一种基于模具型面延伸的纵向拉形加载轨迹设计方法

摘要

本发明涉及航空飞机制造领域，涉及一种基于模具型面延伸的纵向拉形加载轨迹设计方法。其步骤为，步骤一：模具型面延伸，在成形过程中，毛料在夹钳的作用下，包覆模具型面，使材料成形具有零件曲面的形状；步骤二：钳口位置和空间姿态计算，通过模具型面延伸得到毛料在成形过程中最终的包覆情况，将延伸曲面两端的曲线分别进行处理；（1）钳口曲线离散（2）计算夹钳平面（3）计算曲钳口角度；步骤三：拉形设备运动求解，拉形中间步的加载轨迹设计，可以通过最终的设备参数进行推算；（1）夹钳俯仰角度计算（2）拉伸作动筒伸长计算。本发明为蒙皮纵向拉形的轨迹设计和轨迹优化提供指导作用。

说明书

技术领域

本发明涉及航空飞机制造领域，具体涉及一种基于模具型面延伸的纵向拉形加载轨迹设计方法。

背景技术

蒙皮零件是构成和维持飞机气动外形的外表零件。拉伸成形（简称拉形）是一种有模具的包覆成形的工艺方法，是飞机蒙皮类零件成形的主要成形方式之一。拉形通过设备夹钳将毛料的两边夹紧，利用模具和夹钳的运动，使毛料产生不均匀的拉伸变形而包覆模具使毛料与模具贴合。蒙皮拉形加载轨迹是指拉形机夹钳相对于拉形模的三维空间运动路径。飞机蒙皮拉形是复杂的回围转成形过程，夹钳的运动轨迹对零件质量有直接的影响。纵向拉形一般针对双曲率或者纵向曲率大而横向曲率小的零件。

近年来国内航空制造企业普遍引进先进的数控拉伸成形机，为提高蒙皮制造水平以及改善产品质量奠定了良好的硬件环境，但缺乏与设备配套的加载轨迹定义和数控拉形机编程软件，以及配套的工艺参数设计和优化比较解决方案，一般是通过反复试拉大致确定工艺程序及参数，靠人工控制或仅利用数控拉形设备的示教功能确定最后的生产工艺方案。这使得数控拉形设备对变形的精确控制功能未能发挥，难以满足新型飞机蒙皮零件的生产要求，同时也严重制约了我国飞机制造总体水平的提高。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种基于模具型面延伸的纵向拉形加载轨迹设计方法，即基于ACB FEL系列数控纵拉机的一种快速的飞机蒙皮纵向拉形加载轨迹设计的方法。

为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于模具型面延伸的纵向拉形加载轨迹设计方法，该方法包括下列步骤：

步骤一：模具型面延伸

模具型面延伸是将蒙皮纵向拉形模的型面向拉伸方向延伸，作为纵向拉形加载轨迹设计的参考。这种方法可以快速的找到拉形设备夹钳在成形过程中的最终位置和空间姿态。

蒙皮拉形模具的型面是模具上根据零件外形设计出来的几何曲面，具有与零件相近的几何外形。在成形过程中，毛料在夹钳的作用下，包覆模具型面，使材料成形具有零件曲面的形状。通过将模具型面向拉伸方向延伸一定的长度，可以模仿毛料在拉伸成形过程中最终的包覆情况，如图1所示。延伸后曲面两端的曲线位置和形状，即为夹钳的最终位置和空间姿态。

步骤二：钳口位置和空间姿态计算

根据步骤一得到的曲面两端的曲线，可以得到纵拉成形最终的夹钳位置和姿态，将曲线进行一定的处理，即可做为计算钳口位置和姿态的依据。

通过模具型面延伸得到毛料在成形过程中最终的包覆情况，将延伸曲面两端的曲线分别进行处理。

（1）钳口曲线离散

为了便于使用计算机处理数据，首先将曲线进行离散。按照一定的间距d，得到曲线上的N个点，构成N-1条线段。

（2）计算夹钳平面

采用离散的钳口曲线上的点，构造夹钳的夹持平面。应用最小二乘方法，可以拟合出通过离散点阵的最佳平面，使点阵上的各点到夹持平面的距离最小。得到夹钳的夹持平面，可以作为夹钳位置和夹钳空间角度的计算依据。

（3）计算曲钳口角度

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。曲钳口计算的基本方法是将离散的线段投影到夹持平面上，然后用多夹钳拟合截面线形状。

步骤三：拉形设备运动求解

拉形设备运动求解是根据夹钳的位置和空间姿态，通过几何计算，得到拉形设备的各个控制参数。通过模具型面延伸和夹钳的位置和姿态计算，可以得到拉形过程中夹钳的最终位置。再经过设备运动求解，得到拉形终了时的设备控制代码。拉形中间步的加载轨迹设计，可以通过最终的设备参数进行推算。

（1）夹钳俯仰角度计算

根据钳口曲线的中点的空间位置，可以计算出夹钳应绕设备转轴的旋转角度。

（2）拉伸作动筒伸长计算

根据钳口曲线的中间点的位置，计算其与设备转轴中心的距离，然后对通过设备的机构特性，计算出拉伸作动筒的伸长量。

本发明的有益效果在于：第一，利用了模具型面的特点，将模具型面沿拉伸方向延伸来模仿毛料包覆模具的形状；第二，根据延伸曲面两端的曲线，设计了计算夹钳夹持平面和曲钳口角度的方法；第三，通过夹钳曲线设计了拉形设备活动机架孔位和拉伸作动筒的伸长与角度的计算方法；第五，保证了设备运动控制的可靠性，可以为蒙皮纵向拉形的轨迹设计和轨迹优化提供指导作用。

附图说明

图1是拉形毛料包覆模具情况图，

图2是拉形模具型面延伸示意图，

图3是夹持曲线离散和夹钳平面拟合图，

图4是弯曲夹钳角度计算示意图，

图5是设备运动求解示意图。

附图符号说明如下：

X：设备坐标系X轴  Y：设备坐标系Y轴  Z：设备坐标系Z轴  D：设备子夹钳宽度  ∠01：0号夹钳与1号夹钳之间的角度  ∠02：0号夹钳与2号夹钳之间的角度  ∠13：1号夹钳与3号夹钳之间的角度  t：型面偏移的距离  T：毛料厚度  l：模具型面沿拉伸方向向两侧分别延伸长度  L：毛料的长度  L₀：模具型面的长度  L_J：夹持长度  δ：加载轨迹设计的拉形最终延伸量  d：钳口曲率离散间距  N：离散出的节点数  P_i：第i个节点  x_i：第i个节点的x坐标  y_i：第i个节点的y坐标  z_i：第i个节点的z坐标  P：离散曲线坐标矩阵  A、B、C：拟合平面的参数  J₁：夹钳1与夹钳0的连接点  J₂：夹钳2与夹钳0的连接点  J₃：夹钳1与夹钳3的连接点  J₄：夹钳2与夹钳4的连接点  J₅：夹钳3与夹钳5的连接点  J₆：夹钳4与夹钳6的连接点  J₇：夹钳5的终止点  J₈：夹钳6的终止点  ∠α₁：1号夹钳与0号夹钳的角度  V_Y：Y向转动轴  V_Z：Z向转动轴  V_g：主轴的轴线方向  P_Z：中间子夹钳在Z作动筒作用下的转动中心点  P_Y：主轴绕左侧机架转动的中心  P_T：夹钳中心轴与Z向转动轴交点  J₀：设备0号夹钳中点  P_X：0号夹钳中点与主轴轴线垂线的垂足  ∠1：0号夹钳中心点与Y向转动中心连线与X轴方向夹钳  ∠2：Y向转动转角。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

实施例： 参见图1至图5。

基于ACB FEL系列数控纵拉机的一种基于模具型面延伸的纵向拉形加载轨迹设计方法，该方法具体实施步骤如下：

步骤一：模具型面延伸

模具型面的延伸是将模具型面沿拉伸方向向两侧延伸一定的长度l。延伸过程可在商业CAD软件中完成。延伸的具体方法如下，见图2：

首先将蒙皮拉形模的型面提取出来，或者直接将模具设计时的型面进行复制。由于毛料存在厚度，不能直接使用模具型面进行延伸，应将型面向模具外侧进行偏移，偏移的距离为：

其中T为毛料厚度。

然后将模具型面沿拉伸方向向两侧分别延伸长度为l的曲面，延伸的方式是通过切线方向延伸。加载轨迹设计的拉形最终延伸量为δ，则型面的延伸长度为：

其中L为毛料的长度，L0为模具型面的长度，LJ为夹持长度。

步骤二：钳口位置和空间姿态计算

钳口的位置与空间姿态计算是根据延伸曲面的两端的边缘曲线来计算夹钳的夹持平面与夹钳的曲钳口角度，如图3所示。

（1）钳口曲线离散

延伸曲面两端的边缘曲线可以做为确定钳口曲线的依据，将曲线进行离散。按照一定的间距d，将曲线离散出N个节点，得到N-1条线段，将所以节点坐标记录如下：

其中i由1到n。则点的坐标矩阵为：

（2）计算夹钳平面

由钳口曲线离散出来的点阵P经过最小二乘方法的拟合，可以得到一个平面使得点阵中所有的点到平面的距离之和为最短，假设平面公式为：

则计算方法如下：

点阵中的n个点，可以将平面表示成矩阵形式：

将矩阵简化为：

将方程进行整理：

将上式进行整理得到：

可以根据上述线性方程组计算得到平面方程的系数A、B、C的值。

（3）计算曲钳口角度

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。第个子夹钳的宽度相等为D，如图4所示。

计算曲钳口角度的方法如下：

首先将钳口曲线向夹钳平面投影，得到平面上的一条曲线。以平面曲线作为计算曲钳口角度的依据。

曲钳口角度计算方法如下，如图4所示：

以曲线中点为起始点，向两侧进行计算。沿曲线长度D/2在曲线中点的两侧得到点J1和J2；然后再分别由J1和J2开始，向两侧计算，取曲线长度为D得到点J3和J4；然后重复上一操作，得到点J5、J6和J7、J8。如果计算超过曲线长度，则结束计算，取曲线终点作为相应的寻找点。

通过上述方法，可以得到一系列夹钳曲线上的点

由这一系列的点，计算曲钳口角度的方法如下：

取线段J1J2为0号夹钳的代表线段，J1J3为1号夹钳的代表线段，依次可以得到七个夹钳的代表线段。分别计算夹钳间代表线段的角度，即可得到子夹钳间曲钳口的角度，1号夹钳与0号夹钳的角度计算如下：

其它夹钳间的角度计算方法依此类推。

步骤三：拉形设备运动求解

设备运动求解，是根据计算得到的夹钳的位置与空间姿态，通过设备机构的分析，求解出驱动设备运动的数控参数，见图5所示。

图5中可以看出，已知夹钳平面中心点J0的坐标以及夹钳作动筒旋转轴的中心点PY。根据蒙拉设备的机构分析，可知夹钳轴线与作动筒轴线平线，且间距为DZ，由图中虚线所示，点J0和PY以及夹钳轴线与作动筒轴线可以构成一个直角三角形，根据已知条件，三角形已知斜边与一条直角边的长度，可以计算出所有三边长度与三个内角。计算公式如下：

根据拉形设备的特点，由图5所示，直线J0PY与X方向的平角可以根据矢量的夹角计算：

由图5所示，夹钳作动筒的俯仰角计算方法如下：

假设夹钳作动筒的初始伸长量为T0，则夹钳作动筒的伸长量应为：

本发明的实施例公布的是较佳的实施例之一也，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。