CN114036634A - 基于柔性装夹的薄壁零件自适应修边方法 - Google Patents

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安鲁陵
陈文亮
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刘锦轩
徐锐
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Abstract

本发明涉及一种基于柔性装夹的薄壁零件修边方法，包括以下步骤：将所述薄壁零件的理论网格数据模型记为第一模型，将成品薄壁零件的网格数据模型记为第二模型；将第一模型与第二模型进行配准；将第一模型上所有网格在第二模型上的投影构成第三模型；使第三模型中的每个网格节点沿其节点切平面滑移，通过迭代方法计算得到全局应变能最小时的网格数据模型，记为第四模型；提取出第四模型的轮廓线，按照新的轮廓线对所述薄壁零件进行修边。本发明可以快速地预示薄壁零件的修边线尺寸和形状，并保证在该修边线下加工的薄壁零件轮廓外形精准，大大节省修边线预示时间，节约了试验次数和实验成本，缩短研发周期。

Description

基于柔性装夹的薄壁零件自适应修边方法
技术领域
本发明涉及一种基于柔性装夹的薄壁零件自适应修边方法，属于薄壁件加工成形技术领域。
背景技术
在航空航天制造业中，薄壁件的大量应用能够极大的减轻飞机和航天器等的重量，并增加其强度和机动性，因此飞机和航天器的机身、机翼和发动机等关键部位的零部件都大量的应用薄壁件。
为了保证加工后薄壁零件具有准确的轮廓外形，制造过程离不开修边这道工序，修边线是为了得到零件的内外轮廓形状而确定下来的切边界限，用于切除掉预留部分以外多余的部分。显然，找到最佳的修边线是保证零件在后续工序中得到精准外形的关键，但是由于飞机上薄壁件的尺寸相对较大，且为曲面结构形状复杂，其壁薄结构使得工件的刚度普遍偏低。
传统的薄壁件制造加工方法，为保证零件的合理外形多按照理论数模铣切，柔性夹具装夹中产生的变形虽然可以依靠优化夹具的布局和支撑体的位置等方法进行调整，但一方面柔性夹具固定性较差且支撑托架数量有限，难以对零件覆盖的全部位置吸附固定，对后期加工精度会产生一定的影响；另一方面薄壁零件较大的回弹变形一般会引起定位孔孔间距出现较大误差。因此，在实际加工过程中由于柔性夹具的装夹力等因素的作用使得工件极易产生加工变形，正是因为壁薄结构变形的影响，因此现有的修边线方法往往无法满足产品修切加工要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种使得薄壁零件具有精确轮廓外形的薄壁零件修边方法，该方法在考虑壁薄结构变形的基础上对薄壁零件智能修边分析，从而获得精确的三维修边线。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种基于柔性装夹的薄壁零件自适应修边方法，包括以下步骤：
步骤一、将所述薄壁零件的理论网格数据模型记为第一模型，获取一个成品薄壁零件的网格数据模型，记为第二模型；
步骤二、将第一模型与第二模型进行配准；
步骤三、将第一模型上的任一网格向第二模型进行投影，得到该网格在第二模型上的投影，所有网格在第二模型上的投影构成第三模型；其中，第一模型上的任一网格在第二模型上的投影为：该网格的每个节点的法线方向与第二模型的交点按序连接所形成的新网格；
步骤四、根据第三模型中的每个网格节点相对于第一模型产生的局部位移，采用线弹性模型来表示相应的应力应变关系，计算得到每个网格的单元变形能，将所有网格的单元变形能进行累加得到全局应变能；
使第三模型中的每个网格节点沿其节点切平面滑移，通过迭代方法计算得到全局应变能最小时的网格数据模型，记为第四模型；
步骤五、提取出第四模型的轮廓线，按照新的轮廓线对所述薄壁零件进行修边。
本发明针对现有技术中薄壁零件在加工过程中，对因为柔性夹具的装夹力引起的变形、回弹量、加工误差等因素引起的加工误差进行修正，即本发明的薄壁零件修边方法对于不同的薄壁零件采用不同的变形量，使得薄壁零件的修边过程具有自适应性，减小了传统方法中直接用同一理论模型处理具有不同变形量的薄壁零件带来的误差，提高了修边精度。
本发明可以快速地预示薄壁零件的修边线尺寸和形状，并保证在该修边线下加工的薄壁零件轮廓外形精准，大大节省修边线预示时间，节约了试验次数和实验成本，缩短研发周期。本发明进一步的有益效果可参见具体实施方式部分。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例的第二模型的示意图。
图2为第二模型进行预处理后的示意图。
图3为第一模型与第二模型的对比示意图。
图4为三角形网格单元的投影过程示意图。
图5为自适应修正后的修边线的示意图。
具体实施方式
实施例
本实施例可适用于金属材料薄壁件和复合材料薄壁件，下面以某大型薄壁零件为例，对本发明进行进一步说明。
本实施例的基于柔性装夹的薄壁零件自适应修边方法，包括以下步骤：
步骤一、将所述薄壁零件的理论网格数据模型记为第一模型。将一个已成型好的薄壁零件，通过柔性夹具固定，，得到成品薄壁零件；利用三维测量技术扫描成品薄壁零件，获取一个成品薄壁零件的网格数据模型，记为第二模型。
在扫描成品薄壁零件时，可优选激光扫描仪扫描，然后经过数据处理后生成薄壁零件的网格数据模型，即为第二模型，如图1所示。
为了降低点云数据规模，本实施例中优选对第二模型的点云数据进行预处理，从而减少三维重建得到的网格数量，同时去除凸耳结构、将不规则孔优化为圆孔等以简化模型结构，便于后续的计算，如图2所示。第一模型和第二模型的对比如图3所示，下侧的模型即为第一模型，上侧的模型为第二模型。
步骤二、将第一模型与第二模型进行配准；3D模型之间的配准有很多经典算法，比如ICP（Iterative Closest Point）算法是应用最广泛的3D点云配准算法之一，其通过欧式变换求解出两片点云的旋转平移矩阵及对应的配准误差。为了提高ICP算法的鲁棒性，现有技术中还存在一系列的变种ICP算法。
但是，现有的配准算法往往比较复杂，为了提高配准的效率和准确度，本实施例针对薄壁零件的网格数据模型进行了优化，选取第一模型上的至少三个第一特征点，在第二模型中选取与第一特征点一一对应的第二特征点，通过特征点配准实现模型的对准保证了后续曲面映射的准确度和精度，从而有利于提高修边的精度。
本实施例在第一模型中选取5个第一特征点，在第二模型中选取5个第二特征点（如图2中的“+”所示），第一特征点与第二特征点一一对应，配准后的理想状态是，5个第一特征点在第一模型的法向上对准第二模型的对应第二特征点，但是因为柔性夹具装夹力产生的变形、回弹变形等的影响，这种理想状态很难实现。为了尽可能地接近理想状态，本实施例优选采用以下方法进行配准：移动第二模型的位置，计算第一特征点与对应的第二特征点之间距离的均方差，找到均方差最小时的第二模型的位置，即完成第二模型与第一模型的配准。
步骤三、将第一模型上的任一网格向第二模型进行投影，得到该网格在第二模型上的投影，所有网格在第二模型上的投影构成第三模型；其中，第一模型上的任一网格在第二模型上的投影为：该网格的每个节点的法线方向与第二模型的交点按序连接所形成的新网格。
假设第一模型的有限元网格为Ct，第二模型的有限元网格为Cs，根据薄壁零件的实际装夹定位情况，对第一模型的有限元网格Ct上对应位置的节点定义约束，可以保证投影的准确性。第一模型Ct上的任一节点Pt沿着法线方向投影到第二模型Cs上得到投影点Ps，Ct上所有节点投影到Cs上后，由于网格会发生重叠和畸形等变形，产生一个新的网格数据模型Cm，即第三模型。
如图4所示为一个三角形网格单元由网格Ct映射到网格Cs上的过程，其中OXYZ坐标系是全局坐标系，ΔABC是第一模型Ct上的一个三角形网格单元，虚线所示的单元ΔA0B0C0是三角形网格单元ΔABC沿法线投影到Cs上的网格单元。分别在第一模型和第二模型相对应的三角形网格单元上建立局部坐标系Omxmymzm和Onxnynzn，节点在各自局部坐标系下的局部坐标号为1、2、3，分别对应于整体节点号A（A0）、B（B0）、C（C0），置局部坐标系的原点于节点1，令x轴沿线段12，y轴垂直于x轴且指向节点3一侧。xm(i)、ym（j）和xn(i)、yn（j）为三角形网格单元节点在各自局部坐标系下的局部坐标。
步骤四、根据第三模型中的每个网格节点相对于第一模型产生的位移，采用线弹性模型来表示相应的应力应变关系，计算得到每个网格的单元变形能，将所有网格的单元变形能进行累加得到全局应变能。
在具体实施时，如图4所示，假设网格投影过程发生线弹性反向变形，则第一模型投影后得到的第三模型中三角形网格单元节点在局部坐标系下的位移向量｛qe｝可简单表示为：
Figure 383236DEST_PATH_IMAGE001
根据局部坐标系下的单元节点位移可计算出单元的应力应变，然后转换为整体坐标系下的应力应变，利用线弹性模型来表示计算中的应力应变关系，从而计算得到每个网格的单元变形能。
由于假设的线弹性反向变形会引起节点内力，并且忽略了外载荷的影响，对第三模型建立的有限元方程并不平衡。因此为使其达到平衡状态，需要用牛顿—拉普森迭代法进行迭代求解，通过位移收敛准则进行迭代收敛判断，即计算单元节点位移向量的范数，迭代多步后范数小于给定的迭代收敛因子则迭代收敛，即：使第三模型中的每个网格节点沿其节点切平面滑移，通过迭代方法计算得到全局应变能最小时的网格数据模型，记为第四模型。通过此方法对网格进行优化，迭代收敛后，单元全局应变达到最小，此时所有单元的畸变能之和达到最小，从而可以构建出映射后得到优化的网格模型。
步骤五、提取出第四模型的轮廓线，如图5所示，按照新的轮廓线对所述薄壁零件进行修边，即将轮廓线导出，然后导入到柔性夹具的控制系统当中，按照新的轮廓线对薄壁零件进行精确修边。
本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于柔性装夹的薄壁零件自适应修边方法，包括以下步骤：
步骤一、将所述薄壁零件的理论网格数据模型记为第一模型，获取一个成品薄壁零件的网格数据模型，记为第二模型；
步骤二、将第一模型与第二模型进行配准；
步骤三、将第一模型上的任一网格向第二模型进行投影，得到该网格在第二模型上的投影，所有网格在第二模型上的投影构成第三模型；其中，第一模型上的任一网格在第二模型上的投影为：该网格的每个节点的法线方向与第二模型的交点按序连接所形成的新网格；
步骤四、根据第三模型中的每个网格节点相对于第一模型产生的局部位移，采用线弹性模型来表示相应的应力应变关系，计算得到每个网格的单元变形能，将所有网格的单元变形能进行累加得到全局应变能；
使第三模型中的每个网格节点沿其节点切平面滑移，通过迭代方法计算得到全局应变能最小时的网格数据模型，记为第四模型；
步骤五、提取出第四模型的轮廓线，按照新的轮廓线对所述薄壁零件进行修边。
2.根据权利要求1所述的基于柔性装夹的薄壁零件自适应修边方法，其特征在于：步骤一中，将已成型好的薄壁零件通过柔性夹具固定，得到成品薄壁零件；利用三维测量技术扫描成品薄壁零件，从而获取第二模型。
3.根据权利要求2所述的基于柔性装夹的薄壁零件自适应修边方法，其特征在于：步骤一中，对第二模型的点云数据进行预处理，减少三维重建得到的网格数量，同时去除凸耳结构并将不规则孔优化为圆孔。
4.根据权利要求1-3之任一项所述的基于柔性装夹的薄壁零件自适应修边方法，其特征在于：步骤二中，选取第一模型上的至少三个第一特征点，在第二模型中选取与第一特征点一一对应的第二特征点；移动第二模型的位置，计算第一特征点与对应的第二特征点之间距离的均方差，找到均方差最小时的第二模型的位置，即完成第二模型与第一模型的配准。
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