[发明专利]一种飞机蒙皮纵向拉形加载轨迹设计与数控代码生成方法

摘要

本发明基于ACB FEL系列数控纵拉机的一种飞机蒙皮纵向拉形加载轨迹设计与数控代码生成方法，它有两大步骤：步骤一：纵向拉形加载轨迹设计(1)初始孔位计算；(2)初始夹持和预拉伸；(3)转角计算；(4)曲钳口计算；(5)中间子夹钳参考点偏移搜索；步骤二：机构位置的反解(1)机构分析；(2)运动求解。该方法按照毛料变形状态设计中间子夹钳的空间运动位置，通过反向求解将加载轨迹转换为设备的数控代码，根据零件几何形状特征计算各夹钳的其余空间姿态参数，提高了拉形工艺参数设计的效率和准确度。利用它进行优化比较，可以获得较优的生产工艺方案，实现了飞机蒙皮拉形的科学化、数字化和可控化。本发明有着广泛的实用价值和应用前景。

主权项

1、一种飞机蒙皮纵向拉形加载轨迹设计与数控代码生成方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：纵向拉形加载轨迹设计蒙皮拉形过程中，加载动作定义为一段连续并对毛料的变形产生直接影响的夹钳运动特征步，描述夹钳位置对成形的影响；纵向拉形的加载动作一般步骤主要包括孔位设定、初始夹持、预拉伸、绕轴转动、水平转动、曲钳口和拉伸成形；纵向拉形的加载轨迹由这些加载步的参数组成；计算纵向拉形加载轨迹的具体作法是：(1).初始孔位计算设备孔位的调整用于调解夹钳之间的距离，以适合不同长度的毛料成形；从设备控制上，是将活动机架按孔间距移动，对ACB FEL2×350数控纵拉机，孔位从第1个到第17个；每移动一个孔位，活动机架、夹钳活动件均移动一个孔位的距离；初始孔位设计主要依据毛料的长度和主轴Y转角估算；主轴Y的转角为β，主轴的转轴支点为C1和C，C1和C之间的距离为Dp；设毛料长度为L，孔间距为W，孔位为整数n，则C1和C之间的距离Dp＝D0+(n-1)W，当孔位为1时，C1和C之间的距离为D0；设主轴伸长为0时，钳口到转轴支点的距离为G0，设主轴伸长为X，孔位计算公式为：[D0+(n-1)W]/2.0≈(L/2.0+G0-X)cosβ (1)则n≈1+[2(L/2.0+G0-X)cosβ-D0]/W (2)(2).初始夹持和预拉伸初始夹持主要定义初始夹钳位置，预拉伸主要定义对毛料预拉伸的量；一般而言，在纵向拉形的拉伸方向零件形状较为平缓，初始夹持的包覆角基本接近成形结束的包覆角；初始夹持和预拉伸的加载轨迹设计采用截平面几何分析方法；①计算截面线选定一个平面，由于设计加载轨迹是在有限元壳单元网格基础上进行搜索与计算，截面线即为由平面截取拉形模和夹钳导料弧网格对象获得的连续有序线段；计算截面线，首先是计算网格对象与平面相交的各个线段；基本算法是遍历网格对象中所有单元，计算单元与平面的交线段，并将交线段有序连接；②加载轨迹搜索加载轨迹搜索问题相当于根据拉形模和夹钳导料弧的截面线，在定义的包覆角直线上找到一点，即辅助线的端点，使得从这点出发生成的辅助线的长度满足该加载动作步所定义的拉伸率要求；辅助线指毛料变形截面上的二维虚拟线条，由四部分组成：1)左右夹持段；2)左右夹钳包覆段；3)左右悬空段；4)模具贴合段；由于ACB FEL系列数控纵拉机的夹钳有两个独立的平动自由度，因此进行纵向拉形加载轨迹设计时需要一条辅助线，根据辅助线的拉伸率和包覆角计算辅助线的端点；(3).转角计算转角计算包括绕轴转角和水平转角；计算方法是选取多个平面，计算截面上的辅助线，根据辅助线的长度计算对应辅助线需要的转角，平均各个转角值；绕轴转角是夹钳绕X轴的旋转角度；绕轴转角的主要作用是调节毛料的整体平衡，为曲钳口的平稳施拉提供基础；水平转角是夹钳绕Z轴的旋转角度；水平转角的主要作用是平衡毛料的变形，使得毛料的变形尽量在各个截面上保持均匀；(4).曲钳口计算ACB FEL系列纵向拉形机每组夹钳由多个小夹钳组成，子夹钳绕轴转动可以近似拟合零件截面的曲率形状；曲钳口计算是按照夹钳正面平面截取拉形模网格，取出截面线，用多夹钳拟合截面线形状；(5).中间子夹钳参考点偏移搜索在数控纵拉机的机构分析中，使用中间子夹钳的参考点坐标反向计算X作动筒的伸长量和Y轴的转动角；在纵向拉形的补拉时，使用辅助线通过加载轨迹搜索算法计算辅助线的端点，这个端点始终在辅助平面上；由于夹钳在绕轴转动和水平转动的作用下偏转，辅助线端点与中间子夹钳的参考点有一定的偏移值，因此，要通过中间子夹钳的参考点确定夹钳的空间姿态，还需要进行中间子夹钳参考点的偏移搜索；步骤二：机构位置的反解(1).机构分析ACB FEL系列数控纵拉机有两个拉伸头，其中一个固定在机床机架上，另一个连接在活动机架上，该活动机架可根据毛料的长度以孔位的形式移动，调节夹钳间的初始距离，在拉形过程中不允许再改变位置；每个拉伸头上的夹钳由7个子夹钳组成，中间子夹钳的运动由一个移动X和3个转动Y，Z，A共4个参数确定，其中X，Y主要控制夹钳的空间位置，Z，A主要控制夹钳的空间姿态；其余子夹钳可绕夹钳间的转轴相对转动，形成一定曲率的曲夹钳；ACB FEL系列数控纵拉机主体是空间串联机构，呈左右对称机构；单侧7个子夹钳组成一个夹钳；有14个液压动力的作动筒，其中X，Y，Z，A共4对作动筒控制中间子夹钳的空间运动，另外6个作动筒为控制6个子夹钳绕中间子夹钳运动以形成曲线钳口；X作动筒控制主轴的伸长，Z，Y，A作动筒控制主轴在主轴局部坐标系内的3个转动；在ACB FEL系列纵拉机的控制自由度中，只有X和Y两个控制参数是在成形过程实时变化的，而孔位、Z，A以及曲钳口形成，一般都是按成形的程序一次调节；(2).运动求解已知输出件的位置和姿态，求解机构输入件的位置称为机构位置的反解；对ACBFEL系列数控纵拉机的机构而言，作动筒的伸缩长度是输入件，而夹钳的位置和空间姿态为输出件；由于每个参数的更改对后续动作有直接影响，因此ACB FEL系列数控纵拉机机构运动求解算法的基本思想是顺序运动，即在每一步按照加载动作活动变量的影响更新各个活动关节点和方向矢量的数据；按照数控纵拉机一般运行模式，其机构动作被分解为：孔位调整、基于中间子夹钳参考点的运动反解、绕轴转动、水平转动以及曲钳口控制；因此，每个动作都需要有基于当前姿态的算法；其中，设备孔位的调整，就是调整夹钳之间的距离，以适合不同长度的毛料成形；基于中间子夹钳参考点的反解，就是根据给定中间子夹钳参考点的坐标，计算X作动筒的伸长和Y转动角；基于绕轴转角的夹钳姿态调整，就是在机构运动仿真时，根据绕轴转角A，更新关节点的空间坐标和相关向量，计算A作动筒的伸缩数据；基于水平转角的夹钳姿态调整，就是在机构运动仿真时，根据绕轴转角Z，更新关节点的空间坐标和相关向量，计算Z作动筒的伸缩长度；曲钳口控制，就是根据各个夹钳之间的角度，依次使夹钳的参考点、方向矢量和其他变量绕转轴顺序转动，并计算夹钳作动筒的伸缩长度。