CN115195157B - 一种用于转角结构的自动铺丝运动路径优化方法 - Google Patents

一种用于转角结构的自动铺丝运动路径优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于转角结构的自动铺丝运动路径优化方法，通过获取铺丝条带两侧的轮廓线，沿着铺丝方向判定铺丝转角区域，然后判断两侧的轮廓线进入铺丝转角区域的顺序关系，根据铺丝条带的宽度以及铺丝丝束的宽度对先进入铺丝转角区域的轮廓线进行偏移优化得到偏移铺丝路径，然后根据偏移铺丝路径以及后进入铺丝转角区域的轮廓线求得条带中心线的铺丝路径即为最终优化的铺丝运动路径，使得沿着优化后的铺丝运动路径铺丝形成的复材零件在铺丝转角区域具有更佳的表面质量，能有效的控制复材零件在铺丝转角区域的屈曲、滑移等缺陷。

Description

一种用于转角结构的自动铺丝运动路径优化方法
技术领域
本发明属于复材预浸丝束铺丝成型的技术领域，具体涉及一种用于转角结构的自动铺丝运动路径优化方法。
背景技术
铺丝路径由铺丝轨迹和设备运动路径两部分组成，铺丝轨迹是由设计人员或工艺人员在铺丝角度和转弯半径等约束条线下，使用CAD/CAM软件设计出的每一根丝束铺放模具上的理论铺放位置路径，这些路径是理论轨迹；而使用自动化铺丝装备将丝束铺放到模具上需要装备按一定的数控程序精准执行，数控程序中将给定自动铺丝装备在每一个位置的位姿，包括刀具中心点TCP和铺丝头的姿态，这些位姿是在保证铺放质量的前提下对理论铺丝轨迹进行近似处理，还包括为了保证铺放质量对这些位姿进行特殊处理。
随着工艺制造技术的提高，复材构件的形状从传统的开曲面到封闭曲面、从壁板类到转角结构，在发展的过程中对铺丝运动路径的要求也越来越高。在转角结构零件自动铺丝成型过程中，合理的铺丝运动路径对保证可制造性及铺贴质量至关重要。如何规划转角结构零件在转角区域的铺丝运动路径是自动铺丝技术用于工程化批量生产的关键问题。但基于现有的技术设计出的铺丝运动路径，在铺放转角结构零件过转角区域时，常出现屈曲和滑移等缺陷，成型表面质量差，无法没满足工艺质量要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于转角结构的自动铺丝运动路径优化方法，根据铺丝条带两侧的轮廓线与铺丝转角区域的位置关系，对铺丝转角区域中的铺丝运动路径的进行优化，使得沿着优化后的铺丝运动路径铺丝形成的复材零件在铺丝转角区域具有更佳的表面质量，能有效的控制复材零件在铺丝转角区域的屈曲、滑移等缺陷。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于转角结构的自动铺丝运动路径优化方法，获取铺丝条带两侧的轮廓线，沿着铺丝方向判定铺丝转角区域，然后判断两侧的轮廓线进入铺丝转角区域的顺序关系，根据铺丝条带的宽度以及铺丝丝束的宽度对先进入铺丝转角区域的轮廓线进行偏移优化得到偏移铺丝路径，然后根据偏移铺丝路径以及后进入铺丝转角区域的轮廓线求得条带中心线的铺丝路径即为最终优化的铺丝运动路径。
为了保证铺丝形成的复材零件的成型质量，同时防止复材零件中相邻的铺丝层之间发生滑移，因此铺丝方向与铺丝转角区域之间存在移动的倾斜角度。这就造成铺丝条带两侧的轮廓线进入铺丝转角区域存在先后顺序，同时位于两侧轮廓线之间的区域的轮廓线进入铺丝转角区域也存在先后顺序。铺丝条带一侧的轮廓线最先进入铺丝转角区域，另一侧的轮廓线最后进入铺丝转角区域，位于两侧轮廓线之间的若干轮廓线进入铺丝转角区域的顺序依次增加。这就导致铺丝头沿着铺丝轮廓在铺丝转角区域中进行铺丝时会存在顺序差与行程差，这就极易造成最终成型的复材零件在铺丝转角区域中会出现屈曲、滑移等表面缺陷，进而影响复材零件在铺丝转角区域中的表面成型质量。
由于条带中心线距离两侧的轮廓线的距离相等，且条带中心线进入铺丝转角区域的顺序也居中，因此针对条带中心线的铺丝路径进行优化以得到最终优化的铺丝运动路径。同时，铺丝精度还受到铺丝条带的宽度以及铺丝丝束的宽度的影响，因此还需要结合铺丝条带的宽度以及铺丝丝束的宽度对铺丝运动路径进行修正，以进一步减少铺丝误差。
为了更好的实现本发明，进一步地，根据铺丝条带的宽度以及铺丝丝束的宽度对先进入铺丝转角区域的轮廓线进行偏移优化得到偏移铺丝路径具体包括以下步骤：
步骤S1、判断先进入铺丝转角区域的轮廓线L1，后进入铺丝转角区域的轮廓线L2，确定轮廓线L1进入铺丝转角区域形成的交点A1，以交点A1为起点向轮廓线L2做垂线并与轮廓线L2相交于交点B1；
步骤S2、沿交点B1的切线方向同步延长轮廓线L1与轮廓线L2，直到延长轮廓线L2进入铺丝转角区域形成交点B2，此时记轮廓线L1的延长终点为A2，连接交点A1与延长终点A2得到第一修正线；
步骤S3、继续延长轮廓线L2，直到轮廓线L2离开铺丝转角区域并形成交点B3，连接交点B2和交点B3形成线段B23，并将在线段B23上离散化得到若干基准轨迹点；
步骤S4、将轮廓线L2朝向条带中心线的方向平移获得轮廓线L3，并将基准轨迹点按照平移方向与距离移动进而得到轮廓线L3上与基准轨迹点一一对应的若干平移轨迹点；
步骤S5、将对应的基准轨迹点与平移轨迹点连接并等距延长得到若干延长轨迹点；
步骤S6、按照顺序依次平滑连接若干延长轨迹点得到第二修正线，然后平滑连接第一修正线与第二修正线得到偏移铺丝路径。
为了更好的实现本发明，进一步地，所述步骤S3中在线段B23上离散化得到若干基准轨迹点具体包括以下步骤：
步骤S3.1、确定线段B23的法矢变化量；
步骤S3.2、确定线段B23的点离散步长；
步骤3.3、沿法矢变化量的方向根据点离散步长将线段B23离散化得到若干基准轨迹点。
为了更好的实现本发明，进一步地，所述步骤S4中轮廓线L2朝向条带中心线的方向平移的距离为d，d为铺丝丝束的宽度。
为了更好的实现本发明，进一步地，所述步骤S5中等距延长的距离为W，且W=D-d，其中D为铺丝条带的宽度，d为铺丝丝束的宽度。
为了更好的实现本发明，进一步地，所述铺丝条带的宽度D=d×k，其中d为铺丝丝束的宽度，k为丝束的数目。
为了更好的实现本发明，进一步地，所述丝束的数目k小于等于铺丝头的数目。
为了更好的实现本发明，进一步地，根据偏移铺丝路径以及后进入铺丝转角区域的轮廓线求得条带中心线的铺丝路径即为最终优化的铺丝运动路径具体包括以下步骤：
步骤T1、以条带中心线为基准建立铺丝条带的中位面；
步骤T2、对偏移铺丝路径离散化得到若干参考基准点，将若干参考基准点沿铺丝方向依次投影至铺丝条带的中位面上得到若干投影基准点；同理，偏移铺丝路径对应铺丝转角区域曲率变化越大的位置，其离散化的步长越小，即得到更多的参考基准点，进而减少曲率变化带来的误差。
步骤T3、沿铺丝方向依次平滑连接若干投影基准点即得到最终优化的铺丝运动路径。
为了更好的实现本发明，进一步地，所述最终优化的铺丝运动路径为铺丝装置的铺丝中心TCP点的运动路径。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明根据铺丝条带两侧的轮廓线进入铺丝转角区域的顺序关系，引入铺丝条带宽度与铺丝丝束宽度对先进入铺丝转件区域的轮廓线进行偏移优化得到偏移铺丝路径，进而减少两侧轮廓线进入铺丝转角区域的先后顺序带来的最终铺丝误差；然后根据偏移铺丝路径与后进入铺丝转角区域的轮廓线解算得到条带中心线的铺丝路径，由于条带中心线与两侧的轮廓线间距一致，因此以条带中心线的铺丝路径作为最终优化的铺丝运动路径进行铺丝，进一步降低在铺丝转角区域中铺丝成型的复材零件表面的屈曲和滑移，进而使得复材零件在铺丝转角区域中具备更佳的表面质量。
附图说明
图1为本发明的流程步骤示意图；
图2为第一修正线的示意图；
图3为对轮廓线进行偏移优化的示意图；
图4为第二修正线的示意图；
图5为最终优化的铺丝运动路径的示意图。
具体实施方式
实施例1：
本实施例的一种用于转角结构的自动铺丝运动路径优化方法，如图1所示，获取铺丝条带两侧的轮廓线，沿着铺丝方向判定铺丝转角区域，然后判断两侧的轮廓线进入铺丝转角区域的顺序关系，根据铺丝条带的宽度以及铺丝丝束的宽度对先进入铺丝转角区域的轮廓线进行偏移优化得到偏移铺丝路径，然后根据偏移铺丝路径以及后进入铺丝转角区域的轮廓线求得条带中心线的铺丝路径即为最终优化的铺丝运动路径。
沿着铺丝方向确定铺丝转角区域，并划定铺丝转角区域的起始线LR0，划定铺丝转角区域的终止线LR1，起始线LR0与终止线LR1之间的区域即为铺丝转角区域。沿铺丝方向将铺丝条带进行铺放，由于存在一定的铺丝角度，因此铺丝条带两侧相互平行的两根轮廓线进入铺丝转角区域具有先后顺序，同时铺丝轨迹受到铺丝丝束的宽度以及铺丝条带的宽度的影响，因此根据铺丝丝束的宽度以及铺丝条带的宽度对先进入铺丝转角区域的轮廓线进行偏移优化得到偏移铺丝路径。然后以后进入铺丝转角区域的轮廓线为基准，根据偏移铺丝路径与条带中心线之间的几何位置关系求得条带中心线的铺丝路径，即为最终优化的铺丝运动路径。
按照最终优化的铺丝运动路径进行铺丝作业，能够有效避免铺丝条带的宽度、铺丝丝束的宽度、轮廓线进入铺丝转角区域的先后顺序对铺丝路径的影响，进而避免在铺丝转角区域进行铺丝时形成铺丝屈曲和滑移的缺陷，进而保证了最终铺丝形成的复合材料零件的表面质量。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上做进一步优化，根据铺丝条带的宽度以及铺丝丝束的宽度对先进入铺丝转角区域的轮廓线进行偏移优化得到偏移铺丝路径具体包括以下步骤：
步骤S1、如图2所示，判断先进入铺丝转角区域的轮廓线L1，后进入铺丝转角区域的轮廓线L2，确定轮廓线L1进入铺丝转角区域形成的交点A1，以交点A1为起点向轮廓线L2做垂线并与轮廓线L2相交于交点B1；
步骤S2、如图2所示，沿交点B1的切线方向同步延长轮廓线L1与轮廓线L2，直到延长轮廓线L2进入铺丝转角区域并与起始线LR0形成交点B2，此时记轮廓线L1的延长终点为A2，连接交点A1与延长终点A2得到第一修正线；通过第一修正线弥补轮廓线L1与轮廓线L2进入铺丝转角区域的先后顺序带来的铺丝行程差。
步骤S3、如图3所示，继续延长轮廓线L2，直到轮廓线L2离开铺丝转角区域并与终止线LR1形成交点B3，平滑连接交点B2和交点B3形成线段B23，并将在线段B23上离散化得到若干基准轨迹点；
步骤S4、如图3所示，将轮廓线L2沿铺丝模具的表面朝向条带中心线的方向平移获得轮廓线L3，并将基准轨迹点按照平移方向与距离移动进而得到轮廓线L3上与基准轨迹点一一对应的若干平移轨迹点；
步骤S5、如图4所示，将对应的基准轨迹点与平移轨迹点连接并等距延长得到若干延长轨迹点；
步骤S6、如图5所示，按照顺序依次平滑连接若干延长轨迹点得到第二修正线，然后平滑连接第一修正线与第二修正线得到偏移铺丝路径。
本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例在上述实施例1或2的基础上做进一步优化，所述步骤S3中在线段B23上离散化得到若干基准轨迹点具体包括以下步骤：
步骤S3.1、确定线段B23的法矢变化量；
步骤S3.2、确定线段B23的点离散步长；
步骤3.3、沿法矢变化量的方向根据点离散步长将线段B23离散化得到若干基准轨迹点。
进一步的，所述点离散步长小于等于铺丝丝束的宽度。
进一步的，为了进一步提升离散后得到的若干基准轨迹点的精度，在线段B23对应铺丝转角区域曲率变化越大的位置上，应当减小点离散步长，即得到更多的基准轨迹点。
本实施例的其他部分与上述实施例1或2相同，故不再赘述。
实施例4：
本实施例在上述实施例1-3任一项的基础上做进一步优化，所述步骤S4中轮廓线L2朝向条带中心线的方向平移的距离为d，d为铺丝丝束的宽度。
所述步骤S5中等距延长的距离为W，且W=D-d，其中D为铺丝条带的宽度，d为铺丝丝束的宽度。
所述铺丝条带的宽度D=d×k，其中d为铺丝丝束的宽度，k为丝束的数目。
所述丝束的数目k小于等于铺丝头的数目。
本实施例的其他部分与上述实施例1-3相同，故不再赘述。
实施例5：
本实施例在上述实施例1-4任一项的基础上做进一步优化，根据偏移铺丝路径以及后进入铺丝转角区域的轮廓线求得条带中心线的铺丝路径即为最终优化的铺丝运动路径具体包括以下步骤：
步骤T1、以后进入铺丝转角区域的轮廓线L2为基准，结合铺丝条带的宽度D求得条带中心线，然后以条带中心线为基准建立铺丝条带的中位面；
步骤T2、对偏移铺丝路径离散化得到若干参考基准点，将若干参考基准点沿铺丝方向依次投影至铺丝条带的中位面上得到若干投影基准点；同理，偏移铺丝路径对应铺丝转角区域曲率变化越大的位置，其离散化的步长越小，即得到更多的参考基准点，进而减少曲率变化带来的误差。
步骤T3、沿铺丝方向依次平滑连接若干投影基准点即得到最终优化的铺丝运动路径。
所述最终优化的铺丝运动路径为铺丝装置的铺丝中心TCP点的运动路径。
本实施例的其他部分与上述实施例1-4任一项相同，故不再赘述。
实施例6：
一种用于转角结构的自动铺丝运动路径优化方法，包括：
获取模型上任意铺丝条带的两侧轮廓线，并计算铺丝条带宽度D = d×k = 6.35×8= 50.8mm；沿着铺丝方向，判定铺丝转角区域；
如图2所示，沿着箭头所示的铺丝方向，判断两侧轮廓线与铺丝转角区域的关系。当铺丝条带一侧的轮廓线L1先进入铺丝转角区域，形成交点A1，以交点A1为起点向轮廓线L2做垂线并与轮廓线L2相交于交点B1，然后修正轮廓线L1，修正方式为沿交点B1的切线方向同步延长轮廓线L1与轮廓线L2，直至轮廓线L2进入铺丝转角区域，与铺丝转角区域的起始线LR0形成交点B2，记轮廓线L1延长的当前端点位置为A2，平滑连接A1与A2，即得上述轮廓线L1的第一修正线LA12。
如图3所示，继续判断轮廓线L2与铺丝转角区域的关系，继续延长轮廓线L2，当轮廓线L2离开铺丝转角区域，并与铺丝转角区域的终止线LR1形成交点B3；将B2和B3之间的线段B23按设定的法矢变化量和点离散步长离散为一系列的点P0、P1…Pi作为基准轨迹点，其中i为基准轨迹点个数；再将轮廓线L2沿模具表面向条带中心方向平移d = 6.35mm距离获得轮廓线L3，并求得对应的点P0´、P1´…Pi´作为平移轨迹点。
如图4所示，再将两对应点沿铺丝方向一一连线且等距延长W ，等距延长的距离W=D-d =50.8-6.35=44.45mm，再取各延长线端点P0´´、P1´´…Pi´´作为延长轨迹点，其中W为Pi´到Pi´´之间的距离，然后按照顺序依次平滑连接P0´´、P1´´…Pi´´作为第二修正线LA23；将LA12和LA23顺序平滑连接并进行光顺处理获得轮廓线L1在铺丝转角区域修正后的偏移铺丝路径。根据偏移铺丝路径和轮廓线L2求得对应的条带中心线的TCP点的运动路径，以此获得如图5中所示的最终优化的铺丝运动路径。
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 (6)

1.一种用于转角结构的自动铺丝运动路径优化方法，其特征在于，获取铺丝条带两侧的轮廓线，沿着铺丝方向判定铺丝转角区域，然后判断两侧的轮廓线进入铺丝转角区域的顺序关系，根据铺丝条带的宽度以及铺丝丝束的宽度对先进入铺丝转角区域的轮廓线进行偏移优化得到偏移铺丝路径，然后根据偏移铺丝路径以及后进入铺丝转角区域的轮廓线求得条带中心线的铺丝路径即为最终优化的铺丝运动路径；根据铺丝条带的宽度以及铺丝丝束的宽度对先进入铺丝转角区域的轮廓线进行偏移优化得到偏移铺丝路径具体包括以下步骤：
步骤S1、判断先进入铺丝转角区域的轮廓线L1，后进入铺丝转角区域的轮廓线L2，确定轮廓线L1进入铺丝转角区域形成的交点A1，以交点A1为起点向轮廓线L2做垂线并与轮廓线L2相交于交点B1；
步骤S2、沿交点B1的切线方向同步延长轮廓线L1与轮廓线L2，直到延长轮廓线L2进入铺丝转角区域形成交点B2，此时记轮廓线L1的延长终点为A2，连接交点A1与延长终点A2得到第一修正线；
步骤S3、继续延长轮廓线L2，直到轮廓线L2离开铺丝转角区域并形成交点B3，连接交点B2和交点B3形成线段B23，并将在线段B23上离散化得到若干基准轨迹点；
步骤S4、将轮廓线L2朝向条带中心线的方向平移获得轮廓线L3，并将基准轨迹点按照平移方向与距离移动进而得到轮廓线L3上与基准轨迹点一一对应的若干平移轨迹点；
步骤S5、将对应的基准轨迹点与平移轨迹点连接并等距延长得到若干延长轨迹点；
步骤S6、按照顺序依次平滑连接若干延长轨迹点得到第二修正线，然后平滑连接第一修正线与第二修正线得到偏移铺丝路径；
根据偏移铺丝路径以及后进入铺丝转角区域的轮廓线求得条带中心线的铺丝路径即为最终优化的铺丝运动路径具体包括以下步骤：
步骤T1、以条带中心线为基准建立铺丝条带的中位面；
步骤T2、对偏移铺丝路径离散化得到若干参考基准点，将若干参考基准点沿铺丝方向依次投影至铺丝条带的中位面上得到若干投影基准点；
步骤T3、沿铺丝方向依次平滑连接若干投影基准点即得到最终优化的铺丝运动路径；所述最终优化的铺丝运动路径为铺丝装置的铺丝中心TCP点的运动路径。
2.根据权利要求1所述的一种用于转角结构的自动铺丝运动路径优化方法，其特征在于，所述步骤S3中在线段B23上离散化得到若干基准轨迹点具体包括以下步骤：
步骤S3.1、确定线段B23的法矢变化量；
步骤S3.2、确定线段B23的点离散步长；
步骤S3.3、沿法矢变化量的方向根据点离散步长将线段B23离散化得到若干基准轨迹点。
3.根据权利要求2所述的一种用于转角结构的自动铺丝运动路径优化方法，其特征在于，所述步骤S4中轮廓线L2朝向条带中心线的方向平移的距离为d，d为铺丝丝束的宽度。
4.根据权利要求2所述的一种用于转角结构的自动铺丝运动路径优化方法，其特征在于，所述步骤S5中等距延长的距离为W，且W=D-d，其中D为铺丝条带的宽度，d为铺丝丝束的宽度。
5.根据权利要求4所述的一种用于转角结构的自动铺丝运动路径优化方法，其特征在于，所述铺丝条带的宽度D=d×k，其中d为铺丝丝束的宽度，k为丝束的数目。
6.根据权利要求5所述的一种用于转角结构的自动铺丝运动路径优化方法，其特征在于，所述丝束的数目k小于等于铺丝头的数目。
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