三维弯管首尾几何精确位置的自由成形动态优化方法

摘要

本发明公开了一种三维弯管首尾几何精确位置的自由成形动态优化方法，首先根据理论解析参数实施一段自由弯曲成形；通过激光扫描设备动态扫描得到弯曲段节点的坐标，并将几何数据反馈至控制软件；通过三维建模测得实际弯曲角度与理论值的误差；引入修正系数k，修正弯曲半径与球头偏心距的关系，消除弯曲角度的误差值，使实际自由弯曲后，弯曲末端节点相对于第一节点的实际位置与理论位置误差尽量减小或消除；如果尚未实现完全消除，将继续调整后续节点位置，从而使得空间弯管末端处于规定位置，从而实现空间弯管首尾几何位置精确控制。

说明书

技术领域

本发明属于金属复杂构件先进制造技术领域，特别涉及一种航空航天器三维弯管首尾几何精确位置的自由成形动态优化方法。

背景技术

三维复杂弯管首、末端相对几何关系的准确性在航空航天器制造、精确装配过程中具有重要意义。但是现有的弯曲成形方法都存在不同程度的回弹现象，尤其是三维空间弯管，每一段都有回弹，最终使弯管的首端和末端的相对位置关系难以精确控制，给最终的航空航天器的精确装配带来难题。本发明就是基于分段测量及闭环反馈思想，通过自由弯曲成形工艺的动态、实时调整，最终实现首端、末端的相对位置关系的准确控制。

发明内容

传统的金属构件弯曲技术在弯曲复杂空间轴线形状管材时，由于每一段弯曲部分存在不同程度的回弹现象，难以控制弯管的首端和末端相对位置关系，从而降低了弯管的尺寸精度。本发明针对首尾几何位置精确的复杂空间轴线形状管材存在的不足，提出了一种航空航天器三维弯管首尾几何精确位置的自由成形动态优化方法。

一种航空航天器三维弯管首尾几何精确位置的自由成形动态优化方法，包括以下步骤：首先实施一段自由弯曲成形，通过激光扫描设备动态扫描得到弯曲段节点的坐标，通过三维建模测得实际弯曲角度与理论值的误差；根据该误差值修正弯曲半径和球头偏心距之间的数量关系得到下一个弯曲段的弯曲角度，通过激光扫描设备动态扫描得到弯曲段节点的坐标，通过三维建模测得实际弯曲角度与理论值的误差，如果实际位置与理 论位置误差没有得到消除，继续根据该误差值修正弯曲半径和球头偏心距之间的数量关系得到下一个弯曲段的弯曲角度，直至最后得到的空间弯管末端处于规定位置，从而实现空间弯管首尾几何位置精确控制。

所述的自由成形动态优化方法，具体包括以下步骤：

第一步，首先根据理论解析参数实施第一段自由弯曲成形；

第二步，成形过程中，机械手携带的激光扫描设备动态扫描第一段的起始点和终点(节点)，并将几何数据反馈至控制中心；

第三步，控制中心通过三维建模将实际弯曲结果与理论数模进行比对，计算出实际弯曲角度与理论弯曲角度的误差值；

第四步，通过引入修正系数k，修正弯曲半径与球头偏心距的关系，调整第二段的弯曲参数，目标是消除第三步所述的弯曲角度的误差值，使第二段实际自由弯曲后，第三节点相对于第一节点的实际位置与理论位置误差尽量减小或消除。

第五步，如果尚未实现完全消除，将继续调整第四节点、第五节点，通过多段动态调整，最终使第一节点与最后节点的位置关系实际值与理论值之间的误差最小或消除，从而实现空间弯管首尾几何位置精确控制。

所述的方法，第一步中，理论解析参数是指建立直段、过渡段、弯曲段的几何形状参数及节点坐标。

所述的方法，第二步中，通过激光扫描设备动态扫描得到空间弯管起始端节点及第一个弯曲段末端节点的坐标。

所述的方法，第三步中，根据第二步得到的坐标进行三维建模，得到实际弯曲角度与理论弯曲角度的误差值。

所述的方法，第四步中，弯曲半径与球头偏心距的关系及修正系数k的引入如下所示，其中A为弯曲模中心至导向机构前端之间距离、v为管材沿Z轴送进速度、L_n为第n段的直段长度、为弯曲方向与x轴正方向之间的夹角、R_n为第n段的圆弧段的弯曲>n为弯曲角度：

直线段：u_x＝0>y＝0>z＝vt

第一过渡段：

u_z＝vt

弯曲段:

u_z＝vt

第二过渡段：

u_z＝vt

所述的方法，第五步中，第一节点与最后节点的位置关系实际值与理论值之间的误差小于1％。

有益效果：

1、本发明为一种航空航天器三维弯管首尾几何精确位置的自由成形动态优化方法；

2、本发明为首尾几何位置精确的管材优化工艺，对管材三维自由弯曲装置进行改进，使其具有可以精确控制弯管首尾几何位置功能，实现首尾几何位置精确的三维弯管精密制造；

3、本发明方法简单可行，生产效率高，在航空航天领域具有重要的工程应用价值和明显的经济效益。

附图说明

图1为管材三维自由弯曲装置示意图，其中A为弯曲模中心至导向机构前端之间距离，v为管材沿Z轴送进速度；1、管坯，2、弯曲模，3、导向机构，4、球面轴承，5、送料机构；

图2为复杂形状弯管的三维几何模型进行分段及不同弯曲段之间过渡段补充图，P_n-1为第n-1弯曲段两切线交点，P_n为第n弯曲段两切线交点，P_n+1为第n+1弯曲段两切线交点，L_n-1为第n-1直线段长度，L_n为第n直线段长度，L_n+1为第n+1直线段长度，>n+1为第n+1弯曲段弯曲角度，θ_n为第n弯曲段弯曲角度，θ_n+1为第n+1弯曲段弯曲角度，R_n+1为第n+1弯曲段弯曲半径，R_n为第n弯曲段弯曲半径，R_n+1为第n+1弯曲段弯曲半径；

图3为管材弯曲方向与x轴正方向之间的夹角示意图，其中B为球面轴承，C为弯曲模，为弯曲方向与x轴正方向之间的夹角；

图4为平面弯管；

图5为平面弯管分段图,P₀-弯管起始点，P₁-第一段弯曲直线段交点，P₂-第二段弯曲直线段交点，P₃-第三段弯曲直线段交点，P₄-弯管终点，L₁-第一段直线段长度，L₂-第二直线段长度，L₃-第三直线段长度，L₄-最后一段直线段长度，θ₁-第一段弯曲角度，θ₂-第二段弯曲角度，θ₃-第三段弯曲角度，R₁-第一段弯曲半径，R₂-第二段弯曲半径，R₃-第三段弯曲半径。

图6为空间弯管；

图7为空间弯管分段图，T₀弯管起始点，T₁第一段弯曲直线段交点，T₂第二段弯曲直线段交点，T₃弯管终点，l₁第一段直线段长度，l₂第二直线段长度，l₃最后一段直线段长度，α₁第一段弯曲角度，α₂第二段弯曲角度，r₁第一段弯曲半径，r₂第二段弯曲半径。

具体实施方式

以下结合首尾几何位置精确的平面及空间轴线形状管材的弯曲实例，对本发明进行详细说明。

本发明实施例中采用3D自由弯曲成形设备，包括弯曲模，球面轴承等，弯曲模在球面轴承的作用下可以沿X/Y轴向运动。

实施例1

第一步，将外径为20mm,壁厚为6mm，直段长分别为500mm、700mm、900mm及435mm， 圆弧段半径分别为300mm、400mm及250mm的弯管建立平面弯管(图4所示)的直段、过渡段、弯曲段的几何形状参数，对第一段弯曲进行成形。

第二步，成形过程中，机械手携带的激光扫描设备动态扫描第一段弯曲段，得到起始点P₀、节点P₁和P₂的坐标，并将几何数据反馈至控制软件；

第三步，通过三维建模将实际弯曲结果与理论数模进行比对，计算出第一段实际弯曲角度与理论弯曲角度的误差值；

第四步，通过引入修正系数k，修正弯曲半径与球头偏心距的关系，调整第二段的弯曲参数，目标是消除第三步所述的弯曲角度的误差值，使第二段实际自由弯曲后，第三节点相对于第一节点的实际位置与理论位置误差尽量减小1％或消除。

第五步，如果尚未实现完全消除，将根据第三步及第四步所述方法继续调整第四节点，通过多段动态调整，最终使第一节点与最后节点的位置关系实际值与理论值之间的误差最小或消除，从而实现空间弯管首尾几何位置精确控制。

实施例2

第一步，将外径为20mm,壁厚为6mm，直段长分别为320mm、4800mm及250mm，圆弧段半径都为135mm的弯管建立三维弯管(图4所示)的直段、过渡段、弯曲段的几何形状参数，对第一段弯曲进行成形。

第二步，成形过程中，机械手携带的激光扫描设备动态扫描第一段的起始点坐标T₀、节点T₁和T₂，并将几何数据反馈至控制软件；

第三步，通过三维建模将实际弯曲结果与理论数模进行比对，计算出第一段实际弯曲角度与理论弯曲角度的误差值；

第四步，通过引入修正系数k，修正弯曲半径与球头偏心距的关系，调整第二段的弯曲参数，目标是消除第五步所述的弯曲角度的误差值，使第二段实际自由弯曲后，第三节点相对于第一节点的实际位置与理论位置误差尽量减小在1％以内或消除。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。