一種基于stl文件格式的漸進成形主方向判決方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鈑金件漸進成形主方向的判別方法，具體涉及一種基于STL文件 格式的漸進成形主方向判決方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 板料漸進成形（Incremental Sheet Forming，ISF)是上世紀60年代由美國的 Leszak提出的一種無模柔性成形技術(shù)，90年代由日本的松原茂夫等對該技術(shù)進行了進一 步研究，逐漸引起了各國學(xué)者的重視。漸進成形技術(shù)是一種基于計算機技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和塑 性成形技術(shù)基礎(chǔ)之上的先進制造技術(shù)，它采用快速原型制造技術(shù)"分層制造"的思想，將三 維模型離散成為系列二維輪廓形狀，通過局部塑性成形積累而獲得零件整體形狀的一種柔 性無模成形技術(shù)，具有高柔性、低成本、高效率等特點，所需的成形力小，設(shè)備能耗低、振動 小、噪聲低，屬于綠色加工，同時可以大幅度提高板材的成形極限，是近年來發(fā)展迅速的一 種板材成形技術(shù)。
[0003] 漸進成形中金屬材料的整體流動不明顯，料厚變化遵循余弦定理減薄原則，即t =t(j*cos Θ (成形角Θ是加工位置法矢與Z軸的夾角），成形角不同的部位零件厚度也不 均勻。板材在成形過程中會受到成形極限角θ_的約束，當成形角θ > Θ _零件將會會 發(fā)生破裂；當θ < θ_雖然不會發(fā)生破裂，但是當零件加工位置擺放不合理，將會導(dǎo)致零 件不同部位厚度差別過大，將影響零件的強度、剛度等力學(xué)性能；另外，對于一些需要后續(xù) 焊接、聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)件，對于焊接、裝配位置有一些特殊厚度要求，當加工位置不合理時候，局 部厚度往往不能達到要求，會直接影響到后續(xù)工序。
[0004] 零件的漸進成形加工擺放方向（下稱為漸進成形主方向）決定了零件各位置的成 形角大小，根據(jù)零件厚度余弦定理t = tdcos Θ，也直接決定了成形零件各位置的厚度。目 前，漸進成形零件的成形主方向決策主要是操作人員憑經(jīng)驗手工擺放，存在很大的隨意性 和不確定性，對于比較復(fù)雜的漸進成形零件，很難控制零件各位置的成形厚度，不容易達到 理想的零件加工效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于STL文件格式的漸進成 形主方向判決方法，利用STL文件格式中三角面片外法矢量，為漸進成形零件選擇合理的 成形位置提供依據(jù)。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目標，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0007] -種基于STL文件格式的漸進成形主方向判決方法，其特征是，包括如下步驟：
[0008] 1)測試零件加工板材的成形極限角Θ
[0009] 2)根據(jù)零件的三維模型，在CAD平臺以一定的精度生成STL格式文件；
[0010] 3)對步驟2)生成的STL文件進行格式處理：
[0011] 4)按照右手螺旋法則，以STL文件中各三角面片頂點坐標獲得該三角片位置的外 法向矢量，取該矢量與Z軸正向夾角作為該位置的初始成形角；
[0012] 5)確定模型旋轉(zhuǎn)的邊界約束條件：
[0013] i)根據(jù)測定的板材成形極限角θ_，任意位置三角片法向矢量與Z軸夾角大小不 超過Θ
[0014] ii)在有等厚要求的不同部位取三角片單位法向矢量，通過旋轉(zhuǎn)使得各三角片外 法矢量與Z軸夾角相同；
[0015] iii)依據(jù)局部位置的特殊厚度t，根據(jù)厚度余弦定理確定該位置成形角θ p = arccos (t/t。)，θ p為該位置三角片法矢與Z軸夾角；進行模型旋轉(zhuǎn)：
[0016] 6)對于任意三角片頂點P，設(shè)置步動旋轉(zhuǎn)角度Δ Θ，利用旋轉(zhuǎn)矩陣分別繞X軸、Y 軸旋轉(zhuǎn)；
[0017] 7)旋轉(zhuǎn)后的零件STL模型重建：根據(jù)三角片外法矢量與三角片頂點坐標之間的關(guān) 系，利用步驟6)中矢量旋轉(zhuǎn)矩陣得到旋轉(zhuǎn)后的所有三角面片頂點坐標，獲得旋轉(zhuǎn)后的零件 STL模型：M為旋轉(zhuǎn)矩陣，模型所處的空間位置即為優(yōu)化后的零件成形 主方向。
[0018] 前述的一種基于STL文件格式的漸進成形主方向判決方法，其特征是，所述步驟 1)中，由半徑為R的圓弧繞中心軸旋轉(zhuǎn)得到曲面圓錐體的漸進成形零件模型，模型曲面上 各點對應(yīng)的成形角為該點法向與Z軸的夾角；測試中加工零件直至產(chǎn)生破裂，在破裂位置 取點Q，Q點處成形角即為該板材的成形極限角Θ _= arccos((H_h)/R)，式中H為成形零 件模型的高度，h為破裂點位置的高度。
[0019] 前述的一種基于STL文件格式的漸進成形主方向判決方法，其特征是，所述步驟 3)包括如下步驟：
[0020] 31)對STL文件進行冗余頂點數(shù)據(jù)和冗余邊進行簡化歸并；
[0021] 32)對STL模型數(shù)據(jù)的有效性和STL模型封閉性檢查。
[0022] 前述的一種基于STL文件格式的漸進成形主方向判決方法，其特征是，所述步驟 32)中，檢查內(nèi)容包括模型是否存在幾何缺陷，幾何缺陷包括裂隙和孤立邊；封閉性檢查要 求所有STL三角形圍成一個內(nèi)外封閉的幾何體。
[0023] 前述的一種基于STL文件格式的漸進成形主方向判決方法，其特征是，所述步驟 6)中，繞 X 軸旋轉(zhuǎn)矩陣為 Px' =RX(A Θ1+Δ θ2+…+ Δ θη) .P = RxOn* Δ θ) ·Ρ，π!為步動 次數(shù)；繞Y軸旋轉(zhuǎn)矩陣為Py' =Ry(A Θ1+Δ θ2+…+ Δ θη) .P = Ry(n. Δ θ) ·Ρ，η為步動 次數(shù)。
[0024] 本發(fā)明所達到的有益效果：1)傳統(tǒng)漸進成形加工主成形方向選擇具有很大的隨 意性，無法保證零件順利漸進成形加工；本方法可以有效控制零件各位置成形角落在成形 極限角范圍內(nèi)，保證零件的順利成形；2)可以有效控制實現(xiàn)零件不同位置的厚度均勻，改 善零件的強度、剛度及后續(xù)裝配條件；3)對于零件特殊位置的特殊厚度要求，可以預(yù)先進 行控制選擇合理的成形主方向；4)料厚分布改善可以提高漸進成形工藝的適應(yīng)性，有助于 漸進成形技術(shù)在實際生產(chǎn)中的推廣使用。
【附圖說明】
[0025] 圖1是厚度分布示意圖；
[0026] 圖2是不同部位同厚度要求的原始三角片法矢示意圖；
[0027] 圖3是標定同厚位置三角片旋轉(zhuǎn)后的法矢示意；
[0028] 圖4是二角片頂點坐標及外法矢量不意圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。
[0030] 針對漸進成形零件，由于傳統(tǒng)加工擺放位置沒有統(tǒng)一標準，成形主方向存在很大 的隨意性，不容易控制成形零件的質(zhì)量。基于漸進成形中零件厚度變化遵循余弦定理t = tQ*c〇S0，其中成形角Θ是成形部位的法矢與Z軸的夾角，利用STL文件格式中三角面片 外法矢量，提出一種漸進成形主方向的判決方法，為漸進成形零件選擇合理的成形位置提 供依據(jù)。
[0031] 本方法將零件模型表面離散化為STL格式的三角形面片，利用三角面片的矢量代 表零件曲面不同位置的法向矢量，并以其與Z軸的夾角作為該位置的漸進成形角，通過矢 量旋轉(zhuǎn)調(diào)整各位置的成形角來選擇合適的加工位置，可以在保證零件各位置成形角Θ不 超過板材的成形極限角Θ _的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)加工零件不同部位的厚度均勻，同時，還可以滿 足零件任意位置的指定加工厚度要求。
[0032] 對漸進成形主方向的判決包括如下步驟：
[0033] 1)測試零件加工板材的成形極限角Θ _;具體測試方法為，如圖1所示意，由半徑 為R的圓弧繞中心軸旋轉(zhuǎn)得到曲面