CN110826252A - 提高直线轨迹下空间包络成形精度的包络模具设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高直线轨迹下空间包络成形精度的包络模具设计方法，包括以下步骤：S1、以构件上表面最高平面几何中点O为坐标原点，建立O‑xyz直角坐标系；S2、基于构件反转法生成包络模具设计原理，构件绕旋转轴作直线往复摇摆运动；S3、离散并提取构件上表面点的坐标，放入集合V1中；S4、将S3集合V1中的点集按照S2中的运动，获得不同旋转角度下的点集V1’，该集合即为构件反转运动过程中的整体点云，其上表面点云即为包络模具；S5、利用边界提取算法，从V1’点集中提取出上表面点放入点集V2中，点集V2即为直线轨迹下包络模具表面点。通过本发明方法获取的包络模具与构件上表面不发生干涉，从而提高构件空间包络成形精度。

Description

提高直线轨迹下空间包络成形精度的包络模具设计方法

技术领域

本发明涉及空间包络成形技术领域，更具体地说，涉及一种提高直线轨迹下空间包络成形精度的包络模具设计方法。

背景技术

空间包络成形是指在包络模具与构件相对运动过程中，由包络模具的复杂空间运动包络成构件复杂形状的塑性成形方法。空间包络成形具有成形力小，材料利用率高，成形精度好，能获得较好的金属流线等特点，能使构件性能获得保证，从而满足构件高性能、高效率成形制造的要求。

空间包络成形过程中，根据包络模上任意点的运动轨迹不同，可以将空间包络成形分为直线轨迹与圆轨迹。直线轨迹空间包络成形过程中，包络模围绕包络轴线作往复摇摆运动，从俯视视角角可以得到包络模上任意点的运动轨迹为直线。

空间包络成形过程中，包络模具的形状决定了最终成形工件的形状，因此包络模具的设计十分关键。现有的包络模具设计方法是基于包络运动关系，将构件上表面点投影到对应位置从而得到包络模具。该方法可以得到空间包络成形包络模具，但由于未考虑到成形中模具与构件会产生干涉，从而严重影响构件表面质量与成形精度。

因此，亟需一种提高直线轨迹下薄壁高筋构件空间包络成形精度的包络模具设计方法来解决上述问题。目前，国内外还没有关于提高直线轨迹下薄壁高筋构件空间包络成形精度的包络模具设计方法的报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种提高直线轨迹下空间包络成形精度的包络模具设计方法，可以提高空间包络模具的设计质量与精度，防止空间包络成形过程发生干涉现象。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种提高直线轨迹下空间包络成形精度的包络模具设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、以待成形构件上表面最高平面几何中点O为坐标原点，以通过O点的水平面为xy平面，该平面内过O点的任一直线作为旋转轴，并以该旋转轴作为X轴，旋转轴在包络成形过程中固定不动，以通过O点的竖直轴线为Z轴，建立O-xyz直角坐标系；

S2、基于构件反转法进行包络模具设计，构件反转法生成包络模具设计原理为：包络成形过程中，假设包络模具静止不动，构件相对于包络模具作反转运动，同时满足直线轨迹空间包络运动规律；构件在该运动下得到的新构件表面即为包络模具表面，具体方法如下：

S21、在S1确定的直角坐标系下，离散并提取构件上表面点的坐标，放入集合V1中；

S22、将集合V1中的点集按照构件绕旋转轴作直线往复摇摆运动，获得不同旋转角度下的点集V1’，该集合即为构件反转运动过程中的整体点云；

S23、利用边界提取算法，从V1’点集中提取出上表面点放入点集V2中，点集V2即为直线轨迹下包络模具表面点，再将集合V2中的点云封装成实体，即可得到包络模具实体。

上述方案中，由点集V1获得不同旋转角度下的点集V1’变换计算公式为：

(x′，y′，z′)＝(x，y，z)*R_x (1)

其中，(x，y，z)为点集V1中的点坐标，(x’，y’，z’)为点集V1’中的点坐标，t为构件绕旋转轴旋转次数。当构件围绕旋转轴顺时针转动时β取正值，当构件围绕旋转轴顺时针转动时β取负值；λ为构件绕旋转轴旋转精度，其计算公式为：

α为包络模具锥角，ε为构件绕旋转轴旋转总次数。

上述方案中，S23中边界提取算法包括以下步骤：

a.区域划分：将点集V1’中的点按照其xy坐标的关系，划分成nw*nl个柱状网格小分区；

W＝max(y)-min(y) (6)

L＝max(x)-min(x) (7)

其中，W为点集V1’中y方向最大长度，dw为y方向最小划分间隔，L为点集V1’中x方向最大长度，dl为x方向最小划分间隔；

b.区域判断：对过程a中划分的nw*nl个柱状网格小分区依次进行判断，判断每个柱状小分区内是否存在点，若存在则在该区域进行下一步边界搜索，若不存在则跳过该区域，对下一个区域继续判断；

c.边界搜索：在每个柱状小分区中，找到其上表面点，即Z坐标值最大的点，该点即为该柱状小分区中的边界点；

d.边界提取：将过程c中搜索到的所有柱状小分区中的边界点放入点集V2中，该点集即为直线轨迹下包络模具表面点。

实施本发明的提高直线轨迹下空间包络成形精度的包络模具设计方法，具有以下有益效果：

1.本发明提出的构件反转法通过假设包络模具静止不动，构件相对于包络模具作反转运动，基于该方法设计出来的包络模从原理上解决了包络模具与目标工件干涉的问题，很好地保证的工件的可成形性与成形精度。

2.本发明提出的边界提取算法，能有效地从众多点集中快速提取出包络模表面所属的点集。该提取算法方便快捷，提取速度快，精度高，为后面包络模的实体化提供了良好的基础。

3.本发明所提出的一种提高直线轨迹下薄壁高筋构件空间包络成形精度的包络模具设计方法，方法简单、高效，具有很强的实用性和通用性，可以方便快捷地设计出直线轨迹下空间包络成形所对应的包络模具，有效提高了包络模具的设计效率。

4.本发明所提出的一种提高直线轨迹下薄壁高筋构件空间包络成形精度的包络模具设计方法解决了包络模设计难、包络模精度差、成形精度低等问题，能够有效地推动空间包络成形技术的应用与推广。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为待成形构件立体视图；

图2为构件反转包络运动结果图；

图3为构件表面点云集合示意图；

图4为集合V1’示意图；

图5为依据该方法设计得到的包络模具立体视图；

图6为包络模具主视图；

图7为包络模具左视图；

图8为包络模具俯视图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本实例针对平板上带有两条S形高筋的构件如图1所示，利用本发明对其直线轨迹下空间包络成形包络模具进行设计。包络模的形状设计方法包括以下步骤：

S1、如图1所示，以待成形构件上表面最高平面几何中点O为坐标原点，以通过O点的水平面为xy平面，该平面内过O点的任一直线作为旋转轴，并以该旋转轴作为X轴，旋转轴在包络成形过程中固定不动，以通过O点的竖直轴线为Z轴，建立O-xyz直角坐标系。

S2、基于构件反转法进行包络模具设计，构件反转法生成包络模具设计原理为：包络成形过程中，假设包络模具静止不动，构件相对于包络模具作反转运动，同时满足直线轨迹空间包络运动规律。最终运动结果如图2所示。图中，最上表面区域即为包络模具表面。

S3、在S1确定的直角坐标系下，离散并提取构件上表面点的坐标，放入集合V1中，如图3所示，红色点表示高筋特征点，绿色点表示构件平面点；

S4、将集合V1中的点集按照S2中的运动，获得不同旋转角度下的点集V1’，该集合即为构件反转运动过程中的整体点云，其上表面点云即为包络模具。包络模具锥角α为160，构件绕旋转轴旋转总次数ε为2000次，在其旋转运动过程中，构件绕旋转轴旋转精度λ为：

由点集V1获得不同旋转角度下的点集V1’变换计算公式为：

(x′，y′，z′)＝(x，y，z)*R_x (2)

β∈[-10°，10°] (5)

其中，(x，y，z)为点集V1中的点坐标，(x’，y’，z’)为点集V1’中的点坐标，t为构件绕旋转轴旋转次数。当构件围绕旋转轴顺时针转动时β取正值，当构件围绕旋转轴顺时针转动时β取负值。根据直线轨迹下包络运动关系，该实例中β在-10到10之间。

S5、利用边界提取算法，从V1’点集中提取出上表面点放入集合V2中，集合V2即为直线轨迹下包络模具表面点。

其中边界提取算法具体流程为：

a.区域划分。如图3所示，在y方向上点集V1’中两点的最大距离为W，在x方向上点集V1’中两点的最大距离为L。将点集V1’中的点按照其xy坐标的关系，划分成100*100个柱状网格小分区。

W＝max(y)-min(y) (6)

L＝max(x)-min(x) (7)

其中，W为点集V1’中y方向最大长度为100mm，dw为y方向最小划分间隔为1mm，L为点集V1’中x方向最大长度为120mm，dl为x方向最小划分间隔为1.2mm。

b.区域判断。对过程a中划分的100*100个柱状网格小分区依次进行判断，判断每个柱状小分区内是否存在点，若存在则在该区域进行下一步边界搜索，若不存在则跳过该区域，对下一个区域继续判断。

c.边界搜索。在每个柱状小分区中，找到其上表面点，即Z坐标值最大的点，该点即为该柱状小分区中的边界点。

d.边界提取。将过程c中搜索到的所有柱状小分区中的边界点放入点集V2中，该点集即为直线轨迹下包络模具表面点。

S6、最后将集合V2中的点云封装成实体，即可得到包络模具实体，如图6所示。此包络模具与构件上表面不发生干涉，从而提高构件空间包络成形精度。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种提高直线轨迹下空间包络成形精度的包络模具设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、以待成形构件上表面最高平面几何中点O为坐标原点，以通过O点的水平面为xy平面，该平面内过O点的任一直线作为旋转轴，并以该旋转轴作为X轴，旋转轴在包络成形过程中固定不动，以通过O点的竖直轴线为Z轴，建立O-xyz直角坐标系；

S2、基于构件反转法进行包络模具设计，构件反转法生成包络模具设计原理为：包络成形过程中，假设包络模具静止不动，构件相对于包络模具作反转运动，同时满足直线轨迹空间包络运动规律；构件在该运动下得到的新构件表面即为包络模具表面，具体方法如下：

S21、在S1确定的直角坐标系下，离散并提取构件上表面点的坐标，放入集合V1中；

S22、将集合V1中的点集按照构件绕旋转轴作直线往复摇摆运动，获得不同旋转角度下的点集V1’，该集合即为构件反转运动过程中的整体点云；

S23、利用边界提取算法，从V1’点集中提取出上表面点放入点集V2中，点集V2即为直线轨迹下包络模具表面点，再将集合V2中的点云封装成实体，即可得到包络模具实体。

2.根据权利要求1所述的提高直线轨迹下空间包络成形精度的包络模具设计方法，其特征在于，由点集V1获得不同旋转角度下的点集V1’变换计算公式为：

(x′，y′，z′)＝（x，y，z)*R_x (1)

其中，(x，y，z)为点集V1中的点坐标，(x’，y’，z’)为点集V1’中的点坐标，t为构件绕旋转轴旋转次数。当构件围绕旋转轴顺时针转动时β取正值，当构件围绕旋转轴顺时针转动时β取负值；λ为构件绕旋转轴旋转精度，其计算公式为：

α为包络模具锥角，ε为构件绕旋转轴旋转总次数。

3.根据权利要求1所述的提高直线轨迹下空间包络成形精度的包络模具设计方法，其特征在于，S23中边界提取算法包括以下步骤：

a.区域划分：将点集V1’中的点按照其xy坐标的关系，划分成nw*nl个柱状网格小分区；

W＝max(y)-min(y) (6)

L＝max(x)-min(x) (7)

其中，W为点集V1’中y方向最大长度，dw为y方向最小划分间隔，L为点集V1’中x方向最大长度，dl为x方向最小划分间隔；

b.区域判断：对过程a中划分的nw*nl个柱状网格小分区依次进行判断，判断每个柱状小分区内是否存在点，若存在则在该区域进行下一步边界搜索，若不存在则跳过该区域，对下一个区域继续判断；

c.边界搜索：在每个柱状小分区中，找到其上表面点，即Z坐标值最大的点，该点即为该柱状小分区中的边界点；

d.边界提取：将过程c中搜索到的所有柱状小分区中的边界点放入点集V2中，该点集即为直线轨迹下包络模具表面点。

Images