本發明屬于金屬復雜構件先進制造技術領域，特別涉及一種航空航天器三維彎管首尾幾何精確位置的自由成形動態優化方法。

背景技術：

三維復雜彎管首、末端相對幾何關系的準確性在航空航天器制造、精確裝配過程中具有重要意義。但是現有的彎曲成形方法都存在不同程度的回彈現象，尤其是三維空間彎管，每一段都有回彈，最終使彎管的首端和末端的相對位置關系難以精確控制，給最終的航空航天器的精確裝配帶來難題。本發明就是基于分段測量及閉環反饋思想，通過自由彎曲成形工藝的動態、實時調整，最終實現首端、末端的相對位置關系的準確控制。

技術實現要素：

傳統的金屬構件彎曲技術在彎曲復雜空間軸線形狀管材時，由于每一段彎曲部分存在不同程度的回彈現象，難以控制彎管的首端和末端相對位置關系，從而降低了彎管的尺寸精度。本發明針對首尾幾何位置精確的復雜空間軸線形狀管材存在的不足，提出了一種航空航天器三維彎管首尾幾何精確位置的自由成形動態優化方法。

一種航空航天器三維彎管首尾幾何精確位置的自由成形動態優化方法，包括以下步驟：首先實施一段自由彎曲成形，通過激光掃描設備動態掃描得到彎曲段節點的坐標，通過三維建模測得實際彎曲角度與理論值的誤差；根據該誤差值修正彎曲半徑和球頭偏心距之間的數量關系得到下一個彎曲段的彎曲角度，通過激光掃描設備動態掃描得到彎曲段節點的坐標，通過三維建模測得實際彎曲角度與理論值的誤差，如果實際位置與理論位置誤差沒有得到消除，繼續根據該誤差值修正彎曲半徑和球頭偏心距之間的數量關系得到下一個彎曲段的彎曲角度，直至最后得到的空間彎管末端處于規定位置，從而實現空間彎管首尾幾何位置精確控制。

所述的自由成形動態優化方法，具體包括以下步驟：

第一步，首先根據理論解析參數實施第一段自由彎曲成形；

第二步，成形過程中，機械手攜帶的激光掃描設備動態掃描第一段的起始點和終點(節點)，并將幾何數據反饋至控制中心；

第三步，控制中心通過三維建模將實際彎曲結果與理論數模進行比對，計算出實際彎曲角度與理論彎曲角度的誤差值；

第四步，通過引入修正系數k，修正彎曲半徑與球頭偏心距的關系，調整第二段的彎曲參數，目標是消除第三步所述的彎曲角度的誤差值，使第二段實際自由彎曲后，第三節點相對于第一節點的實際位置與理論位置誤差盡量減小或消除。

第五步，如果尚未實現完全消除，將繼續調整第四節點、第五節點，通過多段動態調整，最終使第一節點與最后節點的位置關系實際值與理論值之間的誤差最小或消除，從而實現空間彎管首尾幾何位置精確控制。

所述的方法，第一步中，理論解析參數是指建立直段、過渡段、彎曲段的幾何形狀參數及節點坐標。

所述的方法，第二步中，通過激光掃描設備動態掃描得到空間彎管起始端節點及第一個彎曲段末端節點的坐標。

所述的方法，第三步中，根據第二步得到的坐標進行三維建模，得到實際彎曲角度與理論彎曲角度的誤差值。

所述的方法，第四步中，彎曲半徑與球頭偏心距的關系及修正系數k的引入如下所示，其中a為彎曲模中心至導向機構前端之間距離、v為管材沿z軸送進速度、ln為第n段的直段長度、為彎曲方向與x軸正方向之間的夾角、rn為第n段的圓弧段的彎曲半徑、θn為彎曲角度：

直線段：ux＝0uy＝0uz＝vt

第一過渡段：

uz＝vt

彎曲段:

uz＝vt

第二過渡段：

uz＝vt

所述的方法，第五步中，第一節點與最后節點的位置關系實際值與理論值之間的誤差小于1％。

有益效果：

1、本發明為一種航空航天器三維彎管首尾幾何精確位置的自由成形動態優化方法；

2、本發明為首尾幾何位置精確的管材優化工藝，對管材三維自由彎曲裝置進行改進，使其具有可以精確控制彎管首尾幾何位置功能，實現首尾幾何位置精確的三維彎管精密制造；

3、本發明方法簡單可行，生產效率高，在航空航天領域具有重要的工程應用價值和明顯的經濟效益。

附圖說明

圖1為管材三維自由彎曲裝置示意圖，其中a為彎曲模中心至導向機構前端之間距離，v為管材沿z軸送進速度；1、管坯，2、彎曲模，3、導向機構，4、球面軸承，5、送料機構；

圖2為復雜形狀彎管的三維幾何模型進行分段及不同彎曲段之間過渡段補充圖，pn-1為第n-1彎曲段兩切線交點，pn為第n彎曲段兩切線交點，pn+1為第n+1彎曲段兩切線交點，ln-1為第n-1直線段長度，ln為第n直線段長度，ln+1為第n+1直線段長度，θn+1為第n+1彎曲段彎曲角度，θn為第n彎曲段彎曲角度，θn+1為第n+1彎曲段彎曲角度，rn+1為第n+1彎曲段彎曲半徑，rn為第n彎曲段彎曲半徑，rn+1為第n+1彎曲段彎曲半徑；

圖3為管材彎曲方向與x軸正方向之間的夾角示意圖，其中b為球面軸承，c為彎曲模，為彎曲方向與x軸正方向之間的夾角；

圖4為平面彎管；

圖5為平面彎管分段圖,p0-彎管起始點，p1-第一段彎曲直線段交點，p2-第二段彎曲直線段交點，p3-第三段彎曲直線段交點，p4-彎管終點，l1-第一段直線段長度，l2-第二直線段長度，l3-第三直線段長度，l4-最后一段直線段長度，θ1-第一段彎曲角度，θ2-第二段彎曲角度，θ3-第三段彎曲角度，r1-第一段彎曲半徑，r2-第二段彎曲半徑，r3-第三段彎曲半徑。

圖6為空間彎管；

圖7為空間彎管分段圖，t0彎管起始點，t1第一段彎曲直線段交點，t2第二段彎曲直線段交點，t3彎管終點，l1第一段直線段長度，l2第二直線段長度，l3最后一段直線段長度，α1第一段彎曲角度，α2第二段彎曲角度，r1第一段彎曲半徑，r2第二段彎曲半徑。

具體實施方式

以下結合首尾幾何位置精確的平面及空間軸線形狀管材的彎曲實例，對本發明進行詳細說明。

本發明實施例中采用3d自由彎曲成形設備，包括彎曲模，球面軸承等，彎曲模在球面軸承的作用下可以沿x/y軸向運動。

實施例1

第一步，將外徑為20mm,壁厚為6mm，直段長分別為500mm、700mm、900mm及435mm，圓弧段半徑分別為300mm、400mm及250mm的彎管建立平面彎管(圖4所示)的直段、過渡段、彎曲段的幾何形狀參數，對第一段彎曲進行成形。

第二步，成形過程中，機械手攜帶的激光掃描設備動態掃描第一段彎曲段，得到起始點p0、節點p1和p2的坐標，并將幾何數據反饋至控制軟件；

第三步，通過三維建模將實際彎曲結果與理論數模進行比對，計算出第一段實際彎曲角度與理論彎曲角度的誤差值；

第四步，通過引入修正系數k，修正彎曲半徑與球頭偏心距的關系，調整第二段的彎曲參數，目標是消除第三步所述的彎曲角度的誤差值，使第二段實際自由彎曲后，第三節點相對于第一節點的實際位置與理論位置誤差盡量減小1％或消除。

第五步，如果尚未實現完全消除，將根據第三步及第四步所述方法繼續調整第四節點，通過多段動態調整，最終使第一節點與最后節點的位置關系實際值與理論值之間的誤差最小或消除，從而實現空間彎管首尾幾何位置精確控制。

實施例2

第一步，將外徑為20mm,壁厚為6mm，直段長分別為320mm、4800mm及250mm，圓弧段半徑都為135mm的彎管建立三維彎管(圖4所示)的直段、過渡段、彎曲段的幾何形狀參數，對第一段彎曲進行成形。

第二步，成形過程中，機械手攜帶的激光掃描設備動態掃描第一段的起始點坐標t0、節點t1和t2，并將幾何數據反饋至控制軟件；

第三步，通過三維建模將實際彎曲結果與理論數模進行比對，計算出第一段實際彎曲角度與理論彎曲角度的誤差值；

第四步，通過引入修正系數k，修正彎曲半徑與球頭偏心距的關系，調整第二段的彎曲參數，目標是消除第五步所述的彎曲角度的誤差值，使第二段實際自由彎曲后，第三節點相對于第一節點的實際位置與理論位置誤差盡量減小在1％以內或消除。

應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。