鈑金數(shù)字化展開與優(yōu)化排樣及其工藝約束處理技術(shù)研究.pdf

1、鈑金加工是機械生產(chǎn)中的一個重要組成部分，鈑金制件在航空航天、船舶制造、汽車等行業(yè)中有著十分廣泛的應(yīng)用。以航空工業(yè)為例，鈑金零件作為現(xiàn)代飛機機體的重要組成部分，一般占整機零件總數(shù)的50％以上，因其具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高、多品種小批量等特點，該類零件的制造工時通常要占到整架飛機總工時的15%，因此鈑金零件的制造過程將直接影響著飛機的整機質(zhì)量與生產(chǎn)周期。在鈑金零件的制造過程當(dāng)中，展開與排樣是其中十分重要的兩道工序。仍以飛機制造為例，飛機機體

2、中大量使用的蒙皮、隔框、翼肋等典型零件使得傳統(tǒng)的圖解法、解析法和經(jīng)驗法等展開技術(shù)已很難適應(yīng)現(xiàn)代飛機研制的要求，而飛機制造中普遍采用的多品種小批量的生產(chǎn)模式則迫切地需要采用良好的優(yōu)化排樣技術(shù)以提高板材切割下料時的經(jīng)濟性?；诤娇蘸教焘k金件制造的上述特點與現(xiàn)狀，本文將著重選取該領(lǐng)域中的幾種典型的鈑金零件為研究對象，以提高方法的通用性、效率和自動化程度為研究目標(biāo)，研究面向航空航天及船舶制造行業(yè)的鈑金展開及優(yōu)化排樣技術(shù)，進而為實現(xiàn)這一領(lǐng)域的鈑金

3、數(shù)字化制造打下堅實基礎(chǔ)。
　　零件種類繁多是航空航天類鈑金件的一個重要特征，這一特征導(dǎo)致不同類型零件展開時需要采用不同的算法來處理。為保證展開算法良好的通用性，本文選擇采用三角化網(wǎng)格曲面作為展開模型，通過引入基于高斯曲率的曲面可展性評價標(biāo)準(zhǔn)，將被展曲面分為易展曲面和復(fù)雜（難展）曲面兩大類型進行處理。對于曲面可展程度較好的鈑金零件，本文采用基于彈簧-質(zhì)子模型的能量法進行展開。針對傳統(tǒng)能量法展開速度過慢這一缺陷，本文開發(fā)了一種基于可變

4、步長的變形能釋放算法，該算法通過動態(tài)調(diào)整步長來主動釋放網(wǎng)格變形所產(chǎn)生的彈性能，顯著提高了展開效率；根據(jù)能量法獨特的“漣漪法”展開機制，本文提出了層次化展開方法來消除累積誤差，提高了算法的魯棒性；通過對自動展開結(jié)果進行適當(dāng)工藝修正來進一步提高展開精度。算法選取典型的框肋類飛機鈑金件為展開對象，對直彎邊、凸彎邊、凹彎邊等子類型淺彎邊零件進行展開驗證，實驗結(jié)果表明當(dāng)網(wǎng)格曲面的可展程度值介于0.9985與1時零件展開前后的面積和邊長損失幾乎為零

5、，相比現(xiàn)有的專用框肋類零件展開算法，本文算法可省去大量的特征選取、截面生成等交互操作，算法的展開效率、通用性和自動化程度均有很大提高。
　　對于以拉深件為代表的復(fù)雜型面鈑金零件展開，現(xiàn)有的幾何展開方法普遍存在展開效果易受曲面幾何形狀影響的問題?；诖?，本文提出了采用As-Rigid-As-Possible(ARAP)網(wǎng)格參數(shù)化方法來進行展開求解的思路。在引入網(wǎng)格參數(shù)化變形能的一般函數(shù)表達式后，本文采用了互協(xié)方差矩陣法來求取單個三角

6、面片變形時的局部剛體變換矩陣，通過最小化整體變形能來實現(xiàn)曲面的最優(yōu)展開。實驗證明ARAP算法展開復(fù)雜曲面時仍擁有良好的保形與保面積特性，可有效求解因零件形狀存在垂直壁結(jié)構(gòu)、狹長類形狀、扣邊、缺口等局部特征而易導(dǎo)致展開計算失敗的問題，算法不易受零件幾何特征的影響，可快速穩(wěn)定地為進一步的形狀優(yōu)化提供一個良好的幾何初始展開解。
　　針對航空航天鈑金件多品種小批量的下料模式，本文首先從矩形件排樣入手，采用了最佳匹配方法為基礎(chǔ)排樣算法。針對

7、單純最佳匹配排樣時易出現(xiàn)“塔”式效應(yīng)的問題，本文采用遺傳算法對排樣結(jié)果的頂部序列進行優(yōu)化，通過局部優(yōu)化的方式使得算法在處理大規(guī)模矩形排樣問題時仍能快速獲得一個良好的排樣方案。在此基礎(chǔ)上，本文以臨界多邊形方法為判交工具，利用壓縮算法和零件組合操作，將算法進一步推廣到了不規(guī)則件排樣中，實現(xiàn)了最佳匹配策略從矩形件排樣到不規(guī)則件排樣的自然過渡，提高了算法的通用性。針對鈑金切割下料過程中存在的板材纖維方向約束、切割損耗、共邊切割等主要工藝約束，本