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自由曲面ZPIN植入路径生成方法.pdf

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自由 曲面 ZPIN 植入 路径 生成 方法
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摘要
申请专利号:

CN201410307489.7

申请日:

2014.06.30

公开号:

CN104134227A

公开日:

2014.11.05

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G06T 13/00申请日:20140630|||公开
IPC分类号: G06T13/00(2011.01)I 主分类号: G06T13/00
申请人: 南京航空航天大学
发明人: 王显峰; 王若舟; 肖军; 张向阳; 褚奇奕
地址: 210016 江苏省南京市秦淮区御道街29号
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: 江苏圣典律师事务所 32237 代理人: 贺翔
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法律状态
申请(专利)号:

CN201410307489.7

授权公告号:

||||||

法律状态公告日:

2017.02.01|||2014.12.10|||2014.11.05

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

一种自由曲面上Z-Pin植入轨迹的生成方法属于计算机辅助设计与制造领域。通过将自由曲面三角网格化,将曲面上求解轨迹转化为在三角网格上求解折线段。最终得到植入点坐标和植入方向。轨迹点根据超声枪头的尺寸?#26893;?#22312;曲面上,可以不遗漏不重复的布满整个曲面的表面;超声枪头?#21335;?#21387;方向与植入点处法向平行,能够避免Z-pin在植入时折断或弯曲。按此轨迹加工,超声枪头能够将曲面上所有Z-pin加入层合板。本发明其有益之处在于:1)相比于手工植入更精确,效率更高,稳定性更好;2)适用?#27573;?#24191;,不受曲面类型限制;3)?#26723;?#20102;路径计算的难度。

权利要求书

权利要求书
1.  一种自由曲面上Z-Pin植入轨迹的生成方法,其特征在于包括以下?#34903;瑁?BR>?#34903;?、建立需要植入Z-pin的层合板的自由曲面数?#21482;?#27169;型;
?#34903;?、将模型划分为三角网格,用大量三角形拼接近似表示曲面;整理三角形的点、线、面信息,得到所有三角形的三个顶点坐标和三角形构成平面的法向量,以及三角形之间的共边关系;
?#34903;?、在三角形网格上沿固定参考方向生成第一条轨迹,用一组轨迹点来描述,具体过程如下:
参考方向?#25105;?#35774;定,设为x方向,轨迹的起点选择模型边角,寻找该点所在的三角形作为第一三角形,做该点处参考方向在第一三角?#25991;?#30340;投影,投影与第一三角?#25105;?#36793;的交点为第二个轨迹点;通过第二轨迹点?#19994;?#19982;第一三角形共边的三角形,作为第二三角形,在第二个轨迹点做参考方向在第二三角形上的投影,投影与第二三角形的边界交点为第三个轨迹点;重复操作直到轨迹点到达模型另一侧边界;这一系列有序的轨迹点组成了第一条轨迹;
?#34903;?、在曲面上平移第一条轨迹上的所有轨迹点,组成第二条轨迹,实际上是平移第一条轨迹的所有轨迹点,具体过程如下:
平移某一点时,平移方向为τ,τ=x×n,其中n为该点所在三角形的法向,x为?#34903;?中参考方向,平移距离为超声枪头宽度W;
平移P点时,设P'点为平移终点,则平移方向τ1=x×n1,交该三角形的一边于P2点;计算PP2的长度,并根据以下规则判断并计算平移终点P'的坐标;
规则1如果PP2=W,则点P2即为所求平移终点P';
规则2如果PP2>W,则平移终点P'在线段PP2上,设P点、P2点坐标分别为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2);则P'点坐标(x',y',z')=η×(x1,y1,z1)+(1-η)×(x2,y2,z2),其中
规则3如果PP2<W,则对P2点继续平移,平移方向P2点所在法向n2和?#34903;?中参考方向x的叉乘方向τ2=x×n2,交下一个三角形的一边于点P3,计算折线段长度PP2+P2P3;
若PP2+P2P3=W则点P3即为所求平移终点P';
若PP2+P2P3>W则平移终点P'在线段P2P3上,根据规则2处求出点P'坐标;
若PP2+P2P3<W根据规则3重复寻找;直至各段平移折线段长度和为W。
?#34903;?、根据?#34903;?的方式,利用第二条轨迹平移出第三条轨迹线,?#28304;?#31867;推在曲面上获得一系列平?#26800;?#36317;的轨迹线,直到布满曲面;
?#34903;?、在每条轨迹上间隔固定距离L生成若干植入点,相邻植入点的距离L为其间各个折线段的长度和;L取?#26723;?#20110;超声枪头的长度;
?#34903;?、计算植入点处的法向量
如果植入点在三角?#25991;冢?#21462;该三角形的法向;
若在三角形边上,则取共边的两个三角形法向的平均值;
若在三角形顶点上,则取点所属若干三角形法向的平均值;
?#34903;?最终生成植入路径;植入路径为一系?#26800;?#26893;入点坐标和这些点所在网格的法向;植入点坐标为超声枪下压位置,植入点在网格法向为下压方向。

说明书

说明书自由曲面Z-pin植入路径生成方法
?#38469;?#39046;域
本发明属于计算机辅助设计与制造领域,特别涉及一种在自由曲面上生成Z-pin植入路径的方法。
背景?#38469;?
Z-pin?#38469;?#26159;一种复合材料三维增强方法,主要适用于预浸料成?#36879;?#21512;材料层合板壳。其基本原理是将针状细杆(即pin)沿垂直方向植入到未固化的层合构件中。在机械阻力和化学共固化等结合作用下,pin针像钉子一样将层合板的各个铺层固结在一起,能显著提高层合件的抗?#26893;悖?#25239;剥离等层间性能。常用的Z-pin材料是直径为0.2mm-1.0mm的高强度、高模量钛合金短针或碳?#23435;?#30701;针。Joseph S.Boyce等人发明的了UAZ(Ultrasonically Assisted Z-Fiber)是最常用的Z-pin增强工艺(参考?#21335;?#20026;:Ultrasonic fastening system and method[P].USA:5800672,1998.),包括四大?#34903;瑁?#31532;一步,制备pin针。第二步,把pin针按一定阵列垂直插入泡沫板?#26800;?#21040;Z-pin预制体,并将预制体贴?#26174;?#26410;固化的层合件表面。第三步,用超声枪?#38597;?#27819;?#26800;腪-pin压入层合板。第四步,清理表面并固化。工艺流程如图1所示。
在UAC工艺的第三?#34903;校?#36229;声枪的植入路径,也就是超声枪的位置和姿态需要精确控制,既要保证超声枪压到工件表面以便将pin针完全扎入层合板,又要保证枪头垂直入层合板,避免pin针倾倒或折断。对于平板类零件,超声枪的位置在平面内平移,下压方向不变化,植入路径很简单。对于回转体构件,植入路径可以选择回转体母线上,据此,宋清华等人研制?#33487;?#23545;圆柱、圆锥类构件的自动化植入平台。(参考?#21335;?#20026;:圆锥类构件Z-pin自动超声辅助植入平台设计与研究[J].南京航空航天大学学报,2013,45(5):700-707.)对于自由曲面构件,植入位置和方向都比较复杂。本发明提出?#33487;?#23545;自由曲面开发Z-pin植入路径的生成方法。
发明内容
本发明提出了一种自由曲面上Z-Pin植入轨迹的生成方法。通过将自由曲面三角网格化,将曲面上求解轨迹转化为在三角网格上求解折线段。最终得到植入点坐标和植入方向。
为此,本发明采用如下?#38469;?#26041;案:
?#34903;?、建立需要植入Z-pin的层合板的自由曲面数?#21482;?#27169;型;
?#34903;?、将模型划分为三角网格,用大量三角形拼接近似表示曲面;整理三角形的点、线、面信息,得到所有三角形的三个顶点坐标和三角形构成平面的法向量,以及三角形之间的共边关系;
?#34903;?、在三角形网格上沿固定参考方向生成第一条轨迹,用一组轨迹点来描述,具体过程如下:
参考方向?#25105;?#35774;定,设为x方向,轨迹的起点选择模型边角,寻找该点所在的三角形作为第一三角形,做该点处参考方向在第一三角?#25991;?#30340;投影,投影与第一三角?#25105;?#36793;的交点为第二个轨迹点;通过第二轨迹点?#19994;?#19982;第一三角形共边的三角形,作为第二三角形,在第二个轨迹点做参考方向在第二三角形上的投影,投影与第二三角形的边界交点为第三个轨迹点;重复操作直到轨迹点到达模型另一侧边界;这一系列有序的轨迹点组成了第一条轨迹;
?#34903;?、在曲面上平移第一条轨迹上的所有轨迹点,组成第二条轨迹,实际上是平移第一条轨迹的所有轨迹点,具体过程如下:
平移某一点时,平移方向为τ,τ=x×n,其中n为该点所在三角形的法向,x为?#34903;?中参考方向,平移距离为超声枪头宽度W;
平移P点时,设P'点为平移终点,则平移方向τ1=x×n1,交该三角形的一边于P2点;计算PP2的长度,并根据以下规则判断并计算平移终点P'的坐标;
规则1如果PP2=W,则点P2即为所求平移终点P';
规则2如果PP2>W,则平移终点P'在线段PP2上,设P点、P2点坐标分别为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2);则P'点坐标(x',y',z')=η×(x1,y1,z1)+(1-η)×(x2,y2,z2),其中
规则3如果PP2<W,则对P2点继续平移,平移方向P2点所在法向n2和?#34903;?中参考方向x的叉乘方向τ2=x×n2,交下一个三角形的一边于点P3,计算折线段长度PP2+P2P3;
若PP2+P2P3=W则点P3即为所求平移终点P';
若PP2+P2P3>W则平移终点P'在线段P2P3上,根据规则2处求出点P'坐标;
若PP2+P2P3<W根据规则3重复寻找;直至各段平移折线段长度和为W。
?#34903;?、根据?#34903;?的方式,利用第二条轨迹平移出第三条轨迹线,?#28304;?#31867;推在曲面上获得一系列平?#26800;?#36317;的轨迹线,直到布满曲面;
?#34903;?、在每条轨迹上间隔固定距离L生成若干植入点,相邻植入点的距离L为其间各个折线段的长度和;L取?#26723;?#20110;超声枪头的长度;
?#34903;?、计算植入点处的法向量
如果植入点在三角?#25991;冢?#21462;该三角形的法向;
若在三角形边上,则取共边的两个三角形法向的平均值;
若在三角形顶点上,则取点所属若干三角形法向的平均值;
?#34903;?最终生成植入路径;植入路径为一系?#26800;?#26893;入点坐标和这些点所在网格的法向;植入点坐标为超声枪下压位置,植入点在网格法向为下压方向。
有益效果:
可以在自由曲面上生成Z-pin植入的轨迹。轨迹点根据超声枪头的尺寸?#26893;?#22312;曲面上,可以不遗漏不重复的布满整个曲面的表面;超声枪头?#21335;?#21387;方向与植入点处法向平行,能够避免Z-pin在植入时折断或弯曲。按此轨迹加工,超声枪头能够将曲面上所有Z-pin加入层合板。将Z-pin植入适用?#27573;?#25299;展到?#25105;?#22411;面。
通过将自由曲面三角网格化,将曲面上求解轨迹转化为在三角形网格线上求解折线段。其有益之处在于:1)相比于手工植入更精确,效率更高,稳定性更好;2)适用?#27573;?#24191;,不受曲面类型限制;3)?#26723;?#20102;路径计算的难度。
附图说明
图1a为UAC工艺示意图-在泡沫中按几何?#26893;?#39044;先植入Z-pin;
图1b为UAC工艺示意图-用专用超声植入枪沿Z向植入Z-pin;
图1c为UAC工艺示意图-完成Z-pin植入;
图1d为UAC工艺示意图-去除泡沫;
图2为三角网格划分示意?#36857;?
图3为第一条轨迹生成方法示意?#36857;?
图4为平移轨迹点方法示意?#36857;?
图5为平移轨迹结果示意?#36857;?
图6为植入点生成方法示意?#36857;?
具体实施方式
下面结合示意图和?#36947;?#23545;本发明?#38469;?#26041;案做进一步说明。
本发明提出的在自由曲面上生成Z-pin植入路径的方法是:
?#34903;?、建立自由曲面的数?#21482;?#27169;型
所述自由曲面是需要植入Z-pin的层合板的外形曲面。可以用CATIA?#28909;?#32500;建模软件建立数?#21482;?#27169;型。
?#34903;?、将模型划分为三角网格并整理三角形的点、边、面信息。
所述三角网格是用大量三角形拼?#26377;?#25104;的曲面近似模型。如图2所示。使用CATIA?#26800;腟TL rapid prototyping模块将曲面划分为三角网格并储存为STL格式文件。卫炜等人提出了一种点、边、面的信息的快速整理方法(参考?#21335;祝?#28023;量STL文件的快速读取与显示[J].机械科学与?#38469;?2006,25:935-937)。参考此方法得到三角形每个顶点坐标及法向量,以及三角形之间的共边关系;
?#34903;?、在三角形网格上沿固定参考方向生成第一条轨迹,起点是模型边角,终点为模型另一侧边界
第一条轨迹实际上是在拼接的三角形上求解一系?#26800;?#36712;迹点。参考方向取x轴。如图3,n1,n2分别为ΔABC,ΔABD的法向量。第一个轨迹点取模型的边界点P,将x方向向ΔABC作投影交ΔABC的边于Q。则Q为P第二个轨迹点。
根据点Q所在的边AB?#19994;?#19979;一个相邻的三角形ΔABD,在Q点将x方向做ΔABD内的投影交ΔABD的边于R,即为第三个轨迹点。重复操作直到轨迹点取到模型边界。这一些列有序的轨迹点PQR…组成了第一条轨迹。
?#34903;?、在曲面上平移第一条轨迹上的所有轨迹点,组成第二条轨迹。
在曲面上平移第一条轨迹,实际上是平移第一条轨迹的所有轨迹点。其计算方法如如图4所示,当平移P点时,平移方向τ2=n2×x,交ΔABC的边于P2。计算PP2的长度,并根据以下规则判断并计算平移终点P'的坐标;
规则1:如果PP2=W,则点P2即为所求平移终点P';
规则2:如果PP2>W,则平移终点P'在线段PP2上,设P点、P2点坐标分别为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2);则P'点坐标(x',y',z')=η(x1,y1,z1)+(1-η)(x2,y2,z2),其中η=w|PP2|;]]>
规则3:如果PP2<W,则对P2点继续平移,平移方向P2点所在法向n2和?#34903;?中参考方向x的叉乘方向τ2=x×n2,交下一个三角形的一边于点P3,计算折线段长度PP2+P2P3;
若PP2+P2P3=W则点P3即为所求平移终点P';
若PP2+P2P3>W则平移终点P'在线段P2P3上,根据规则2处求出点P'坐标;
若PP2+P2P3<W则根据规则三重复寻找;直至各段平移折线段长度和为W;图4所?#38236;?#24773;况为,PP2+P2P3+P3P'=W。
?#34903;?、根据?#34903;?的方式,利用第二条轨迹平移出第三条轨迹线,?#28304;?#31867;推在曲面上获得一系列平?#26800;?#36317;的轨迹线,直到布满曲面。平?#24179;?#26524;如图5所示;
?#34903;?、从边界开?#36857;?#22312;每条轨迹上间隔固定距离L生成若干植入点,相邻植入点的距离L为其间各个折线段的长度和;L取?#26723;?#20110;超声枪头的长度;最终得到一系列有序植入点N1N2,N3如图6所示;
?#34903;?、计算植入点处的法向,作为超声枪下压方向。
曲面法向可由三角形法向近似求取。求解方法分三种情况讨论:
如果植入点在三角?#25991;冢?#21462;该三角形的法向。
若在三角形边上,则取共边的两个三角形法向的加权平均值。
若在三角形顶点上,则取点所属若干三角形法向的加权平均值。权重均为三角形面积。
?#34903;?、最终得到植入路径。植入路径为一系?#26800;?#26893;入点坐标和这些点所在网格的法向。植入点坐标为超声枪下压位置,植入点在网格法向为下压方向。

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