CN110472290A - 一种多机器人铺丝测地线轨迹设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多机器人铺丝测地线轨迹设计方法，基于曲面的三角形离散网格进行轨迹设计，包括：在构件上取一个点；以该点为起始点，分别向两端生成测地线轨迹；以当前轨迹为基准轨迹，周向绕轴或重心线旋转该轨迹可分别获取第二条、第三条…；将所有的轨迹投影到模具表面，进而形成覆盖性轨迹，完成类回转体构件的测地线铺丝轨迹设计；将轨迹转化为机械语言，控制铺丝机完成工件的覆盖性铺丝成型。本发明提供多机器人铺丝测地线轨迹设计方法算法简单，有效减少了运算量，提高了铺丝效率，同时便于程序编写和软件开发。
Description
技术领域
本发明专利涉及碳纤维复合材料自动化成型领域，具体涉及多机器人铺丝测地线轨迹规划设计方法。
背景技术
自动铺丝技术全称是自动丝束铺丝成型技术，也称为纤维铺放技术，它是将缠绕技术中不同丝束独立输送和自动铺带技术的压实、切割、重送等功能相结合，由铺丝头在压辊作用下将数根丝束集束成一条宽度可变的预浸带后铺放到模具表面。先进复合材料自动铺丝轨迹规划的方法有很多种，单由于一般自由曲面难以用具体表达式表达，其中任意点之间测地线也很难实现基于解析算法进行求解。因此，现有的铺丝方法过程复杂，对于复杂曲面用数学方法求解测地线轨迹运算量大，效率低，无法满足实际工程需要不利于程序编写和软件开发，铺丝效率不高。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种多机器人铺丝测地线轨迹设计方法。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多机器人铺丝测地线轨迹设计方法，基于曲面的三角形离散网格进行轨迹设计，包括如下步骤：
步骤1，在构件上取一个点；
步骤2，以该点为起始点，分别向两端生成测地线轨迹；
步骤3，以当前轨迹为基准轨迹，周向绕参考线旋转该轨迹可分别获取第二条、第三条…；
步骤4，将所有的轨迹投影到模具表面，进而形成覆盖性轨迹，完成类回转体构件的测地线铺丝轨迹设计；
步骤5，将轨迹转化为机械语言，控制铺丝机完成工件的覆盖性铺丝成型。
进一步的，所述步骤2包括如下步骤：
确定起始轨迹线段Q1Q2，该线段的夹角与当前截面呈铺放角；
以当前线段端点在同一个面片的两条边上，取其中一点作为起始点Q2，分别向两侧生成测地线轨迹；
取下一相邻三角面片ABC，其中Q2点在线段AB上，在BC或CA上取一点Q3，使之满足∠Q1Q2A与∠Q3Q2B相等，则Q3即可作为下一个测地线轨迹点；
反复进行获取测地线轨迹。
进一步的，所述步骤1具体为：在构件的轴向中间截面位置，在截面上任意取一个点。
进一步的，所述步骤1具体为：取构件的轴向端部位置，获取截面呈铺放角的小线段。
进一步的，所述步骤1具体为：取构件的曲面中心面片位置，在附近任意取一个点。
进一步的，所述步骤2中角度为0/45/-45/90。
进一步的，所述步骤6中机械语言为G代码或nc代码。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明提供多机器人铺丝测地线轨迹设计方法算法简单，有效减少了运算量，提高了铺丝效率，同时便于程序编写和软件开发。
附图说明
图1为曲面及网格单元示意图。
图2为三角网格上的测地线示意图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例一：
本发明提供的一种多机器人铺丝测地线轨迹设计方法，包括如下步骤：
步骤1，取构件的轴向中间截面位置，在截面上任意取一个点；
步骤2，以该点为起始点，分别向两端生成测地线轨迹，角度一般为0/45/-45/90，这里所说的90度轨迹是一个近似概念，即近90度的环向轨迹；
本发明引入网格曲面求解测地线，基于曲面的三角形离散网格进行轨迹设计。在各网格单元内，曲面上的测地线的测地曲率为零，即为平面，在平面上的测地线即为直线，可以方便的推算出测地线轨迹设计算法。如图1所示，在各网格的边缘处，设定自由曲面任意点Q，并根据此点在切向和法向构造平面，在足够小的邻域内将此平面与自由曲面的交线作为下一轨迹段，即可实现轨迹在该点处的测地曲率为零。因此可应用此测地线方法求解复杂曲率的曲面轨迹算法。
生成测地线轨迹实施步骤是：首先确定起始轨迹线段Q1Q2，该线段的夹角与当前截面呈铺放角；以当前线段端点在同一个面片的两条边上，取其中一点作为起始点Q2，分别向两侧生成测地线轨迹；取下一相邻三角面片ABC，其中Q2点在线段AB上，在BC或CA上取一点Q3，使之满足∠Q1Q2A与∠Q3Q2B相等，则Q3即可作为下一个测地线轨迹点；反复迭代进行获取测地线轨迹。
具体的说，生成测地线轨迹包括如下步骤：
如图2所示，将曲面三角网格化，M1,M2,M3,M4...分别为各网格的单位法向量，给定轨迹起点Q1和起始铺放方向得到Q2(x1,y1,z1)，Q2处的单位法向量为两相邻网格法向量的平均：
M12＝(M1+M2)/2
P1处切向量为：
U1＝Q2-Q1
Q1处副法向量：
C＝M12×U1＝(xc,yc,zc)
通过Q2(x2,y2,z2)和C(Xc,Yc,Zc)点法式可得到Q2处法向量和切向量构成的平面方程：
(x-x2)·xc+(y-y2)·yc+(z-z2)·zc＝0
相邻三角网格任意边L1的方程可由参数方程表示：
P(s)＝(1-s)·D0+s·D1
式中：D1(a1,b1,c1)、D2(a2,b2,c2)分别表示边E2的两个顶点，s为参数，当0≤s≤1时表示点在线段D1D2内。
将构造的平面方程和边方程求交：
若0＜s＜1表明下一段轨迹交于E2内，将s回代标准公式便可得到下一轨迹点坐标；
若s＝0或1表明轨迹经过网格顶点，需作为特殊情况讨论；
若s不在[0,1]范围内表明轨迹不交于E2线段内，则轨迹必与E2相交，将D1、D2坐标值换成E2的两顶点坐标，再进行计算即可。
对于轨迹线交于网格顶点的特殊情况，如图中Q3，下一段轨迹的计算过程与交于边的情况大致相同，只是该点法向量的求解方法有所不同，具体做法为将交于该顶点的所有三角网格的法向量进行面积加权平均：
式中：Bi表示各三角网格的面积，可通过海伦公式进行求解：
式中a,b,c分别为三角形三边长。
步骤3，以当前轨迹为基准轨迹，周向绕轴旋转该轨迹可分别获取第二条、第三条…；轴线为示例，也可以根据需要选择其他参考线进行旋转。
步骤4，将所有的轨迹投影到模具表面，进而形成覆盖性轨迹，完成类回转体构件的测地线铺丝轨迹设计；
步骤5，将轨迹转化为机械语言(G代码或nc代码)，控制铺丝机完成工件的覆盖性铺丝成型。
实施例二：
与实施例一不同的是，本例步骤3中在基准轨迹获取之后，周向绕重心线旋转该轨迹可分别获取第二条、第三条…。本例中其余步骤均与实施例一相同。重心线为示例，也可以根据需要选择其他参考线进行旋转。
实施例三：
本例与实施例一、二不同的是，步骤1中是取构件的轴向端部位置，获取截面呈铺放角的小线段；然后，以该线段端点为起始点，分别向另一端生成测地线轨迹。本例中其余步骤均与实施例一或实施例二相同。
实施例四：
本例针对自由开曲面构件设计测地线轨迹，提供了一种多机器人铺丝测地线轨迹设计方法，包括如下步骤：
步骤1，取构件的曲面中心面片位置，在附近任意取一个点；
步骤2，以该点为起始点，分别向两端生成测地线轨迹，角度一般为0/45/-45/90；
步骤3，当前轨迹为基准轨迹，向两侧平移该轨迹可分别获取第二条、第三条…；
步骤4，最后，将所有的轨迹投影到模具表面，进而形成覆盖性轨迹，完成类回转体构件的测地线铺丝轨迹设计。本步骤中测地线轨迹实施步骤及生成测地线轨迹方法与实施例一相同。
步骤5，将轨迹转化为机械语言(G代码或nc代码)，控制铺丝机完成工件的覆盖性铺丝成型。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种多机器人铺丝测地线轨迹设计方法，其特征在于，基于曲面的三角形离散网格进行轨迹设计，包括如下步骤：
步骤1，在构件上或附近取一个点；
步骤2，以该点为起始点，分别向两端生成测地线轨迹；
步骤3，以当前轨迹为基准轨迹，周向绕参考线旋转该轨迹可分别获取其他轨迹；
步骤4，将所有的轨迹投影到模具表面，进而形成覆盖性轨迹，完成类回转体构件的测地线铺丝轨迹设计；
步骤5，将轨迹转化为机械语言，控制铺丝机完成工件的覆盖性铺丝成型。
2.根据权利要求1所述的多机器人铺丝测地线轨迹设计方法，其特征在于，所述步骤2包括如下步骤：
确定起始轨迹线段Q1Q2，该线段的夹角与当前截面呈铺放角；
以当前线段端点在同一个面片的两条边上，取其中一点作为起始点Q2，分别向两侧生成测地线轨迹；
取下一相邻三角面片ABC，其中Q2点在线段AB上，在BC或CA上取一点Q3，使之满足∠Q1Q2A与∠Q3Q2B相等，则Q3即可作为下一个测地线轨迹点；
反复进行获取测地线轨迹。
3.根据权利要求1所述的多机器人铺丝测地线轨迹设计方法，其特征在于：所述步骤1具体为：在构件的轴向中间截面位置，在截面上任意取一个点。
4.根据权利要求1所述的多机器人铺丝测地线轨迹设计方法，其特征在于：所述步骤1具体为：取构件的轴向端部位置，获取截面呈铺放角的小线段。
5.根据权利要求1所述的多机器人铺丝测地线轨迹设计方法，其特征在于：所述步骤1具体为：取构件的曲面中心面片位置，在附近任意取一个点。
6.根据权利要求1所述的多机器人铺丝测地线轨迹设计方法，其特征在于：所述步骤2中角度为0/45/-45/90。
7.根据权利要求1所述的多机器人铺丝测地线轨迹设计方法，其特征在于：所述步骤6中机械语言为G代码或nc代码。
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