一种基于stl文件格式的渐进成形主方向判决方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种钣金件渐进成形主方向的判别方法，具体涉及一种基于STL文件 格式的渐进成形主方向判决方法。
【背景技术】
[0002] 板料渐进成形（Incremental Sheet Forming，ISF)是上世纪60年代由美国的 Leszak提出的一种无模柔性成形技术，90年代由日本的松原茂夫等对该技术进行了进一 步研究，逐渐引起了各国学者的重视。渐进成形技术是一种基于计算机技术、数控技术和塑 性成形技术基础之上的先进制造技术，它采用快速原型制造技术"分层制造"的思想，将三 维模型离散成为系列二维轮廓形状，通过局部塑性成形积累而获得零件整体形状的一种柔 性无模成形技术，具有高柔性、低成本、高效率等特点，所需的成形力小，设备能耗低、振动 小、噪声低，属于绿色加工，同时可以大幅度提高板材的成形极限，是近年来发展迅速的一 种板材成形技术。
[0003] 渐进成形中金属材料的整体流动不明显，料厚变化遵循余弦定理减薄原则，即t =t(j*cos Θ (成形角Θ是加工位置法矢与Z轴的夹角），成形角不同的部位零件厚度也不 均匀。板材在成形过程中会受到成形极限角θ_的约束，当成形角θ > Θ _零件将会会 发生破裂；当θ < θ_虽然不会发生破裂，但是当零件加工位置摆放不合理，将会导致零 件不同部位厚度差别过大，将影响零件的强度、刚度等力学性能；另外，对于一些需要后续 焊接、联结的结构件，对于焊接、装配位置有一些特殊厚度要求，当加工位置不合理时候，局 部厚度往往不能达到要求，会直接影响到后续工序。
[0004] 零件的渐进成形加工摆放方向（下称为渐进成形主方向）决定了零件各位置的成 形角大小，根据零件厚度余弦定理t = tdcos Θ，也直接决定了成形零件各位置的厚度。目 前，渐进成形零件的成形主方向决策主要是操作人员凭经验手工摆放，存在很大的随意性 和不确定性，对于比较复杂的渐进成形零件，很难控制零件各位置的成形厚度，不容易达到 理想的零件加工效果。
【发明内容】
[0005] 为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于STL文件格式的渐进成 形主方向判决方法，利用STL文件格式中三角面片外法矢量，为渐进成形零件选择合理的 成形位置提供依据。
[0006] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
[0007] -种基于STL文件格式的渐进成形主方向判决方法，其特征是，包括如下步骤：
[0008] 1)测试零件加工板材的成形极限角Θ
[0009] 2)根据零件的三维模型，在CAD平台以一定的精度生成STL格式文件；
[0010] 3)对步骤2)生成的STL文件进行格式处理：
[0011] 4)按照右手螺旋法则，以STL文件中各三角面片顶点坐标获得该三角片位置的外 法向矢量，取该矢量与Z轴正向夹角作为该位置的初始成形角；
[0012] 5)确定模型旋转的边界约束条件：
[0013] i)根据测定的板材成形极限角θ_，任意位置三角片法向矢量与Z轴夹角大小不 超过Θ
[0014] ii)在有等厚要求的不同部位取三角片单位法向矢量，通过旋转使得各三角片外 法矢量与Z轴夹角相同；
[0015] iii)依据局部位置的特殊厚度t，根据厚度余弦定理确定该位置成形角θ p = arccos (t/t。)，θ p为该位置三角片法矢与Z轴夹角；进行模型旋转：
[0016] 6)对于任意三角片顶点P，设置步动旋转角度Δ Θ，利用旋转矩阵分别绕X轴、Y 轴旋转；
[0017] 7)旋转后的零件STL模型重建：根据三角片外法矢量与三角片顶点坐标之间的关 系，利用步骤6)中矢量旋转矩阵得到旋转后的所有三角面片顶点坐标，获得旋转后的零件 STL模型：M为旋转矩阵，模型所处的空间位置即为优化后的零件成形 主方向。
[0018] 前述的一种基于STL文件格式的渐进成形主方向判决方法，其特征是，所述步骤 1)中，由半径为R的圆弧绕中心轴旋转得到曲面圆锥体的渐进成形零件模型，模型曲面上 各点对应的成形角为该点法向与Z轴的夹角；测试中加工零件直至产生破裂，在破裂位置 取点Q，Q点处成形角即为该板材的成形极限角Θ _= arccos((H_h)/R)，式中H为成形零 件模型的高度，h为破裂点位置的高度。
[0019] 前述的一种基于STL文件格式的渐进成形主方向判决方法，其特征是，所述步骤 3)包括如下步骤：
[0020] 31)对STL文件进行冗余顶点数据和冗余边进行简化归并；
[0021] 32)对STL模型数据的有效性和STL模型封闭性检查。
[0022] 前述的一种基于STL文件格式的渐进成形主方向判决方法，其特征是，所述步骤 32)中，检查内容包括模型是否存在几何缺陷，几何缺陷包括裂隙和孤立边；封闭性检查要 求所有STL三角形围成一个内外封闭的几何体。
[0023] 前述的一种基于STL文件格式的渐进成形主方向判决方法，其特征是，所述步骤 6)中，绕 X 轴旋转矩阵为 Px' =RX(A Θ1+Δ θ2+…+ Δ θη) .P = RxOn* Δ θ) ·Ρ，π!为步动 次数；绕Y轴旋转矩阵为Py' =Ry(A Θ1+Δ θ2+…+ Δ θη) .P = Ry(n. Δ θ) ·Ρ，η为步动 次数。
[0024] 本发明所达到的有益效果：1)传统渐进成形加工主成形方向选择具有很大的随 意性，无法保证零件顺利渐进成形加工；本方法可以有效控制零件各位置成形角落在成形 极限角范围内，保证零件的顺利成形；2)可以有效控制实现零件不同位置的厚度均匀，改 善零件的强度、刚度及后续装配条件；3)对于零件特殊位置的特殊厚度要求，可以预先进 行控制选择合理的成形主方向；4)料厚分布改善可以提高渐进成形工艺的适应性，有助于 渐进成形技术在实际生产中的推广使用。
【附图说明】
[0025] 图1是厚度分布示意图；
[0026] 图2是不同部位同厚度要求的原始三角片法矢示意图；
[0027] 图3是标定同厚位置三角片旋转后的法矢示意；
[0028] 图4是二角片顶点坐标及外法矢量不意图。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明 的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0030] 针对渐进成形零件，由于传统加工摆放位置没有统一标准，成形主方向存在很大 的随意性，不容易控制成形零件的质量。基于渐进成形中零件厚度变化遵循余弦定理t = tQ*c〇S0，其中成形角Θ是成形部位的法矢与Z轴的夹角，利用STL文件格式中三角面片 外法矢量，提出一种渐进成形主方向的判决方法，为渐进成形零件选择合理的成形位置提 供依据。
[0031] 本方法将零件模型表面离散化为STL格式的三角形面片，利用三角面片的矢量代 表零件曲面不同位置的法向矢量，并以其与Z轴的夹角作为该位置的渐进成形角，通过矢 量旋转调整各位置的成形角来选择合适的加工位置，可以在保证零件各位置成形角Θ不 超过板材的成形极限角Θ _的基础上，实现加工零件不同部位的厚度均匀，同时，还可以满 足零件任意位置的指定加工厚度要求。
[0032] 对渐进成形主方向的判决包括如下步骤：
[0033] 1)测试零件加工板材的成形极限角Θ _;具体测试方法为，如图1所示意，由半径 为R的圆弧绕中心轴旋转得到曲面