一种船体曲板焊接变坡口自动加工数据的获取方法

摘要

本发明公开了一种快速获取船体曲板可变坡口自动热切割运动坐标数据的方法，结合了三维CAD系统与有限元网格划软件工具Hypermesh的功能，具体实施步骤如下：1、导入三维CAD模型，截取肋骨与船体曲板相交曲面模型；2、利用距离与角度确定的倒角算法获取变坡口三维模型；3、将三维CAD模型导出为iges标准几何模板数据；4、在Hypermesh中导入生成的iges模型，利用四变形网格算法划分变坡口切割曲面的网格；5、标记可变坡口的切割数据网格节点；6、输出变坡口网格节点数据，编程读取变坡口曲面网格节点数据，并将其转化为自动加工的空间运动坐标数据。本发明有益效果在于：1.获取数据过程操作简单，易于普及。2.避免人工计算，切割坐标数据获取速度快，提高了效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种船体曲板坡口加工工艺焊接的工艺改进，更具体地说，涉及变坡口自动加工过程中数控参数的获取方法。

背景技术

在船体曲板变坡口加工时，传统方法多采用人工切割，这种方法难于控制变坡口切割的随动角度和坡口精度，且切割工作量大，劳动条件艰苦。为替代人工，实现变坡口的自动等离子热切割，其关键问题是获取变坡口自动加工过程中等离子切割枪的动态移动轨迹和位姿坐标数据。目前主要采用手动公式计算方法，计算过程繁琐、易出错，获取切割数据与所需数据相比，精度较差，效率低。

发明内容

本发明涉及船体曲板坡口数字化加工领域，为了替代人工计算过程，降低误差，提高效率，本发明公开一种基于CAD系统及网格划分软件Hypermesh的数据获取新方法。本发明能够提取数控等离子切割枪的运动轨迹及位姿数据，用于完成曲板变坡口数控加工。

为了达到上述目的，本发明提供了一种船体曲板焊接变坡口自动加工数据的获取方法，包括如下步骤：

S1、获取肋板与曲面外板接合面模型信息：

将设计的肋板与曲面外板的三维模型导入至三维系统，通过相交和切割功能，提取接合面；

S2、根据坡口角度θ和坡口边距t，获取肋板接合面处可变坡口切割面；

其中，切割面是用来画网格获得运动坐标节点信息的。坡口角度和边距是根据坡口尺寸要求设定的。

S3、导出带有坡口的切面模型文件，生成Hypermesh可读取的“.igs”格式文件。其中，带有坡口的切面模型，就是倒角后的模型，主要是包含新生成了切割面信息。

S4.将“.igs”格式文件导入至有限元工具Hypermesh，调用Mapping网格划分算法，生成切割面上的图示四边形网格，并导出坡口处四边形网格文件获得有限元网格文件“.inp”格式文件，所述“.inp”格式文件包括网格节点信息Ni(x,y,z)和单元网格信息Ej(N1,N2,N3,N4)，i为节点序号，j为单元序号，x,y,z分别为节点的三维坐标，N1,N2,N3,N4分别为组成四边形的四个节点序号；

S5.根据“.inp”格式文件，获取自动加工时等离子枪移动的坐标数据信息。

步骤S5的具体过程为：从“.inp”格式文件中读取坡口切割面上四面体网格的节点数据Ni(id,x,y,z)；具体实现是：

利用C++语言的ReadString()函数，读取节点所在行字符串，然后利用CString对象的FindString()和DeleteString()函数逐段地分割字符串行，首先分割id信息，利用atoi()转化为int数据，然后分割字符串中的x,y,z坐标字符串，利用atof()函数转化为double数据，最终实现将文件中的节点字符数据转化为临时存储的数字数据，建立数组存储这些临时数据id[],x[],y[],z[]。

然后按照图示5位置依据节点数组数据id[],x[],y[],z[]，读取节点之间的空间位置关系，并以切割面的一端为起点，切割面上方和下方对应节点分别标记为A_k和B_k，其中k＝1,2…p，p为切割面的上侧曲线上节点总数；在p范围内，从切割面一端为起点，循环获取等离子切割枪的动态移动坐标数据，直到循环至p点；

其中等离子枪在当前位置的移动矢量为M_k(x_m,y_m,z_m)，其中

M_k＝A_k+1-A_k，x_m，y_m，z_m分别为矢量M_k的三个方向的分量。

其中切割枪在当前位置的移动距离为dk为Ak到Ak+1的距离，

d_k＝∣A_kA_k+1∣

其中在当前位置的切割枪方向P_k(x_p,y_p,z_p)，其中，

P_k＝B_k-A_k

完成以上循环计算后，利用C++函数的CString.Format()函数，将所有等离子枪移动所需的数据转化为字符数据，然后利用CStudioFi le对象建立输出文件，再运用WriteString()函数将这些字符数据输出输出为“txt”文件Pk_cutt ing.txt。

该文件格式第一行输出数据为“A₁，x₁,y₁,z₁”，其中A₁为int数据，存储位置设置5字符，x₁,y₁,z₁为double数据，每个数据存储位置设置为10个 字符；第二行存储当前位置切割枪预移动方向M₁和移动距离d₁，M₁存储格式与A₁存储格式相同，包括int和double数据，d₁采用double数据占10字符，存储在M₁数据后“,d₁”；第三行存储当前位置切割枪方向P₁，存储格式与第一行相同。

按照以上三行存储格式为一个基本存储单元，依次循环存储整个路径的切割枪位置方向数据，即形成切割枪移动三维坐标数据文件。

本发明可变坡口切割运动坐标数据快速获取方法，集成三维几何建模和有限元网格划分软件功能，并结合坐标生成和读取程序，实现快速获取可变坡口切割坐标数据。本发明采用CAD三维建模系统的曲面与实体相交切割和等距等角做倒角的功能，快速获取可变坡口的几何模型。本发明利用有限元网格划分工具Hypermesh的映射网格划分方法，离散可变坡口切面，从而获取整个切面上的切割节点数据坐标。本发明自行开发的C++程序读取有限元网格划分获取的节点数据，输出可变坡口切面的动态坐标数据。本发明有益效果在于：

1.获取数据过程操作简单，易于普及。

2.避免人工计算，切割坐标数据获取速度快，提高了效率。

附图说明

图1是肋板和外板相交模型的结构示意图。1为肋板，2为外板曲面，3为肋板和外板相交的接合面。

图2曲面坡口模型，其中坡口角度为θ，坡口边距t。

图3可变坡口切面上的四变形网格。

图4切割枪移动三维坐标数据提取流程图。

图5节点标记号，其中A_k和B_k为标记的节点序号。

具体实施方式

本发明采用的技术方案是综合三维CAD切割、倒角算法和Hypermesh网格划分算法，将变坡口曲面数据转换为变坡口有限元网格节点数据，进一步编程读取节点数据，最终获取自动加工等离子枪三维空间移动坐标数据，最终实现变坡口自动加工。具体流程如下图：

1.获取肋板与曲面外板结合面模型信息。将船厂设计的肋板与外板的三维模型导入至三维系统，通过外板曲面与肋板实体模型的相交和切割功能，提取两者接合面(如图1所示)。此过程可由三维设计软件Catia实现。

2.获取可变坡口切割面。输入坡口角度θ和坡口边距t，利用倒角功能，生成曲面坡口切割面。

3.导出带有坡口切面模型。利用三维软件Catia的数据格式转换功能，导出格式为图形交换标准格式“.igs”，模型文件名Pk_cutting.igs。

4.生成切割面的切割坐标信息。将Pk_cuting.igs模型文件导入至有限元工具Hypermesh，调用Mapping网格划分算法，生成图示切割面上四变形网格如图3所示，并将四面体网格文件导出为有限元网格文件“.inp”格式文件Pk_cutting.inp，该文件为ASCI文件，文件包括网格节点信息N_i(x,y,z)和单元网格信息E_j(N1,N2,N3,N4)，i为节点序号，j为单元序号，x,y,z分别为节点的三维坐标，N1,N2,N3,N4分别为组成四边形单元的四个节点序号。

5.读取Pk_cutting.inp文件，获取并输出切割所需切割路径信息。本发明通过C++语言程序实现步骤5，具体实现流程如图4所示。首先从Pk_cutting.inp文件中读取坡口切割面上四面体网格的节点数据N_i(id,x,y,z)；然后按照图示5位置，标记各节点数据，使得每个节点N_i与相应的A_k或B_k符号对应；在p(每条曲线标记总数)范围内，循环获取等离子切割枪的动态移动坐标数据，直到循环至p点；

其中等离子枪在当前位置的移动矢量为M_k(x_m,ym,z_m)，其中

M_k＝A_k+1-A_k

其中切割枪在当前位置的移动距离为d_k为A_k到A_k+1的距离，

d_k＝∣A_kA_k+1∣

其中在当前位置的切割枪方向P_k(x_p,y_p,z_p)，其中，

P_k＝B_k-A_k

完成以上循环计算后，利用C++写文件程序将以上数据输出为“txt”文件Pk_cutting.txt。

该文件格式第一行输出数据为“A₁，x₁,y₁,z₁”，其中A₁为int数据，存储位置设置5字符，x₁,y₁,z₁为double数据，每个数据存储位置设置为10个字符；第二行存储当前位置切割枪预移动方向M₁和移动距离d₁，M₁存储格式与A₁存储格式相同，包括int和double数据，d₁采用double数据占10字符，存储在M₁数据后“,d₁”；第三行存储当前位置切割枪方向P₁，存储格式与第一行相同。

按照以上三行存储格式为一个基本存储单元，依次循环存储整个路径的切割枪位置方向数据，即形成切割枪移动三维坐标数据文件。

综上，本发明公开了一种快速获取船体曲板可变坡口自动热切割运动坐标数据的方法，结合了三维CAD系统与有限元网格划软件工具Hypermesh的功能，具体实施步骤如下：1、导入三维CAD模型，截取肋骨与船体曲板相交曲面模型；2、利用距离与角度确定的倒角算法获取变坡口三维模型；3、将三维CAD模型导出为iges标准几何模板数据；4、在Hypermesh中导入生成的iges模型，利用四变形网格算法划分变坡口切割曲面的网格；5、标记可变坡口的切割数据网格节点；6、输出变坡口网格节点数据，编程读取变坡口曲面网格节点数据，并将其转化为自动加工的空间运动坐标数据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。