CN115438464A - 一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成方法与系统，涉及自动化加工技术领域，包括步骤：获取当前采样面上的初始缠绕路径；通过对初始缠绕路径进行预设宽度和预设高度下的偏移处理，获取扩张缠绕路径；根据扩张缠绕路径投影纱带至当前采样面，并根据几何投影关系获取被纱带覆盖的采样点；根据预设高度叠加并更新被纱带覆盖的采样点的高度信息，并根据高度更新后的采样点集获取更新后的采样面；根据最终获得的整体扩张缠绕路径输出所对应的程序代码。本发明充分考虑到了纱带自身宽度和高度对于缠绕效果的影响，进行采样面更新下的扩张缠绕路径获取，从而能够有效避免由于外轮廓扩张导致的落纱偏移。

Description

一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成方法与系统

技术领域

本发明涉及自动化加工技术领域，具体涉及一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成方法与系统。

背景技术

纤维缠绕技术是最早开发和应用最广泛的自动化加工技术，相比于其他生产工艺，纤维缠绕复合材料制品可按照产品的结构特征和受力状况来设计缠绕规律，能够充分发挥纤维的强度，并且具有纤维排列整齐、准确率高等特点，已广泛应用于航空航天及民用工业中，如火箭发动机壳体、飞机机身、航空发动机叶片、叶环及机匣、车用燃料气瓶、医用氧气瓶、油气储罐及管道等。

缠绕路径规划是通过一定的数学算法对纱带在芯模上的落纱轨迹进行设计。不合理的缠绕路径规划会导致缠绕过程中出现纱带滑移、架桥等不利因素，进而在制件内部产生富树脂区等缺陷，甚至导致后续缠绕过程难以实施。因此，合理的缠绕路径规划以确保纱带按照既定落纱轨迹平稳地铺覆在芯模表面是当前纤维缠绕技术亟需解决的重要课题。

现有的缠绕路径轨迹算法通常采用测地线、半测地线、曲面样条及其他非测地线等路径来设计缠绕轨迹，并且均将纱带处理为不具有宽度和厚度信息的几何曲线，所有路径规划过程都是基于原始芯模表面完成的。因此，现有算法都忽略了在缠绕过程中纱带在芯模表面的连续堆积所造成的制件外轮廓扩张效应，实际缠绕经验表明此轮廓扩张效应将导致实际落纱点的位置偏离设计值。不仅如此，这种轮廓扩张效应还具有不均衡性，在缠绕的回转区或封头处表现尤为剧烈，因此导致制件外轮廓严重偏离原始芯模表面，在这种情况下，若仍采用基于初始芯模表面设计的路径进行缠绕，将极易导致纱带从制件表面滑脱导致缠绕过程中断并且后续设计路径不可用，以至整个缠绕工艺过程前功尽弃。因此，在路径设计过程中考虑纱带厚度以体现纱带在芯模上的堆积，同时在实时扩张的制件轮廓上设计后续缠绕路径有利于解决上述问题，从而保证设计路径的工艺可行性。

发明内容

为了使纱带缠绕路径的设计能够充分考虑纱带自身物理特性对于缠绕效果的影响，本发明提出了一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成方法，其中，未缠绕状态下，芯模表面设有由均匀布置的采样点组成的采样面，具体包括步骤：

S1：根据初始滑移系数和微分几何理论，在缠绕力学稳定性条件下获取当前采样面上的初始缠绕路径；

S2：通过对初始缠绕路径进行预设宽度和预设高度下的偏移处理，获取扩张缠绕路径；

S3：根据扩张缠绕路径投影纱带至当前采样面，并根据几何投影关系获取被纱带覆盖的采样点；

S4：根据预设高度叠加并更新被纱带覆盖的采样点的高度信息，并根据高度更新后的采样点集获取更新后的采样面；

S5：判断当前缠绕路径的缠绕层数是否达到预设层数，若是，进入S6步骤，若否，缠绕层数加一并返回S1步骤；

S6：根据最终获得的整体扩张缠绕路径获取实际滑移系数，并判断是否大于芯模表面最大静摩擦系数，若是，调整初始滑移系数并返回S1步骤，若否，输出整体扩张缠绕路径所对应的程序代码。

进一步地，所述S1步骤中，缠绕力学稳定性条件包括纱带缠绕过程中无架桥、无滑移和全覆盖。

进一步地，所述S2步骤中，预设宽度为纱带展平后的宽度，预设高度为纱带展平后的高度。

进一步地，所述S2步骤中，扩张缠绕路径以离散点集表示，各离散点之间以预设行列间隔等距排列。

进一步地，所述S4步骤之后还包括步骤：

S41：基于凸包算法，从离散点集中筛选出由若干离散点组成的可以包围所有离散点的多边体；

S42：根据筛选出的若干离散点对更新后的采样面进行光顺处理。

本发明还提出了一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成系统，其中，未缠绕状态下，芯模表面设有由均匀布置的采样点组成的采样面，具体包括：

路径规划模块，用于根据初始滑移系数和微分几何理论，在缠绕力学稳定性条件下获取当前采样面上的初始缠绕路径；

路径扩张模块，用于通过对初始缠绕路径进行预设宽度和预设高度下的偏移处理，获取扩张缠绕路径；

覆盖统计模块，用于根据扩张缠绕路径投影纱带至当前采样面，并根据几何投影关系获取被纱带覆盖的采样点；

采样面更新模块，用于根据预设高度叠加并更新被纱带覆盖的采样点的高度信息，并根据高度更新后的采样点集获取更新后的采样面；

滑移判定模块，用于在缠绕层数达到预设层数时根据最终获得的整体扩张缠绕路径获取实际滑移系数，并在其大于芯模表面最大静摩擦系数时通过调整初始滑移系数重新获取整体扩张缠绕路径，在其小于等于芯模表面最大静摩擦系数时输出整体扩张缠绕路径所对应的程序代码。

进一步地，所述路径规划模块中，缠绕力学稳定性条件包括纱带缠绕过程中无架桥、无滑移和全覆盖。

进一步地，所述路径扩张模块中，预设宽度为纱带展平后的宽度，预设高度为纱带展平后的高度。

进一步地，所述路径扩张模块中，扩张缠绕路径以离散点集表示，各离散点之间以预设行列间隔等距排列。

进一步地，所述采样面更新模块中，还包括：

光顺处理单元，用于根据凸包算法，从离散点集中筛选出由若干离散点组成的可以包围所有离散点的多边体，并根据筛选出的若干离散点对更新后的采样面进行光顺处理。

与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：

(1)本发明所述的一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成方法与系统，在进行纱带三维缠绕路径设计的过程中，充分考虑到了纱带自身宽度和高度对于缠绕效果的影响，进行采样面更新下的扩张缠绕路径获取，从而能够有效避免由于外轮廓扩张导致的落纱偏移；

(2)基于凸包算法对更新后的采样面进行光顺处理，从而使得根据采样面进行的路径设计更加符合实际缠绕过程中的纱带缠绕特性；

(3)由于是采用的是随采样面更新进行相应更迭的缠绕路径设计，因此可以适用于各种芯模的三维缠绕路径设计；

(4)由于采用厚度堆叠的方式进行采样面的更新，因此有利于预测缠绕制件的壁厚分步，以及最终的几何形状。

附图说明

图1为一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成方法的步骤图；

图2为一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成系统的结构图；

图3为截取部分纱带的形态示意图；

图4为光顺处理前纱带交叠处形态示意图；

图5为光顺处理后纱带交叠处形态示意图；

图6为基于一种芯模设计下的纱带缠绕制成品示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一

为了在纱带缠绕路径的设计能够更加贴合实际缠绕过程中的物理特性，避免由于未考虑外轮廓扩张效应导致的落纱偏移，如图1所述，本发明提出了一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成方法，在路径设计过程中，在芯模表面均匀布置有采样点，同时这些采样点一起构成了采样面，具体路径生成步骤包括：

S1：根据初始滑移系数和微分几何理论，在缠绕力学稳定性条件下获取当前采样面上的初始缠绕路径；

S2：通过对初始缠绕路径进行预设宽度和预设高度下的偏移处理，获取扩张缠绕路径；

S3：根据扩张缠绕路径投影纱带至当前采样面，并根据几何投影关系获取被纱带覆盖的采样点；

S4：根据预设高度叠加并更新被纱带覆盖的采样点的高度信息，并根据高度更新后的采样点集获取更新后的采样面；

S5：判断当前缠绕路径的缠绕层数是否达到预设层数，若是，进入S6步骤，若否，缠绕层数加一并返回S1步骤；

S6：根据最终获得的整体扩张缠绕路径获取实际滑移系数，并判断是否大于芯模表面最大静摩擦系数，若是，调整初始滑移系数并返回S1步骤，若否，输出整体扩张缠绕路径所对应的程序代码。

在本发明提出的路径设计方法中，一开始和传统的缠绕路径设计方法类似，都是将路径处理为无宽度和厚度的几何曲线，然而不同的是，本发明是根据当前采样面进行的当前缠绕层下的初始缠绕路径设计，而非仅仅是始终基于芯模表面。而后根据缠绕力学稳定性条件，在初始滑移系数的条件限制下通过测地线、半测地线、拟测地线、曲面样条、以及三角面片法等方式进行缠绕路径的设计。其中，缠绕力学稳定性条件包括无架桥、无滑移、全覆盖，保证芯模被纱带均匀地覆盖。也就是说，针对不同的采样面，设计获得的缠绕路径存在不同之处，在本发明中，这个不同就是针对外轮廓扩张效应进行的路径设计适应性优化，具体优化手段如下。

首先，考虑到纱带本身具有一定的宽度和高度(如图3所示，为截取的部分纱带的形态示意图)，在纱带缠绕至芯模上时，缠绕所获得的工件直径势必会随着缠绕层数的增加而递增。因此，为了将这一部分的改变加入到缠绕路径的设计规划中，本发明提出根据目标缠绕纱带的宽度信息和高度信息对初始缠绕路径进行宽度方向和高度方向上的偏移处理，从而得到路径扩张后的扩张缠绕路径。

而后，根据所获得的扩张缠绕路径，通过模拟纱带覆盖至当前采样面上，也即是将纱带根据扩张缠绕路径逐步投影至当前采样面上，而后即可根据几何投影关系提取被纱带覆盖的采样点。这里之所以要提取出被纱带覆盖的采样点，是出于对纱带自身高度对下一层采样面所组成工件外表面形态影响的考虑。具体优化如下，根据基于纱带自身参数设置的预设高度(也即是纱带展平后自身的高度，也可以说是纱带的厚度)，随着纱带依据扩张缠绕路径逐步投影至当前采样面上，根据提取出的覆盖采样点，对这些采样点的高度信息进行更新(在当前高度的基础上，在每被覆盖一次时，叠加一个预设高度至被覆盖的采样点高度信息中)。

这样一来，随着各采样点高度信息的更新迭代，由采样点集组成的采样面也会随之更新。也就是说，随着纱带缠绕层数的增多，基于更新后采样面获得的初始缠绕路径也会随之适应性优化。

通过上述说明，动态描述了步骤S1至步骤S4中纱带在工件表面堆叠的过程，且纱带与纱带之间不存在几何干涉。但仅仅是通过上述改进获得的纱带缠绕轨迹仍存在不足之处，这是因为前述步骤是在新纱带总是紧贴这芯模或者上一层纱带这一假设上成立的，因此在这一假设上获得缠绕路径，两条纱带相交处会出现褶皱(如图4所示)。而在实际缠绕过程中，纱带在缠绕张力表现下表现为绷紧拉直的状态(如图5所示)。因此，在纱带交叉处的路径不符合实际情况，需要进一步优化。

这里，为了解决褶皱问题，本发明利用凸包算法的原理，先是将扩张缠绕路径以预设行列间隔等距排列的离散点集的形式进行表示，而后从离散点集中筛选出一个由若干离散点组成的多边体，需要注意的是，该多边体需要满足面积最小的同时，能够包含所有的离散点(也即是进行凸点的筛选)。通过该方法获得的多边体即为光顺处理后的采样面。

通过上述方法逐层对纱带的缠绕路径进行设计和优化，并在达到预设层数后，获得整体扩张缠绕路径。而为了进一步确保最终获得的缠绕路径能够保证投入生产后的可靠性，还会对最终获得的整体扩张缠绕路径进行实际滑移系数的计算，只有当其小于等于芯模表面最大静摩擦系数时，才会将该路径以相应的程序代码输出至数控缠绕机，根据该程序代码即可控制数控缠绕机进行纱带缠绕(如图6所示，为基于一种芯模设计下的纱带缠绕制成品)。而当实际滑移系数大于芯模表面最大静摩擦系数时，说明设计后的缠绕路径无法使纱带牢牢固定在芯模表面，存在滑移的风险，因此需要通过调整初始滑移系数(一般为下调)的方式重新进行缠绕路径的设计。

实施例二

为了更好的对本发明的技术内容进行理解，本实施例通过系统结构的形式来对本发明进行阐述，如图2所示，一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成系统，其在未缠绕状态下，芯模表面设有由均匀布置的采样点组成的采样面，具体包括：

路径规划模块，用于根据初始滑移系数和微分几何理论，在缠绕力学稳定性条件下获取当前采样面上的初始缠绕路径；

路径扩张模块，用于通过对初始缠绕路径进行预设宽度和预设高度下的偏移处理，获取扩张缠绕路径；

覆盖统计模块，用于根据扩张缠绕路径投影纱带至当前采样面，并根据几何投影关系获取被纱带覆盖的采样点；

采样面更新模块，用于根据预设高度叠加并更新被纱带覆盖的采样点的高度信息，并根据高度更新后的采样点集获取更新后的采样面；

滑移判定模块，用于在缠绕层数达到预设层数时根据最终获得的整体扩张缠绕路径获取实际滑移系数，并在其大于芯模表面最大静摩擦系数时通过调整初始滑移系数重新获取整体扩张缠绕路径，在其小于等于芯模表面最大静摩擦系数时输出整体扩张缠绕路径所对应的程序代码。

进一步地，路径规划模块中，缠绕力学稳定性条件包括纱带缠绕过程中无架桥、无滑移和全覆盖。

进一步地，路径扩张模块中，预设宽度为纱带展平后的宽度，预设高度为纱带展平后的高度。

进一步地，路径扩张模块中，扩张缠绕路径以离散点集表示，各离散点之间以预设行列间隔等距排列。

进一步地，采样面更新模块中，还包括：

光顺处理单元，用于根据凸包算法，从离散点集中筛选出由若干离散点组成的可以包围所有离散点的多边体，并根据筛选出的若干离散点对更新后的采样面进行光顺处理。

综上所述，本发明所述的一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成方法与系统，在进行纱带三维缠绕路径设计的过程中，充分考虑到了纱带自身宽度和高度对于缠绕效果的影响，进行采样面更新下的扩张缠绕路径获取，从而能够有效避免由于外轮廓扩张导致的落纱偏移。基于凸包算法对更新后的采样面进行光顺处理，从而使得根据采样面进行的路径设计更加符合实际缠绕过程中的纱带缠绕特性。

由于是采用的是随采样面更新进行相应更迭的缠绕路径设计，因此可以适用于各种芯模的三维缠绕路径设计，而由于采用厚度堆叠的方式进行采样面的更新，因此有利于预测缠绕制件的壁厚分布情况，以及最终的几何形状。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成方法，其特征在于，未缠绕状态下，芯模表面设有由均匀布置的采样点组成的采样面，具体包括步骤：

S1：根据初始滑移系数和微分几何理论，在缠绕力学稳定性条件下获取当前采样面上的初始缠绕路径；

S2：通过对初始缠绕路径进行预设宽度和预设高度下的偏移处理，获取扩张缠绕路径；

S3：根据扩张缠绕路径投影纱带至当前采样面，并根据几何投影关系获取被纱带覆盖的采样点；

S4：根据预设高度叠加并更新被纱带覆盖的采样点的高度信息，并根据高度更新后的采样点集获取更新后的采样面；

S5：判断当前缠绕路径的缠绕层数是否达到预设层数，若是，进入S6步骤，若否，缠绕层数加一并返回S1步骤；

S6：根据最终获得的整体扩张缠绕路径获取实际滑移系数，并判断是否大于芯模表面最大静摩擦系数，若是，调整初始滑移系数并返回S1步骤，若否，输出整体扩张缠绕路径所对应的程序代码。

2.如权利要求1所述的一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成方法，其特征在于，所述S1步骤中，缠绕力学稳定性条件包括纱带缠绕过程中无架桥、无滑移和全覆盖。

3.如权利要求1所述的一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成方法，其特征在于，所述S2步骤中，预设宽度为纱带展平后的宽度，预设高度为纱带展平后的高度。

4.如权利要求1所述的一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成方法，其特征在于，所述S2步骤中，扩张缠绕路径以离散点集表示，各离散点之间以预设行列间隔等距排列。

5.如权利要求4所述的一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成方法，其特征在于，所述S4步骤之后还包括步骤：

S41：基于凸包算法，从离散点集中筛选出由若干离散点组成的可以包围所有离散点的多边体；

S42：根据筛选出的若干离散点对更新后的采样面进行光顺处理。

6.一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成系统，其特征在于，未缠绕状态下，芯模表面设有由均匀布置的采样点组成的采样面，具体包括：

路径规划模块，用于根据初始滑移系数和微分几何理论，在缠绕力学稳定性条件下获取当前采样面上的初始缠绕路径；

路径扩张模块，用于通过对初始缠绕路径进行预设宽度和预设高度下的偏移处理，获取扩张缠绕路径；

覆盖统计模块，用于根据扩张缠绕路径投影纱带至当前采样面，并根据几何投影关系获取被纱带覆盖的采样点；

采样面更新模块，用于根据预设高度叠加并更新被纱带覆盖的采样点的高度信息，并根据高度更新后的采样点集获取更新后的采样面；

滑移判定模块，用于在缠绕层数达到预设层数时根据最终获得的整体扩张缠绕路径获取实际滑移系数，并在其大于芯模表面最大静摩擦系数时通过调整初始滑移系数重新获取整体扩张缠绕路径，在其小于等于芯模表面最大静摩擦系数时输出整体扩张缠绕路径所对应的程序代码。

7.如权利要求6所述的一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成系统，其特征在于，所述路径规划模块中，缠绕力学稳定性条件包括纱带缠绕过程中无架桥、无滑移和全覆盖。

8.如权利要求6所述的一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成系统，其特征在于，所述路径扩张模块中，预设宽度为纱带展平后的宽度，预设高度为纱带展平后的高度。

9.如权利要求6所述的一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成系统，其特征在于，所述路径扩张模块中，扩张缠绕路径以离散点集表示，各离散点之间以预设行列间隔等距排列。

10.如权利要求9所述的一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成系统，其特征在于，所述采样面更新模块中，还包括：

光顺处理单元，用于根据凸包算法，从离散点集中筛选出由若干离散点组成的可以包围所有离散点的多边体，并根据筛选出的若干离散点对更新后的采样面进行光顺处理。

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