一种控制零件成型变形的工装型面补偿方法

技术领域

本发明涉及但不限于零件成型变形控制技术领域，尤指一种控制零件成型变形的工装型面补偿方法。

背景技术

复合材料构件的成型固化变形和金属板料构件的成型回弹变形是零件成型中难以避免的工艺缺陷，为了提升零件的形状精度，减少因为零件变形造成的超差报废或对后续加工及装配造成的应力集中过大等问题。通常的，生产中多采用工艺控制方法和工装型面补偿方法降低或抑制零件的成型变形量。

工艺控制方法主要通过调控零件成型过程中的加载方式和工艺参数，以增加零件的塑性变形程度，降低成型变形量；工装型面补偿是通过仿真分析预测或数字化测量设备扫描，在预估或已知零件变形量的前提下，给工装型面施加相应的反向补偿，使变形后的零件恰好符合设计要求；采用工艺控制法可以在一定程度上减小变形，但却无法从根本上消除变形。相对而言，工装型面补偿则可以从理论上根本解决零件成型变形问题，相比于工艺控制方法，工装型面补偿方法的应用更广泛，尤其在零件形状比较复杂、变形量比较大的情况下，采用工装型面补偿的方法对零件成型变形的控制效果更为明显。

但是，如何快速准确的获得有效的三维工装补偿型面是这一技术的关键，尤其是对于一些成型变形较大的复杂结构件。

发明内容

本发明的目的：为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种控制零件成型变形的工装型面补偿方法，以解决现有零件成型过程中由于变形造成的超差报废或对后续加工及装配造成的应力集中过大等问题。

本发明的技术方案：本发明实施例提供一种控制零件成型变形的工装型面补偿方法，包括：

步骤1，计算工装型面的补偿量，包括：使用数学函数关系求解工装型面补偿量的方式，或通过图形定义零件成型变形量与工装型面补偿量之间的关系曲线的方式，快速求解得到零件成型所需的理想工装型面的补偿量；

步骤2，确定工装型面的补偿方向，包括：对零件按边缘、内部进行区域划分，对不同区域使用不同的补偿方向；

步骤3，构建工装的补偿型面，包括：在确定了补偿量和补偿方向的基础上，建立特征补偿点，使用曲面整体变形的方式构建补工装偿型面，直接以本次成型所使用的工装型面作为参考进行点位移动补偿。

可选地，如上所述的控制零件成型变形的工装型面补偿方法中，所述步骤1中使用数学函数关系求解工装型面补偿量的方式为使用插值求解零件变形型面补偿量，具体包括：

步骤11，通过定义第i次成型实验或仿真所使用的工装型面信息为u

b

步骤12，第一次成型所采用工装型面u

步骤13，设定在第三次成型所采用工装型面u

可选地，如上所述的控制零件成型变形的工装型面补偿方法中，所述步骤1中通过图形定义零件成型变形量与工装型面补偿量之间的关系曲线，包括：

基于插值法构建的原理，采用样条曲线将成型工装补偿量与零件成型的变形量之间的关系以图示表示，从而快速求解出最终补偿量a

可选地，如上所述的控制零件成型变形的工装型面补偿方法中，所述步骤2中，还包括：

将补偿方向按变形方向分为两类：复合材料补偿方向和金属板料补偿方向；将补偿方向按变形主导方式分为两类：转动主导补偿方向和平移主导补偿方向。

可选地，如上所述的控制零件成型变形的工装型面补偿方法中，所述步骤2中平移主导补偿方向的确定方式，包括：

对于零件变形型面o′c与工装理论面型oa以平移形式产生变形，则采用以平移主导的补偿方向；

平移主导补偿方向为：工装理论面型oa、理想补偿后的工装补偿型面o″b、零件变形型面o′c遵循等弧长原则；

平移主导补偿方向的确认结论为：对应节点连线补偿方向最优，法向补偿方向精度低。

可选地，如上所述的控制零件成型变形的工装型面补偿方法中，

以转动主导的成型变形为两类，向内变形向外补偿和向外变形向内补偿。

可选地，如上所述的控制零件成型变形的工装型面补偿方法中，对于复合材料构件，以转动主导的成型变形具体为向内变形向外补偿；所述步骤2中转动主导补偿方向的确定方式，包括：

工装理论型面oa，零件固化变形型面ob，理想补偿后的工装补偿型面oc遵循等弧长原则；

针对向内变形向外补偿，转动主导补偿方向的确认结论为：对应节点连线补偿方向最接近于理想的补偿方向，其次是法向补偿方向，偏差最大的是投影补偿方向。

可选地，如上所述的控制零件成型变形的工装型面补偿方法中，对于金属板料构件，以转动主导的成型变形具体为向外变形向内补偿；所述步骤2中转动主导补偿方向的确定方式，包括：

工装理论型面oa，零件回弹变形型面ob，理想补偿后的工装补偿型面oc遵循等弧长原则；

针对向外变形向内补偿，转动主导补偿方向的确认结论为：对应节点连线补偿方向最接近于理想的补偿方向，其次是投影补偿方向，偏差最大的是法向补偿方向。

可选地，如上所述的控制零件成型变形的工装型面补偿方法中，所述步骤3包括：

在本次工装型面的基础上，将本次工装型面按特征补偿点位置整体变形至对应的补偿点位置，形成工装补偿型面；其中，所述本次工装型面为本次成型所使用的工装型面。

可选地，如上所述的控制零件成型变形的工装型面补偿方法中，构建特征补偿点的方式包括：

步骤31，将本次工装型面和零件变形型面的端点连接，连线为补偿方向，连线长度为本次成型的补偿量，将补偿量施加于补偿方向上，反向构建工装型面的特征补偿点；

步骤32，按变形区域提取特征补偿点，对于复合材料构件，工装型面特征点法向为补偿方向，对于金属板料构件，工装型面特征补偿点投影向为补偿方向，特征补偿点距零件变形型面的法向距离或投影向距离为本次成型的补偿量，将补偿量施加于补偿方向上，反向构建补偿点。

本发明的有益效果：本发明实施例提供一种控制零件成型变形的工装型面补偿方法，包括：计算工装型面的补偿量、确定工装型面的补偿方向和构建工装的补偿型面三部分内容。具体具有如下有益效果：

(一)针对通过迭代修正法确定工装型面存在补偿量效率低、精度差的问题，本发明实施例的技术方案通过插值法或图形定义只需要两次成型即可获得最终补偿量，大幅减少迭代修正次数，提高补偿量的确定效率，减少补偿面的设计次数，保证补偿面的设计精度；

(二)针对沿变形前后节点连线方向作为补偿方向，进行工装型面网格面节点反向调整，可行性低的问题，本发明实施例提供的补偿方向确定方法，使工装型面补偿方向与零件变形方向尽可能的保持一致，使通过在补偿方向上施加补偿量确定的补偿点具有实际意义；

(三)本发明实施例提供一种工装型面补偿设计方法，型面补偿精度高，补偿型面光顺、连续，可实现型面内不同位置的独立、非均匀补偿，同时大幅降低补偿点的使用率和计算量，补偿方式具备高度的简化性、快速性，对不同类型的型面具有广泛的适用性，适合基于工装型面补偿的复合材料构件的成型固化变形控制和金属板料构件的成型回弹变形控制；

(四)本发明已在部分大曲率蜂窝夹层复合材料件上实施，在保证了补偿型面质量的基础上，提高补偿效率80％以上，对于复杂结构件的补偿优势更为明显，可以达到消除或减小零件成型变形量的目的，使零件变形保持在制造容差范围内。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明实施例提供的一种控制零件成型变形的工装型面补偿方法的流程示意图；

图2为本发明实施例计算工装型面的补偿量过程中补偿量与变形量关系示意图；

图3为本发明实施例中以平移主导成型变形及补偿截面的示意图；

图4为本发明实施例中复合材料构件以转动主导成型变形及补偿截面的示意图；

图5为本发明实施例中金属板料构件以转动为主导成型回弹变形及补偿截面的示意图；

图6为本发明实施例中构建特征补偿点的结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

上述背景技术中已经说明，零件成型过程中会由于变形造成的超差报废或对后续加工及装配造成的应力集中过大等问题。且目前采用工装型面补偿方法相比于工艺控制方法来说，对零件成型变形的控制效果更为明显。以下对现有工装型面补偿方法进行说明：

方案一：传统工装型面补偿量的确定方式是通过多次零件成型实验或仿真，依据每次成型或仿真后的零件形状误差对补偿型面进行迭代调整，直至变形后的零件满足制造容差要求，这种型面补偿的缺点在于补偿型面要经过多次成型或仿真才能确定，零件试制周期长、成本高，而且无法保障多次修正后型面的光顺性，导致工装补偿精度不足。所以需要建立一种快速、准确的补偿量计算的方法，大幅减少迭代补偿次数。

方案二：传统工装型面补偿方法，理论上根据有限元模拟的原理，沿变形前后节点连线方向作为补偿方向，进行工装型面网格面节点反向调整，可以明显改善工装修正效果，但实际操作中很难确定变形前后的对应节点，只能高度近似化。所以需要建立一种精度高、可行性高的补偿方向确定方法。

上述现有补偿型面构建方法存在补偿质量不足、补偿效率低的问题，所以需要在确定补偿量和补偿方向的基础上提供一种新的工装型面补偿方式，在保证补偿型面精度的同时，实现型面内不同位置的独立、非均匀补偿，并保障补偿型面的光顺性、连续性和补偿方式的简化性、快速性。

针对上述需求，本发明实施例提供了一种控制零件成型变形的工装型面补偿方法，以快速准确的获得有效的三维工装补偿型面。

本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

本发明实施例提供一种控制零件成型变形的工装型面补偿方法，具体为基于工装型面补偿方法提供出的控制零件成型变形的技术方案，本发明实施例提供的技术方案主要包括三个关键部分：计算工装型面的补偿量、确定工装型面的补偿方向、构建工装的补偿型面。

使用零件成型变形分析方法分为两种：以成型的零件实物作为依据进行数字化测量逆向分析和以产品数模作为依据进行软件仿真分析。

基于上述对零件成型变形的分析，本发明实施例中使用数学函数关系求解的工装型面补偿量的方法，或通过图形定义零件成型变形量与工装型面补偿量之间的函数关系，快速求解得到零件成型所需的理想工装型面补偿量。

将补偿方向按变形方向分为两类：复合材料补偿方向和金属板料补偿方向；将补偿方向按变形主导方式分为两类：转动主导补偿方向和平移主导补偿方向。对零件按边缘、内部等进行区域划分，不同区域使用不同的补偿方向。

在确定了补偿量和补偿方向的基础上，建立特征补偿点，使用曲面整体变形的方式构建补偿型面，直接以初始面作为参考进行点位移动补偿。

现有针对零件成型变形控制的工装型面补偿技术大部分存在于理论层面，不能满足复杂结构件的实际需求，而且补偿方式在补偿质量与补偿效率之间存在冲突。针对上述问题本发明实施例提供一种控制零件成型变形的工装型面补偿方法，a)本发明提供技术方案依据数学函数关系通过插值法只需要两次成型即可获得最终补偿量，大幅提高迭代补偿效率。b)本发明提供一种补偿方向确定方法，使通过在补偿方向上施加补偿量确定的补偿点具有实际意义。c)在确定了补偿量和补偿方向的基础上，提供一种工装型面补偿设计方法，型面补偿精度高，补偿型面光顺、连续，可实现型面内不同位置的独立、非均匀补偿，同时大幅降低补偿点的使用率和计算量，补偿方式具备高度的简化性、快速性，对不同类型的型面具有广泛的适用性。适合基于工装型面补偿的复合材料构件的成型固化变形控制和金属板料构件的成型回弹变形控制。

以下对本发明实施例提供的控制零件成型变形的工装型面补偿方法中三个部分的具体实施方式进行说明。

步骤1，计算工装型面的补偿量；

该步骤的一种实现方式为：使用插值求解零件变形型面补偿量。定义第i次成型实验或仿真所使用的工装型面信息为u

b

第一次成型，在工装补偿量为a

第二次成型，在工装补偿量为a

依次类推：

第i次成型，在工装补偿量为a

第一次成型所采用工装型面u

由以上信息可得，只需两次成型，即可得到不同补偿量下的变形量b

该步骤的另一种实现方式为：可以利用样条曲线是基于插值法构建的原理(给定一些离散点，然后计算机会通过插值计算一个公式，这个公式形成的曲线经过这些给定的离散点，得出来的就是样条曲线)，将以上成型工装补偿量与零件成型的变形量之间的关系以图示表示，也可以快速求解最终补偿量a

步骤2，确定工装型面的补偿方向；

上述已经说明，补偿方向的确定包括几种情况，将补偿方向按变形方向分为两类：复合材料补偿方向和金属板料补偿方向；将补偿方向按变形主导方式分为两类：转动主导补偿方向和平移主导补偿方向。以下对上述几种补偿方向的应用场景和具体实施方式进行说明：

一方面，提出以平移为主导的变形方式：

如图3所示，为本发明实施例中以平移主导成型变形及补偿截面的示意图，图3中仅示意出了局部变形型面。

图3中oa为工装理论面型，o′c为成型变形后的零件变形型面，o″b为理想补偿后的工装补偿型面，对于零件变形型面o′c与工装理论面型oa以平移形式产生变形，则采用以平移主导的补偿方向。

因为未出现大的形变而导致的厚度改变，所以理想状态下oa、o″b、o′c应遵循等弧长原则。ac为零件成型变形方向，aK为理想补偿方向(ab连线)，aL为对应节点连线补偿方向(ac的反向延长线)，aM为法向补偿方向(a节点在oa上的法线)。

对应节点连线补偿方向，由于其本质反映的是节点的平移关系，因此，连线补偿在以平移为主导成型变形的情况下，具有良好的补偿精度，而法向补偿，由于只是表现转动的情况，因为不能反映节点的平移事实，其补偿精度将较低，只有在平移的方向与法向刚好一致的特殊情况，法向补偿才可能正确地反映补偿的方向。

另一方面，提出以转动为主导的变形方式：

因为零件成型变形大部分是转动为主导，以转动主导的成型变形为两类，向内变形向外补偿和向外变形向内补偿，以下具体说明以转动变形为主导的补偿方向确定。

(一)向内变形向外补偿：

如图4所示，为本发明实施例中复合材料构件以转动主导成型变形及补偿截面的示意图，如图4所示(取图形的1/2)，oa为工装理论型面，ob为零件固化变形后的零件固化变形型面，oc为理想补偿后的工装补偿型面，因为未出现大的形变而导致的厚度改变，所以理想状态下oa、ob、oc应遵循等弧长原则。ab为固化变形方向，aK为理想补偿方向(ac节点连线)，aL为对节点连线补偿方向(ab连线的反向延长线)，aM为法向补偿方向(a节点在oa上的法线)，aN为投影补偿方向(a点在ob上投影的反向延长线)。

结论：在向内变形向外补偿的时候，对应节点连线补偿方向(aL)最接近于理想的补偿方向，其次是法向补偿方向，偏差最大的是投影补偿方向。

(二)向外变形向内补偿：

如图5所示，为本发明实施例中金属板料构件以转动为主导成型回弹变形及补偿截面的示意图，如图5所示(取图形的1/2)，oa为工装理论型面，ob为零件回弹变形后的零件回弹变形型面，oc为理想补偿后的工装补偿型面，因为未出现大的形变而导致的厚度改变，所以理想状态下oa、ob、oc应遵循等弧长原则。ab为回弹变形方向，aK为理想补偿方向(ac节点连线)，aL为对节点连线补偿方向(ab连线的反向延长线)，aM为法向补偿方向(a节点在oa上的法线)，aN为投影补偿方向(a点在ob上投影的反向延长线)。

结论：在向外变形向内补偿的时候，对应节点连线补偿方向(aL)最接近于理想的补偿方向，其次是投影补偿方向，偏差最大的是法向补偿方向。

步骤3，构建工装的补偿型面

将本次成型所使用的工装型面(以下称为：本次工装型面)和零件变形型面的端点连接，连线为补偿方向，连线长度为本次成型的补偿量，将补偿量施加于补偿方向上，反向构建工装型面的特征补偿点，其他位置如果能确定变形前后节点连线也按此方式反向构建补偿点。需要说明的是，对于工装型面中的边，可以采用节点连线的方式构建特征补偿点；对于内部区域，难以用节点连线的方式构建，按照如下方式构建特征补偿点。

按变形区域提取特征补偿点，对于复合材料构件，工装型面特征点法向为补偿方向，对于金属板料构件，工装型面特征补偿点投影向为补偿方向，特征补偿点距零件变形型面的法向或投影向距离为本次成型的补偿量，将补偿量施加于补偿方向上，反向构建补偿点。

根据补偿量的计算原理，中间的补偿过程将补偿量等于变形量的补偿方式最方便，并且不会对两次补偿后的最终补偿结果造成影响。

如图6所示，为本发明实施例中构建特征补偿点的结果示意图。以截面线作为辅助，特征补偿点距本次工装型面有补偿量的距离。在本次工装型面的基础上，将本次工装型面按特征补偿点位置整体变形至对应的补偿点位置，形成工装补偿型面，可实现工装型面内不同位置的独立、非均匀补偿。

本发明实施例提供的控制零件成型变形的工装型面补偿方法，包括：计算工装型面的补偿量、确定工装型面的补偿方向和构建工装的补偿型面三部分内容。具体具有如下有益效果：

(一)针对通过迭代修正法确定工装型面存在补偿量效率低、精度差的问题，本发明实施例的技术方案通过插值法或图形定义只需要两次成型即可获得最终补偿量，大幅减少迭代修正次数，提高补偿量的确定效率，减少补偿面的设计次数，保证补偿面的设计精度；

(二)针对沿变形前后节点连线方向作为补偿方向，进行工装型面网格面节点反向调整，可行性低的问题，本发明实施例提供的补偿方向确定方法，使工装型面补偿方向与零件变形方向尽可能的保持一致，使通过在补偿方向上施加补偿量确定的补偿点具有实际意义；

(三)本发明实施例提供一种工装型面补偿设计方法，型面补偿精度高，补偿型面光顺、连续，可实现型面内不同位置的独立、非均匀补偿，同时大幅降低补偿点的使用率和计算量，补偿方式具备高度的简化性、快速性，对不同类型的型面具有广泛的适用性，适合基于工装型面补偿的复合材料构件的成型固化变形控制和金属板料构件的成型回弹变形控制；

(四)本发明已在部分大曲率蜂窝夹层复合材料件上实施，在保证了补偿型面质量的基础上，提高补偿效率80％以上，对于复杂结构件的补偿优势更为明显，可以达到消除或减小零件成型变形量的目的，使零件变形保持在制造容差范围内。

需要说明的是，零件成型变形控制是实现精准制造的关键问题，工装型面补偿是控制零件成型变形的主要方法，相比于工艺控制方法，工装型面补偿可以从理论上根本解决成型变形问题，应用更广泛，尤其在零件形状比较复杂、变形量比较大的情况下，因此，如何快速准确的获得有效的补偿型面是这一技术的关键。采用本发明实施例提供的控制零件成型变形的工装型面补偿方法对工装型面进行补偿，可以达到消除或减小零件成型变形量的目的，使变形后的零件满足制造容差要求。本发明提供的技术方案可以应用于CA、YG等型机大曲率蜂窝夹层复合材料件的成型固化变形控制，在保证了补偿型面质量的基础上，提高补偿效率80％以上，对于复杂结构件的补偿优势更为明显，可应用于AH型机D形梁制造等所有通过工装补偿方式对零件成型变形进行控制的需求，提升产品精度。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。