快卸式V型卡箍自动三维建模方法.pdf

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1、(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202310659093.8(22)申请日 2023.06.05(71)申请人 中国航空工业集团公司金城南京机电液压工程研究中心地址 211106 江苏省南京市江宁开发区水阁路33号、19号信箱(72)发明人 周松王峰阳陈立昆(74)专利代理机构 中国航空专利中心 11008专利代理师 梁瑞林(51)Int.Cl.G06F 30/17(2020.01)G06T 17/00(2006.01)G06F 111/04(2020.01)(54)发明名称一种快卸式V型卡箍自动三维建模方法(57)摘要本发明属。

2、于三维建模领域,具体公开了一种快卸式V型卡箍自动三维建模方法,用于解决卡箍三维几何建模效率低的问题。所述建模方法首先利用平面扫描被卡箍连接的产品的三维模型,通过截面线上的椭圆形状,识别接头的轴线;接着用垂直于接头轴线的平面再次扫描产品,识别并计算产品接头上凸缘的几何参数;然后利用识别出的凸缘几何参数计算卡箍外形轮廓、V型槽和螺栓通孔的参数化模型。本发明通过设计回转体凸缘接头几何参数自动识别方法和快卸式卡箍参数化建模方法,自动生成快卸式V型卡箍三维模型,提高了设计效率。权利要求书2页 说明书6页 附图4页CN 117131619 A2023.11.28CN 117131619 A1.一种快卸式V。

3、型卡箍自动三维建模方法,其特征在于,所述方法利用平面扫描被卡箍连接的产品的三维模型,通过截面线上的椭圆形状,识别接头的轴线;用垂直于接头轴线的平面再次扫描产品,识别并计算产品接头上凸缘的几何参数;利用识别出的凸缘几何参数计算卡箍外形轮廓、V型槽和螺栓通孔的参数化模型。2.如权利要求1所述的一种快卸式V型卡箍自动三维建模方法,其特征在于,识别接头的轴线的过程包括:步骤S1、建立扫描平面;建立识别产品接头轴线的扫描平面M(TZ,N),其法线方向为N0,sin,cos,其中0、1、2 90,扫描平面平行于x轴,法线方向与z轴的夹角为;扫描平面的位置参数为TZ,表示扫描平面与坐标系的z轴的交点为TZ;。

4、步骤S2:获取外轮廓曲线;扫描平面沿法矢N方向进行扫描,与产品模型相交形成截面线;截面线可为一条或者多条封闭曲线,管接头上的外轮廓曲线为对称曲线,并标记为SMAX(TZ,N);步骤S3:判断外轮廓曲线SMAX(TZ,N)是否为椭圆;步骤S4:判定是否找到圆柱面;判定的方法是:若扫描平面在连续三个位置的外轮廓线SMAX(TZ,N)、SMAX(TZ+1,N)、SMAX(TZ+2,N)均为椭圆且大小完全一致,其三个位置的长轴端点、短轴端点、几何中心点的连线均为直线且相互且平行,则证明找到圆柱面;此圆柱面的轴线为产品管接头的轴线,轴线为SMAX(TZ,N)、SMAX(TZ+1,N)、SMAX(TZ+2。

5、,N)的三个中心点所在的直线,此轴线方向记为NOPT;若扫描完产品,未找到圆柱面,则调整扫描平面M(TZ,N)的值,返回步骤S1重新扫描。3.如权利要求2所述的一种快卸式V型卡箍自动三维建模方法,其特征在于,步骤S2中,若截面线中有多条封闭曲线,则面积最大的那一条封闭曲线则位于产品的外轮廓面上,称为外轮廓曲线。4.如权利要求2所述的一种快卸式V型卡箍自动三维建模方法,其特征在于,步骤S3中,判定方法是:计算SMAX(TZ,N)的几何中心OS(TZ,N),计算SMAX(TZ,N)上各点到几何中心OS(TZ,N)的距离,寻找距离几何中心最长的点PMAX(TZ,N)及距离最短的点PMIN(TZ,N)。

6、;若线段OS(TZ,N)PMIN(TZ,N)与OS(TZ,N)PMAX(TZ,N)垂直,则以OS(TZ,N)PMIN(TZ,N)与OS(TZ,N)PMAX(TZ,N)分别为短半轴与长半轴建立椭圆方程;若SMAX(TZ,N)上所有点位于该椭圆方程对应的椭圆上,则SMAX(TZ,N)为椭圆。5.如权利要求4所述的一种快卸式V型卡箍自动三维建模方法,其特征在于,识别管接头的凸缘法兰及其几何尺寸过程是:建立垂直于轴线的扫描平面MOPT(TZ,NOPT),从轴线NOPT方向的端面开始扫描;若截面上外轮廓线SMAX(TZ,NOPT)均为圆,每个圆的圆心都在环形管接头的轴线上,且圆的半径值符合凸缘外轮廓截面。

7、半径变化规律,则凸缘特征识别成功,并计算凸缘结构几何尺寸;若未识别出凸缘结构,则调整扫描平面M(TZ,N)的值,返回识别接头的轴线过程重新扫描。6.如权利要求5所述的一种快卸式V型卡箍自动三维建模方法,其特征在于,其中凸缘外轮廓截面半径变化规律为:等值,突变增大,等值,线性减小,圆弧线减小,等值;圆弧线减小段可有可无。7.如权利要求6所述的一种快卸式V型卡箍自动三维建模方法,其特征在于,参数化模型过程是:获取用户输入的卡箍几何参数值,建立快卸式V型卡箍外形轮廓的参数化模型权利要求书1/2 页2CN 117131619 A2Model_1,由卡箍轴向端面草图Draft_1经过拉伸形成;建立草图D。

8、raft_1的参数化模型,以卡箍上圆柱面的轴线为x轴,在yoz平面建立草图Draft_1;草图Draft_1由线段L11、L12、L13L18依次首尾相接连成,根据用户输入要求,确定L12与L13、L13与L14、L16与L17、L17与L18间是否需要圆滑过渡;计算草图参数化模型的约束条件,将草图轮廓Draft_1沿ox轴正方向拉伸,即可得到卡箍外形轮廓模型Model_1;建立V型槽的参数化模型Model_2:Model_2由V型槽截面轮廓草图Draft_2经过旋转形成;首先建立草图Draft_2的参数化模型;在xoy平面建立草图Draft_2,由线段L21、L22、L23L28依次首尾相接。

9、连成;计算草图参数化模型的约束条件;L23与L24、L26与L27间圆角过度,形成倒圆角arc_1、arc_2;建立螺栓通孔的参数化模型Model_3:用于连接螺栓的通孔建模属于三维建模的基本特征圆柱建模;通过Model_3、Model_2与卡箍外形轮廓模型Model_1进行布尔差运算即可得到卡箍三维模型。8.如权利要求7所述的一种快卸式V型卡箍自动三维建模方法,其特征在于,其中约束直线段参数模型的条件是两个端点坐标值,约束圆弧段参数模型的条件是两个端点坐标值及圆弧半径值。9.如权利要求18任意一项所述的一种快卸式V型卡箍自动三维建模方法,其特征在于,所述方法在参数化建模软件的二次开发接口,基。

10、于VisualStudio中winform模块和C#语言编写相应的代码,搭建快卸式V型卡箍自动三维建模平台。权利要求书2/2 页3CN 117131619 A3一种快卸式V型卡箍自动三维建模方法技术领域0001本发明涉及机械结构设计技术领域,具体涉及回转体凸缘接头几何参数自动识别和卡箍参数化建模方法。背景技术0002卡箍是连接带沟槽的管件、阀门以及管路配件的一种连接装置,用在对快接头之间起紧箍连接作用,其性能良好,密封度高,安装简易。V型卡箍为任何环形管道凸缘法兰面接合提供一种安全可靠的连接。典型应用包括过滤机架、涡轮增压器系统、排气系统、及需要凸缘法兰面接合的工业应用。0003设计人员在设计。

11、卡箍等通用机械产品时,普遍依托三维造型软件采用手动建模的方式设计。Catia、UGNX等参数化设计软件作为目前机械设计领域支持几何建模的通用平台,无法将企业内部专用的设计规范和相关行业标准有效融入到设计过程中,几何结构相似的零件通常需要进行大量重复的建模工作。随着产品型号数量快速增加,且客户要求研发周期不断缩减,对卡箍等典型产品设计的周期提出更高要求,采用快速设计的方法应用于卡箍设计尤为重要。本发明采用管道接头几何参数自动识别和快卸式卡箍参数化建模方法,可以提高设计效率,减少设计人员的工作量。发明内容0004针对卡箍三维几何建模效率低的问题,本发明设计了快卸式V型卡箍自动三维建模方法。该方法主。

12、要是先识别两个相互连接产品的管接头上的凸缘几何参数,接着利用凸缘几何参数计算快卸式V型卡箍参数化模型。0005本发明解决其技术问题所采用的技术方案:0006一种快卸式V型卡箍自动三维建模方法,所述方法利用平面扫描被卡箍连接的产品的三维模型,通过截面线上的椭圆形状,识别接头的轴线;用垂直于接头轴线的平面再次扫描产品,识别并计算产品接头上凸缘的几何参数;利用识别出的凸缘几何参数计算卡箍外形轮廓、V型槽和螺栓通孔的参数化模型。0007进一步的,识别接头的轴线的过程包括:0008步骤S1、建立扫描平面;建立识别产品接头轴线的扫描平面M(TZ,N),其法线方向为N0,sin,cos,其中0、1、2 90。

13、,扫描平面平行于x轴,法线方向与z轴的夹角为;扫描平面的位置参数为TZ,表示扫描平面与坐标系的z轴的交点为TZ;0009步骤S2:获取外轮廓曲线;扫描平面沿法矢N方向进行扫描,与产品模型相交形成截面线;截面线可为一条或者多条封闭曲线,管接头上的外轮廓曲线为对称曲线,并标记为SMAX(TZ,N);0010步骤S3:判断外轮廓曲线SMAX(TZ,N)是否为椭圆;0011步骤S4:判定是否找到圆柱面;判定的方法是:若扫描平面在连续三个位置的外轮廓线SMAX(TZ,N)、SMAX(TZ+1,N)、SMAX(TZ+2,N)均为椭圆且大小完全一致,其三个位置的长轴说明书1/6 页4CN 117131619。

14、 A4端点、短轴端点、几何中心点的连线均为直线且相互且平行,则证明找到圆柱面;此圆柱面的轴线为产品管接头的轴线,轴线为SMAX(TZ,N)、SMAX(TZ+1,N)、SMAX(TZ+2,N)的三个中心点所在的直线,此轴线方向记为NOPT;若扫描完产品,未找到圆柱面,则调整扫描平面M(TZ,N)的值,返回步骤S1重新扫描。0012进一步的,步骤S2中,若截面线中有多条封闭曲线,则面积最大的那一条封闭曲线则位于产品的外轮廓面上,称为外轮廓曲线。0013进一步的,步骤S3中,判定方法是:计算SMAX(TZ,N)的几何中心OS(TZ,N),计算SMAX(TZ,N)上各点到几何中心OS(TZ,N)的距离。

15、,寻找距离几何中心最长的点PMAX(TZ,N)及距离最短的点PMIN(TZ,N);若线段OS(TZ,N)PMIN(TZ,N)与OS(TZ,N)PMAX(TZ,N)垂直,则以OS(TZ,N)PMIN(TZ,N)与OS(TZ,N)PMAX(TZ,N)分别为短半轴与长半轴建立椭圆方程;若SMAX(TZ,N)上所有点位于该椭圆方程对应的椭圆上,则SMAX(TZ,N)为椭圆。0014进一步的,识别管接头的凸缘法兰及其几何尺寸过程是:0015建立垂直于轴线的扫描平面MOPT(TZ,NOPT),从轴线NOPT方向的端面开始扫描;若截面上外轮廓线SMAX(TZ,NOPT)均为圆,每个圆的圆心都在环形管接头的轴。

16、线上,且圆的半径值符合凸缘外轮廓截面半径变化规律,则凸缘特征识别成功,并计算凸缘结构几何尺寸;若未识别出凸缘结构,则调整扫描平面M(TZ,N)的值,返回识别接头的轴线过程重新扫描。0016进一步的,其中凸缘外轮廓截面半径变化规律为:等值,突变增大,等值,线性减小,圆弧线减小,等值;圆弧线减小段可有可无。0017进一步的,参数化模型过程是:获取用户输入的卡箍几何参数值,建立快卸式V型卡箍外形轮廓的参数化模型Model_1,由卡箍轴向端面草图Draft_1经过拉伸形成;建立外形轮廓模型的关键是建立草图Draft_1的参数化模型,以卡箍上圆柱面的轴线为x轴,在yoz平面建立草图Draft_1;草图D。

17、raft_1由线段L11、L12、L13L18依次首尾相接连成,根据用户输入要求,确定L12与L13、L13与L14、L16与L17、L17与L18间是否需要圆滑过渡;依据平面几何知识,计算草图参数化模型的约束条件,其中约束直线段参数模型的条件是两个端点坐标值,约束圆弧段参数模型的条件是两个端点坐标值及圆弧半径值;将草图轮廓Draft_1沿ox轴正方向拉伸,即可得到卡箍外形轮廓模型Model_1;0018建立V型槽的参数化模型Model_2,由V型槽截面轮廓草图Draft_2经过旋转形成,其关键是建立草图Draft_2的参数化模型;在xoy平面建立草图Draft_2,由线段L21、L22、L2。

18、3L28依次首尾相接连成;依据平面几何知识,计算草图参数化模型的约束条件;L23与L24、L26与L27之间相交形成尖点,在使用过程中卡箍与被连接产品接触方式为线接触,这种设计结构会损伤被连接产品;合理的设计方式为L23与L24、L26与L27间圆角过度,形成倒圆角arc_1、arc_2。0019建立螺栓通孔的参数化模型Model_3:用于连接螺栓的通孔建模属于三维建模的基本特征圆柱建模;0020通过Model_3、Model_2与卡箍外形轮廓模型Model_1进行布尔差运算即可得到卡箍三维模型。0021进一步的,如上设计方法可在UG等参数化建模软件的二次开发接口,基于Visual Studi。

19、o中winform模块和C#语言编写相应的代码,搭建快卸式V型卡箍自动三维建模平台。0022本发明的有益效果是可以提高卡箍的设计效率,具体表现为:说明书2/6 页5CN 117131619 A50023a)、避免手动识别和测量连接接头的几何参数,减少卡箍设计前期的测量准备工作;0024b)、避免将卡箍几何模型上的长度、角度等数据转化为建模坐标系中的坐标值,减少频繁的计算工作;0025c)、避免频繁的建草图、拉伸、旋转等手动工作;0026d)、可以封装机械结构设计的经验知识,有利于提高设计质量,降低返工率;0027e)、方便后期修改,为产品结构强度等物理仿真提供优化接口,在后期修改时,仅需对部分。

20、几何参数进行修改调整,即可适应。0028下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。附图说明0029图1是本发明的执行流程图;0030图2是相连接的两个产品的接头及卡箍模型;0031图3是识别接头轴线的扫描过程;0032图4是扫描平面M(TZ,N)扫描于T3、T4、T5位置的外轮廓曲线形状;0033图5是识别接头上凸缘结构尺寸过程;0034图6是凸缘外轮廓截面半径变化趋势;0035图7是卡箍外形轮廓草图Draft_1参数化模型;0036图8是V型槽草图Draft_2参数化模型;0037图9是快卸式V型卡箍自动三维建模平台界面。具体实施方式0038参照图19,一种快卸式V型卡箍自动三维建模方法。

21、的具体步骤如下:0039已知两台产品上的环形管道接头如图2中的零件1和零件2所示,其中零件1为凸接头,零件2为凹接头,依据接头1和接头2的三维模型自动设计快卸式卡箍的参数化模型。0040步骤一:建立扫描平面。在接头1所在的产品三维模型中建立识别产品接头轴线的扫描平面M(TZ,N),其法向方向为N0,sin,cos,其中(0、1、2 90);扫描平面的位置参数为TZ,表示为扫描平面与坐标系z轴的交点值。令的初始值为0v,即扫描平面垂直于z轴。0041步骤二:扫描平面沿法矢N0方向进行扫描,在连续的位置T1、T2T5与产品模型相交形成截面线。截面线可为一条或者多条封闭曲线,通过计算并比较各条封闭曲。

22、线的面积,判定外轮廓曲线分别为SMAX(T1,N0)、SMAX(T2,N0)SMAX(T5,N0),这些外轮廓曲线均为对称曲线。0042步骤三:判断外轮廓曲线是否为椭圆。计算SMAX(T1,N0)、SMAX(T2,N0)SMAX(T5,N0)的几何中心OS(T1,N0)、OS(T2,N0)OS(T5,N0),计算外轮廓曲线上各点到几何中心的距离,寻找到距离几何中心最长的点PMAX(T1,N0)、PMAX(T2,N0)PMAX(T5,N0)及距离最短的点PMIN(T1,N0)、PMIN(T2,N0)PMIN(T5,N0)。通过计算,发现线段OS(T1,N0)PMIN(T1,N0)与OS(T1,N。

23、0)PMAX(T1,N0)不垂直,线段OS(T2,N0)PMIN(T2,N0)与OS(T2,N0)PMAX(T2,N0)不垂直,则SMAX(T1,N0)、SMAX(T2,N0)必不是椭圆。线段OS(T3,N0)PMIN(T3,N0)与OS(T3,N0)PMAX(T3,N0)垂直,线段OS(T4,N0)PMIN(T4,N0)说明书3/6 页6CN 117131619 A6与OS(T4,N0)PMAX(T4,N0)垂直,线段OS(T5,N0)PMIN(T5,N0)与OS(T5,N0)PMAX(T5,N0)垂直,则以OS(TZ,N0)PMIN(TZ,N0)与OS(TZ,N0)PMAX(TZ,N0)(。

24、Z3,4,5)分别为短半轴与长半轴建立椭圆方程Ellpse(TZ)(Z3,4,5)均为:00430044通过计算,SMAX(TZ,N0)(Z3,4,5)上所有点位于该椭圆方程对应的椭圆上,则SMAX(TZ,N0)(Z3,4,5)均为椭圆。0045步骤四:判定是否找到圆柱面。扫描平面在位置T1、T2T5与产品模型相交形成的外轮廓线中,SMAX(T1,N0)、SMAX(T2,N0)不是椭圆,在连续三个位置上的SMAX(T3,N0)、SMAX(T4,N0)、SMAX(T5,N0)均为椭圆且形状大小完全一致。T3、T4、T5三个位置的长轴端点、短轴端点、几何中心点的连线PMAX(T3,N0)PMAX(。

25、T4,N0)PMAX(T5,N0)、PMIN(T3,N0)PMIN(T4,N0)PMIN(T5,N0)和OS(T3,N0)OS(T4,N0)OS(T5,N0)均为直线且相互平行,则证明找到圆柱面。此圆柱面的轴线为产品回转体接头的轴线,轴线为OS(T3,N0)OS(T4,N0)OS(T5,N0)所在的直线,此轴线方向记为NOPT。扫描到T5位置刚好找到圆柱面,则扫描平面M(TZ,N)停止扫描。0046步骤五:识别接头的凸缘法兰及其几何尺寸。建立扫描平面MOPT(TZ,NOPT),从轴线NOPT方向的端面T6位置开始扫描,经计算,扫描到T20位置的外轮廓线SMAX(TZ,NOPT)均为圆,每一个圆。

26、的圆心都在环形管道接头的轴线OS(T3,N0)OS(T4,N0)OS(T5,N0)上,且圆的半径值符合凸缘外轮廓截面半径变化规律:等值,突变增大,等值,线性减小,圆弧线减小,等值。接头1的凸缘特征识别成功,扫描平面MOPT(TZ,NOPT)停止扫描。计算凸缘结构尺寸p、u、s、n。0047按照步骤一至五的方法识别接头2的凸缘结构尺寸t。0048步骤六:获取用户输入的卡箍几何参数值,建立快卸式V型卡箍外形轮廓的参数化模型Model_1,Model_1由卡箍轴向端面草图Draft_1经过拉伸形成。以卡箍圆柱面轴线为x轴,在yoz平面建立草图Draft_1。草图Draft_1由线段L11、L12、L。

27、13L18依次首尾相接连成。根据用户输入的j和f是否为0,确定L12与L13、L13与L14、L16与L17、L17与L18间是否需要圆滑过渡。依据平面几何知识,计算草图Draft_1参数化模型的约束条件,草图Draft_1上直线段端点坐标、圆弧段端点坐标和圆弧半径值如表1所示。将草图Draft_1沿x轴正方向拉伸长度s+t2wtan(n)+2e,即可得到卡箍外形轮廓模型Model_1。0049表1草图Draft_1参数化模型的约束条件说明书4/6 页7CN 117131619 A700500051步骤七:建立V型槽的参数化模型Model_2,由V型槽截面轮廓草图Draft_2经过旋转形成。在。

28、xoy平面建立草图Draft_2,由线段L21、L22、L23L28依次首尾相接连成,8条线段均为直线段。依据平面几何知识,计算草图参数化模型的约束条件如表2所示。L23与L24、L26与L27之间相交形成尖点,在使用过程中卡箍与被连接产品接触方式为线接触,这种设计结构会损伤被连接产品。合理的设计方式为L23与L24、L26与L27间圆角过度,形成倒圆角arc_1、arc_2,半径为q。将草图Draft_2绕x轴旋转360度,即可得到V型槽的参数化模型Model_2。0052表2草图Draft_2参数化模型的约束条件说明书5/6 页8CN 117131619 A800530054步骤八:建立螺。

29、栓通孔的参数化模型Model_3。用于连接螺栓的通孔建模属于三维建模的圆柱建模,在三维空间中以和为圆心,直径为k,高度为c+d,高度方向为(0,0,1),形成圆柱模型Model_3。0055步骤九:Model_3、Model_2与卡箍外形轮廓模型Model_1进行布尔差运算即可得到卡箍模型。0056以上具体实施方式或案例仅用于解释说明本发明的技术方案,并非对本申请进行限制,未详细说明部分均视为本领域常规技术手段或公知常识;本领域的普通技术人员应当理解:基于本申请的设计思想,应当可以对前述实施方式所记载的技术方案进行适应性修改,或对其中部分或全部技术特征进行等同替换,这些修改或替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。说明书6/6 页9CN 117131619 A9图1图2说明书附图1/4 页10CN 117131619 A10图3图4说明书附图2/4 页11CN 117131619 A11图5图6图7说明书附图3/4 页12CN 117131619 A12图8图9说明书附图4/4 页13CN 117131619 A13。

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