大曲率薄壁件多点支撑定位方法、柔性工装及设定方法与流程

本发明涉及一种薄壁件支撑定位方法，尤其是一种适合于大曲率薄壁件的点阵式柔性夹具的定位。

背景技术：

目前在国内外各企业和研究单位院校中广泛使用和研究的点阵式薄壁件定位支撑夹具主要包括三种形式：

(1)水平面内的两个方向固定，只能在高度方向上调节的，如丁韬于2007年在航空制造技术上发表的自动定位系统，激光刻型机和卧式数控蒙皮下料钻铣床一文中介绍的西班牙某公司的多点支撑产品，北京航空航天大学的组合式蒙皮型面切边柔性多点支撑装置(CN101229598A)等；

(2)基础平台上开有孔、槽等结构的多点定位支撑夹具，国外学者Sela等在The International Journal of Advanced Manufacturing Technology杂志上发表的题为A reconfigurable modular fixturing system for thin-walled flexible objects的文献中有所阐述。

(3)在3个方向上均可调节的夹具系统，如清华大学发明的机器人化智能工装系统(CN101269466A)。

上述装置中，(1)、(2)中所述的结构相对简单，操作容易，(3)所述的结构复杂，需要较大的计算量和较高的控制技术。而(1)、(2)、(3)所述的装置均只适合小曲率部件，当部件的曲率较大，如图1(a)和图1(b)所示，对类似于半圆筒状的部件，采用上述装置进行支撑定位将存在以下几个问题：

1、在支撑杆等距的情况下，支撑点之间的距离差较大，如，l₁₂远大于l₅₆，下标代号表示相应的支撑点位置，从而导致被支撑件的变形量不同；

2、中间和两端各单元升程的差距较大，对于支撑杆提出了不同的行程要求，不利于支撑杆的设计和加工工艺的通用化；

3、支撑杆的球头(可万向回转的结构)偏转角容易超出偏转范围；

4、对于零件边缘的控制能力较差。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于大曲率薄壁件多点支撑的定位方法，以提高工装的柔性化程度和支撑定位的稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于大曲率薄壁件多点支撑的定位方法，通过模块化的工装单元，即各工装单元模块分段拟合曲面零件的形状，以构建适于多点支撑的柔性工装。

进一步，各工装单元模块分别为一个基础工装单元模块和若干个可调整偏转角度工装单元模块，各工装单元模块相互连接，且通过分段拟合曲面零件的形状，以确定各工装单元模块的偏转角度和支撑杆的上升高度。

进一步，所述根据曲面零件的曲面(以曲面上的某一截面上的曲线为例)，各工装单元模块分段拟合曲面零件的形状，以确定各工装单元模块的偏转角度和支撑杆的上升高度的方法包括：

步骤S1，建立坐标系，将曲面分段处理(以曲面上的某一截面上的曲线为例)，根据各分段的直线方程求得各工装单元模块的位置；

步骤S2，根据各工装单元模块的位置，确定各工装单元模块的偏转角度；

步骤S3，根据各工装单元模块的偏转角度求得各工装单元模块的直线方程，进而求得各支撑杆所在直线的表达式，并求得支撑杆所在直线与曲面的交点，根据点到直线的距离公式即可求得交点到各工装单元模块的距离，即支撑杆的高度。

又一方面，本发明所述一种用于大曲率薄壁件多点支撑的定位方法包括：若干个连续的适于多点支撑的工装单元模块，工装单元模块分别包括基础工装单元和若干倾斜设置的工装单元，各工装单元之间相互连接并可调整偏转角度；工装单元上有若干个支撑杆，每个支撑杆具有单方向的自由度，且适于调节高度，每个支撑杆的顶部为一个万向球铰式的结构，可围绕球铰的回转中心在一定的角度范围内自由回转。

进一步，根据曲率零件对应的拟合曲线，通过模块化的工装单元来分段拟合曲面零件的形状，求得各工装单元模块的位置的方法，包括如下步骤：

步骤S11，求出大曲率零件对应的曲面的驻点(以曲面上的某一截面上的曲线为例)，驻点向下平移一定距离作为基础工装单元模块的位置中点；

步骤S12，将工装单元模块对应位置的线段(线段长度等于底座长度)四等分，通过中间三点做垂直于该线段的直线，过三点中最右边端点(此处以X轴右半轴为例，左半轴所选点应为线段中间三点中最左边端点)的直线和预拟合曲线相交，获得一个交点；

步骤S13，从交点开始在预拟合曲线上做一个定长的弦，通过工装单元模块对应位置的线段的右端点做一个和弦平行的线段(线段的长度等于工装单元模块的底座长)，即可获得已有工装单元模块右侧的工装单元模块的位置；

步骤S14，重复步骤S12，S13，直至曲线终点区间。

第二方面，为了解决上述同样的技术问题，本发明还提供了一种用于多点支撑的柔性工装设定方法。

所述用于多点支撑的柔性工装设定方法包括如下步骤：

首先，建立坐标系，将曲面分段处理，根据各分段的直线方程求得各工装单元模块的位置；

其次，根据各工装单元模块的位置，确定各工装单元模块的偏转角度；

并且，根据各工装单元模块的偏转角度求得各工装单元模块的直线方程，进而求得各支撑杆所在直线的表达式，并求得支撑杆所在直线与曲面的交点，根据点到直线的距离公式即可求得交点到各工装单元模块的距离，即支撑杆的高度。

进一步，将曲面分段处理的方法包括如下步骤：

步骤S11，求出大曲率零件对应的曲面的驻点，驻点向下平移一定距离作为基础工装单元模块的位置中点；

步骤S12，将工装单元模块对应位置的线段四等分，通过中间三点做垂直于该线段的直线，过三点中最右边端点的直线和预拟合曲线相交，获得一个交点；

步骤S13，从交点开始在预拟合曲线上做一个定长的弦，通过工装单元模块对应位置的线段的右端点做一个和弦平行的线段，即可获得已有工装单元模块右侧的工装单元模块的位置；

步骤S14，重复步骤S12，S13，直至曲线终点区间。

第三方面，为了解决上述同样的技术问题，本发明还提供了一种多点支撑的柔性工装。

所述柔性工装包括若干工装单元模块，且各工装单元模块适于分段拟合曲面零件的形状，以构建适于多点支撑的柔性工装。

进一步，各工装单元模块分别为一个基础工装单元模块和若干个可调整偏转角度工装单元模块，各工装单元模块相互连接，且通过分段拟合曲面零件的形状，以确定各工装单元模块的偏转角度和支撑杆的上升高度。

进一步，所述工装单元模块上有若干个支撑杆，每个支撑杆具有单方向的自由度，且适于调节高度，每个支撑杆顶部的球头为一个万向球铰式的结构，且适于围绕球铰的回转中心在一定的角度范围内自由回转。

本发明的有益效果如下：

(1)避免了大曲率零件定位支撑时支撑杆伸长量差别较大的缺点，使得各支撑杆的伸长量差异减小；

(2)该算法利用支撑杆自身的角度偏转补偿了球头的部分偏转角度，避免了支撑杆的球头(可万向回转的结构)偏转角超出偏转范围；

(3)传统柔性工装对于大曲率零件的定位支撑时由于在零件边缘处支撑杆伸长量较大和球头的偏转角度过大，故对零件边缘处控制能力较差，而该算法有效弥补了这两个缺点，对零件各处都具有较强的控制能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1(a)和图1(b)是背景技术中例举的现有技术的结构示意图；

图2是本发明的多点支撑定位装置的结构示意图；

图3是本发明的用于大曲率薄壁件的定位方法流程图；

图4是本发明的大曲率薄壁件多点支撑定位方法中工装单元模块的设定方法流程图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

大曲率薄壁件(简称曲面零件)多点支撑定位方法(柔性工装)的实质是用各支撑杆的球头拟合大曲率零件的曲线。国内外的柔性工装通常是把柔性工装单元模块固定在同一水平面上，通过计算零件拟合曲线到水平面的距离，使支撑杆上升不同的高度，这种方式的支撑杆上升的高度差大，球头偏转角大。为了提高支撑定位的稳定性，应使大曲率薄壁件与工装中支撑杆球头尽可能多的接触，且保证球头吸附可靠和在应变力集中的部位有更多的支撑点进行支撑。为此提出了一种用于大曲率薄壁件多点支撑的定位方法，定位过程中先拟合出零件在工装坐标系下的参数化曲面方程，通过模块化的工装单元来分段拟合曲面零件的形状，确定出各工装单元模块的偏转角度以及各工装单元模块上支撑杆的上升高度。

实施例1

如图2所示，本实施例1提供了一种用于大曲率薄壁件多点支撑的定位方法，包括：若干个连续的适于多点支撑的工装单元模块，工装单元模块包括各基础工装单元和若干可可调整偏转角度的工装单元，每个工装单元模块包括若干个支撑杆，每个支撑杆具有单方向的自由度，且适于调节高度，每个支撑杆顶部的球头为一个万向球铰式的结构，可围绕球铰的回转中心在一定的角度范围内自由回转

如图2所示，根据分段拟合的方法获取大曲率薄壁件多点支撑定位方法中工装单元模块的偏转角度和支撑杆的上升高度。

先设大曲率薄壁件的拟合曲线为f(x)，各工装单元模块的长度为L，各工装单元模块的倾斜角度为α_n，柔性单元上支撑杆的上升高度为Δh₁、Δh₂、Δh₃，n表示从基础工装单元模块向左或向右侧的相应工装单元模块。具体步骤为：

步骤S1，建立坐标系，将曲面分段处理(以曲面上的某一截面上的曲线为例)，根据各分段的直线方程求得各工装单元模块的位置；

步骤S2，根据各工装单元模块的位置，确定各工装单元模块的偏转角度；

步骤S3，根据各工装单元模块的偏转角度求得各工装单元模块的直线方程，进而求得各支撑杆所在直线的表达式，并求得支撑杆所在直线与曲面的交点，根据点到直线的距离公式即可求得交点到各工装单元模块的距离，即支撑杆的高度。

所述的步骤S1中根据曲线方程确定各工装单元模块位置的具体步骤包括：

步骤S11，求出大曲率零件对应的曲面的驻点(以曲面上的某一截面上的曲线为例)，驻点向下平移一定距离作为基础工装单元模块的位置中点；

步骤S12，将工装单元模块对应位置的线段(线段长度等于底座长度)四等分，通过中间三点做垂直于该线段的直线，过三点中最右边端点(此处以X轴右半轴为例，左半轴所选点应为线段中间三点中最左边端点)的直线和预拟合曲线相交，获得一个交点；

步骤S13，从交点开始在预拟合曲线上做一个定长的弦，通过工装单元模块对应位置的线段的右端点做一个和弦平行的线段(线段的长度等于工装单元模块的底座长)，即可获得已有工装单元模块右侧的工装单元模块的位置；

步骤S14，重复步骤S12，S13，直至曲线终点区间。

所述的步骤S2中关于获得倾斜设置的工装单元模块的偏转角度的求解，具体实施为：

设定各工装模块中支撑杆相距l，支撑杆的初始高度为h。

对拟合曲线f(x)求导，令f’(x)＝0，求得x₀点(即驻点)，以x₀为坐标原点建立坐标系，则此时形成新的曲线方程，g(x)＝f(x-x₀)

在x₀下方Δh₂处做一条垂直于x＝x₀且长度为L的线段，线段两端点记为A，B点，直线L被直线x＝x₀平分。将AB四等分，然后将AB线段中间三点做垂直于该线段的直线，分别交曲线g(x)与a，b两点，如图2，然后以a，b为基点，在曲线g(x)上两边延伸处分别找出距离c’，d’两点为L的两点，连线ac’和bd’；然后从A，B两点分别作长度为L且平行于ac’和bd’的线段，记终点分别为C，D。

然后将CD线段中间三点中最右边端点(此处以X轴右半轴为例，若左半轴所选点应为线段中间三点中最左边端点)做垂直于该线段的直线，分别交曲线g(x)与d点，然后再以d为基点，在曲线上两边延伸处分别找出距离d点为L的f’点，连线两点成线段df’；然后从D点分别作长度为L且平行于线段df’的线段，记终点为F。依次类推，直至曲线终点区间。最终做图如图2，其中AB，AC，BD等线段即为工装单元模块，各工装单元模块上三条垂直的线段即为单元上支撑杆；

首先确定各工装单元模块的偏转角度(这里以x轴右半轴为例)：

b点坐标应为(x₁＝L/4，g(x₁))，d’点坐标为(x₂，g(x₂))，f’点坐标为(x₃，g(x₃))，依次类推则有：

(x₂-x₁)²+(g(x₂)-g(x₁))²＝L²；

则可得：

可得第一个倾斜设置的工装单元模块的偏转角度；

在此基础上，对任意的工装单元模块的偏转角度表达式如下：

(x_n+1-x_n)²+(g(x_n+1)-g(x_n))²＝L²；

所述步骤S3中确定支撑杆上升高度的方法，具体实施为：

设Δh₂为一个不为0的常数(Δh₂＞h)，以x右半轴为例，B点坐标为(L/2，-Δh₂)，而由上述分析可得各工装单元模块的偏转角度，则可写出右边第一倾斜设置的工装单元模块的解析表达式为：

类似的方法对其他工装单元模块计算，第n个工装单元模块的起点坐标为(x_n，g(x_n)-Δh₂)，且该工装单元模块的偏转角度为α_n，则第n个工装单元模块的解析表达式为：

y_n＝tanα_n(x-x_n)+Δh₂-g(x_n)

由于基础工装单元模块为水平放置，各支撑杆的上升高度分别为Δh₂，其余各工装单元模块(倾斜设置的工装单元模块)的支撑杆上升高度，由上式可知，已知相应工装单元模块结构偏转角度(也可以称为倾斜角度)，故可得与该直线相互垂直的直线方程，其表达式为：

其中令即可得各工装单元模块上支撑杆的直线方程，即上升高度表达式。

联立曲线方程g(x)与直线方程h(x)，即可得交点坐标(x_i，y_i)，然后两点间距离公式即可得到各支撑杆的上升高度Δh。

实施例2

在上述实施例1基础上，本实施例2提供了一种用于多点支撑的柔性工装设定方法包括如下步骤：

首先，建立坐标系，将曲面分段处理，根据各分段的直线方程求得各工装单元模块的位置；

其次，根据各工装单元模块的位置，确定各工装单元模块的偏转角度；

并且，根据各工装单元模块的偏转角度求得各工装单元模块的直线方程，进而求得各支撑杆所在直线的表达式，并求得支撑杆所在直线与曲面的交点，根据点到直线的距离公式即可求得交点到各工装单元模块的距离，即支撑杆的高度。

具体的，将曲面分段处理的方法包括如下步骤：

步骤S11，求出大曲率零件对应的曲面的驻点，驻点向下平移一定距离作为基础工装单元模块的位置中点；

步骤S12，将工装单元模块对应位置的线段四等分，通过中间三点做垂直于该线段的直线，过三点中最右边端点的直线和预拟合曲线相交，获得一个交点；

步骤S13，从交点开始在预拟合曲线上做一个定长的弦，通过工装单元模块对应位置的线段的右端点做一个和弦平行的线段，即可获得已有工装单元模块右侧的工装单元模块的位置；

步骤S14，重复步骤S12，S13，直至曲线终点区间。

实施例3

在实施例1和实施例2基础上，本实施例3提供了一种多点支撑的柔性工装。

所述柔性工装包括若干工装单元模块，且各工装单元模块适于分段拟合曲面零件的形状，以构建适于多点支撑的柔性工装。

其中，各工装单元模块分别为一个基础工装单元模块和若干个可调整偏转角度工装单元模块，各工装单元模块相互连接，且通过分段拟合曲面零件的形状，以确定各工装单元模块的偏转角度和支撑杆的上升高度。

具体的，所述工装单元模块上有若干个支撑杆，每个支撑杆具有单方向的自由度，且适于调节高度，每个支撑杆顶部的球头为一个万向球铰式的结构，且适于围绕球铰的回转中心在一定的角度范围内自由回转。

所述各工装单元模块分段拟合曲面零件的形状，以确定各工装单元模块的偏转角度和支撑杆的上升高度的方法如实施例1所述。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。