一種面向復(fù)合材料鋪層單元數(shù)控下料工序的展開(kāi)輪廓線修正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種面向復(fù)合材料鋪層單元數(shù)控下料工序的展開(kāi)輪廓線修正方法，屬 于飛機(jī)復(fù)合材料制造技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)合材料是一種由高強(qiáng)度、高剛度增強(qiáng)材料鋪設(shè)在基體中所構(gòu)成的新型材料，由 多種物理相組成，具有高比強(qiáng)度、高比模量、高比剛度、良好的抗疲勞性、抗腐蝕性、特殊的 電磁性能和便于大面積整體成型等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。典型的飛機(jī)復(fù)合材 料構(gòu)件有梁、肋、壁板、盒段，機(jī)身側(cè)壁等。復(fù)合材料構(gòu)件腹板多為平面結(jié)構(gòu)，腹板周邊存在 彎邊、下陷，為滿足剛度、減重、制造、裝配等需求，腹板上存在定位孔、裝配孔等結(jié)構(gòu)要素。
[0003] 現(xiàn)代飛機(jī)的發(fā)展使得其外形變化更為復(fù)雜，同時(shí)對(duì)疲勞性能、飛行壽命的要求也 越來(lái)越高，對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的成型精度和成型質(zhì)量提出了更高的要求，該就要求構(gòu)件能夠 精確成型，特別是要求盡量減少手工修正量，甚至不允許手動(dòng)修正。復(fù)合材料構(gòu)件傳統(tǒng)生產(chǎn) 過(guò)程中，預(yù)浸料下料是一個(gè)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、繁瑣的工序，手工下料需要很多人用刀子按樣板形 狀手工切割，效率低、精度差，并且裁料時(shí)需要放樣，浪費(fèi)很嚴(yán)重。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)控技 術(shù)的不斷發(fā)展，各種各樣的軟件和數(shù)控設(shè)備相繼出現(xiàn)，使復(fù)合材料構(gòu)件研制過(guò)程W數(shù)字量 傳遞成為可能，為復(fù)合材料構(gòu)件實(shí)現(xiàn)數(shù)字化技術(shù)創(chuàng)造了良好的條件。
[0004] 自動(dòng)剪裁機(jī)是復(fù)合材料預(yù)浸料數(shù)字化下料的專用設(shè)備。在進(jìn)行預(yù)浸料下料時(shí)，將 預(yù)浸料排樣文件輸入到自動(dòng)剪裁機(jī)設(shè)備中，根據(jù)單元排樣文件進(jìn)行數(shù)控編程?，F(xiàn)階段用展 開(kāi)軟件展開(kāi)之后的鋪層單元二維輪廓大多由小線段多次拼接而成，甚至有的展開(kāi)輪廓不封 閉，W此展開(kāi)輪廓導(dǎo)入自動(dòng)剪裁機(jī)設(shè)備后，系統(tǒng)根據(jù)輪廓幾何信息自動(dòng)生成數(shù)控代碼，其中 任意兩條相鄰線段之間的連接點(diǎn)是刀具的停頓點(diǎn)，因此展開(kāi)輪廓中多次拼接的小線段勢(shì)必 會(huì)影響切割效率。因此需要對(duì)鋪層單元展開(kāi)輪廓進(jìn)行修正，W便提高切割效率。
[0005] 本專利研究的對(duì)象是下料工序過(guò)程中的鋪層單元展開(kāi)輪廓線修正問(wèn)題。鋪層單元 展開(kāi)輪廓線修正關(guān)鍵問(wèn)題是在保證單元輪廓幾何形狀基本不變的情況下，使得輪廓中的線 段數(shù)盡可能的少，也就是對(duì)展開(kāi)輪廓中同一條直線上的點(diǎn)、凹凸點(diǎn)的處理問(wèn)題。期刊文獻(xiàn) 中，管燕等人介紹了一種根據(jù)圓弧長(zhǎng)度來(lái)判斷輪廓線凹凸性的方法，依據(jù)內(nèi)圓弧與背圓弧 的曲率大小關(guān)系將輪廓分為凹狀、凸?fàn)詈椭本€段，進(jìn)而判斷輪廓線端點(diǎn)的凹凸性；黃潔瓊等 人介紹了一種AutoCAD中封閉輪廓凹凸性的判斷方法，該方法中圓屯、角小于180°的圓弧 用直線段代替，對(duì)封閉輪廓進(jìn)行了簡(jiǎn)化；張榮國(guó)等人提出了一種計(jì)算輪廓局部=角形面積 來(lái)判斷局部區(qū)域凹凸方向，當(dāng)S角形面積值為正時(shí)，局部區(qū)域是向外凸的，面積值為負(fù)時(shí)， 局部區(qū)域是向內(nèi)凹的；宋曉眉等人介紹了六種多邊形頂點(diǎn)凹凸性判斷方法，分別是角度法、 左右點(diǎn)法、矢量面積法、向量積法、射線法和斜率法和極點(diǎn)順序法。該些方法僅僅是在鋪層 單元展開(kāi)輪廓中單純的判別并去除凹點(diǎn)，而單純的去除凹點(diǎn)并不能夠有效的減少線段數(shù)， 只有在去除凹點(diǎn)的基礎(chǔ)上，同時(shí)判斷并去除輪廓中同一條直線上的點(diǎn)，才能更高效的在保 證單元輪廓幾何形狀基本不變的情況下，減少輪廓中的線段數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種面向復(fù)合材料鋪層單元數(shù)控下料 工序的展開(kāi)輪廓線修正方法，在保證展開(kāi)單元輪廓幾何形狀基本不變的情況下快速減少輪 廓線段數(shù)。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案為；
[000引所述一種面向復(fù)合材料鋪層單元數(shù)控下料工序的展開(kāi)輪廓線修正方法，其特征在 于；包括W下步驟：
[0009] 步驟1 ;通過(guò)W下步驟1. a對(duì)不閉合的鋪層單元SP展開(kāi)輪廓C"進(jìn)行封閉化處理， 得到封閉的展開(kāi)輪廓C^，所述封閉的展開(kāi)輪廓由直線段L \圓弧段L坤日樣條線L S組成； 并通過(guò)W下步驟1. b對(duì)展開(kāi)輪廓中圓弧段L坤日樣條線L S進(jìn)行離散，分別用直線段連接 相鄰離散點(diǎn)，得到只由直線段組成的封閉展開(kāi)輪廓C" K(<' = 1，2,…，
[0010] 步驟1. a ;鋪層單元SP經(jīng)CAD展開(kāi)軟件展開(kāi)得到展開(kāi)輪廓C U，對(duì)于展開(kāi)輪廓C"中 所有不閉合處的兩個(gè)線段端點(diǎn)，均采用直線段連接相應(yīng)的兩個(gè)線段端點(diǎn)，得到新的展開(kāi)輪 廓cS
[001U 步驟1. b ;對(duì)展開(kāi)輪廓中圓弧段L坤日樣條線L S進(jìn)行離散，得到圓弧段L坤口 樣條線LS離散點(diǎn)分別為巧（/"=1，2…M) = …W).用直線段分別連接圓弧 、 9 段L坤日樣條線LS中的相鄰離散點(diǎn)，分別得到近似逼近圓弧段L坤日樣條線LS的多邊形 打。={聽(tīng)、巧…巧}、二訴、巧…巧}，lpc、lps與展開(kāi)輪廓C。中直線段ll共同構(gòu)成 新的展開(kāi)輪廓C" {心('.=1，2，...，。，所、',.，>',)}.
[0012] 步驟2 :采用W下步驟2.a和步驟2.b刪除展開(kāi)輪廓線 (、/',. {4(/ = 1，2，.''，/)，C(.r,中在同一直線段上的點(diǎn)，得至。新的展開(kāi)輪廓線 (，、r {與('/' = 1,2,…，?/，?/</)?戶,(.'r,'.v,)}.
[001引步驟2. a ; W展開(kāi)輪廓線r中任一連接點(diǎn)P i (i = 3, U為開(kāi)始點(diǎn)，沿同一方向 對(duì)展開(kāi)輪廓護(hù)"進(jìn)行捜索，判斷捜索方向上連接點(diǎn)P i (3《i《I)到線段PwPy的距離心 是否滿足
[0014]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種面向復(fù)合材料鋪層單元數(shù)控下料工序的展開(kāi)輪廓線修正方法，其特征在于：包 括以下步驟： 步驟1 :通過(guò)以下步驟1.a對(duì)不閉合的鋪層單元SP展開(kāi)輪廓Cu進(jìn)行封閉化處理，得到 封閉的展開(kāi)輪廓Ce，所述封閉的展開(kāi)輪廓6由直線段圓弧段1^和樣條線Ls組成；并通 過(guò)以下步驟1.b對(duì)展開(kāi)輪廓6中圓弧段L°和樣條線Ls進(jìn)行離散，分別用直線段連接相鄰 離散點(diǎn)，得到只由直線段組成的封閉展開(kāi)輪廓G 以W,)}. 步驟1.a:鋪層單元Sp經(jīng)CAD展開(kāi)軟件展開(kāi)得到展開(kāi)輪廓Cu，對(duì)于展開(kāi)輪廓Cu中所有 不閉合處的兩個(gè)線段端點(diǎn)，均采用直線段連接相應(yīng)的兩個(gè)線段端點(diǎn)，得到新的展開(kāi)輪廓Ce; 步驟l.b:對(duì)展開(kāi)輪廓6中圓弧段1/和樣條線Ls進(jìn)行離散，得到圓弧段1/和 樣條線Ls離散點(diǎn)分別為0 = 12…M)、〇 =U2…用直線段分別連接圓弧 段1^和樣條線Ls中的相鄰離散點(diǎn)，分別得到近似逼近圓弧段1/和樣條線Ls的多邊形
LPS與展開(kāi)輪廓(^中直線段共同構(gòu)成 新的展開(kāi)輪廓C/r ^(^丨，2，…」)，7^,.，.1:.)]. 步驟2 :采用以下步驟2.a和步驟2.b刪除展開(kāi)輪廓線'K(/ = …， 中在同一直線段上的點(diǎn)，得到新的展開(kāi)輪廓€
步驟2.a:以展開(kāi)輪廓線CM中任一連接點(diǎn)Pi(i= 3, 4-I)為開(kāi)始點(diǎn)，沿同一方向?qū)φ?開(kāi)輪廓Clu進(jìn)行搜索，判斷搜索方向上連接點(diǎn)Pi(3彡i彡I)到線段PuPg的距離是 否滿足 公式中對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)為PiUpyj
、(x^，y^)、Pi_2 (Xi_2,yi_2);滿足上述條件的連接點(diǎn)Pi為無(wú)效連接點(diǎn)，不滿足上述條件的連接點(diǎn)Pi為有效連接點(diǎn): 步驟2.b:若連接點(diǎn)Pi為無(wú)效連接點(diǎn)則將線段P^Pi的終點(diǎn)Pi(Xi，yi)設(shè)置為線段 的終點(diǎn)Ph(x^，y^)，采用線段Pi-2Pi替換原展開(kāi)輪廓Clu中的線段P 和P 若連接點(diǎn)Pi為有效連接點(diǎn)，則將Pi+1(i<I)作為新的開(kāi)始點(diǎn)，重復(fù)步驟2.a、2.b繼續(xù)進(jìn) 行判斷，直到i=I為止，此時(shí)得到新的展開(kāi)輪廓為C?; 步驟3采用以下步驟3.a和步驟3.b判斷步驟2得到的新的展開(kāi)輪廓線
中連接點(diǎn)Pj(2 <j<J)的凹凸性，刪除展開(kāi)輪廓CNU 中所有凹點(diǎn)，得到新的展開(kāi)輪JI
步驟3.a;以展開(kāi)輪廓線C?中任一連接點(diǎn)Pj(j= 2,3,…，J)為開(kāi)始點(diǎn)進(jìn)行 搜索，開(kāi)始點(diǎn)兩個(gè)相鄰邊分別為Pj-fj、Pjpj+1，方向向量分別為cA、\^i
其中對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)為Pj(Xj，y」）、Pj+1 (xj+1，yj+1)、Pj-i(Xj-"y」-!)，巧-丨5與巧乃+1之間的夾角為0，同時(shí)垂 直于；^ 和；^ 的向量為 5，則有
1當(dāng)搜索方向?yàn)檠剌喞€順時(shí)針?lè)较驎r(shí)，若sin0 > 5 〇,則連接點(diǎn)匕為凸點(diǎn)，若sin0 < 0,則連接點(diǎn)匕為凹點(diǎn)；當(dāng)搜索方向?yàn)檠剌喞€逆時(shí)針?lè)?向Dac;時(shí)，若sin0 > 0,則連接點(diǎn)P」為凹點(diǎn)，若sin0 < 0,則連接點(diǎn)P」為凸點(diǎn)； 步驟3.b:如果開(kāi)始點(diǎn)匕為凸點(diǎn)，判斷連接點(diǎn)P^的凸凹性，若P^為凸點(diǎn)，則將P^作 為新的開(kāi)始點(diǎn)，若匕+1為凹點(diǎn)，則將線段P>七+2的終點(diǎn)Pw(x>2,t+2)設(shè)置為線段IWi的終 點(diǎn)Pj+1 (Xj+1，yj+1)，采用線段PjPj+身?yè)Q原展開(kāi)輪廓CNU中的線段P&+1和Pj+1Pj+2，將Pj+2作為新 的開(kāi)始點(diǎn)繼續(xù)搜索判斷剩余點(diǎn)；如果開(kāi)始點(diǎn)匕為凹點(diǎn)，則舍棄當(dāng)前連接點(diǎn)1^_，重新選擇開(kāi)始 點(diǎn)匕 +1并進(jìn)行凹凸性判斷，直到判斷的開(kāi)始點(diǎn)為凸點(diǎn)為止，后續(xù)的處理方法與前述開(kāi)始點(diǎn)為 凸點(diǎn)的處理方法相同；得到處理后的展開(kāi)輪廓為P = 1 2 。
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種面向復(fù)合材料鋪層單元數(shù)控下料工序的展開(kāi)輪廓線修正方法，該方法的處理對(duì)象是鋪層單元展開(kāi)輪廓。首先對(duì)展開(kāi)輪廓中不封閉的端點(diǎn)用直線段連接進(jìn)行閉合，并對(duì)輪廓中圓弧段和樣條線進(jìn)行離散，同時(shí)分別用直線段首位連接離散點(diǎn)，得到只有直線段組成的鋪層單元展開(kāi)輪廓；其次刪除展開(kāi)輪廓中在一條直線段上的點(diǎn)，大幅度減少直線段多次拼接的線段數(shù)；最后刪除展開(kāi)輪廓中所有的凹點(diǎn)，得到全凸多邊形，得到的展開(kāi)輪廓用于后續(xù)的組合排樣和數(shù)控下料。通過(guò)本發(fā)明的方法能夠?qū)崿F(xiàn)在保證展開(kāi)單元輪廓幾何形狀基本不變的情況下快速減少輪廓線段數(shù)，相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明不僅僅能夠快速判別并去除凹點(diǎn)，而且能夠快速判別并去除輪廓中同一條直線上的點(diǎn)。
【IPC分類】G06T7-60, G06F17-50
【公開(kāi)號(hào)】CN104616326
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510053606
【發(fā)明人】劉闖, 白如清
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2015年2月2日