CN112733291A - 一种复杂曲率曲面的模具型面精准补偿方法 - Google Patents

一种复杂曲率曲面的模具型面精准补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复杂曲率曲面的模具型面精准补偿方法，包括：导入仿真模型、目标型面和当前模具型面；遍历仿真模型中所有单元坐标；遍历目标型面上的点云；计算仿真模型和目标型面在Z方向上的距离差、模具型面和目标型面在Z方向上的距离差，拟合仿真模型、模具型面和目标型面制高点的切平面参数；平移仿真、模具型面与目标型面的制低点X和Y方向数值且相等。本发明通过对仿真型面、目标型面和当前模具型面中所有云点，找到仿真型面、目标型面和当前模具型面上的制高点和制低点，并对仿真模型、目标型面以及当前模具型面分别在X轴、Y轴和Z轴方向上进行定位，解决了仅依靠多个复杂曲面边缘边定位而导致外形特征错位的问题。

Description

一种复杂曲率曲面的模具型面精准补偿方法
技术领域
本发明涉及蠕变时效成形仿真型面回弹补偿技术领域，特别地，涉及一种复杂曲率曲面的模具型面精准补偿方法。
背景技术
随着我国航天航空技术快速发展，具有复杂曲率型面的一体化构件应用日益增加，特别是对构件型面的成形精度要求越来越高，面对整体构件同时满足超薄蒙皮、多维曲率、成型后力学特性指标高的条件时，传统冷加工成形方式已经不能满足要求。蠕变时效成形技术将人工时效和零件成形结合方式，蠕变时效成形技术具有成型精度高、成型成本低、成型件性能好等优点。成形件在蠕变时效阶段时，材料中部分弹性变形在高温高压条件下变成塑性变形，蠕变时效成形后，材料存在部分弹性变形导致成形件发生回弹变形，精准的模具型面是该技术成功关键的一个因素。
为了得到准确的曲面模具，通常采用回弹补偿方法。近年来很多学者在蠕变时效模具回弹补偿方面做了大量的研究工作。例如：靳耿权提出了单一曲率构件半径补偿方法，对模具型面进行回弹补偿计算得到准确型面。这种补偿的方法在构件外形为单曲率型面适用，不能满足双曲率和多维曲率型面的回弹补偿计算(参考贮箱顶盖应力松弛时效成形过程建模仿真与试验[J].航空制造技术，2018.61(16):67-73)。又例如：中国发明专利公布号CN108920847A公布了中蠕变时效成的回弹补偿方法，通过仿真模型点与目标型面对应点竖直高度差补偿给当前型面节点上，该专利权利要求3所述“S200中还包括：提取构件回弹后的外形面并将所述外形面与所述目标型面面的周缘对齐后”，这种对齐方法适用于双曲率或单曲率曲面的构件，对于构件的横纵方向同时有波峰波谷存在的多维复杂曲率变化的曲面时，仅仅通过构件周缘对齐方式定位，会出现仿真型面的波峰波谷与目标型面的对应点错位现象，导致模具型面畸形不准确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复杂曲率曲面的模具型面精准补偿方法，以解决该发明解决了现有技术中回弹型面粗略定位的对应点错位、补偿精度低的技术问题。实现模具回弹补偿中型面精准定位，有助于模具型面精准的回弹补偿计算，提升蠕变时效成形构件的精度。
为实现上述目的，本发明提供了一种复杂曲率曲面的模具型面精准补偿方法，具体包括如下步骤：
S1、导入仿真模型、目标型面和当前模具型面，其中：仿真模型、目标型面以及当前模具型面由上至下依次布置，且三者之间具有一定间隔；
S2、遍历仿真模型中所有单元坐标，先找到仿真模型的制低点和制高点，仿真模型制低点在Z方向、X方向和Y方向上对应的坐标值分别为Zfmin1、Xfmin1和Yfmin1，仿真模型制高点在Z方向、X方向和Y方向上对应的坐标值分别为Zfmax1、Xfmax1和Yfmax1；再分别以仿真模型制低点和仿真模型制高点为切点求解得出仿真模型对应的相切平面Fzm1和Fzm2；
S3、遍历目标型面上的点云，按照步骤S2中的方法分别找出目标型面的制低点和制高点，目标型面制低点在Z方向、X方向和Y方向上对应的坐标值分别为Zbmin1、Xbmin1和Ybmin1，目标型面制高点在Z方向、X方向和Y方向上对应的坐标值分别为Zbmax1、Xbmax1和Ybmax1；再分别以目标型面制低点和目标型面制高点为切点求解得出目标型面对应的相切平面Fbm1和Fbm2；
S4、在仿真模型对应的相切平面Fzm1、中分别取三个不在同一直线上的点，该三个点在Z方向的坐标值分别为Zfzm11、Zfzm12和Zfzm13，在目标型面对应的相切平面Fbm1中也分别取三个不在同一直线上的点，该三个点在Z方向的坐标值分别为Zfbm11、Zfbm12和Zfbm13；并计算Zfzm1和Zfbm1的距离差值Δd，若Zfzm11-Zfbm11＜i*d，且Zfzm1和Zfbm1的距离差值为正值，则无需调整仿真模型中Zfzm11云点坐标值；若Zfzm11-Zfbm11＜0，则需要调节仿真模型中Zfzm11的云点坐标值，直到满足Zfzm11-Zfbm11＜i*d为止，并根据此规律同时调节仿真模型上其他所有云点的Z坐标点；若Zfzm11-Zfbm11＞i*d，则也需要调节仿真模型中Zfzm11的云点坐标值，直到满足Zfzm11-Zfbm11＜i*d为止，同样根据此规律同时调节仿真模型上所有其他云点的Z坐标点；其中d为工程误差，i为型面补偿次数因子，且随着补偿次数的增加型面补偿次数因子i会逐渐变小；
S5、以Zfzm11和Zfbm11的距离差值作为参照值，按照步骤S4中的方法分别调整仿真型面中Zfzm12和Zfzm13值点，直到调节点满足下列等式Zfzm11-Zfbm11＝Zfzm12-Zfbm12＝Zfzm13-Zfbm13＜i*d，完成仿真模型和目标型面的制高点在Z方向上的定位；
S6、平移仿真型面上的Xfmin1与目标型面上的Xbmin1，满足Xfmin1＝Xbmin1和Yfmin1＝Ybmin1；并按照移动规律移动仿真模型面上所有的点值得x，y坐标点，完成仿真型面和目标型面的制低点在X方向上以及Y方向上的定位；
S7、在仿真模型对应的相切平面Fzm2和目标型面对应的相切平面Fbm2中，按照步骤S4-S6的算法，对仿真模型和目标型面的制高点和制低点在Z方向上、X方向上以及Y方向上的定位，至此完成了仿真模型和目标型面的精准定位；
S8、按照步骤S2-S7中的算法，对模具型面和目标型面进行精准定位；
S9、对精准定位后的仿真型面、目标型面以及模具型面采用型面方向补偿算法进行补偿。
进一步的，所述步骤S7中对仿真模型和目标型面的制低点在Z方向上、X方向上以及Y方向上的定位，具体为：
S7.1、在仿真模型对应的相切平面Fzm2中分别取三个不在同一直线上的点，该三个点在Z方向的坐标值分别为Zfzm21、Zfzm22和Zfzm23，在目标型面对应的相切平面Fbm2中也分别取三个不在同一直线上的点，该三个点在Z方向的坐标值分别为Zfbm21、Zfbm22和Zfbm23；并计算Zfzm21和Zfbm21的距离差值，若Zfzm21-Zfbm21＜i*d，且Zfzm21和Zfbm21的距离差值为正值，则无需调整仿真型面中Zfzm21的云点坐标值；若Zfzm21-Zfbm21＜0，则需要调节仿真模型中Zfzm21的云点坐标值，直到满足条件Zfzm21-Zfbm21＜i*d为止，并根据此规律同时调节仿真模型上其他所有云点的Z坐标点；若Zfzm21-Zfbm21＞i*d，则也需要调节仿真模型中Zfzm21的云点坐标值，直到满足Zfzm21-Zfbm21＜i*d为止，同样根据此规律同时调节仿真模型上其他所有云点的Z坐标点；
S7.2、以Zfzm21和Zfbm21的距离差值作为参照值，按照步骤S7.1中的方法分别调整仿真型面中Zfzm22和Zfzm23值点，直到满足下列等式Zfzm21-Zfbm21＝Zfzm22-Zfbm22＝Zfzm23-Zfbm23＜i*d；
S7.3、平移仿真型面上的Xfmin1与目标型面上的Xbmin1，满足Xfmin1＝Xbmin1和Yfmin1＝Ybmin1。
进一步的，所述S1之前还包括步骤S01：利用有限元软件对目标构件进行蠕变时效仿真，仿真完成后仿真模型发生回弹，通过有限元软件中的位移旋转功能使回弹后的仿真模型一边与模具型面的一侧边缘上下对齐。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)、本发明的模具型面精准补偿方法中，计算仿真模型和目标型面在Z方向上的距离差、模具型面和目标型面在Z方向上的距离差，拟合仿真模型、模具型面和目标型面制高点的切平面参数；平移仿真、模具型面与目标型面的制低点X和Y方向数值且相等。本发明通过对仿真型面、目标型面和当前模具型面中所有云点，找到仿真型面、目标型面和当前模具型面上的制高点和制低点，并对仿真模型、目标型面以及当前模具型面分别在X轴、Y轴和Z轴方向上进行定位，解决了仅依靠多个复杂曲面边缘边定位而导致外形特征错位的问题。
(2)、本发明的模具型面精准补偿方法不但可以运用于单曲率和双曲率连续变化的曲面定位，还可以多维复杂曲率变化的模型定位。
(3)、本发明的模具型面精准补偿方法采用对特征数值模拟定位代替手动边缘定位，提高了模型补偿准确率和效率。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将按照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明一种复杂曲率曲面的模具型面精准补偿方法的逻辑流程图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
请参见图1，本实施例提供一种复杂曲率曲面的模具型面精准补偿方法，具体包括如下步骤：
1、利用有限元软件对目标构件进行蠕变时效仿真，仿真完成后仿真模型发生回弹，通过有限元软件中的位移旋转功能使回弹后的仿真模型一边与模具型面的一侧边缘上下对齐。
2、导入仿真模型、目标型面和当前模具型面，其中：仿真模型、目标型面以及当前模具型面由上至下依次布置，且三者之间具有一定间隔。
3、遍历仿真模型中所有单元坐标，先找到仿真模型的制低点和制高点，仿真模型制低点在Z方向、X方向和Y方向上对应的坐标值分别为Zfmin1、Xfmin1和Yfmin1，仿真模型制高点在Z方向、X方向和Y方向上对应的坐标值分别为Zfmax1、Xfmax1和Yfmax1；再分别以仿真模型制低点和仿真模型制高点为切点求解得出仿真模型对应的相切平面Fzm1和Fzm2。
4、遍历目标型面上的点云，按照步骤3中的方法分别找出目标型面的制低点和制高点，目标型面制低点在Z方向、X方向和Y方向上对应的坐标值分别为Zbmin1、Xbmin1和Ybmin1，目标型面制高点在Z方向、X方向和Y方向上对应的坐标值分别为Zbmax1、Xbmax1和Ybmax1；再分别以目标型面制低点和目标型面制高点为切点求解得出目标型面对应的相切平面Fbm1和Fbm2。
5、在仿真模型对应的相切平面Fzm1、中分别取三个不在同一直线上的点，该三个点在Z方向的坐标值分别为Zfzm11、Zfzm12和Zfzm13，在目标型面对应的相切平面Fbm1中也分别取三个不在同一直线上的点，该三个点在Z方向的坐标值分别为Zfbm11、Zfbm12和Zfbm13；并计算Zfzm1和Zfbm1的距离差值Δd，若Zfzm11-Zfbm11＜i*d，且Zfzm1和Zfbm1的距离差值为正值，则无需调整仿真模型中Zfzm11云点坐标值；若Zfzm11-Zfbm11＜0，则需要调节仿真模型中Zfzm11的云点坐标值，直到满足Zfzm11-Zfbm11＜i*d为止，并根据此规律同时调节仿真模型上其他所有云点的Z坐标点；若Zfzm11-Zfbm11＞i*d，则也需要调节仿真模型中Zfzm11的云点坐标值，直到满足Zfzm11-Zfbm11＜i*d为止，同样根据此规律同时调节仿真模型上所有其他云点的Z坐标点；其中d为工程误差，i为型面补偿次数因子，且随着补偿次数的增加型面补偿次数因子i会逐渐变小。
6、以Zfzm11和Zfbm11的距离差值作为参照值，按照步骤5中的方法分别调整仿真型面中Zfzm12和Zfzm13值点，直到调节点满足下列等式Zfzm11-Zfbm11＝Zfzm12-Zfbm12＝Zfzm13-Zfbm13＜i*d，完成仿真模型和目标型面的制高点在Z方向上的定位。
7、平移仿真型面上的Xfmin1与目标型面上的Xbmin1，满足Xfmin1＝Xbmin1和Yfmin1＝Ybmin1；并按照移动规律移动仿真模型面上所有的点值得x，y坐标点，完成仿真型面和目标型面的制低点在X方向上以及Y方向上的定位。
8、在仿真模型对应的相切平面Fzm2和目标型面对应的相切平面Fbm2中，按照步骤S4-S6的算法，对仿真模型和目标型面的制高点和制低点在Z方向上、X方向上以及Y方向上的定位，至此完成了仿真模型和目标型面的精准定位。
9、按照步骤3-8中的算法，对模具型面和目标型面进行精准定位。
10、对精准定位后的仿真型面、目标型面以及模具型面采用型面方向补偿算法进行补偿。
在本实施例中，步骤8中对仿真模型和目标型面的制低点在Z方向上、X方向上以及Y方向上的定位，具体为：
8.1、在仿真模型对应的相切平面Fzm2中分别取三个不在同一直线上的点，该三个点在Z方向的坐标值分别为Zfzm21、Zfzm22和Zfzm23，在目标型面对应的相切平面Fbm2中也分别取三个不在同一直线上的点，该三个点在Z方向的坐标值分别为Zfbm21、Zfbm22和Zfbm23；并计算Zfzm21和Zfbm21的距离差值，若Zfzm21-Zfbm21＜i*d，且Zfzm21和Zfbm21的距离差值为正值，则无需调整仿真型面中Zfzm21的云点坐标值；若Zfzm21-Zfbm21＜0，则需要调节仿真模型中Zfzm21的云点坐标值，直到满足条件Zfzm21-Zfbm21＜i*d为止，并根据此规律同时调节仿真模型上其他所有云点的Z坐标点；若Zfzm21-Zfbm21＞i*d，则也需要调节仿真模型中Zfzm21的云点坐标值，直到满足Zfzm21-Zfbm21＜i*d为止，同样根据此规律同时调节仿真模型上其他所有云点的Z坐标点；
8.2、以Zfzm21和Zfbm21的距离差值作为参照值，按照步骤S7.1中的方法分别调整仿真型面中Zfzm22和Zfzm23值点，直到满足下列等式Zfzm21-Zfbm21＝Zfzm22-Zfbm22＝Zfzm23-Zfbm23＜i*d；
S8.3、平移仿真型面上的Xfmin1与目标型面上的Xbmin1，满足Xfmin1＝Xbmin1和Yfmin1＝Ybmin1。
本发明的模具型面精准补偿方法中，计算仿真模型和目标型面在Z方向上的距离差、模具型面和目标型面在Z方向上的距离差，拟合仿真模型、模具型面和目标型面制高点的切平面参数；平移仿真、模具型面与目标型面的制低点X和Y方向数值且相等，解决了仅依靠多个复杂曲面边缘边定位而导致外形特征错位的问题。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种复杂曲率曲面的模具型面精准补偿方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1、导入仿真模型、目标型面和当前模具型面，其中：仿真模型、目标型面以及当前模具型面由上至下依次布置，且三者之间具有一定间隔；
S2、遍历仿真模型中所有单元坐标，先找到仿真模型的制低点和制高点，仿真模型制低点在Z方向、X方向和Y方向上对应的坐标值分别为Zfmin1、Xfmin1和Yfmin1，仿真模型制高点在Z方向、X方向和Y方向上对应的坐标值分别为Zfmax1、Xfmax1和Yfmax1；再分别以仿真模型制低点和仿真模型制高点为切点求解得出仿真模型对应的相切平面Fzm1和Fzm2；
S3、遍历目标型面上的点云，按照步骤S2中的方法分别找出目标型面的制低点和制高点，目标型面制低点在Z方向、X方向和Y方向上对应的坐标值分别为Zbmin1、Xbmin1和Ybmin1，目标型面制高点在Z方向、X方向和Y方向上对应的坐标值分别为Zbmax1、Xbmax1和Ybmax1；再分别以目标型面制低点和目标型面制高点为切点求解得出目标型面对应的相切平面Fbm1和Fbm2；
S4、在仿真模型对应的相切平面Fzm1、中分别取三个不在同一直线上的点，该三个点在Z方向的坐标值分别为Zfzm11、Zfzm12和Zfzm13，在目标型面对应的相切平面Fbm1中也分别取三个不在同一直线上的点，该三个点在Z方向的坐标值分别为Zfbm11、Zfbm12和Zfbm13；并计算Zfzm1和Zfbm1的距离差值Δd，若Zfzm11-Zfbm11＜i*d，且Zfzm1和Zfbm1的距离差值为正值，则无需调整仿真模型中Zfzm11云点坐标值；若Zfzm11-Zfbm11＜0，则需要调节仿真模型中Zfzm11的云点坐标值，直到满足Zfzm11-Zfbm11＜i*d为止，并根据此规律同时调节仿真模型上其他所有云点的Z坐标点；若Zfzm11-Zfbm11＞i*d，则也需要调节仿真模型中Zfzm11的云点坐标值，直到满足Zfzm11-Zfbm11＜i*d为止，同样根据此规律同时调节仿真模型上所有其他云点的Z坐标点；其中d为工程误差，i为型面补偿次数因子，且随着补偿次数的增加型面补偿次数因子i会逐渐变小；
S5、以Zfzm11和Zfbm11的距离差值作为参照值，按照步骤S4中的方法分别调整仿真型面中Zfzm12和Zfzm13值点，直到调节点满足下列等式Zfzm11-Zfbm11＝Zfzm12-Zfbm12＝Zfzm13-Zfbm13＜i*d，完成仿真模型和目标型面的制高点在Z方向上的定位；
S6、平移仿真型面上的Xfmin1与目标型面上的Xbmin1，满足Xfmin1＝Xbmin1和Yfmin1＝Ybmin1；并按照移动规律移动仿真模型面上所有的点值得x，y坐标点，完成仿真型面和目标型面的制低点在X方向上以及Y方向上的定位；
S7、在仿真模型对应的相切平面Fzm2和目标型面对应的相切平面Fbm2中，按照步骤S4-S6的算法，对仿真模型和目标型面的制高点和制低点在Z方向上、X方向上以及Y方向上的定位，至此完成了仿真模型和目标型面的精准定位；
S8、按照步骤S2-S7中的算法，对模具型面和目标型面进行精准定位；
S9、对精准定位后的仿真型面、目标型面以及模具型面采用型面方向补偿算法进行补偿。
2.根据权利要求1中所述的模具型面精准补偿方法，其特征在于，所述步骤S7中对仿真模型和目标型面的制低点在Z方向上、X方向上以及Y方向上的定位，具体为：
S7.1、在仿真模型对应的相切平面Fzm2中分别取三个不在同一直线上的点，该三个点在Z方向的坐标值分别为Zfzm21、Zfzm22和Zfzm23，在目标型面对应的相切平面Fbm2中也分别取三个不在同一直线上的点，该三个点在Z方向的坐标值分别为Zfbm21、Zfbm22和Zfbm23；并计算Zfzm21和Zfbm21的距离差值，若Zfzm21-Zfbm21＜i*d，且Zfzm21和Zfbm21的距离差值为正值，则无需调整仿真型面中Zfzm21的云点坐标值；若Zfzm21-Zfbm21＜0，则需要调节仿真模型中Zfzm21的云点坐标值，直到满足条件Zfzm21-Zfbm21＜i*d为止，并根据此规律同时调节仿真模型上其他所有云点的Z坐标点；若Zfzm21-Zfbm21＞i*d，则也需要调节仿真模型中Zfzm21的云点坐标值，直到满足Zfzm21-Zfbm21＜i*d为止，同样根据此规律同时调节仿真模型上其他所有云点的Z坐标点；
S7.2、以Zfzm21和Zfbm21的距离差值作为参照值，按照步骤S7.1中的方法分别调整仿真型面中Zfzm22和Zfzm23值点，直到满足下列等式Zfzm21-Zfbm21＝Zfzm22-Zfbm22＝Zfzm23-Zfbm23＜i*d；
S7.3、平移仿真型面上的Xfmin1与目标型面上的Xbmin1，满足Xfmin1＝Xbmin1和Yfmin1＝Ybmin1。
3.根据权利要求1中所述的模具型面精准补偿方法，其特征在于，所述S1之前还包括步骤S01：利用有限元软件对目标构件进行蠕变时效仿真，仿真完成后仿真模型发生回弹，通过有限元软件中的位移旋转功能使回弹后的仿真模型一边与模具型面的一侧边缘上下对齐。
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