轮廓对型面的符合性要求，不能满足零件内部轮廓对外形的协调性和精度要求，而且需要反复迭代修形。该修形方法以实物为对象，因此修形工作量大、成本高、周期长，且修形过的成型零件依然存在外形协调性不好的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明采用的是按照成组试验件成型回弹数据构建零件曲率变化插值函数，形成回弹曲率半径和设计曲率半径的映射函数关系。通过对产品原始设计曲面布置构造曲线并进行曲线的曲率离散，按照曲率映射关系函数反求回弹前的曲线曲率并形成新的修形曲面构造曲线，并由此曲线拟合最终的曲率补偿修形曲面。

一种基于曲率映射的双曲面零件回弹补偿方法，具体步骤如下：

1.构建曲率映射曲线：

(1-1)按照不同圆角半径进行试验件的分组成型试验，获取系列试验件的设计半径及回弹后半径参数

(1-2)依据试验件的设计半径及回弹后半径参数建立“回弹后曲率半径—设计曲率半径”参数表分别对应函数的X及Y值，对试验件数据形成的(X,Y)离散点构造插值函数，形成“回弹后曲率半径—设计曲率半径”连续的映射关系函数。

2.原始曲面的纵向构造线及横向构造线提取：

(2-1)将零件的外形曲面作为原始曲面选择曲率较小的方向构造一条平面曲线作为曲面的纵向构造线。

(2-2)在纵向构造线上按照曲线的曲率变化进行曲线的分段点布置并对纵向构造线进行分段，形成分段曲线。在分段点处建立纵向构造线的垂直平面并与零件原始曲面相交获得系列横向构造线。

3.对纵向构造线和横向构造线的分段曲线进行曲率离散：

(3-1)在纵向构造线的分段曲线上以分段点为原点以分段曲线端点垂直平面的法向为X轴线方向，以纵向构造线平面的法向为Y轴方向构造每个横向构造线参考坐标系。

(3-2)将纵向构造线的分段曲线两相邻分段点分别作为起点、终点以及分段点在曲线上的切线作为起点切线和终点切线采用双圆弧插补算法构造两段相切圆弧，其中双圆弧插补的公切点定义为轨迹圆弧的中点。

(3-3)对于每个横向构造线的分段点布置及首段双圆弧插补计算与(2-2)及(3-2)方法相同，不同之处在于每个横向构造线的计算均以横向构造线与纵向构造线的交点为起点向两侧进行曲线分段点布置及首段曲线的双圆弧插补计算。

4.纵向补偿圆弧曲线和横向补偿圆弧曲线建立：

(4-1)对纵向构造线已经离散为一系列分段圆弧的离散圆弧曲线，从端点开始提取第一段圆弧的半径及弧长，按此半径作为X值在之前构造的“回弹后曲率半径—设计曲率半径”曲率关系映射函数获取该圆弧回弹之前的曲率半径值Y，在保证起始端点位置和切线方向的前提下在纵向构造线平面按照等弧长的原则构造该段圆弧回弹之前的圆弧曲线段。

(4-2)在完成首段回弹前圆曲线弧构造完成之后将第二段圆弧与此圆弧对接，将第二段圆弧的起点与此圆弧的终点位置重合，第二段圆弧的起点切线及与此圆弧的终点切线重合，同样，按第二段圆弧的半径通过映射函数获得其回弹前的曲率半径，依据等弧长的原则在纵向构造线平面内构造出与首段回弹前圆弧曲线相接的第二段圆弧曲线的回弹前圆弧曲线。重复该圆弧曲线的构造方法直至完成纵向补偿圆弧曲线构建。

(4-3)对每个横向构造线的离散圆弧曲线以与纵向构造线交点为起点向纵向构造线两侧按照(4-1)及(4-2)相同的方法构建横向映射圆弧曲线。

(4-4)除纵向补偿圆弧曲线上第一段圆弧起点外，以与纵向构造线的分段曲线端点对应的纵向补偿圆弧曲线端点为原点，以纵向补偿圆弧曲线垂直平面的法向为X轴，以纵向构造线平面法向为Y轴，构建与横向构造线参考坐标系方向统一的横向构造线目标坐标系，依次将横向映射圆弧曲线由(3-1)构造的横向构造线参考坐标系转置到横向构造线目标坐标系下，由此完成横向补偿圆弧曲线构建。

5.纵向补偿圆弧组合曲线和横向补偿圆弧组合曲线曲率连续性优化及回弹补偿曲面造型：

(5-1)分别将纵向补偿圆弧曲线和横向补偿圆弧曲线进行组合操作，形成纵向补偿圆弧组合曲线和横向补偿圆弧组合曲线。

(5-2)将上步所形成的纵向补偿圆弧组合曲线和横向补偿圆弧组合曲线进行曲线的曲率的连续性光顺处理，使之在满足符合性要求的前提下将由分段圆弧组成的曲线转化为曲率连续的纵向补偿曲线和横向补偿曲线。

(5-3)以纵向补偿曲线为引导线，以横向补偿曲线为截面线进行曲面造型，由此获得基于曲率映射的回弹补偿曲面。

本发明的优点在于采用基础实验件数据形成基于曲率映射的函数，通过对零件的构造线曲率离散及补偿方法显著提高了零件回弹修形的效率与准确性。

以下结合实施例附图对该申请作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明实施例试验件回弹数据及曲率映射函数示意图。

图2是本发明实施例纵向构造线和横向构造线提取示意图。

图3是本发明实施例纵向构造线和横向构造线分段点布置及分段曲线的圆弧插补示意图。

图4是本发明实施例纵向构造线和横向构造线曲率映射的离散圆弧曲线构建示意图。

图5是本发明实施例横向映射圆弧曲线构建及转置坐标示意图。

图6是本发明实施例纵向补偿圆弧曲线和横向补偿圆弧曲线到曲率连续的纵向补偿曲线和横向补偿曲线构造示意图。

图7是本发明实施例回弹补偿曲面造型及与原始曲面的位置关系分析示意图。

图中编号说明：1－纵向构造线平面；2－纵向构造线；3－横向构造线参考平面；4－横向构造线；5－横向构造线参考坐标系；6－纵向双圆弧插补曲线；7－纵向补偿圆弧曲线；8－横向映射圆弧曲线；9－横向构造线目标平面；10－横向构造线目标坐标系；11－横向补偿圆弧曲线；12－纵向补偿曲线；13－横向补偿曲线；14－曲线的曲率连续性分析结果；15－原始曲面；16－回弹补偿曲面；17－原始曲面与回弹补偿曲面的距离分析结果

具体实施方式

以某试验件为例，一种基于曲率映射的双曲面零件回弹补偿方法，包括以下步骤：

1.构建曲率映射曲线：

(1-1)按照不同圆角半径进行试验件的行组成型试验，获取系列试验件的设计半径及回弹后半径参数。

(1-2)依据试验件的设计半径及回弹后半径参数建立“回弹后曲率半径—设计曲率半径”参数表分别对应X及Y值，对形成的(X,Y)离散点构造插值函数，形成“回弹后曲率半径—设计曲率半径”连续的映射关系函数，如图1所示。

2.原始曲面的纵向构造线提取及横向构造线提取：

(2-1)将零件的外形曲面作为原始曲面选择曲率较小的方向纵向构造线平面1，由此平面与原始曲面相交形成纵向构造线2，如图2所示。

(2-2)在纵向构造线2上按照曲线的曲率变化进行曲线的分段点布置系列分段点并对纵向构造线2进行分段，在每个分段点处构造与纵向构造线2垂直的横向构造线参考平面3，由此形成的横向构造线参考平面3与原始曲面15相交获得横向构造线4，如图2所示。

3.对纵向构造线和横向构造线的分段曲线进行曲率离散：

(3-1)在纵向构造线2上的由分段点形成的每个分段曲线段以分段点为原点，横向构造线参考平面3的法向为X轴线方向，纵向构造线平面1的法向为Y轴方向构造每个横向构造线4的横向构造线参考坐标系5，如图3所示。

(3-2)以纵向构造线2上的分段曲线两端点分别作为起点、终点，以这两点的切线作为起点切线和终点切线采用双圆弧插补算法构造两段相切圆弧，直至完成纵向构造线2所有分段曲线段的双圆弧插补，形成纵向双圆弧插补曲线6，如图3所示。

(3-3)对于每个横向构造线4的分段点布置及首段双圆弧插补计算与(2-2)及(3-2)方法相同，不同之处在于每个横截面构造曲线的双圆弧插补计算均以横向构造线4与纵向构造线2的交点为起点分别向两侧进行曲线分段点布置及首段曲线的双圆弧插补计算，如图3所示。

4.纵向补偿圆弧曲线和横向补偿圆弧曲线建立：

(4-1)对已经离散为一系列分段圆弧的纵向双圆弧插补曲线6，从端点开始提取第一段的半径及弧长，以半径为X值，按之前构造的“回弹后曲率半径—设计曲率半径”曲率关系映射函数获取该圆弧回弹之前的曲率半径值Y，在保证首段圆弧曲线起始点位置和切线方向的前提下在纵向构造线平面1内按照等弧长的原则构造该段圆弧回弹之前的圆弧曲线段。

(4-2)在完成首段回弹前圆曲线弧构造完成之后将第二段圆弧与此圆弧对接，将第二段圆弧的起点与此圆弧的终点位置重合，第二段圆弧的起点切线及与此圆弧的终点切线重合。同样，按第二段圆弧的半径通过映射函数获得其回弹前的曲率半径，依据等弧长的原则在纵向构造线平面1内构造出与首段回弹前圆弧曲线相接的第二段圆弧的回弹前圆弧曲线。重复该回弹前圆弧曲线的构造方法直至完成所有如图4所示纵向双圆弧插补曲线6的曲率半径补偿的纵向补偿圆弧曲线7的构建。

(4-3)对每个横向构造线的曲率离散圆弧曲线按照与(4-1)及(4-2)相同的方法分别在横向构造线参考平面3内以与纵向构造线交点为起点向纵向构造线两侧完成横向映射圆弧曲线8。

(4-4)在纵向补偿圆弧曲线7上以在曲线分段端点相应的圆弧端点建立垂直于完成曲率映射的圆弧曲线系列横向构造线目标平面9，以此处圆弧端点为原点，以横向构造线目标平面9的法向为X轴，以纵向构造线平面1的法向为Y轴分别构造横向构造线目标坐标系10，如图5所示。将横向映射圆弧曲线8由横向构造线参考坐标系5转置至横向构造线目标坐标系10下，形成横向补偿圆弧曲线11。

5.修形构造曲线曲率连续性优化及修形曲面造型：

(5-1)分别将纵向补偿圆弧曲线7及横向补偿圆弧曲线11组合操作，形成纵向补偿圆弧组合曲线和横向补偿圆弧组合曲线。

(5-2)将上步所形成的纵向补偿圆弧组合曲线和横向补偿圆弧组合曲线进行曲线的曲率连续性光顺处理，使之在满足符合性要求的前提下将组合曲线转化为曲率连续的纵向补偿曲线12，如图6所示，形成曲线的曲率连续性分析结果14。

(5-3)以纵向补偿曲线12为引导线，以横向补偿曲线13为截面线进行曲面造型，由此获得基于曲率映射的回弹补偿曲面16，如图7所示，17为回弹补偿曲面16与原始曲面15的距离分析结果。

本发明采用试验件设计曲率半径及成型回弹后的实际曲率半径构造曲率映射曲线函数，通过对曲面构造曲线的曲率离散反求零件的工艺补偿型面构造曲线的曲率，所形成的基于曲率映射的构造曲线经过曲率连续性光顺处理后进行造型形成回弹补偿型面。该方法具有发放适应性好、补偿修形准确、效率高的特点。文献检索表明，国内目前尚无基于曲率映射函数的回弹修形公开文献。

Claims (1)

1.一种基于曲率映射的双曲面零件回弹补偿方法，其特征在于包括以下步骤：

1.构建曲率映射曲线：

(1-1)按照不同圆角半径进行试验件的分组成型试验，获取系列试验件的设计半径及回弹后半径参数

(1-2)依据试验件的设计半径及回弹后半径参数建立“回弹后曲率半径—设计曲率半径”参数表分别对应函数的X及Y值，对试验件数据形成的(X,Y)离散点构造插值函数，形成“回弹后曲率半径—设计曲率半径”连续的映射关系函数；

2.原始曲面的纵向构造线及横向构造线提取：

(2-1)将零件的外形曲面作为原始曲面选择曲率较小的方向构造一条平面曲线作为曲面的纵向构造线

(2-2)在纵向构造线上按照曲线的曲率变化进行曲线的分段点布置并对纵向构造线进行分段，形成分段曲线，在分段点处建立纵向构造线的垂直平面并与零件原始曲面相交获得系列横向构造线；

3.对纵向构造线和横向构造线的分段曲线进行曲率离散：

(3-1)在纵向构造线的分段曲线上以分段点为原点以分段曲线端点垂直平面的法向为X轴线方向，以纵向构造线平面的法向为Y轴方向构造每个横向构造线参考坐标系

(3-2)将纵向构造线的分段曲线两相邻分段点分别作为起点、终点以及分段点在曲线上的切线作为起点切线和终点切线采用双圆弧插补算法构造两段相切圆弧，其中双圆弧插补的公切点定义为轨迹圆弧的中点

(3-3)对于每个横向构造线的分段点布置及首段双圆弧插补计算与(2-2)及(3-2)方法相同，不同之处在于每个横向构造线的计算均以横向构造线与纵向构造线的交点为起点向两侧进行曲线分段点布置及首段曲线的双圆弧插补计算；

4.纵向补偿圆弧曲线和横向补偿圆弧曲线建立：

(4-1)对纵向构造线已经离散为一系列分段圆弧的离散圆弧曲线，从端点开始提取第一段圆弧的半径及弧长，按此半径作为X值在之前构造的“回弹后曲率半径—设计曲率半径”曲率关系映射函数获取该圆弧回弹之前的曲率半径值Y，在保证起始端点位置和切线方向的前提下在纵向构造线平面按照等弧长的原则构造该段圆弧回弹之前的圆弧曲线段

(4-2)在完成首段回弹前圆曲线弧构造完成之后将第二段圆弧与此圆弧对接，将第二段圆弧的起点与此圆弧的终点位置重合，第二段圆弧的起点切线及与此圆弧的终点切线重合，同样，按第二段圆弧的半径通过映射函数获得其回弹前的曲率半径，依据等弧长的原则在纵向构造线平面内构造出与首段回弹前圆弧曲线相接的第二段圆弧曲线的回弹前圆弧曲线。重复该圆弧曲线的构造方法直至完成纵向补偿圆弧曲线构建

(4-3)对每个横向构造线的离散圆弧曲线以与纵向构造线交点为起点向纵向构造线两侧按照(4-1)及(4-2)相同的方法构建横向映射圆弧曲线

(4-4)除纵向补偿圆弧曲线上第一段圆弧起点外，以与纵向构造线的分段曲线端点对应的纵向补偿圆弧曲线端点为原点，以纵向补偿圆弧曲线垂直平面的法向为X轴，以纵向构造线平面法向为Y轴，构建与横向构造线参考坐标系方向统一的横向构造线目标坐标系，依次将横向映射圆弧曲线由(3-1)构造的横向构造线参考坐标系转置到横向构造线目标坐标系下，由此完成横向补偿圆弧曲线构建；

5.纵向补偿圆弧组合曲线和横向补偿圆弧组合曲线曲率连续性优化及回弹补偿曲面造型：

(5-1)分别将纵向补偿圆弧曲线和横向补偿圆弧曲线进行组合操作，形成纵向补偿圆弧组合曲线和横向补偿圆弧组合曲线

(5-2)将上步所形成的纵向补偿圆弧组合曲线和横向补偿圆弧组合曲线进行曲线的曲率的连续性光顺处理，使之在满足符合性要求的前提下将由分段圆弧组成的曲线转化为曲率连续的纵向补偿曲线和横向补偿曲线

(5-3)以纵向补偿曲线为引导线，以横向补偿曲线为截面线进行曲面造型，由此获得基于曲率映射的回弹补偿曲面。