本發(fā)明屬于金屬?gòu)?fù)雜構(gòu)件先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種航空航天器三維彎管首尾幾何精確位置的自由成形動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

三維復(fù)雜彎管首、末端相對(duì)幾何關(guān)系的準(zhǔn)確性在航空航天器制造、精確裝配過程中具有重要意義。但是現(xiàn)有的彎曲成形方法都存在不同程度的回彈現(xiàn)象，尤其是三維空間彎管，每一段都有回彈，最終使彎管的首端和末端的相對(duì)位置關(guān)系難以精確控制，給最終的航空航天器的精確裝配帶來難題。本發(fā)明就是基于分段測(cè)量及閉環(huán)反饋思想，通過自由彎曲成形工藝的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)首端、末端的相對(duì)位置關(guān)系的準(zhǔn)確控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

傳統(tǒng)的金屬構(gòu)件彎曲技術(shù)在彎曲復(fù)雜空間軸線形狀管材時(shí)，由于每一段彎曲部分存在不同程度的回彈現(xiàn)象，難以控制彎管的首端和末端相對(duì)位置關(guān)系，從而降低了彎管的尺寸精度。本發(fā)明針對(duì)首尾幾何位置精確的復(fù)雜空間軸線形狀管材存在的不足，提出了一種航空航天器三維彎管首尾幾何精確位置的自由成形動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法。

一種航空航天器三維彎管首尾幾何精確位置的自由成形動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法，包括以下步驟：首先實(shí)施一段自由彎曲成形，通過激光掃描設(shè)備動(dòng)態(tài)掃描得到彎曲段節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，通過三維建模測(cè)得實(shí)際彎曲角度與理論值的誤差；根據(jù)該誤差值修正彎曲半徑和球頭偏心距之間的數(shù)量關(guān)系得到下一個(gè)彎曲段的彎曲角度，通過激光掃描設(shè)備動(dòng)態(tài)掃描得到彎曲段節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，通過三維建模測(cè)得實(shí)際彎曲角度與理論值的誤差，如果實(shí)際位置與理論位置誤差沒有得到消除，繼續(xù)根據(jù)該誤差值修正彎曲半徑和球頭偏心距之間的數(shù)量關(guān)系得到下一個(gè)彎曲段的彎曲角度，直至最后得到的空間彎管末端處于規(guī)定位置，從而實(shí)現(xiàn)空間彎管首尾幾何位置精確控制。

所述的自由成形動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法，具體包括以下步驟：

第一步，首先根據(jù)理論解析參數(shù)實(shí)施第一段自由彎曲成形；

第二步，成形過程中，機(jī)械手?jǐn)y帶的激光掃描設(shè)備動(dòng)態(tài)掃描第一段的起始點(diǎn)和終點(diǎn)(節(jié)點(diǎn))，并將幾何數(shù)據(jù)反饋至控制中心；

第三步，控制中心通過三維建模將實(shí)際彎曲結(jié)果與理論數(shù)模進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算出實(shí)際彎曲角度與理論彎曲角度的誤差值；

第四步，通過引入修正系數(shù)k，修正彎曲半徑與球頭偏心距的關(guān)系，調(diào)整第二段的彎曲參數(shù)，目標(biāo)是消除第三步所述的彎曲角度的誤差值，使第二段實(shí)際自由彎曲后，第三節(jié)點(diǎn)相對(duì)于第一節(jié)點(diǎn)的實(shí)際位置與理論位置誤差盡量減小或消除。

第五步，如果尚未實(shí)現(xiàn)完全消除，將繼續(xù)調(diào)整第四節(jié)點(diǎn)、第五節(jié)點(diǎn)，通過多段動(dòng)態(tài)調(diào)整，最終使第一節(jié)點(diǎn)與最后節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系實(shí)際值與理論值之間的誤差最小或消除，從而實(shí)現(xiàn)空間彎管首尾幾何位置精確控制。

所述的方法，第一步中，理論解析參數(shù)是指建立直段、過渡段、彎曲段的幾何形狀參數(shù)及節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

所述的方法，第二步中，通過激光掃描設(shè)備動(dòng)態(tài)掃描得到空間彎管起始端節(jié)點(diǎn)及第一個(gè)彎曲段末端節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

所述的方法，第三步中，根據(jù)第二步得到的坐標(biāo)進(jìn)行三維建模，得到實(shí)際彎曲角度與理論彎曲角度的誤差值。

所述的方法，第四步中，彎曲半徑與球頭偏心距的關(guān)系及修正系數(shù)k的引入如下所示，其中a為彎曲模中心至導(dǎo)向機(jī)構(gòu)前端之間距離、v為管材沿z軸送進(jìn)速度、ln為第n段的直段長(zhǎng)度、為彎曲方向與x軸正方向之間的夾角、rn為第n段的圓弧段的彎曲半徑、θn為彎曲角度：

直線段：ux＝0uy＝0uz＝vt

第一過渡段：

uz＝vt

彎曲段:

uz＝vt

第二過渡段：

uz＝vt

所述的方法，第五步中，第一節(jié)點(diǎn)與最后節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系實(shí)際值與理論值之間的誤差小于1％。

有益效果：

1、本發(fā)明為一種航空航天器三維彎管首尾幾何精確位置的自由成形動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法；

2、本發(fā)明為首尾幾何位置精確的管材優(yōu)化工藝，對(duì)管材三維自由彎曲裝置進(jìn)行改進(jìn)，使其具有可以精確控制彎管首尾幾何位置功能，實(shí)現(xiàn)首尾幾何位置精確的三維彎管精密制造；

3、本發(fā)明方法簡(jiǎn)單可行，生產(chǎn)效率高，在航空航天領(lǐng)域具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

附圖說明

圖1為管材三維自由彎曲裝置示意圖，其中a為彎曲模中心至導(dǎo)向機(jī)構(gòu)前端之間距離，v為管材沿z軸送進(jìn)速度；1、管坯，2、彎曲模，3、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，4、球面軸承，5、送料機(jī)構(gòu)；

圖2為復(fù)雜形狀彎管的三維幾何模型進(jìn)行分段及不同彎曲段之間過渡段補(bǔ)充圖，pn-1為第n-1彎曲段兩切線交點(diǎn)，pn為第n彎曲段兩切線交點(diǎn)，pn+1為第n+1彎曲段兩切線交點(diǎn)，ln-1為第n-1直線段長(zhǎng)度，ln為第n直線段長(zhǎng)度，ln+1為第n+1直線段長(zhǎng)度，θn+1為第n+1彎曲段彎曲角度，θn為第n彎曲段彎曲角度，θn+1為第n+1彎曲段彎曲角度，rn+1為第n+1彎曲段彎曲半徑，rn為第n彎曲段彎曲半徑，rn+1為第n+1彎曲段彎曲半徑；

圖3為管材彎曲方向與x軸正方向之間的夾角示意圖，其中b為球面軸承，c為彎曲模，為彎曲方向與x軸正方向之間的夾角；

圖4為平面彎管；

圖5為平面彎管分段圖,p0-彎管起始點(diǎn)，p1-第一段彎曲直線段交點(diǎn)，p2-第二段彎曲直線段交點(diǎn)，p3-第三段彎曲直線段交點(diǎn)，p4-彎管終點(diǎn)，l1-第一段直線段長(zhǎng)度，l2-第二直線段長(zhǎng)度，l3-第三直線段長(zhǎng)度，l4-最后一段直線段長(zhǎng)度，θ1-第一段彎曲角度，θ2-第二段彎曲角度，θ3-第三段彎曲角度，r1-第一段彎曲半徑，r2-第二段彎曲半徑，r3-第三段彎曲半徑。

圖6為空間彎管；

圖7為空間彎管分段圖，t0彎管起始點(diǎn)，t1第一段彎曲直線段交點(diǎn)，t2第二段彎曲直線段交點(diǎn)，t3彎管終點(diǎn)，l1第一段直線段長(zhǎng)度，l2第二直線段長(zhǎng)度，l3最后一段直線段長(zhǎng)度，α1第一段彎曲角度，α2第二段彎曲角度，r1第一段彎曲半徑，r2第二段彎曲半徑。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合首尾幾何位置精確的平面及空間軸線形狀管材的彎曲實(shí)例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明實(shí)施例中采用3d自由彎曲成形設(shè)備，包括彎曲模，球面軸承等，彎曲模在球面軸承的作用下可以沿x/y軸向運(yùn)動(dòng)。

實(shí)施例1

第一步，將外徑為20mm,壁厚為6mm，直段長(zhǎng)分別為500mm、700mm、900mm及435mm，圓弧段半徑分別為300mm、400mm及250mm的彎管建立平面彎管(圖4所示)的直段、過渡段、彎曲段的幾何形狀參數(shù)，對(duì)第一段彎曲進(jìn)行成形。

第二步，成形過程中，機(jī)械手?jǐn)y帶的激光掃描設(shè)備動(dòng)態(tài)掃描第一段彎曲段，得到起始點(diǎn)p0、節(jié)點(diǎn)p1和p2的坐標(biāo)，并將幾何數(shù)據(jù)反饋至控制軟件；

第三步，通過三維建模將實(shí)際彎曲結(jié)果與理論數(shù)模進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算出第一段實(shí)際彎曲角度與理論彎曲角度的誤差值；

第四步，通過引入修正系數(shù)k，修正彎曲半徑與球頭偏心距的關(guān)系，調(diào)整第二段的彎曲參數(shù)，目標(biāo)是消除第三步所述的彎曲角度的誤差值，使第二段實(shí)際自由彎曲后，第三節(jié)點(diǎn)相對(duì)于第一節(jié)點(diǎn)的實(shí)際位置與理論位置誤差盡量減小1％或消除。

第五步，如果尚未實(shí)現(xiàn)完全消除，將根據(jù)第三步及第四步所述方法繼續(xù)調(diào)整第四節(jié)點(diǎn)，通過多段動(dòng)態(tài)調(diào)整，最終使第一節(jié)點(diǎn)與最后節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系實(shí)際值與理論值之間的誤差最小或消除，從而實(shí)現(xiàn)空間彎管首尾幾何位置精確控制。

實(shí)施例2

第一步，將外徑為20mm,壁厚為6mm，直段長(zhǎng)分別為320mm、4800mm及250mm，圓弧段半徑都為135mm的彎管建立三維彎管(圖4所示)的直段、過渡段、彎曲段的幾何形狀參數(shù)，對(duì)第一段彎曲進(jìn)行成形。

第二步，成形過程中，機(jī)械手?jǐn)y帶的激光掃描設(shè)備動(dòng)態(tài)掃描第一段的起始點(diǎn)坐標(biāo)t0、節(jié)點(diǎn)t1和t2，并將幾何數(shù)據(jù)反饋至控制軟件；

第三步，通過三維建模將實(shí)際彎曲結(jié)果與理論數(shù)模進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算出第一段實(shí)際彎曲角度與理論彎曲角度的誤差值；

第四步，通過引入修正系數(shù)k，修正彎曲半徑與球頭偏心距的關(guān)系，調(diào)整第二段的彎曲參數(shù)，目標(biāo)是消除第五步所述的彎曲角度的誤差值，使第二段實(shí)際自由彎曲后，第三節(jié)點(diǎn)相對(duì)于第一節(jié)點(diǎn)的實(shí)際位置與理論位置誤差盡量減小在1％以內(nèi)或消除。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。