一种大宽度带料铺放轨迹规划算法制造技术

本发明专利技术公开了一种基于半测地线的大宽度带料铺放轨迹规划算法，首先是在空间曲面上进行建立空间曲面之间的拓扑关系；研究了曲面构成要素的排列顺序、曲面边界的衔接、曲面角的对应。其次是在铺放平面上确定初始铺放点的方向；相比于测地线法，采用了半测地线的方式来确定初始路径。然后比较多种方法是铺放路径密集化；最后进行覆盖性分析检验质量。本发明专利技术能够满足大宽度带料铺放轨迹规划算法的需求，使铺放工艺的效率得到提高，尽可能地减少缺陷。尽可能地减少缺陷。尽可能地减少缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种大宽度带料铺放轨迹规划算法


[0001]本专利技术属于自动铺放领域，具体涉及一种基于半测地线自然路径轨迹规划法的大宽度带料铺放轨迹规划算法。

技术介绍

[0002]自动铺放技术是实现复合材料低成本高性能的重要手段之一,在航空航天用高性能复合材料结构制造中有着广泛的应用。自动铺放包括自动铺丝和自动铺带,根据铺层设计要求将预浸带或者预浸纱,逐层铺叠到模具表面,并加热固化。自动铺放技术是装备技术、软件技术和工艺技术的集成,而铺放轨迹规划是软件技术的核心。
[0003]自动铺丝轨迹规划的内容主要是研究复合材料预浸丝束在某铺层上的排布方式，控制铺放过程中铺丝头的走向。自动铺丝轨迹的规划就是按照铺层设计过程中确定的纤维方向，生成相应的铺丝轨迹，该铺丝轨迹保证使用指定宽度的复合材料预浸丝束以路径为中心线进行铺放后，预浸丝束可以均匀地、不褶皱地覆盖整个铺层。对于大宽度料带,预浸带呈硬挺状,只能在很小范围内变形,因此铺叠复杂曲面预浸带的中心线只有沿特定轨迹才能使预浸带变形最小,否则将导致预浸带屈皱或撕裂。
[0004]在满足工艺、结构等设计要求的前提下，按照一定的规则对铺丝轨迹进行规划。现有自动铺丝轨迹规划方法主要包括平行等距法、与某参考线成固定角度法、等距螺旋法和给定纤维方向法等4种方法。平行等距轨迹规划方法首先根据一定规则构造出一条初始铺丝参考线，然后以该参考线为基准按照一个满丝束宽度的距离进行曲面上的平移，生成参考线族进行轨迹规划。但对于复杂曲面，难以构造合适的初始铺丝参考线且纤维方向未必能很好地满足构件结构设计要求。在纤维铺放过程中，纤维要遵循一定的轨迹铺放才不会产生打滑现象，传统的测地线铺放轨迹为一条单一的曲线，偏离这一曲线轨迹便无法度量。因此需要一种新的算法来改善上述问题。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术公开了一种基于半测地线自然路径轨迹规划法的大宽度带料铺放轨迹规划算法，确定了铺放的路径，能够扩大稳定铺放纤维的轨迹范围，并实现对大宽度料带的快速高效率的铺放。
[0006]对所要铺放的曲面进行网格化，再通过对曲面法曲率和测地线曲率的计算确定两者之间的夹角作为铺放角度。
[0007]为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种基于半测地线自然路径轨迹规划法的大宽度带料铺放轨迹规划算法，包括几何曲面的规划，确定初始铺放路径，对初始路径进行密集化，最后覆盖性求解检验铺放质量，其特征在于，所述的确定初始铺放路径是通过求解出铺放曲面的法曲率和求解出的测地线的曲率两者之间的夹角所确定的，具体包括以下步骤：
[0008]S1：对空间曲面进行如下处理：建立空间曲面之间的拓扑关系；研究了曲面构成要
素的排列顺序、曲面边界的衔接、曲面角的对应。将一整个铺放的曲面先分成几块划分，参数化完成后，再拟合成完整的组合曲面，并用该曲面拟合出的连续曲面作为规划曲面，对铺放路径进行规划。
[0009]S2：求解所构件的曲面的法曲率以及求解测地线及其曲率；
[0010]S3：通过求解出铺放曲面的法曲率和求解出的测地线的曲率两者之间的夹角来确定初始铺放路径；
[0011]S4：曲线密化是根据已规划好的初始路线，通过选取合适的算法，将压辊中心轨迹完全覆盖到零件表面；
[0012]S5：利用覆盖性检验铺放质量；
[0013]进一步地，步骤S1中，利用三维模型数据中的基本数学单元，获得了曲面的整体、表面、边缘、交点等信息。通过对复合面构成要素中的边界曲线进行对比，去除重复项(即不同的面组合在一起，去除重复的边界线)，保持单一边界双交点的拓扑信息(通过两交点确定一条边界线)，并通过直线表面间的包含关系(即拟合出来的点的位置关系)来确定邻接表面和邻近参数曲线，以求出拓扑关系。根据曲面构成要素中的曲面、曲线的方程式、起始点、端点、切向点等信息，并将曲面构成要素之间的拓扑联系起来，从而构成一个平滑、有序的铺放路径。根据空间曲面网格化的方法，首先对平面网格进行参数化，然后在平面上进行铺位轨迹规划。在网格表面上，利用固定角度的方法，使轨道与基准线保持一定的角度，在三角形平面上逐个规划出路径点，然后将其拟合并到曲线上，形成最终的铺放路径。
[0014]进一步地，步骤S2中，根据S1所建立的规划曲面，若子午线方程为r＝r(z)，沿Z轴旋转360
°
后得到回转面方程:r(θ,z)＝(rcosθ,rsinθ,z),分别对θ和z求导，得到两个方向上的方向矢量：rθ和rz曲面法向量为n＝(cosθ,sinθ,
‑
r
’
)/(1+r
’
2)1/2如图1，在曲线C上，α是C在点P的切向量，β为主法向量，θ
’
为β和n的夹角，则曲面在P点切方向上的法曲率为：k
n
＝(1+r
’2)
1/2
(r2θ
’2+1+r
’2)。向量rθ和rz构成曲面在P点的切平面，而曲线C在P点的曲率向量kβ在该切平面上的投影称为曲线C在P点的测地曲率：k
g
＝(1+r
’
)(2r
’
θ
’
+rθ”+rr
’
θ
’
(rθ
’2‑
r”))/(1+r
’2)
1/2
(r2θ
’2+1+r
’2)
3/2
。
[0015]进一步地，步骤S3中，通过对规划曲面和测地线两者法向量方向上的受力大小进行分析，以求解规划曲面与测地曲率之间的夹角。
[0016]进一步地，步骤S3中，对曲线上一微元段做受力分析，在张力F的作用下，微元段曲线在曲面上达到受力平衡状态，则在切平面内垂直于曲线切线方向上有：fgRg
△
ω＝2Fsin(
△
ω/2),fg＝F*kg在曲线所在曲面的法方向上有：f
R
R
R
△
φ＝2Fsin(
△
φ/2),fR＝F*kR其中Rg为测地线曲率半径，Rn为法曲率半径，
△
ω为测地线曲率中心角，
△
φ为法曲率中心角,fg为单位长度横向力，fn为单位长度法向力。大宽度带料铺放的方向为图1中曲线C在点P的切向量α的方向，大宽度带料铺放角度为铺放带料与子午线的夹角，也即切向量α与rz的夹角：cosα＝{(1+r
’
2)/(r2θ
’
2+1+r
’
2)}1/2。
[0017]进一步地，步骤S4中，为避免大宽度料带的基准路线经过多次平行等距后，会产生尖点、自交、以及料带会产生褶皱等问题。选用平移法在给定的平移方向上，连续地移动一段距离，以产生一条不相等的全部铺放路线。由于每个铺放路线都是平移的，所以不会发生变化，而相应的点在移动方向上的纤维角度都是一样的，这样可以极大地减少铺装路线的设计难度，提高了施工本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于半测地线的大宽度带料铺放轨迹规划算法，其特征在于，包括以下步骤：S1：规划几何曲面：建立铺放曲面之间的拓扑关系，包括曲面构成要素的排列顺序、曲面边界的衔接、曲面角的对应；将铺放曲面分块参数化后拟合成完整的组合曲面，并用该曲面拟合出的连续曲面作为规划曲面，对铺放路径进行规划；S2：求解所构建的规划曲面的法曲率并求解测地线及其曲率；S3：基于规划曲面的法曲率和测地线的曲率两者之间的夹角来确定初始铺放路径；S4：对初始路径进行密集化：根据已规划好的初始路线，通过选取合适的算法，将压辊中心轨迹完全覆盖到零件表面；S5：利用覆盖性检验铺放质量。2.根据权利要求1所述的一种基于半测地线的大宽度带料铺放轨迹规划算法，其特征在于，步骤S1包括：S1.1,利用三维模型数据中的基本数学单元，获得铺放曲面的构成要素，包括整体、表面、边缘和交点信息；S1.2，对各个铺放曲面构成要素中的边界曲线进行对比，去除重复项，保持单一边界线双交点的拓扑信息，并通过直线表面间的包含关系来确定邻接表面和邻近参数曲线，以求出相邻铺放曲面间的拓扑关系，拟合为完整的组合曲面；S1.3，根据组合曲面构成要素中的曲面、曲线的方程式、起始点、端点、切向点信息，将曲面构成要素之间的拓扑联系起来，从而构成一个平滑、有序的初始铺放路径即基准线；S1.4，根据空间曲面网格化的方法，基于初始铺放路径和组合曲面的构成参数进行平面网格参数化，以转化为平面坐标；S1.5，在平面上进行铺位轨迹规划：在网格表面上，利用固定角度的方法，使轨道与基准线保持一定的角度，在平面上逐个规划出路径点，然后将其拟合并到曲线上，形成最终的铺放路径。3.根据权利要求1或2所述的一种基于半测地线的大宽度带料铺放轨迹规划算法，其特征在于，步骤S2中，根据S1所建立的规划曲面，若子午线方程为r＝r(z)，沿Z轴旋转360
°
后得到回转面方程:r(θ,z)＝(rcosθ,rsinθ,z),分别对θ和z求导，得到两个方向上的方向矢量：rθ和r
z
，曲面法向量为n＝(cosθ,sinθ,
‑
r
’
)/(1+r
’2)
1/2
，取曲面的边界线为曲线C，取曲线C上一点P，α是C在点P的切向量，β为主法向量，θ
’
为β和n的夹角，则曲面在P点切方向上的法曲率为：k
n
＝(rθ
’2‑
r”)/(1+r
’2)
1/2
(r2θ
’2+1+r
’2)；向量rθ和r
z
构成曲面在P点的切平面，而曲线C在P点的曲率向量kβ在该切平面上的投影称为曲线C在P点的测地曲率：k
g
＝(1+r
’
)(2r
’
θ
’
+rθ”+rr
’
θ
’
(rθ
’2‑
r”))/(1+r
’2)
1/2
(r2θ
’2+1+r
’2)
3/2
。4.根据权利要求3所述的一种基于半测地线的大宽度带料铺放轨迹规划算法，其特征在于，步骤S3中，通过对规划曲面和测地线两者法向量方向上的受力大小进行分析，以求解规划曲面与测地曲率之间的夹角。5.根据权利要求4所述的一种基于半测地线的大宽度带料铺放轨迹规划算法，其特征在于，步骤S3中，对曲线上一微元段作受力分析，在张力F的作用下，微元段曲线在曲面上达到受力平衡...

【专利技术属性】
技术研发人员：王显峰，
申请(专利权)人：南京航空航天大学无锡研究院，
类型：发明
国别省市：