CN112060630A - 一种基于自动铺丝技术的铺层理论厚度测算方法 - Google Patents

一种基于自动铺丝技术的铺层理论厚度测算方法 Download PDF

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Abstract

一种基于自动铺丝技术的铺层理论厚度测算方法，包括以下步骤：提取待成型零件的贴模面，并将贴模面用点云表示；根据铺丝程序的理论轨迹，在第一铺层上提取每条丝束的中心线，并依次在后续铺层上提取所有中心线；对于任一铺层，求取点云任一点与铺层上任一中心线的垂线，垂线长度；根据计算得到的点与中心线之间的距离，判定点是否落在预浸料覆盖区域，依次对点云每个点进行判定，筛选出落在预浸料覆盖区域的点，去除落在预浸料覆盖区域外的点，新的点云用来表达本铺层的理论厚度；对全部铺层进行分析，将表示每层理论厚度的点云进行叠加，对重复点计数，根据计数结果进行着色，计数大小对应不同色谱来表达最终全铺层理论厚度。

Description

一种基于自动铺丝技术的铺层理论厚度测算方法
技术领域
本发明涉及自动铺丝领域，特别涉及一种基于自动铺丝技术的铺层理论厚度测算方法。
背景技术
复合材料自动铺丝技术的全称是自动丝束铺放成形技术ATP(Automated TowPlace-ment)，也称为纤维铺放技术(FiberPlacement)。自动铺丝技术是于20世纪70年代作为缠绕与铺带技术的改革提出来的，旨在克服缠绕技术在“周期性、稳定性和非架空”方面以及自动铺带必须沿“自然路径”的限制，用于复合材料机身结构制造，核心技术是多丝束铺放头的设计研制和相应材料体系开发。Boeing公司和Hercules公司从1982年开始研制自动铺丝技术，包括设备设计、工艺与材料研制等多项工作。Boeing公司的机械工程师提出了“AVSD铺放头”(AutomatedVariable Strand Dispensing Head)设想，解决了纤维束压实、切断和重送的问题。1985年Hercules公司研制出了第一台原理样机；20世纪80年代后期由专业数控加工设备制造商进一步完善。1989年Cncinnati Milacron公司设计出第一台自动铺丝系统并于1990年投入使用；1995年Ingersoll公司研制出其第一台铺放机。20世纪90年代由专业软件制造商提供的高端CAD/CAM软件(如Vistage公司基于CATIA平台的Fiber-Sim)。自动铺丝技术是目前发展应用最为迅速的复合材料自动化技术之一，已在飞机机身结构和航天器制造方面得到广泛应用。
自动铺丝技术是先进复合材料成型方法之一，随着航空航天领域复合材料用量越来越大，自动铺丝技术应用需求也明显提升。针对结构复杂零件，丝束在铺放过程中无法达到100％全铺覆，存有三角镂空区域，后续多层三角区的重叠势必影响固化完成后零件厚度，并进一步影响零件成型质量。因此，在铺放程序的编制过程中应尽量避免层与层之间三角区的重叠，以获取最终制件更为均匀的厚度。
传统的厚度测量方法为待复材制件固化后利用超声等手段进行测量，固化前理论厚度尚无手段进行表征，仅能够依靠编程人员经验避免三角区重叠，以尽量达到理论厚度，这种方法存在误差大，试错反复等问题。
发明内容
本发明的目的在于：提供了一种基于自动铺丝技术的铺层理论厚度测算方法，重点关注自动铺丝程序编制过程中出现的层与层之间三角镂空区的重叠问题，通过理论分析进行迭代，避免了实际铺放验证，提高程序编制效率；同时根据理论分析结果，能够更准确地预测制件固化后厚度，解决了上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于自动铺丝技术的铺层理论厚度测算方法，包括以下步骤：
步骤S1：提取待成型零件的贴模面，并将贴模面用点云表示，获取点P1，P2，P3…Pn；
步骤S2：根据铺丝程序的理论轨迹，在第一铺层L1上提取每条丝束的中心线L1S1，L1S2，L1S3…L1Sn，并依次在后续铺层L2，L3，L4…Ln上提取所有中心线；
步骤S3：对于任一铺层Ln，求取点云任一点Pn与铺层上任一中心线LnSn的垂线，垂线长度
Figure BDA0002586501130000021
步骤S4：根据计算得到的Pn点与中心线之间的距离，判定Pn点是否落在预浸料覆盖区域，依次对点云每个点进行判定，筛选出落在预浸料覆盖区域的点，去除落在预浸料覆盖区域外的点，新的点云用来表达本铺层的理论厚度；
步骤S5：对全部铺层进行步骤S4的分析，将表示每层理论厚度的点云进行叠加，对重复点计数，根据计数结果进行着色，计数大小对应不同色谱来表达最终全铺层理论厚度。
为了更好地实现本方案，进一步地，所述步骤S1中利用点云表达贴模面时，通过对每个点进行数学计算，筛选后得到铺层厚度信息，其中，两个相邻点之间距离不大于规定值。
为了更好地实现本方案，进一步地，所述规定值按照自动铺丝材料宽度及带间间隙确定。
为了更好地实现本方案，进一步地，所述步骤S4中判定Pn点是否落在预浸料覆盖区域时，对于任一铺层Ln，贴模面上点云某一点落在铺层Ln上丝束覆盖区域的条件为：
Figure BDA0002586501130000022
其中，a为预浸料理论厚度，b为预浸料理论宽度。
为了更好地实现本方案，进一步地，所述步骤S5还包括：对点云上点进行反向筛选，得到铺层上预浸料未覆盖区域，将未覆盖区域命名为三角区，全铺层分析后得到三角区重叠区，指导技术人员在轨迹规划过程中规避三角区重叠。
本方案中，将自动铺丝技术的铺层理论厚度，转换为每个贴膜面的点云，首先将每个贴膜面用n个点组成的点云表示，点云中两个相邻的点不大于一个预设的规定值，该规定值按照自动铺丝材料宽度及带间间隙确定，自动铺丝材料宽度越大，该预设的规定值越大，带间间隙越大，该预设的规定值越大；然后在每个铺层Ln中提出每条丝束的中心线LnS1，LnS2，LnS3…LnSn，这n×n个中心线，根据勾股定理，计算得到的Pn点与中心线之间的距离，然后判定Pn点是否落在预浸料覆盖区域，依次对点云每个点进行判定，筛选出落在预浸料覆盖区域的点，去除落在预浸料覆盖区域外的点，新的点云用来表达本铺层的理论厚度；最后将表示每层理论厚度的点云进行叠加，对重复点计数，根据计数结果进行着色，计数大小对应不同色谱来表达最终全铺层理论厚度。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明所述的一种基于自动铺丝技术的铺层理论厚度测算方法，重点关注自动铺丝程序编制过程中出现的层与层之间三角镂空区的重叠问题，通过理论分析进行迭代，避免了实际铺放验证，提高了程序编制效率；
2.本发明所述的一种基于自动铺丝技术的铺层理论厚度测算方法，重点关注自动铺丝程序编制过程中出现的层与层之间三角镂空区的重叠问题，通过理论分析进行迭代，避免了实际铺放验证，同时根据理论分析结果，能够更准确地预测制件固化后厚度。
附图说明
为了更清楚地说明本技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：
图1是本发明的贴模面点云化示意图；
图2是本发明的贴模面上某一点与铺层轨迹中心线的距离关系示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合图1至图2对本发明作详细说明。
实施例1
一种基于自动铺丝技术的铺层理论厚度测算方法，包括以下步骤：
步骤S1：提取待成型零件的贴模面，并将贴模面用点云表示，如图1，获取点P1，P2，P3…Pn；
步骤S2：根据铺丝程序的理论轨迹，在第一铺层L1上提取每条丝束的中心线L1S1，L1S2，L1S3…L1Sn，并依次在后续铺层L2，L3，L4…Ln上提取所有中心线；
步骤S3：对于任一铺层Ln，求取点云任一点Pn与铺层上任一中心线LnSn的垂线，垂线长度
Figure BDA0002586501130000041
步骤S4：如图2，根据计算得到的Pn点与中心线之间的距离，判定Pn点是否落在预浸料覆盖区域，依次对点云每个点进行判定，筛选出落在预浸料覆盖区域的点，去除落在预浸料覆盖区域外的点，新的点云用来表达本铺层的理论厚度；
步骤S5：对全部铺层进行步骤S4的分析，将表示每层理论厚度的点云进行叠加，对重复点计数，根据计数结果进行着色，计数大小对应不同色谱来表达最终全铺层理论厚度。
工作原理：本方案中，将自动铺丝技术的铺层理论厚度，转换为每个贴膜面的点云，首先将每个贴膜面用n个点组成的点云表示，点云中两个相邻的点不大于一个预设的规定值，该规定值按照自动铺丝材料宽度及带间间隙确定，自动铺丝材料宽度越大，该预设的规定值越大，带间间隙越大，该预设的规定值越大；然后在每个铺层Ln中提出每条丝束的中心线LnS1，LnS2，LnS3…LnSn，这n×n个中心线，根据勾股定理，计算得到的Pn点与中心线之间的距离，然后判定Pn点是否落在预浸料覆盖区域，依次对点云每个点进行判定，筛选出落在预浸料覆盖区域的点，去除落在预浸料覆盖区域外的点，新的点云用来表达本铺层的理论厚度；最后将表示每层理论厚度的点云进行叠加，对重复点计数，根据计数结果进行着色，计数大小对应不同色谱来表达最终全铺层理论厚度。
实施例2
一种基于自动铺丝技术的铺层理论厚度测算方法，包括以下步骤：
步骤S1：提取待成型零件的贴模面，并将贴模面用点云表示，如图1，获取点P1，P2，P3…Pn；利用点云表达贴模面时，通过对每个点进行数学计算，筛选后得到铺层厚度信息，其中，两个相邻点之间距离不大于规定值；所述规定值按照自动铺丝材料宽度及带间间隙确定；
步骤S2：根据铺丝程序的理论轨迹，在第一铺层L1上提取每条丝束的中心线L1S1，L1S2，L1S3…L1Sn，并依次在后续铺层L2，L3，L4…Ln上提取所有中心线；
步骤S3：对于任一铺层Ln，求取点云任一点Pn与铺层上任一中心线LnSn的垂线，垂线长度
Figure BDA0002586501130000042
步骤S4：如图2，根据计算得到的Pn点与中心线之间的距离，判定Pn点是否落在预浸料覆盖区域，依次对点云每个点进行判定，筛选出落在预浸料覆盖区域的点，去除落在预浸料覆盖区域外的点，新的点云用来表达本铺层的理论厚度；判定Pn点是否落在预浸料覆盖区域时，对于任一铺层Ln，贴模面上点云某一点落在铺层Ln上丝束覆盖区域的条件为：
Figure BDA0002586501130000051
其中，a为预浸料理论厚度，b为预浸料理论宽度；
步骤S5：对全部铺层进行步骤S4的分析，将表示每层理论厚度的点云进行叠加，对重复点计数，根据计数结果进行着色，计数大小对应不同色谱来表达最终全铺层理论厚度；
对点云上点进行反向筛选，得到铺层上预浸料未覆盖区域，将未覆盖区域命名为三角区，全铺层分析后得到三角区重叠区，指导技术人员在轨迹规划过程中规避三角区重叠。
工作原理：本方案中，将自动铺丝技术的铺层理论厚度，转换为每个贴膜面的点云，首先将每个贴膜面用n个点组成的点云表示，点云中两个相邻的点不大于一个预设的规定值，该规定值按照自动铺丝材料宽度及带间间隙确定，自动铺丝材料宽度越大，该预设的规定值越大，带间间隙越大，该预设的规定值越大，这里我们针对预浸丝束单丝宽度6.35mm，带间间隙0.5mm的情况，相邻点之间距离设为1mm；然后在每个铺层Ln中提出每条丝束的中心线LnS1，LnS2，LnS3…LnSn，这n×n个中心线，根据勾股定理，计算得到的Pn点与中心线之间的距离，然后判定Pn点是否落在预浸料覆盖区域，依次对点云每个点进行判定，筛选出落在预浸料覆盖区域的点，去除落在预浸料覆盖区域外的点，新的点云用来表达本铺层的理论厚度；最后将表示每层理论厚度的点云进行叠加，对重复点计数，根据计数结果进行着色，计数大小对应不同色谱来表达最终全铺层理论厚度。
本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于自动铺丝技术的铺层理论厚度测算方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：提取待成型零件的贴模面，并将贴模面用点云表示，获取点P1，P2，P3…Pn；
步骤S2：根据铺丝程序的理论轨迹，在第一铺层L1上提取每条丝束的中心线L1S1，L1S2，L1S3…L1Sn，并依次在后续铺层L2，L3，L4…Ln上提取所有中心线；
步骤S3：对于任一铺层Ln，求取点云任一点Pn与铺层上任一中心线LnSn的垂线，垂线长度
Figure FDA0002586501120000011
步骤S4：根据计算得到的Pn点与中心线之间的距离，判定Pn点是否落在预浸料覆盖区域，依次对点云每个点进行判定，筛选出落在预浸料覆盖区域的点，去除落在预浸料覆盖区域外的点，新的点云用来表达本铺层的理论厚度；
步骤S5：对全部铺层进行步骤S4的分析，将表示每层理论厚度的点云进行叠加，对重复点计数，根据计数结果进行着色，计数大小对应不同色谱来表达最终全铺层理论厚度。
2.根据权利要求1所述的一种基于自动铺丝技术的铺层理论厚度测算方法，其特征在于：所述步骤S1中利用点云表达贴模面时，通过对每个点进行数学计算，筛选后得到铺层厚度信息，其中，两个相邻点之间距离不大于规定值。
3.根据权利要求2所述的一种基于自动铺丝技术的铺层理论厚度测算方法，其特征在于：所述规定值按照自动铺丝材料宽度及带间间隙确定。
4.根据权利要求1所述的一种基于自动铺丝技术的铺层理论厚度测算方法，其特征在于：所述步骤S4中判定Pn点是否落在预浸料覆盖区域时，对于任一铺层Ln，贴模面上点云某一点落在铺层Ln上丝束覆盖区域的条件为：
Figure FDA0002586501120000012
其中，a为预浸料理论厚度，b为预浸料理论宽度。
5.根据权利要求1所述的一种基于自动铺丝技术的铺层理论厚度测算方法，其特征在于：所述步骤S5还包括：对点云上点进行反向筛选，得到铺层上预浸料未覆盖区域，将未覆盖区域命名为三角区，全铺层分析后得到三角区重叠区，指导技术人员在轨迹规划过程中规避三角区重叠。
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