CN114065451B - 一种三维自由弯曲管件数字化表达方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维自由弯曲管件数字化表达方法，解决现有空间管件自由弯曲成形过程中，由于管件成形包括弯曲和扭转协同加载，成形过程复杂，管件最终成形形状难以计算的技术问题。本发明首先通过数值模拟或者试验，建立管件的几何特征描述模块和相应的工艺参数模块，并且可以存储该模块。对于给定任意一个三维管件形状，需要借助于空间管件的几何描述方法将复杂形状解析为可以描述的直线、圆弧和螺旋线段，以及确定该三维复杂管件的成形工艺参数数据；为后续三维自由弯曲数字化制造提供基础。

Description

一种三维自由弯曲管件数字化表达方法

技术领域

本发明属于复杂金属管件制造技术领域，具体涉及一种三维自由弯曲管件数字化表达方法。

背景技术

空间管件自由弯曲成形工艺可用于实现复杂管件(如螺旋管、样条管等)的弯曲成形。与传统数控绕弯工艺相比，自由弯曲工艺所能成形的管件种类更多，形状更复杂，成本更低。

三维空间自由弯曲管件成形工艺参数较为复杂，模具运动控制模块实现多个自由度的过程中，需要单独控制每个独立的电机运动，实现比较繁琐，不能准确给出实现管件自由弯曲成形可靠的初始工艺参数。

目前，中国专利CN111185505提供了一种空间复杂管件成形的工艺参数优化方法，该专利给出了成形工艺参数的优化方法，但由于管件成形包括弯曲和扭转协同加载，成形过程复杂，管件最终成形形状难以计算，虽然该专利给出了成型工艺参数的优化方法，但对于不同类型稳态单元的数字化表达方法和不同过渡段的数字化表达方法目前均没有准确给出，因此，仍不利于实现数字化加工。

针对以上问题，本发明拟提供一种三维自由弯曲管件数字化表达方法。

发明内容

本发明的目的在于解决现有空间管件自由弯曲成形过程中，由于管件成形包括弯曲和扭转协同加载，成形过程复杂，管件最终成形形状难以计算的技术问题，而提供一种三维自由弯曲管件数字化表达方法，为后续能数字化制造自由弯曲成形管件奠定基础。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

自由弯曲成形过程中的工艺参数主要包括夹钳送进速度、弯曲模偏移量与弯曲模扭转速度和时间。本发明申请以夹钳送进速度、弯曲模偏移量与弯曲模扭转速度为预测量，对管件成形过程数值模拟。

一种三维自由弯曲管件数字化表达方法,其特殊之处在于,具体包括如下步骤：

1)根据自由弯曲成形原理进行管件自由弯曲仿真试验，通过控制变量法分析管件成形工艺参数对管件几何特征的影响，确定管件自由弯曲成形所必需的工艺参数；

借助自由弯曲成形原理可以分析管件自由弯曲成形工艺参数与管件成形形状之间的关联关系，并分析管件自由弯曲成形工艺参数对成形管件相关数据的影响；

2)根据经验随机给出一组步骤1)所述必需的工艺参数，加工成形目标管件；

3)对步骤2)成形得到的目标管件进行几何描述，获取目标管件模型文件并导入到三维模型软件中，拟合出目标管件的轴线曲线，并对目标管件的轴线曲线曲率进行分析提取轴线的特征点坐标参数；

4)通过步骤3)得到的特征点坐标参数，计算目标管件的挠率大小分布；基于目标管件的曲率和挠率将所述目标管件的轴线曲线划分为多段短曲线，再根据短曲线曲率和挠率特征逼近直线、圆弧和螺旋线，得到直线、圆弧和螺旋线，由于目标管件的轴线可能是变曲率变挠率的，所以要分段，每段近似为不变的曲率和挠率，如此就是一个标准的圆柱螺旋线了，当然圆弧(螺距为0)和直线(半径无限大)是特殊的螺旋线。这三种是可以直接用数字来描述的，比如半径多少，螺距多少，因此称之为稳定段；

5)将步骤4)得到的直线、圆弧和螺旋线依次拼接，并保证两个曲线连接处光滑平顺连接，具有相同的Frenet坐标(等同于相同的切向，法向和副法向)，得到拼接后的完整曲线，相邻短曲线的连接点位置，会有一个过渡段；

6)采用数字对步骤5)得到的完整曲线进行表达，确定目标管件几何特征数字表达；

所述目标管件几何特征数字表达包括稳定段几何参数和过渡段几何参数；稳定段为直线段、圆弧段和螺旋线段；直线段采用长度表示，圆弧段采用半径和长度表示，螺旋线段采用底圆半径、螺距和长度表示；过渡段为两个短曲线的连接处，采用左右两端的底圆半径和螺距表达；

同时，结合步骤2)的工艺参数对稳定段和过渡段的工艺参数进行表示，得到工艺参数数字化表达；

7)将步骤6)得到的目标管件几何特征数字表达和工艺参数数字化表达进行匹配，得到三维自由弯曲管件数字化表达。

进一步地，步骤1)中，所述管件自由弯曲成形所必需的工艺参数为夹钳送进速度、弯曲模偏移量与弯曲模扭转速度。

进一步地，步骤2)中，利用三维模型软件中分析曲率功能对目标管件的轴线曲率进行分析并提取轴线的特征点坐标参数。

进一步地，步骤6)中，工艺参数数字化表达的具体方式如下：

直线、圆弧和螺旋线对应的工艺参数为弯曲模偏移量0，模具偏移量y和模具扭转速度u，y不等于0，根据曲线长度和给定的初始推进速度可以确定推进的时间参数，确定管件自由弯曲成形工艺参数表达。

本发明的优点是：

按照本发明提供的三维自由弯曲数字化表达方法，首先通过数值模拟或者试验，建立管件的几何特征描述模块和相应的工艺参数模块，并且可以存储该模块。对于给定任意一个三维管件形状，需要借助于空间管件的几何描述方法将复杂形状解析为可以描述的直线、圆弧和螺旋线段，以及确定该三维复杂管件的成形工艺参数数据。为后续三维自由弯曲数字化制造提供基础。

附图说明

图1为自由弯曲成形原理图；

图2为管件拼接方法；

图3为稳定段工艺参数；

图4为过渡段工艺参数；

图5为三维自由弯曲管件数字化表达方法；

图6为方法流程图；

附图标记如下：

1-夹钳；2-固定模；3-弯曲模；4-管件；P-弯曲模位置。

具体实施方式

本发明的工作原理是：

自由弯曲成形原理如图1所示，由夹钳1、固定模2、弯曲模3等零部件组成。在初始状态时，弯曲模3通常位于轴OZ上。弯曲过程开始时，弯曲模从初始位置运动至目标位置。根据自由弯曲成形运动形式及试验，可将管件成形的形式分为两种：弯曲模变化时(包括弯曲模偏移过程和非匀速绕z轴扭转)产生的成形管和弯曲模静止时(弯曲模偏移量不变和匀速绕z轴扭转)产生的成形管。而弯曲模变化的时间是小量，产生的成形管件也是难以描述的。因此要集中在弯曲模静止时产生的管件的几何特征和工艺参数的表达上。而弯曲模变化时产生的管件集中在成形工艺参数的优化上。再根据自由弯曲成形数值模拟或试验，结合设备运动机制，确定管件成形工艺参数，形成三维自由弯曲管件表达方法。

现结合具体实施实例、附图对本发明技术方案进一步描述：

第一步，根据自由弯曲成形原理，进行管件自由弯曲仿真虚拟试验，通过控制变量法分析管件成形工艺参数对管件几何特征的影响，确定管件自由弯曲成形所必需的工艺参数；

第二步，根据经验随机给定一组工艺参数并加工成形得到目标管件；

自由弯曲成形原理如图1所示，由夹钳1、固定模2、弯曲模3等零部件组成。管件毛坯4由夹钳1夹持着，横穿弯曲模3和固定模2，夹钳1可以沿z轴移动。

在进行管件弯扭成形时，弯曲模3相对于竖直平面内发生移动和在竖直平面内绕z轴转动，使管件毛坯4发生塑性弯曲变形，夹钳1夹持着管件毛坯4沿z轴方向移动，同时弯曲模绕z轴转动，使弯曲过程中的弯曲平面不断发生变化，最终产生出空间管件。

第三步，对目标管件进行几何描述。获取目标模型文件并在三维软件中打开，得到目标管件的轴线特征，通过软件测量功能显示目标管件半径、长度等数据，以及特征点坐标参数。

第四步，通过特征点坐标参数，计算出目标管件的挠率大小分布，基于挠曲率可以把目标管件的轴线曲线划分为多段短曲线，再根据短曲线曲挠率特征逼近为稳定段(直线、圆弧或者螺旋线)。

第五步，将逼近得到的直线、圆弧和螺旋线依次按照光顺平滑拼接，保证节点处切向、法向和副法向相等，可得到拼接后的完整曲线。

第六步，采用数字对得到的完整曲线进行表达，确定目标管件几何特征数字表达；

目标管件几何特征数字表达包括稳定段几何参数和过渡段几何参数；稳定段为直线段、圆弧段和螺旋线段；直线段采用长度表示，圆弧段采用半径和长度表示，螺旋线段采用底圆半径、螺距和长度表示；过渡段为两个短曲线的连接处，采用左右两端的底圆半径和螺距表达，最终得到管径、壁厚、管长、底圆半径、螺距等数据；

同时，结合第二步的工艺参数对稳定段和过渡段的工艺参数进行表示，得到工艺参数数字化表达；分别为图3所示，每一段时间代表一个稳定段的特征曲线；如图4所示，连接两个稳定段的斜线部分为过渡段的工艺变化参数。

第七步，将第六步得到的目标管件几何特征数字表达和工艺参数数字化表达一一对应进行匹配，得到三维自由弯曲管件数字化表达。

第八步，根据第七步得到的三维自由弯曲管件数字化表达以及选材时管材材料信息(比如材料名称、屈服强度、弹性模量、硬化指数等)，采用现有的数字加工设备便可进行对三维自由弯曲管件进行数字化加工，得到目标管件。

利用该方法，对于加工同一规格的管件，可以利用同一数字化表达进行加工。在首次数字化表达后，可将各个分段的几何数字化表达和工艺参数数字化表达进行整合，形成产品实例信息，在后续加工时，可以直接提取上述工艺参数，节约时间，且加工效率更高，解决了管件最终成形形状难以计算的技术问题。

本发明提出的一种三维自由弯曲管件数字化表达方法的示意图如图5和图6所示。要加工一个管件，管坯材料信息、稳定区域知识、过渡区域知识都是必要的参数，三者可形成本发明中图5中所示的产品实例信息，对于已经加工成形的管件，则可以记录该管件的几何参数和工艺参数，如果以后要加工同样的管，则可以直接提取上述工艺参数。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种三维自由弯曲管件数字化表达方法,其特征在于,具体包括如下步骤：

1)根据自由弯曲成形原理进行管件自由弯曲仿真试验，通过控制变量法分析管件成形工艺参数对管件几何特征的影响，确定管件自由弯曲成形所必需的工艺参数；

2)根据经验随机给出一组步骤1)所述必需的工艺参数，加工成形目标管件；

3)对步骤2)成形得到的目标管件进行几何描述，获取目标管件模型文件并导入到三维模型软件中，拟合出目标管件的轴线曲线，并对目标管件的轴线曲线曲率进行分析提取轴线的特征点坐标参数；

4)通过步骤3)得到的特征点坐标参数，计算目标管件的挠率大小分布，并基于目标管件的曲率和挠率将所述目标管件的轴线曲线划分为多段短曲线，再根据短曲线曲率和挠率特征逼近直线、圆弧和螺旋线，得到直线、圆弧和螺旋线；

5)将步骤4)得到的直线、圆弧和螺旋线依次拼接，并保证两个曲线连接处光滑平顺连接，具有相同的Frenet坐标，得到拼接后的完整曲线；

6)采用数字对步骤5)得到的完整曲线进行表达，确定目标管件几何特征数字表达；

所述目标管件几何特征数字表达包括稳定段几何参数和过渡段几何参数；稳定段为直线段、圆弧段和螺旋线段；直线段采用长度表示，圆弧段采用半径和长度表示，螺旋线段采用底圆半径、螺距和长度表示；过渡段为两个短曲线的连接处，采用左右两端的底圆半径和螺距表达；

同时，结合步骤2)的工艺参数对稳定段和过渡段的工艺参数进行表示，得到工艺参数数字化表达；

7)将步骤6)得到的目标管件几何特征数字表达和工艺参数数字化表达进行匹配，得到三维自由弯曲管件数字化表达。

2.根据权利要求1所述三维自由弯曲管件数字化表达方法,其特征在于：

步骤1)中，所述管件自由弯曲成形所必需的工艺参数为夹钳送进速度、弯曲模偏移量与弯曲模扭转速度。

3.根据权利要求2所述一种三维自由弯曲管件数字化表达方法,其特征在于：

步骤2)中，利用三维模型软件中分析曲率功能对目标管件的轴线曲率进行分析并提取轴线的特征点坐标参数。

4.根据权利要求3所述一种三维自由弯曲管件数字化表达方法,其特征在于：

步骤6)中，工艺参数数字化表达的具体方式如下：

直线、圆弧和螺旋线对应的工艺参数为弯曲模偏移量0，模具偏移量y和模具扭转速度u，y不等于0，根据曲线长度和给定的初始推进速度可以确定推进的时间参数，确定管件自由弯曲成形工艺参数表达。

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