自由曲面Z-pin植入路徑生成方法
【專利摘要】一種自由曲面上Z-Pin植入軌跡的生成方法屬于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域。通過將自由曲面三角網(wǎng)格化，將曲面上求解軌跡轉(zhuǎn)化為在三角網(wǎng)格上求解折線段。最終得到植入點(diǎn)坐標(biāo)和植入方向。軌跡點(diǎn)根據(jù)超聲槍頭的尺寸分布在曲面上，可以不遺漏不重復(fù)的布滿整個(gè)曲面的表面；超聲槍頭的下壓方向與植入點(diǎn)處法向平行，能夠避免Z-pin在植入時(shí)折斷或彎曲。按此軌跡加工，超聲槍頭能夠?qū)⑶嫔纤衂-pin加入層合板。本發(fā)明其有益之處在于：1）相比于手工植入更精確，效率更高，穩(wěn)定性更好；2）適用范圍廣，不受曲面類型限制；3）降低了路徑計(jì)算的難度。
【專利說明】自由曲面Z-p i η植入路徑生成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，特別涉及一種在自由曲面上生成Z-pin植入路徑的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]Z-pin技術(shù)是一種復(fù)合材料三維增強(qiáng)方法，主要適用于預(yù)浸料成型復(fù)合材料層合板殼。其基本原理是將針狀細(xì)桿(即Pin)沿垂直方向植入到未固化的層合構(gòu)件中。在機(jī)械阻力和化學(xué)共固化等結(jié)合作用下，Pin針像釘子一樣將層合板的各個(gè)鋪層固結(jié)在一起，能顯著提高層合件的抗分層，抗剝離等層間性能。常用的Z-pin材料是直徑為0.2mm_l.0mm的高強(qiáng)度、高模量鈦合金短針或碳纖維短針。Joseph S.Boyce等人發(fā)明的T UAZ(Ultrasonically Assisted Z-Fiber)是最常用的Z_pin增強(qiáng)工藝(參考文獻(xiàn)為:Ultrasonic fastening system and method[P].USA: 5800672, 1998.),包括四大步驟:第一步，制備pin針。第二步，把pin針按一定陣列垂直插入泡沫板中得到Z-pin預(yù)制體,并將預(yù)制體貼合在未固化的層合件表面。第三步，用超聲槍把泡沫中的Z-pin壓入層合板。第四步，清理表面并固化。工藝流程如圖1所示。
[0003]在UAC工藝的第三步中，超聲槍的植入路徑，也就是超聲槍的位置和姿態(tài)需要精確控制，既要保證超聲槍壓到工件表面以便將Pin針完全扎入層合板，又要保證槍頭垂直入層合板，避免pin針傾倒或折斷。對于平板類零件，超聲槍的位置在平面內(nèi)平移，下壓方向不變化，植入路徑很簡單。對于回轉(zhuǎn)體構(gòu)件，植入路徑可以選擇回轉(zhuǎn)體母線上，據(jù)此，宋清華等人研制了針對圓柱、圓錐類構(gòu)件的自動化植入平臺。(參考文獻(xiàn)為:圓錐類構(gòu)件Z-pin自動超聲輔助植入平臺設(shè)計(jì)與研究[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，45 (5):700-707.)對于自由曲面構(gòu)件，植入位置和方向都比較復(fù)雜。本發(fā)明提出了針對自由曲面開發(fā)Z-pin植入路徑的生成方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出了一種自由曲面上Z-Pin植入軌跡的生成方法。通過將自由曲面三角網(wǎng)格化，將曲面上求解軌跡轉(zhuǎn)化為在三角網(wǎng)格上求解折線段。最終得到植入點(diǎn)坐標(biāo)和植入方向。
[0005]為此，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]步驟1、建立需要植入Z-pin的層合板的自由曲面數(shù)字化模型；
[0007]步驟2、將模型劃分為三角網(wǎng)格，用大量三角形拼接近似表示曲面；整理三角形的點(diǎn)、線、面信息，得到所有三角形的三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和三角形構(gòu)成平面的法向量，以及三角形之間的共邊關(guān)系；
[0008]步驟3、在三角形網(wǎng)格上沿固定參考方向生成第一條軌跡，用一組軌跡點(diǎn)來描述，具體過程如下:
[0009]參考方向任意設(shè)定，設(shè)為X方向，軌跡的起點(diǎn)選擇模型邊角，尋找該點(diǎn)所在的三角形作為第一三角形，做該點(diǎn)處參考方向在第一三角形內(nèi)的投影，投影與第一三角形一邊的交點(diǎn)為第二個(gè)軌跡點(diǎn)；通過第二軌跡點(diǎn)找到與第一三角形共邊的三角形，作為第二三角形，在第二個(gè)軌跡點(diǎn)做參考方向在第二三角形上的投影，投影與第二三角形的邊界交點(diǎn)為第三個(gè)軌跡點(diǎn)；重復(fù)操作直到軌跡點(diǎn)到達(dá)模型另一側(cè)邊界；這一系列有序的軌跡點(diǎn)組成了第一條軌跡；
[0010]步驟4、在曲面上平移第一條軌跡上的所有軌跡點(diǎn)，組成第二條軌跡，實(shí)際上是平移第一條軌跡的所有軌跡點(diǎn)，具體過程如下:
[0011]平移某一點(diǎn)時(shí),平移方向?yàn)棣?，?= χXη,其中η為該點(diǎn)所在三角形的法向，χ為步驟3中參考方向，平移距離為超聲槍頭寬度W ；
[0012]平移P點(diǎn)時(shí)，設(shè)P’點(diǎn)為平移終點(diǎn)，則平移方向T1 = XXn1，交該三角形的一邊于P2點(diǎn)；計(jì)算PP2的長度，并根據(jù)以下規(guī)則判斷并計(jì)算平移終點(diǎn)P’的坐標(biāo)；
[0013]規(guī)則I如果PP2 = W，則點(diǎn)P2即為所求平移終點(diǎn)P’ ；
[0014]規(guī)則2如果PP2>W，則平移終點(diǎn)P’在線段PP2I，設(shè)P點(diǎn)、P2點(diǎn)坐標(biāo)分別為(X1, Y1, Z1)和(x2, j2, z2)；則 P’ 點(diǎn)坐標(biāo)(χ，，y，，z，) = η X (X1, Y1, Z1H(1-1i) X (x2, y2, z2),其中

【權(quán)利要求】
1.一種自由曲面上Z-Pin植入軌跡的生成方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟1、建立需要植入Z-pin的層合板的自由曲面數(shù)字化模型； 步驟2、將模型劃分為三角網(wǎng)格，用大量三角形拼接近似表示曲面；整理三角形的點(diǎn)、線、面信息，得到所有三角形的三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和三角形構(gòu)成平面的法向量，以及三角形之間的共邊關(guān)系； 步驟3、在三角形網(wǎng)格上沿固定參考方向生成第一條軌跡，用一組軌跡點(diǎn)來描述，具體過程如下: 參考方向任意設(shè)定，設(shè)為X方向，軌跡的起點(diǎn)選擇模型邊角，尋找該點(diǎn)所在的三角形作為第一三角形，做該點(diǎn)處參考方向在第一三角形內(nèi)的投影，投影與第一三角形一邊的交點(diǎn)為第二個(gè)軌跡點(diǎn)；通過第二軌跡點(diǎn)找到與第一三角形共邊的三角形，作為第二三角形，在第二個(gè)軌跡點(diǎn)做參考方向在第二三角形上的投影，投影與第二三角形的邊界交點(diǎn)為第三個(gè)軌跡點(diǎn)；重復(fù)操作直到軌跡點(diǎn)到達(dá)模型另一側(cè)邊界；這一系列有序的軌跡點(diǎn)組成了第一條軌跡； 步驟4、在曲面上平移第一條軌跡上的所有軌跡點(diǎn)，組成第二條軌跡，實(shí)際上是平移第一條軌跡的所有軌跡點(diǎn)，具體過程如下: 平移某一點(diǎn)時(shí)，平移方向?yàn)棣?，?= χΧη，其中η為該點(diǎn)所在三角形的法向，X為步驟3中參考方向，平移距離為超聲槍頭寬度W ； 平移P點(diǎn)時(shí)，設(shè)P’點(diǎn)為平移終點(diǎn)，則平移方向T1 = XXn1，交該三角形的一邊于P2點(diǎn)；計(jì)算PP2的長度，并根據(jù)以下規(guī)則判斷并計(jì)算平移終點(diǎn)P’的坐標(biāo)； 規(guī)則I如果PP2 = W，則點(diǎn)P2即為所求平移終點(diǎn)P’ ； 規(guī)則2如果PP2>W，則平移終點(diǎn)P’在線段PP2上，設(shè)P點(diǎn)、P2點(diǎn)坐標(biāo)分別為(X1, Y1, Z1)和(x2, j2, z2)；則 P’ 點(diǎn)坐標(biāo)(X，，y，，z，) = η X (X1, Y1, Z1H(1-1i) X (x2, y2, z2),其中wV=wv 規(guī)則3如果PP2〈W，則對P2點(diǎn)繼續(xù)平移，平移方向P2點(diǎn)所在法向n2和步驟3中參考方向X的叉乘方向τ2 = xXn2,交下一個(gè)三角形的一邊于點(diǎn)P3,計(jì)算折線段長度PP2+P2P3 ； 若PP2+P2P3 = W則點(diǎn)P3即為所求平移終點(diǎn)P’ ； 若PP2+P2P3>W則平移終點(diǎn)P’在線段P2P3上，根據(jù)規(guī)則2處求出點(diǎn)P’坐標(biāo)； 若PP2+P2P3〈W根據(jù)規(guī)則3重復(fù)尋找；直至各段平移折線段長度和為W。 步驟5、根據(jù)步驟4的方式，利用第二條軌跡平移出第三條軌跡線，以此類推在曲面上獲得一系列平行等距的軌跡線，直到布滿曲面； 步驟6、在每條軌跡上間隔固定距離L生成若干植入點(diǎn)，相鄰植入點(diǎn)的距離L為其間各個(gè)折線段的長度和山取值等于超聲槍頭的長度； 步驟7、計(jì)算植入點(diǎn)處的法向量 如果植入點(diǎn)在三角形內(nèi)，取該三角形的法向； 若在三角形邊上，則取共邊的兩個(gè)三角形法向的平均值； 若在三角形頂點(diǎn)上，則取點(diǎn)所屬若干三角形法向的平均值； 步驟8最終生成植入路徑；植入路徑為一系列的植入點(diǎn)坐標(biāo)和這些點(diǎn)所在網(wǎng)格的法向；植入點(diǎn)坐標(biāo)為超聲槍下壓位置，植入點(diǎn)在網(wǎng)格法向?yàn)橄聣悍较颉?br> 【文檔編號】G06T13/00GK104134227SQ201410307489
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】王顯峰, 王若舟, 肖軍, 張向陽, 褚奇奕 申請人:南京航空航天大學(xué)