本發(fā)明涉及一種薄壁件支撐定位方法，尤其是一種適合于大曲率薄壁件的點(diǎn)陣式柔性夾具的定位。

背景技術(shù)：

目前在國內(nèi)外各企業(yè)和研究單位院校中廣泛使用和研究的點(diǎn)陣式薄壁件定位支撐夾具主要包括三種形式：

(1)水平面內(nèi)的兩個方向固定，只能在高度方向上調(diào)節(jié)的，如丁韜于2007年在航空制造技術(shù)上發(fā)表的自動定位系統(tǒng)，激光刻型機(jī)和臥式數(shù)控蒙皮下料鉆銑床一文中介紹的西班牙某公司的多點(diǎn)支撐產(chǎn)品，北京航空航天大學(xué)的組合式蒙皮型面切邊柔性多點(diǎn)支撐裝置(CN101229598A)等；

(2)基礎(chǔ)平臺上開有孔、槽等結(jié)構(gòu)的多點(diǎn)定位支撐夾具，國外學(xué)者Sela等在The International Journal of Advanced Manufacturing Technology雜志上發(fā)表的題為A reconfigurable modular fixturing system for thin-walled flexible objects的文獻(xiàn)中有所闡述。

(3)在3個方向上均可調(diào)節(jié)的夾具系統(tǒng)，如清華大學(xué)發(fā)明的機(jī)器人化智能工裝系統(tǒng)(CN101269466A)。

上述裝置中，(1)、(2)中所述的結(jié)構(gòu)相對簡單，操作容易，(3)所述的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要較大的計算量和較高的控制技術(shù)。而(1)、(2)、(3)所述的裝置均只適合小曲率部件，當(dāng)部件的曲率較大，如圖1(a)和圖1(b)所示，對類似于半圓筒狀的部件，采用上述裝置進(jìn)行支撐定位將存在以下幾個問題：

1、在支撐桿等距的情況下，支撐點(diǎn)之間的距離差較大，如，l₁₂遠(yuǎn)大于l₅₆，下標(biāo)代號表示相應(yīng)的支撐點(diǎn)位置，從而導(dǎo)致被支撐件的變形量不同；

2、中間和兩端各單元升程的差距較大，對于支撐桿提出了不同的行程要求，不利于支撐桿的設(shè)計和加工工藝的通用化；

3、支撐桿的球頭(可萬向回轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu))偏轉(zhuǎn)角容易超出偏轉(zhuǎn)范圍；

4、對于零件邊緣的控制能力較差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于大曲率薄壁件多點(diǎn)支撐的定位方法，以提高工裝的柔性化程度和支撐定位的穩(wěn)定性。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種用于大曲率薄壁件多點(diǎn)支撐的定位方法，通過模塊化的工裝單元，即各工裝單元模塊分段擬合曲面零件的形狀，以構(gòu)建適于多點(diǎn)支撐的柔性工裝。

進(jìn)一步，各工裝單元模塊分別為一個基礎(chǔ)工裝單元模塊和若干個可調(diào)整偏轉(zhuǎn)角度工裝單元模塊，各工裝單元模塊相互連接，且通過分段擬合曲面零件的形狀，以確定各工裝單元模塊的偏轉(zhuǎn)角度和支撐桿的上升高度。

進(jìn)一步，所述根據(jù)曲面零件的曲面(以曲面上的某一截面上的曲線為例)，各工裝單元模塊分段擬合曲面零件的形狀，以確定各工裝單元模塊的偏轉(zhuǎn)角度和支撐桿的上升高度的方法包括：

步驟S1，建立坐標(biāo)系，將曲面分段處理(以曲面上的某一截面上的曲線為例)，根據(jù)各分段的直線方程求得各工裝單元模塊的位置；

步驟S2，根據(jù)各工裝單元模塊的位置，確定各工裝單元模塊的偏轉(zhuǎn)角度；

步驟S3，根據(jù)各工裝單元模塊的偏轉(zhuǎn)角度求得各工裝單元模塊的直線方程，進(jìn)而求得各支撐桿所在直線的表達(dá)式，并求得支撐桿所在直線與曲面的交點(diǎn)，根據(jù)點(diǎn)到直線的距離公式即可求得交點(diǎn)到各工裝單元模塊的距離，即支撐桿的高度。

又一方面，本發(fā)明所述一種用于大曲率薄壁件多點(diǎn)支撐的定位方法包括：若干個連續(xù)的適于多點(diǎn)支撐的工裝單元模塊，工裝單元模塊分別包括基礎(chǔ)工裝單元和若干傾斜設(shè)置的工裝單元，各工裝單元之間相互連接并可調(diào)整偏轉(zhuǎn)角度；工裝單元上有若干個支撐桿，每個支撐桿具有單方向的自由度，且適于調(diào)節(jié)高度，每個支撐桿的頂部為一個萬向球鉸式的結(jié)構(gòu)，可圍繞球鉸的回轉(zhuǎn)中心在一定的角度范圍內(nèi)自由回轉(zhuǎn)。

進(jìn)一步，根據(jù)曲率零件對應(yīng)的擬合曲線，通過模塊化的工裝單元來分段擬合曲面零件的形狀，求得各工裝單元模塊的位置的方法，包括如下步驟：

步驟S11，求出大曲率零件對應(yīng)的曲面的駐點(diǎn)(以曲面上的某一截面上的曲線為例)，駐點(diǎn)向下平移一定距離作為基礎(chǔ)工裝單元模塊的位置中點(diǎn)；

步驟S12，將工裝單元模塊對應(yīng)位置的線段(線段長度等于底座長度)四等分，通過中間三點(diǎn)做垂直于該線段的直線，過三點(diǎn)中最右邊端點(diǎn)(此處以X軸右半軸為例，左半軸所選點(diǎn)應(yīng)為線段中間三點(diǎn)中最左邊端點(diǎn))的直線和預(yù)擬合曲線相交，獲得一個交點(diǎn)；

步驟S13，從交點(diǎn)開始在預(yù)擬合曲線上做一個定長的弦，通過工裝單元模塊對應(yīng)位置的線段的右端點(diǎn)做一個和弦平行的線段(線段的長度等于工裝單元模塊的底座長)，即可獲得已有工裝單元模塊右側(cè)的工裝單元模塊的位置；

步驟S14，重復(fù)步驟S12，S13，直至曲線終點(diǎn)區(qū)間。

第二方面，為了解決上述同樣的技術(shù)問題，本發(fā)明還提供了一種用于多點(diǎn)支撐的柔性工裝設(shè)定方法。

所述用于多點(diǎn)支撐的柔性工裝設(shè)定方法包括如下步驟：

首先，建立坐標(biāo)系，將曲面分段處理，根據(jù)各分段的直線方程求得各工裝單元模塊的位置；

其次，根據(jù)各工裝單元模塊的位置，確定各工裝單元模塊的偏轉(zhuǎn)角度；

并且，根據(jù)各工裝單元模塊的偏轉(zhuǎn)角度求得各工裝單元模塊的直線方程，進(jìn)而求得各支撐桿所在直線的表達(dá)式，并求得支撐桿所在直線與曲面的交點(diǎn)，根據(jù)點(diǎn)到直線的距離公式即可求得交點(diǎn)到各工裝單元模塊的距離，即支撐桿的高度。

進(jìn)一步，將曲面分段處理的方法包括如下步驟：

步驟S11，求出大曲率零件對應(yīng)的曲面的駐點(diǎn)，駐點(diǎn)向下平移一定距離作為基礎(chǔ)工裝單元模塊的位置中點(diǎn)；

步驟S12，將工裝單元模塊對應(yīng)位置的線段四等分，通過中間三點(diǎn)做垂直于該線段的直線，過三點(diǎn)中最右邊端點(diǎn)的直線和預(yù)擬合曲線相交，獲得一個交點(diǎn)；

步驟S13，從交點(diǎn)開始在預(yù)擬合曲線上做一個定長的弦，通過工裝單元模塊對應(yīng)位置的線段的右端點(diǎn)做一個和弦平行的線段，即可獲得已有工裝單元模塊右側(cè)的工裝單元模塊的位置；

步驟S14，重復(fù)步驟S12，S13，直至曲線終點(diǎn)區(qū)間。

第三方面，為了解決上述同樣的技術(shù)問題，本發(fā)明還提供了一種多點(diǎn)支撐的柔性工裝。

所述柔性工裝包括若干工裝單元模塊，且各工裝單元模塊適于分段擬合曲面零件的形狀，以構(gòu)建適于多點(diǎn)支撐的柔性工裝。

進(jìn)一步，各工裝單元模塊分別為一個基礎(chǔ)工裝單元模塊和若干個可調(diào)整偏轉(zhuǎn)角度工裝單元模塊，各工裝單元模塊相互連接，且通過分段擬合曲面零件的形狀，以確定各工裝單元模塊的偏轉(zhuǎn)角度和支撐桿的上升高度。

進(jìn)一步，所述工裝單元模塊上有若干個支撐桿，每個支撐桿具有單方向的自由度，且適于調(diào)節(jié)高度，每個支撐桿頂部的球頭為一個萬向球鉸式的結(jié)構(gòu)，且適于圍繞球鉸的回轉(zhuǎn)中心在一定的角度范圍內(nèi)自由回轉(zhuǎn)。

本發(fā)明的有益效果如下：

(1)避免了大曲率零件定位支撐時支撐桿伸長量差別較大的缺點(diǎn)，使得各支撐桿的伸長量差異減?。?/p>

(2)該算法利用支撐桿自身的角度偏轉(zhuǎn)補(bǔ)償了球頭的部分偏轉(zhuǎn)角度，避免了支撐桿的球頭(可萬向回轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu))偏轉(zhuǎn)角超出偏轉(zhuǎn)范圍；

(3)傳統(tǒng)柔性工裝對于大曲率零件的定位支撐時由于在零件邊緣處支撐桿伸長量較大和球頭的偏轉(zhuǎn)角度過大，故對零件邊緣處控制能力較差，而該算法有效彌補(bǔ)了這兩個缺點(diǎn)，對零件各處都具有較強(qiáng)的控制能力。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1(a)和圖1(b)是背景技術(shù)中例舉的現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的多點(diǎn)支撐定位裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的用于大曲率薄壁件的定位方法流程圖；

圖4是本發(fā)明的大曲率薄壁件多點(diǎn)支撐定位方法中工裝單元模塊的設(shè)定方法流程圖。

具體實施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。

大曲率薄壁件(簡稱曲面零件)多點(diǎn)支撐定位方法(柔性工裝)的實質(zhì)是用各支撐桿的球頭擬合大曲率零件的曲線。國內(nèi)外的柔性工裝通常是把柔性工裝單元模塊固定在同一水平面上，通過計算零件擬合曲線到水平面的距離，使支撐桿上升不同的高度，這種方式的支撐桿上升的高度差大，球頭偏轉(zhuǎn)角大。為了提高支撐定位的穩(wěn)定性，應(yīng)使大曲率薄壁件與工裝中支撐桿球頭盡可能多的接觸，且保證球頭吸附可靠和在應(yīng)變力集中的部位有更多的支撐點(diǎn)進(jìn)行支撐。為此提出了一種用于大曲率薄壁件多點(diǎn)支撐的定位方法，定位過程中先擬合出零件在工裝坐標(biāo)系下的參數(shù)化曲面方程，通過模塊化的工裝單元來分段擬合曲面零件的形狀，確定出各工裝單元模塊的偏轉(zhuǎn)角度以及各工裝單元模塊上支撐桿的上升高度。

實施例1

如圖2所示，本實施例1提供了一種用于大曲率薄壁件多點(diǎn)支撐的定位方法，包括：若干個連續(xù)的適于多點(diǎn)支撐的工裝單元模塊，工裝單元模塊包括各基礎(chǔ)工裝單元和若干可可調(diào)整偏轉(zhuǎn)角度的工裝單元，每個工裝單元模塊包括若干個支撐桿，每個支撐桿具有單方向的自由度，且適于調(diào)節(jié)高度，每個支撐桿頂部的球頭為一個萬向球鉸式的結(jié)構(gòu)，可圍繞球鉸的回轉(zhuǎn)中心在一定的角度范圍內(nèi)自由回轉(zhuǎn)

如圖2所示，根據(jù)分段擬合的方法獲取大曲率薄壁件多點(diǎn)支撐定位方法中工裝單元模塊的偏轉(zhuǎn)角度和支撐桿的上升高度。

先設(shè)大曲率薄壁件的擬合曲線為f(x)，各工裝單元模塊的長度為L，各工裝單元模塊的傾斜角度為α_n，柔性單元上支撐桿的上升高度為Δh₁、Δh₂、Δh₃，n表示從基礎(chǔ)工裝單元模塊向左或向右側(cè)的相應(yīng)工裝單元模塊。具體步驟為：

步驟S1，建立坐標(biāo)系，將曲面分段處理(以曲面上的某一截面上的曲線為例)，根據(jù)各分段的直線方程求得各工裝單元模塊的位置；

步驟S2，根據(jù)各工裝單元模塊的位置，確定各工裝單元模塊的偏轉(zhuǎn)角度；

步驟S3，根據(jù)各工裝單元模塊的偏轉(zhuǎn)角度求得各工裝單元模塊的直線方程，進(jìn)而求得各支撐桿所在直線的表達(dá)式，并求得支撐桿所在直線與曲面的交點(diǎn)，根據(jù)點(diǎn)到直線的距離公式即可求得交點(diǎn)到各工裝單元模塊的距離，即支撐桿的高度。

所述的步驟S1中根據(jù)曲線方程確定各工裝單元模塊位置的具體步驟包括：

步驟S11，求出大曲率零件對應(yīng)的曲面的駐點(diǎn)(以曲面上的某一截面上的曲線為例)，駐點(diǎn)向下平移一定距離作為基礎(chǔ)工裝單元模塊的位置中點(diǎn)；

步驟S12，將工裝單元模塊對應(yīng)位置的線段(線段長度等于底座長度)四等分，通過中間三點(diǎn)做垂直于該線段的直線，過三點(diǎn)中最右邊端點(diǎn)(此處以X軸右半軸為例，左半軸所選點(diǎn)應(yīng)為線段中間三點(diǎn)中最左邊端點(diǎn))的直線和預(yù)擬合曲線相交，獲得一個交點(diǎn)；

步驟S13，從交點(diǎn)開始在預(yù)擬合曲線上做一個定長的弦，通過工裝單元模塊對應(yīng)位置的線段的右端點(diǎn)做一個和弦平行的線段(線段的長度等于工裝單元模塊的底座長)，即可獲得已有工裝單元模塊右側(cè)的工裝單元模塊的位置；

步驟S14，重復(fù)步驟S12，S13，直至曲線終點(diǎn)區(qū)間。

所述的步驟S2中關(guān)于獲得傾斜設(shè)置的工裝單元模塊的偏轉(zhuǎn)角度的求解，具體實施為：

設(shè)定各工裝模塊中支撐桿相距l(xiāng)，支撐桿的初始高度為h。

對擬合曲線f(x)求導(dǎo)，令f’(x)＝0，求得x₀點(diǎn)(即駐點(diǎn))，以x₀為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，則此時形成新的曲線方程，g(x)＝f(x-x₀)

在x₀下方Δh₂處做一條垂直于x＝x₀且長度為L的線段，線段兩端點(diǎn)記為A，B點(diǎn)，直線L被直線x＝x₀平分。將AB四等分，然后將AB線段中間三點(diǎn)做垂直于該線段的直線，分別交曲線g(x)與a，b兩點(diǎn)，如圖2，然后以a，b為基點(diǎn)，在曲線g(x)上兩邊延伸處分別找出距離c’，d’兩點(diǎn)為L的兩點(diǎn)，連線ac’和bd’；然后從A，B兩點(diǎn)分別作長度為L且平行于ac’和bd’的線段，記終點(diǎn)分別為C，D。

然后將CD線段中間三點(diǎn)中最右邊端點(diǎn)(此處以X軸右半軸為例，若左半軸所選點(diǎn)應(yīng)為線段中間三點(diǎn)中最左邊端點(diǎn))做垂直于該線段的直線，分別交曲線g(x)與d點(diǎn)，然后再以d為基點(diǎn)，在曲線上兩邊延伸處分別找出距離d點(diǎn)為L的f’點(diǎn)，連線兩點(diǎn)成線段df’；然后從D點(diǎn)分別作長度為L且平行于線段df’的線段，記終點(diǎn)為F。依次類推，直至曲線終點(diǎn)區(qū)間。最終做圖如圖2，其中AB，AC，BD等線段即為工裝單元模塊，各工裝單元模塊上三條垂直的線段即為單元上支撐桿；

首先確定各工裝單元模塊的偏轉(zhuǎn)角度(這里以x軸右半軸為例)：

b點(diǎn)坐標(biāo)應(yīng)為(x₁＝L/4，g(x₁))，d’點(diǎn)坐標(biāo)為(x₂，g(x₂))，f’點(diǎn)坐標(biāo)為(x₃，g(x₃))，依次類推則有：

(x₂-x₁)²+(g(x₂)-g(x₁))²＝L²；

則可得：

可得第一個傾斜設(shè)置的工裝單元模塊的偏轉(zhuǎn)角度；

在此基礎(chǔ)上，對任意的工裝單元模塊的偏轉(zhuǎn)角度表達(dá)式如下：

(x_n+1-x_n)²+(g(x_n+1)-g(x_n))²＝L²；

所述步驟S3中確定支撐桿上升高度的方法，具體實施為：

設(shè)Δh₂為一個不為0的常數(shù)(Δh₂＞h)，以x右半軸為例，B點(diǎn)坐標(biāo)為(L/2，-Δh₂)，而由上述分析可得各工裝單元模塊的偏轉(zhuǎn)角度，則可寫出右邊第一傾斜設(shè)置的工裝單元模塊的解析表達(dá)式為：

類似的方法對其他工裝單元模塊計算，第n個工裝單元模塊的起點(diǎn)坐標(biāo)為(x_n，g(x_n)-Δh₂)，且該工裝單元模塊的偏轉(zhuǎn)角度為α_n，則第n個工裝單元模塊的解析表達(dá)式為：

y_n＝tanα_n(x-x_n)+Δh₂-g(x_n)

由于基礎(chǔ)工裝單元模塊為水平放置，各支撐桿的上升高度分別為Δh₂，其余各工裝單元模塊(傾斜設(shè)置的工裝單元模塊)的支撐桿上升高度，由上式可知，已知相應(yīng)工裝單元模塊結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)角度(也可以稱為傾斜角度)，故可得與該直線相互垂直的直線方程，其表達(dá)式為：

其中令即可得各工裝單元模塊上支撐桿的直線方程，即上升高度表達(dá)式。

聯(lián)立曲線方程g(x)與直線方程h(x)，即可得交點(diǎn)坐標(biāo)(x_i，y_i)，然后兩點(diǎn)間距離公式即可得到各支撐桿的上升高度Δh。

實施例2

在上述實施例1基礎(chǔ)上，本實施例2提供了一種用于多點(diǎn)支撐的柔性工裝設(shè)定方法包括如下步驟：

首先，建立坐標(biāo)系，將曲面分段處理，根據(jù)各分段的直線方程求得各工裝單元模塊的位置；

其次，根據(jù)各工裝單元模塊的位置，確定各工裝單元模塊的偏轉(zhuǎn)角度；

并且，根據(jù)各工裝單元模塊的偏轉(zhuǎn)角度求得各工裝單元模塊的直線方程，進(jìn)而求得各支撐桿所在直線的表達(dá)式，并求得支撐桿所在直線與曲面的交點(diǎn)，根據(jù)點(diǎn)到直線的距離公式即可求得交點(diǎn)到各工裝單元模塊的距離，即支撐桿的高度。

具體的，將曲面分段處理的方法包括如下步驟：

步驟S11，求出大曲率零件對應(yīng)的曲面的駐點(diǎn)，駐點(diǎn)向下平移一定距離作為基礎(chǔ)工裝單元模塊的位置中點(diǎn)；

步驟S12，將工裝單元模塊對應(yīng)位置的線段四等分，通過中間三點(diǎn)做垂直于該線段的直線，過三點(diǎn)中最右邊端點(diǎn)的直線和預(yù)擬合曲線相交，獲得一個交點(diǎn)；

步驟S13，從交點(diǎn)開始在預(yù)擬合曲線上做一個定長的弦，通過工裝單元模塊對應(yīng)位置的線段的右端點(diǎn)做一個和弦平行的線段，即可獲得已有工裝單元模塊右側(cè)的工裝單元模塊的位置；

步驟S14，重復(fù)步驟S12，S13，直至曲線終點(diǎn)區(qū)間。

實施例3

在實施例1和實施例2基礎(chǔ)上，本實施例3提供了一種多點(diǎn)支撐的柔性工裝。

所述柔性工裝包括若干工裝單元模塊，且各工裝單元模塊適于分段擬合曲面零件的形狀，以構(gòu)建適于多點(diǎn)支撐的柔性工裝。

其中，各工裝單元模塊分別為一個基礎(chǔ)工裝單元模塊和若干個可調(diào)整偏轉(zhuǎn)角度工裝單元模塊，各工裝單元模塊相互連接，且通過分段擬合曲面零件的形狀，以確定各工裝單元模塊的偏轉(zhuǎn)角度和支撐桿的上升高度。

具體的，所述工裝單元模塊上有若干個支撐桿，每個支撐桿具有單方向的自由度，且適于調(diào)節(jié)高度，每個支撐桿頂部的球頭為一個萬向球鉸式的結(jié)構(gòu)，且適于圍繞球鉸的回轉(zhuǎn)中心在一定的角度范圍內(nèi)自由回轉(zhuǎn)。

所述各工裝單元模塊分段擬合曲面零件的形狀，以確定各工裝單元模塊的偏轉(zhuǎn)角度和支撐桿的上升高度的方法如實施例1所述。

以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。