曲面空间结构

曲面空间结构（精选12篇）

曲面空间结构 篇1

一、前言

近年来, 随着国内劳动力成本的提高, 单元式幕墙与框架式幕墙之间的成本差距已经缩小, 而另一方面, 随着市场对建筑幕墙品质要求的不断提升, 单元式幕墙质量一致性好以及施工速度快的优点开始突出起来, 这些有利的因素开始推动单元式幕墙在高层、超高层建筑中逐渐普及。

单元式幕墙在工厂完成单元组件制作, 将面板安装在单元组件框上, 而单元组与主体结构的连接构件安装在单元组件内侧, 在吊装时单元组件与主体结构的连接在内侧操作。单元组件间靠相邻两单元组件相邻框对插组成。

不过, 单元式幕墙使用也有局限。其构造复杂, 不适合做多规格少批量的生产。所以一般都希望尽量能统一规格, 以形成一定的加工批量。另外单元式幕墙密封系统采用等压腔原理, 其比普通框架式的密封胶封闭工艺要复杂, 对单元板块互相插接后所形成的腔体也有严格的要求。这就要求立面造型尽量简单。所以一般情况下, 单元式幕墙适合用在立面规整、造型简单的建筑中, 而立面复杂的建筑则多使用框架式幕墙。

以往的高层和超高层建筑大都符合单元式幕墙的使用条件, 一般都是较大的体积和较为规整的立面。但人们总向往能够得到与众不同的东西, 所以像鸟巢、央视大楼这一类造型奇特的建筑便应运而生了。这对我们来说, 意味着市场正在形成一个新的需求, 有必要进行这一领域的技术探索和研究。

二、技术难点

在之前的许多项目中, 由于建筑表现的需要, 有时需要将一些扭曲的复杂空间曲面应用于建筑外表。这一类项目的幕墙构造也是采用平板材料来模拟空间曲面, 对于圆锥、圆球一类的规则空间曲面, 还可以采用一组梯形平面板块来模拟, 但对于不规则的复杂空间曲面则往往只能采用三角形的平面板块来模拟。

这种情况主要是因为复杂空间曲面很难划分出四点共面的四边形板块, 因而相邻四边形板块边缘就不能彼此完全重合, 从而无法形成有效密封。而三角形的板块不存在顶点不共面的问题, 可以保证相邻板块的边缘完全重合, 有效解决幕墙的密封构造问题, 所以广泛应用在复杂空间曲面的划分上。

但是, 三角形板块的应用障碍是视觉效果不好, 尤其是从室内观看的效果尤为突出, 一是三角形的斜边破坏视角的通透性, 二是由于倾斜的线条过多且会在视觉上显得比较杂乱, 所以在使用过程中, 其效果不如四边形板块好。

三、解决方案

国际上一些流行的做法, 大都采用对碰式的密封技术。这种方法是将单元板块侧面安装两圈空心胶条, 单元板块安装时板块对碰, 靠胶条的压缩变形实现密封。这种做法的好处是构造简单, 但缺点是密封不佳。由于胶条的尺寸与相邻两个单元板块的胶条无法对齐, 所以必须通过加大胶条的叠合面积来解决板块的错动问题。错动量越大, 胶条尺寸就越大, 否则会在错动的单元板块间会形成局部缝隙, 无法形成密封腔体。

对于水密性能要求很高, 加上板块之间的错动量较大的单元幕墙, 不适合采用传统的‘对碰密封’技术。如何对传统的‘对碰密封’技术加以改造呢?我们通过分析后, 采用了一个新的思路, 将用于碰接的密封部分和用于安装玻璃的框架部分分解成两部分, 即可解决这个问题。沿着这个思路, 我们需要做以下几个工作:

1. 密封组件和框架组件之间的连接及工艺

复杂空间曲面在划分四边形板块时, 单元板块规格会非常多, 但每种规格的数量很少, 甚至有的规格只有一块。考虑到加工生产所面对的困难和挑战, 必须在工艺设计上尽量降低生产和施工的工作量。

如图1, 在构造设计过程中, 采用了平面四边形的板块边框配合活动密封槽的构造。这样将拼接板块由空间四边形转化为平面梯形, 降低了加工难度。在密封槽的设计上, 采用固定密封槽 (与板块边框成为一体) 与活动密封槽搭配的设计。之所以不采用纯活动密封槽搭配的原因, 是活动密封槽与固定密封槽搭配方式可以比纯活动密封槽搭配减少一半的零件数量, 这对生产加工带来很大的好处。

活动密封槽与板块边框之间采用螺钉连接。由于活动密封槽在板块边框上安装固定时需要调整角度, 为方便调整安装角度, 在活动密封槽上开条形孔, 并设置防滑纹。这对于加工生产而言, 无需精确测量及加工, 以简化加工难度。

与板块边框加工不同的是, 活动密封槽的端头加工需要切空间角度。保证足够加工精度需要以降低生产效率为代价。但我们经过分析后认为, 密封槽的功能仅为构造幕墙的密封系统所用, 其本身并不外露, 因而在能保障接头密封的情况下可以放松接缝的拼接要求, 这样可以较大幅度地提高生产效率。当然, 为保证在降低接缝工艺标准的情况下仍然可以满足接头的密封要求, 我们在密封槽拼接接缝部位用EPDM发泡垫片来消除误差。EPDM发泡垫片因其耐老化性好, 现场处理比较容易, 同时减少加工厂打胶, 可以节省加工时间。

2. 保证对碰胶条严格对齐

单元式幕墙基本构造如图2, 从图中可看出, 等压腔达到防水的关键是密封条的对碰及密闭。因此确保对碰的胶条对齐是本次设计的一个重点, 这直接影响水密性能和气密性能是否能够满足设计要求。由于本项目板块均为空间定位, 因此板块之间不能维持横平竖直的对照关系, 所以单元板块安装时很难准确定位在理论的空间位置上。但单元板块一旦因为安装定位偏差, 就会造成密封槽的对碰胶条错位, 从而影响密封效果, 严重的还会导致密封系统失效。因此在设计采用了一个新的思路, 在活动密封槽之间加装定位角码, 通过其定位来消除误差, 确保本胶条中心线在同一位置, 从而使气密性和水密性能满足要求。我们在密封槽设计上采用了活动密封槽和固定密封槽搭配的方法, 并在固定密封槽内设置了导向定位器 (定位角码) 来确定活动密封槽的安装。在两个板块对碰的过程中, 导向定位器可以纠正板块之间的拼装偏差, 从而确保对碰胶条严格保持对齐。

三、结束语

随着社会的不断发展, 单元式幕墙应用越来越普遍, 在保证建筑师外立面效果和幕墙本身的性能前提下, 突破四边形板块用于复杂空间曲面的技术难题很有意义, 与现有技术相比, 我们的技术方案较好地解决了此类产品的密封问题, 从而使单元式幕墙在复杂空间曲面中得以应用。

曲面空间结构 篇2

除三维实体和网格对象外，AutoCAD 还提供了两种类型的曲面，即程序曲面和 NURBS 曲面。

①程序曲面：可以是关联曲面，即保持与其他对象间的关系，以便可以将它们作为一个组进行处理。

②NURBS：不是关联曲面。此类曲面具有控制点，使用户可以一种更自然的方式对其进行造型。

曲面空间结构 篇3

关键词：桥梁工程；防撞设施；夹层结构；曲面套箱；碰撞分析

中图分类号：U443.26 文献标识码：A

随着内河航运的发展，船舶撞击桥梁事件日益增多，桥梁的防撞研究引起了广泛关注.目前，柱式桥墩的防撞装置有多种，就浮式套箱桥墩防撞设施而言，大多采用钢板制作的套箱、型钢制作的桁架钢围套及多种材料制作的组合结构套箱等＼[1-3＼].这些防撞设施具有钢材用量大、构造复杂、瞬时转移撞击能量差等不足.文献表明，夹层聚氨酯钢板易制作成弧形曲面，夹层板本身具有良好的抗冲击性能，已广泛应用于船舶维修＼[4-6＼].采用钢聚氨酯钢夹层板制作的悬浮式曲面环形桥墩防撞套箱，能大幅提升桥墩的防撞能力，与钢套箱相比，节省了很多箱内加劲板及支架，构造简单，质量轻＼[7＼].本文采用ANSYS/ LSDYNA及LSPREPOST 有限元分析软件，考虑碰撞过程中材料非线性、几何非线性、接触非线性等因素，研究了钢聚氨酯钢夹层结构浮式曲面环形桥墩防撞套箱的动力碰撞性能，并用于广东省清远市阳山县阳山桥桥墩防撞工程.

1曲面环形桥墩防撞套箱构造

根据桥墩防撞特点、桥墩外形以及夹层聚氨酯钢板的抗冲击特点，本文设计的防撞套箱外形类似救生圈，如图1所示.该防撞套箱套在桥墩柱上，悬浮在水面上，可自由转动，有利于瞬时改变撞击方向，有效转移船舶的撞击能，从而使桥墩免受正面撞击.考虑到船头高度及有利于消能，套箱的截面形式做成椭圆形，如图2所示.按照阳山大桥桥墩尺寸和通航等级，经试算，防撞套箱内直径1.7 m，外直径4.7 m，套箱与直径1.5 m混凝土墩柱间设置100 mm的间隙，以便在套箱内侧固定厚度小于间隙的橡胶护舷垫块.套箱的椭圆截面长轴2.5 m，短轴1.5 m；钢聚氨酯钢夹层板的厚度组合为8 mm60 mm6 mm.

为施工方便，防撞套箱可分为4个对称构件（图1未标识接头）加工制作，每个构件由若干块曲面板拼焊而成，构件的钢板内表面经喷砂粗糙及除锈处理后，灌注聚氨酯芯层，再运抵现场拼装.

2建立撞击仿真模型

船舶撞击桥墩是一个瞬态的冲击过程， 防撞套箱上的碰撞区域在很短的时间内发生弹塑变形，如屈曲、凹陷、褶皱和撕裂＼[8＼].本文采用有限元仿真分析方法模拟船舶撞击桥墩，用ANSYS/LSDYNA有限元计算软件模拟计算悬浮防撞套箱、桥墩、船舶三者的受力和变形＼[9-11＼]，并考虑了几何非线性、材料非线性和接触非线性.本文提出的防撞套箱是一种新的夹层材料防撞结构，研究的主要目的是探讨其具有共性的基本防撞性能，为实际工程应用提供理论支撑.具体的桥墩防撞应用，需结合船体和桥墩的实际情况进行定量分析.基于此，建立有限元计算模型时做了以下简化：

1）本文重点研究夹层板曲面环形桥墩防撞套箱的防撞性能，不考虑船体变形破坏吸收的能量，用质量块刚体撞击模拟船舶撞击；

2）船舶撞击防撞套箱时，不考虑桥梁上部结构的动力响应对能量的转移吸收；

3）在撞击过程中，水介质吸收的能量等效为一定的附加水质量 ＼[12＼].

2.1模型材料参数

根据相关文献，聚氨酯、钢板、桥墩混凝土的参数见表1.

此外，聚氨酯的冲击强度为24 kJ/m2，非线性剪切应力参数为0.

2.2有限元模型及计算

计算模型采用控制单元边长的方法来建立有限元单位网格，但进一步细分了墩柱与套箱接触部位的单元网格，模型中单元网格的最小特征长度约为120 mm.

采用ANSYS/ LSDYNA中提供的3维显式单元划分算法，桥墩及防撞结构共划分为37 909个单元，其中曲面套箱夹层板采用BelgtschkoTsag单点积分的壳单元算法和薄壳空间SHELL163单元，共12 709个，墩柱混凝土及橡胶护舷采用单节点积分算法和SOLID164单元，共25 200个.套箱与墩柱之间设置橡胶护舷，护舷与墩柱单元划分一致，采用共用节点固接.由于套箱接触面为曲面，以致护舷与套箱的连接节点不完全重合，本文采用ANSYS软件中CPTINF命令，将护舷与套箱接触面上节点转化为耦合连接.由于主要研究对象为套箱，设墩柱顶自由，墩柱底固结.计算模型如图3所示.

该计算模型不考虑船体在碰撞过程中的能量消耗，假设船体为刚性体单元，几何尺寸为1.5 m×1.5 m×2.0 m.碰撞体的质量和刚度一定时，撞击力的大小主要取决于碰撞速度＼[13＼].按照《公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）》， 100 t级船舶的运行速度在8～11 km/h之间，本文取碰撞体的初速度为2.6 m/s.

曲面空间结构 篇4

1 空间异型曲面钢结构的应用

21世纪以来, 空间异型曲面钢结构的出现为土建结构领域的发展起到了促进性作用, 日常生活中所常用到的空间异型曲面钢结构主要有空间桁架结构、悬索结构和网壳结构膜结构等。因空间异型曲面钢结构作用于空间内, 因此它的荷载、内力与变形属于三维状态, 是一般二维设计无法与之媲美的。由于以上特点, 空间异型曲面钢结构做到了经济、美观与高效, 它的问世得到了迅速的发展。

管桁架结构利用了钢管自身特有的优越受力性能同时配合美观的外部造型形成独特的结构体系, 以此满足了钢结构在设计上的最新观念, 以承重与稳定作用的构建组合及材料集中使用来发挥其空间性作用。

钢索、边缘构件与下部支承结构共同组成了大跨度屋盖的悬索结构, 在一定的静荷载下, 要先确定完整的悬索结构在原始的荷载作用之下的原始状态, 并计算出荷增量和索支点位移对温度造成的变形。

网壳结构可以由多根杆件组成网格后形成曲线形来实现, 它可以分为单曲和双曲两种形式。网壳可以与网架结合形成双层形态, 这时因节点呈铰接状态, 其杆件受力形式为轴向力。网壳由于曲率, 做出节点, 使杆件能承受附加弯矩或扭矩, 也可以做成单层形态。虽然网壳与网架大小不一、形态各异, 但其材料与截面基本相同, 杆件与节点都是同样类型可以重复使用。这种有利的条件使得许多标准化的网络结构体系得到了很好的开发与应用, 而且形成了其专属的工业化生产线。

20世纪中期逐步发展起来了一种全新型的建筑形式———膜结构, 所用的膜材料则是由涂层和基布这两个部分组成的, 而基布所采用的材料主要为玻璃纤维和聚酯纤维;而涂层选用的材料则主要以聚四氟乙烯和聚氯乙烯为主。其作为一种覆盖结构能够承受一定的外荷。

2 安装中的技术要点

以杭州奥体中心主体育场现场施工为参考, 其安装中的技术要点主要由支座预埋件部分、支座部分主花瓣部分和次花瓣部分的安装组成。

2.1 支座预埋件的安装

支座预埋件的安装主要考虑到其荷载的传递问题。上下两道竖向支座和中间的一道支座提供了它的支撑固定。它主要是从罩棚钢结构与两道竖向支撑来传递。随后竖向支撑把荷载继续传递给混凝土柱子, 再由基地传输到地基。支座预埋件安装时其施工单位要派专人进行监护工作, 其安装跟随土建主体结构进行施工, 必须保证安装精度的合格, 为上部钢结构的安装做好准备。

2.2 支座安装过程

体育场的铸钢支座分上中下三部分。铸钢上支座的安装将与看台土建进行同步施工, 在安装时将其局部预埋在看台里, 与看台劲性柱形成连接, 采用了100 t的履带吊把支座吊安装到固定位置。

钢结构开工之后开始进行铸钢中支座的安装, 其采用焊接与看台楼层侧面的预埋钢板进行连接, 安装时需设置临时的支撑架辅助进行, 当焊接完成后再将临时支撑架拆除。

下支座作为铸钢节点因六支管的交汇而形成, 因铸钢件较重分设4个吊点, 在场外采用400 t履带吊对其进行吊装就位工作, 因下支座在调整到预先设计的坐标后, 要实行双人对称焊接, 架设全站仪对场外的测量点进行测量并对各个管口坐标进行校准测量工作。

2.3 主花瓣的安装

主花瓣的安装需划分为8个单元对其进行现场的拼装和吊装工作, 其主要是整片主花瓣的重量高达300 t所致, 在场地内不可能进行一次性的拼装及吊装工作。而各个单元分段的重量也是有所差异的, 对各个单元的重心问题、结构形式问题和拼装形式的问题进行吊装工作。

2.4 次花瓣的安装

次花瓣的安装是由屋面与里面这两种形式构成。索桁架结构是屋面次花瓣的主要结构, 单层网格结构式立面次花瓣的主要结构, 结构不同导致安装的方法也不同。

立面次花瓣是被上、下2个节点支撑着的。上节点主要与主花瓣桁架进行相贯连接, 而处于主花瓣罩棚下面的下节点则是采用铸钢节点和埋件进行连接, 在进行立面次花瓣安装的时候, 如果首先安装主花瓣桁架, 以后将没有操作空间, 因此要先安装立面次花瓣。立面次花瓣有很高的安装标准, 它处于倾斜的状态, 在安装的时候要通过下部弦杆位置的链接耳板与上端的缆风控制。

3 质量与安全监控

3.1 质量监督

空间异型曲面钢结构在应用中的质量监督方面主要包括原材料的质量监控、生产制作当中的质量监控及施工过程当中的质量监控这三个方面。原材料方面主要是自原材料被运入工厂仓库后对其进行数量清点、重量计算、材料材质及外表质量检查, 对所选用的原材料做严格的筛选工作, 切实保证所需材料的合格, 做完这些工作后, 再由专人进行二次审核, 严格对待原材料的选用, 审核合格后方可投入加工。在生产过程中, 要做好技术交底、质量评定和完善资料等前提工作的安排, 并且在投入生产时, 要注意原材料的保护, 防止在搬运时损坏材料从而影响了生产质量。在现场施工前, 要先对施工时用到的材料做检查工作, 确保所用材料质量达标, 同时在施工的过程中严格监控施工人员的工作, 施工人员在施工时必须严格按照施工要求开展工作。另外在进行全过程的焊接质量控制时, 业主可以委托第三方对钢结构焊缝进行百分百的检测, 以此做到在施工过程中的质量监督。

3.2 安全监督

无论在任何地方任何时候, “安全第一”一直是人们老生常谈的问题。因此在进行土建施工时必须做好监督工作, 安全的一切后果都是由对待安全的态度造成的, 所以必须要抓紧安全工作, 而施工人员必须具备较高的安全意识, 这样才能做到见微知著、防微杜渐。其实说到底, 要保证安全, 人的因素是第一位的, 在进行安全监督管理工作时, 要不断健全和完善安全生产管理制度, 对安全生产实行全员、全方位、全过程的管理。同时加强教育培训工作, 提高员工素质。而空间异型曲面钢结构在应用中的安全监督方面主要是设备在运行中的安全操作, 在建设中的特种作业人员必须执行持证上岗, 经过专项的安全培训并考试合格后方可上岗, 并且在施工过程中, 因为高空作业量较多, 因此在高空作业时必须严格按照安全带的正确佩戴方式系好安全带, 时时刻刻铭记安全才是第一位。要把安全体现到实际工作中, 安全工作最终才有保证。另外在土建施工中, 安全帽的正确佩戴也是必不可少的, 与安全带的佩戴一样, 安全帽的佩戴也要按照其规定来正确使用。

4 结语

目前, 空间异型曲面钢结构在我国各个大型场馆的设计和建设正可谓是蒸蒸日上。作为现代化进程下的结构工程师们, 应当理性的去分析、认知各类结构形式的特点, 在做出方案时就应处理好有关结构概念等方面的设计问题, 排除各类隐患, 为以后的工程进展打下良好的基础。而随着空间异型曲面钢结构在建筑工程中的大量运用, 还必须对其建筑工程质量做好监督管理的工作。

参考文献

[1]汪进, 李扬, 刘明峰, 等.空间异型曲面钢结构安装技术应用例析[J].建筑, 2014 (5) :19-20.

[2]邱继军.异型空间网架结构快速成型[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学硕士学位论文, 2012.

CATIA高级曲面基础 篇5

1几何操作(Operations)几何操作功能是几何造型功能的重要补充与拓广，其功能强弱会直接影响曲面造型功能的使用效果。CATIA V5为用户提供了大量的曲线曲面的修改、编辑功能(如下所示)，极大地提高了曲面造型效率。Join合并几何元素(线、面)Healing 缝补曲面Curve smooth 曲线光顺Untrim 恢复被剪切曲面Disassemble 分解几何元素Split 切割曲面或线框元素Trim 修剪曲面或线框元素Boundary 提取曲面边界线Extract 提取几何体Multiple edge extract 从草图中提取部分几何体Shape Fillet 两曲面倒圆Edge Fillet 曲面棱线倒圆Variable Fillet 变半径倒圆Face-Face Fillet 面-面倒圆Tritangent Fillet 三面相切倒圆Translate平移几何体Rotate 转动几何体Symmetry 对称几何体Scaling 缩放几何体Affinity 仿射变形Axis to Axis 将几何体移动到另一坐标系中Extrapolate 延长曲线/曲面Invert Orientation 曲线/曲面反向Near 从组合体中提取与参考对象最近部分的元素1.1合并几何体(Join)详解该功能用于合并曲线或曲面(对话框见图1-1所示)，其操作步骤为：1)点击接合(Join)工具条或菜单Insert->Operations->Join。2)选择要合并的曲线或曲面。该命令提供了三种选择几何体的模式：标准模式(不按任何按钮)：如果所选几何体已存在于列表中，就将其从列表中删除;如果所选几何体还没在列表中出现，就将其添加到列表中。添加模式(按下Add Mode按钮)：如果所选几何体还没在列表中出现，就将其添加到列表中;否则也不将其从列表中删除。删除模式(按下Remove Modc按钮)：如果所选几何体已在列表中出现，就将其从列表中删除，否则不起作用。也可以从列表中选择要编辑的几何体对象，点击右键，选择快捷菜单中的Remove/Replace子菜单。3)按预览(Apply)按钮，预览合并结果，并显示合并面的定位。左键点击定位箭头，会使定位方向反向。4)在参数(Parameters)选项中，可以完成以下操作：如果点选了选项检查相切(Check connexity)，会检查要合并的几何体是否首尾相连，如果不是，会出现错误信息。如果点选了选项j简化结果(Simplify the result)，系统会尽可能地减少合并面的数量。如果点选了选项忽略错误元素(Ignore erroneous elements)，在合并过程中系统会自动忽略不能合并的几何体。对话框中的合并距离(Merging distance)是指合并间距限定值，即系统认为间距小于该值的两部分可以合并。如果选中角阙值(Angle Tolerance)选项，可以输入角度合并限定值，即系统认为两相邻部分在边界线上的角度小于该值的，可以合并。5)在要删除的子元素(Sub-Elements To Remove)选项中显示合并的子元素列表。所谓子元素是指构成要合并元素的元素。在此选项中，用户可以选择那些子元素不参与合并。如果选中了Create join with sub-elements选项，会用这些子元素生成一个新的合并元素，该合并元素是独立的。6)在组合(Federation)选项中，可以重新组织要合并的元素。7)点击OK按钮键，完成几何体的合并。图1-1 合并操作对话框1.2修补曲面(Healing)详解该功能用于修补曲面，即填充两面之间的间隙(对话框见图1-2所示)，其具体的操作步骤为：1)点击修复(Healing)工具条或菜单Insert->Operations->Healing。2)选择要修补的曲面。3)可以编辑要修补的曲面列表4)在参数(Parameters)选项中，完成以下工作：选择连续类型(Continuity)：点连续(Point)、切矢连续(Tangent)。输入合并距离(Merging distance)用来指定要修补的最大距离，即只修补间距小于该距离的元素。输入间距目标值(Distance objective)，它用于指定修补后曲面间可允许的最大距离。如果连续条件为切矢连续(Tangent)，则切矢夹角和切矢夹角目标值可用，它们分别用来设定要修补的最大切矢夹角和修补后曲面的允许最大切矢夹角。5)在冻结(Freeze)选项中，可以设定那些元素不受该操作的影响。6)在锐度(Sharpness)选项中，可以设定那些边界不受该操作的影响。其中锐度角度(Sharpness angle)用来界定尖角与平角。7)点击OK按钮，完成操作。图1-2修补曲面的对话框1.3光顺曲线(Curve smooth)详解该功能用于曲线的光顺处理，以生成高质量的几何体(其对话框见图1-3所示)，其具体的操作步骤为：图1-3 光顺曲线的对话框1)点击光顺曲线(Smooth Curve)工具条或菜单Insert->Operations->Smooth Curve。2)选择要光顺的曲线，在曲线上会显示关于该曲线的不连续信息(不连续类型及其数值)3)在参数(Parameters)选项中，输入连续限定值(Tangency threshold、Curvature threshold、Maximum deviation)。系统会光顺小于限定值的不连续区域。4)如果点选拓扑简化(Topology simplification)选项，系统会自动删除曲率连续的顶点，或两个相距很近的顶点中的一个，以减少曲线段的段数。如果该选项发挥了作用，会出现提示信息。5)进入可视化选项(Visualization)，设置信息的显示方式。可以将信息的显示设置成以下方式：显示所有信息：点选全部(All)选项。其中，改正后的不连续信息以绿色显示，改善后的不连续信息以黄色显示，没有变化的不连续信息以红色显示。仅显示没有改变的不连续信息：点选尚未更正(Not corrected)选项。不显示任何信息：点选无(None)选项。仅在曲线上显示箭头，当鼠标移到箭头上时，才显示不连续信息：点选Display information interactively选项。仅显示一个不连续信息，用前进/后退按钮依次显示其它信息：点选Display information sequentily选项。6)点击OK按钮键，完成操作。1.4恢复被剪切的曲面或曲线(Untrim)详解该功能用于恢复被剪切过的曲面或曲线。如果曲面或曲线被多次剪切，它将裁剪曲面或曲线恢复到其原始状态。对于被多次剪切的曲线或曲面，要想将其恢复到上一次剪切的状态，只能用Undo命令来实现。图1—41.5分解几何元素(Disassemble)详解该功能用于将多单元(Multi-cell)实体分解成多个单单元(Mono-cell)实体。在该功能中提供了二种分解元素的模式：1)分析所有单元(All Cells)：将所选择多单元实体中的所有单元分解出来。2)按区域来分解单元(Domains Only)：即部分分解元素，将首尾相连的元素分解为一个实体。该操作的具体步骤为：1) 点击分解(Disassemble)工具条或菜单Insert->Operations->Disassemble。2) 选择要分解的元素;3) 选择分解模式：分解所有单元(All Cells)或按区域分解单元(Domains Only)点击OK按钮键，完成操作。图1-51.6 切割元素(Split)详解该功能用一个或几个几何元素(Cutting elements)去切割另一个几何元素(Element to cut)(对话框见图1-6)。可以用此功能来完成以下操作：1)用一点、一线框元素或一面去切割一线框元素;2)用一线框元素或另一面去切割另一面。完成切割的具体步骤为：1)点击切割(Split)工具条或菜单Insert->Operations->Split。2)选择被切割元素(Element to cut)。所选位置将被默认为保留部分的位置。3)选择切割元素(Cutting elements)。此时会显示切割结果的预览，可以通过点击要保留部分或通过按另一侧(Other side)按钮，来改变要保留的部分。可以选择多个切割元素，但要注意其选择次序图1-6 切割元素的对话框如果切割元素不足以完全切割被切割元素，系统会自动延伸切割元素以完成切割。4) 如果选中了Keep both sides选项，则将同时保留切割后的两部分。5)如果选中了Intersection computation选项，则在完成切割的同时，还创建一个独立的相交元素。6)如果用一个线框元素切割另一线框元素，可以选择一支撑元素(Support)来指定切割后要保留的部分。它由支撑元素的法矢量与切割元素的切矢量的矢积决定。7)可以将切割元素合并成一个元素。方法是在Cutting elements中用弹出菜单中的Creat Join项。8)点击OK按钮键，完成操作。

1.7修剪元素(Trim)详解

该功能用于实现两个曲面或两个线框元素之间的相互剪切(对话框如图1-7所示)，其具体操作步骤为：1)点击修剪Trim工具条或菜单Insert->Operations->Trim。图1-7 剪切元素对话框2)选择要剪切的元素(两面或两个线框元素(Element1、Element2))。此时会显示剪切结果的预览，可以通过点击要保留部分或通过按另一侧按钮Other side of element1和Other side of element2按钮，来改变要保留的部分。如果两元素不能相互完全切割，系统会自动延伸两元素以完成切割。3)在剪切两个线框元素时，可以指定一个支撑面(Support)，来确定剪切后的保留部分。它由支撑面的法矢与剪切元素的切矢的矢积来确定。4)如果选择了结果简化(Result simplification)选项，则系统会尽量减少最后生成剪切面的数量。5)如果选择了相交计算(Intersection computation)选项，会生成两相剪切元素的相交元素。点击OK按钮键，完成操作。1.8提取边界线(Boundary)详解该功能用于提取曲面的边界线(对话框见图1-8)，其具体操作步骤为：图1-8 提取边界线的对话框1)点击边界(Boundary)工具条或菜单Insert->Operations->Boundary。2)选择曲面边界(Surface edge)。3)选择边界外衍类型(Propagation type)：全边界提取(Complete boundary)：提取曲面的所有边界。点连续外衍提取(Point continuity)：沿所选边界点连续外衍提取边界。切矢连续外衍提取(Tangent continuity)：沿所选边界切矢连续外衍提取边界。无外衍提取(No propagation)：仅提取选定的边界线。可以用两个元素限制所提取边界线的范围(Limit1、Limit2)。点击OK键，生成边界线，它在特征树中显示为Boundary.xxx。注意：如果直接选择曲面，则不能选择边界外衍类型，系统自动提取曲面的整个边界线。用此方法提取的曲线不能直接用于拷贝、粘贴，只能先将曲面拷贝、粘贴后再提取边界。1.9提取几何体(Extract)详解该方法用于从几何元素(点、曲线、实体等)中提取几何体(对话框见图1-9)。其具体操作步骤如下：图1-9 提取几何体的对话框1)选中一个几何元素的边界或面。2)点击提取(Extract)工具条或菜单。3)选择提取外衍类型(Propagation type)：有四种选择4)如果系统无法确定外衍方向，系统会发出警告信息，并要求输入支撑面(Support)。5)可以用补充模式(Complementary mode)选项，反选对象，即只选择原来没有被选中的对象。6)如果选中联合(Federation)选项，则提取出的元素会被组成几组元素。7)点击OK键，完成操作。在特征树中显示为Extract.xxx。

1.10提取多边界(Multiple Edge Extraction)详解

该功能用于从多元素草图中提取一部分元素，这样就可以用这个提取出来的元素生成几何体。所提取的元素在特征树中显示为Extract.xxx，它的操作与其它元素一样。图1-101.11两曲面倒圆(Shape Fillet)详解该功能用于在两曲面间生成倒圆面，倒圆面是一球体在两面间滚动而生成的曲面(图1-11为其对话框)。其操作步骤为：图1-11 两曲面倒圆对话框1)点击简单圆角Shape Fillet工具条或菜单Insert->Operations->Shape Fillet。面的2)分别选择两个曲面(Support1、Support2)。3) 输入倒圆半径(Radius)。4)确定倒圆面位置。在选择的两个曲面上分别出现一个箭头，指向待生成倒圆曲面的圆心位置，可以将箭头反向来确定倒圆面的位置。5) 选择倒圆面端点约束条件(Extrimities)。该命令提供了以下选项(见图3-51)：无切矢约束(Straight)：在倒圆面的端点不添加切矢约束。切矢约束(Smooth)：在倒圆面的端点添加切矢约束。最大(Maximum)：倒圆面的端点位置受最大支撑面限制。最小(Minimum)：倒圆面的端点位置受最小支撑面限制。6)可以选择Trim support elements选项，将支撑面的多余部分剪切掉，并与倒圆面合并成一个元素。7)借助于Hold Curve和Spine选项，可以实现变半径倒圆。其中，Hold Curve位于一个支撑面上，由它来确定倒圆面的半径;由Spine线来确定倒圆面的走向。最后生成的倒圆面与两支撑面相切，并以Hold Curve为它的一条边界线。8)点击OK键完成操作。1.12棱线倒圆(Edge Fillet)详解该功能用于沿一个曲面的内部棱线生成一个过渡曲面(对话框见图1-12所示)。其操作步骤为：

无约束切矢约束最大最小

4K当道，“曲面”热闹 篇6

2014年的CES，3D打印、可穿戴设备、智能家电等继续成为热点，消费电子创新不竭，而CES所涉及的产业版图也在不断扩张，全球十大汽车厂商中有9家莅临CES。其中，显示屏领域的风向尤其引人关注，4K（即4096×2160像素分辨率）屏幕和曲面屏幕（又称可弯曲或柔性屏幕）都在CES的“热词”之列。

4K新战场

CES正式开展前，技术类媒体已纷纷预测2014年可能是4K超清技术普及的元年。果然，4K超高清成为所有电视制造商力推的重点，三星、LG、索尼等全球性巨头自不用说，参展的中国电视制造商亦全力以赴，4K产品占据参展电视的半数左右。在LG展厅附近有家陌生的“新世纪控股集团”，闲谈间才发现其为浙江台州的一家代工商，已开始向客户提供4K电视的代工服务。

2014年，4K电视有望取代1080P电视的旗舰地位，成为高端电视的标配。“4K技术已成为电视行业战略新高地，所有厂家站在了新的起跑线上，又会有一轮市场地位的竞逐。”一业内人士在CES现场对《二十一世纪商业评论》记者说。

4K在个人消费领域的应用前景毋庸赘述，其在商用领域的前景亦非常广阔。老牌电器制造商松下电器的展厅即以4K为核心，针对各种商业应用场景进行了创新，展现了4K技术商用的广泛可能性。

尽管松下同样推出了可穿戴式摄像头、“生活+屏幕”AX800电视等4K消费类产品，但其显示终端的战略重心已向B2B市场转型，更侧重4K技术在商业领域的应用。在CES开展之前，松下发布了全球第一款将在2014年2月中旬发售的 20英寸4K平板电脑——Toughpad 4K UT-MB5。不同于iPad所定位的普通人群，Toughpad素以“三防”（防水、防尘、防摔）概念主攻专业级市场，而该款4K平板电脑则主要面向从事计算机辅助设计（CAD）和视频编辑的专业人士，还可以应用于医疗、工程甚至军事领域。

在CES现场，松下展出了4K屏幕安全解决方案，将全高清摄像机与4K显示监控解决方案相结合，监控所呈现的画面（尤其是人的面部特征）非常清晰，结合人脸识别技术，未来将会大大提升整体监控的效果和准确性。

与4K安全方案相邻的，是3块65英寸的4K广告显示屏，不断地播放着各种产品的高清图片，效果非常逼真。更妙的是，利用射频技术，产品内容可与用户行为实现互动，比如当用户靠近衣服或拾起鞋子时，系统会自动展现相应的产品图片。研发人员相信，注重产品质感、形象的奢侈品大牌或许会率先采用4K的高清显示屏来进行产品展示，提升消费体验。

除了展示产品外，4K屏幕的组合还能发挥意想不到的作用：还原赛场——3块4K显示屏所构成的一个超宽画面，可以超广角的视野呈现一场橄榄球赛的全貌。结合相关技术和分析软件，还可以全程捕捉赛场上所有运动员的动作，对其动作特点进行精准的数据分析。

目前，这项应用已准备投入使用，北美赛马场Churchill Downs将与松下合作建设4K LED超大显示屏，该显示屏将达171英尺宽、90英尺高，坐落在80英尺以上的位置，建成后将是世界上最大的4K屏幕，用以进行赛况直播、比分展示等。

据松下电器环保解决方案北美市场总裁Jim Doyle介绍，今后一段时间，4K大屏将有望成为大型场馆的标配，而美国就有1300个左右的大型场馆，他们正竭力争取4K大屏的好生意。

不过愿景之下还有现实的障碍，由于现在4K电视的内容源非常缺乏，且整个有线网络或者互联网一时都达不到4K的传输标准。播放4K流媒体所需要的带宽为15 Mbps，目前网络环境无法达到如此高要求。因此，厂商推广4K电视固然积极，但距离真正实现4K效果尚需不少时间。

“曲面”风头劲

4K前景大好，固然火爆，但是，风头更劲的，则是曲面电视。国际大牌的电视巨头都祭出了“曲面”营销法宝，以曲面屏幕作为广告卖点的比比皆是，CES展馆墙外最明显的位置，就是三星电子105英寸曲面电视的广告；展馆对面万豪酒店的侧面墙体，整体覆盖着LG的曲面电视广告……

无疑，曲面电视在外观上更酷，但它凭什么就比平板更好？厂商们的解释是，弧形屏的曲率与眼球曲率相匹配，如果坐在离屏幕恰当的位置，图像能够更好地呈现在视野中。在CES展会上，索尼CEO平井一夫就表示非常喜欢曲面电视，“有一种被图像包围的感觉，这是极佳的体验”。

有人直接将曲面电视的好处类比为IMAX屏，后者也是弧形的。但他们所忽略的一个问题是，IMAX屏幕足够大，对于落座位置要求不高。尽管此次展出的曲面电视有的达105英寸，但若要电视画面实现与眼睛等距，观众最好得像《生活大爆炸》中的谢耳朵一样，选一个精准的好位置看电视，如果距离太近或太远，可能就感受不到曲面电视的效果。因为观看方式颇为挑剔，业内有声音认为，曲面电视不过是一种“营销噱头”。

主流厂商大多没有公布其曲面电视的价格，相信绝对不便宜。有科技博客引证说，目前可供比较的产品是索尼65英寸、1080P分辨率的KDL - 65S990A ，其北美价格为4000美元，较同尺寸、同分辨率的电视高出60%，与同尺寸的4K平板电视价格相当。由于加入4K电视阵营的厂商多，出货量更大，有预测认为，4K电视的降价以及普及速度将高于曲面电视。当然，只要土豪有兴趣，荷包足够鼓，曲面和4K可以两者得兼。

不过，在CES展厅现场，曲面屏幕的展示也不仅仅局限于一块电视屏幕。在松下电器的展台，6块55英寸弧形面板一字排开，形成了一道“S型”屏幕墙。其与众不同之处在于，三块面板向内凹进、三块则向外凸起，构成了一个连续的柔性曲面，凹凸相间，格外灵动。

曲面空间结构 篇7

中央站房由五个主拱作为支撑, 截面为椭圆变截面钢管, 单拱最大跨度116m, 最大拱顶中心标高为58.157m, 拱上有树枝状V型锥管支撑, 用于支撑纵横管桁架形成的屋盖结构。屋盖投影面积为307.813m×184.00m, 纵横桁架将屋盖结构划分为58×33个单元网格, 横轨桁架为空间双曲双拱结构, 顺轨桁架为平面桁架, 横轨桁架为屋盖结构的主受力构件。

2. 总体方案选择

武汉站建筑造型、结构形式以及现场施工环境, 采用“大型滑移胎架”进行施工, 即在结构原位下方分区搭设大型滑移胎架支撑体系, 结构部件吊至高空组对安装, 结构单元片区形成整体稳定后, 胎架滑移至下一区间施工。

本项目在施工前还针对大跨度钢结构其它常见施工方案进行了思考, 但都局限于武汉站的特点而不适合。

2.1 原位胎架施工法

针对一些工期相对轻松的工程, 原位胎架 (原位满堂脚手架或胎架) 具有施工安全、方便定位等优点, 但本工程施工工期十分紧张, 原位设置脚手架, 其安拆时间过长, 将极大的影响后续土建施工。

2.2 提升施工法

对于规整的单层、支撑简洁的多层平面结构, 比较适合采用提升法施工。

就本工程而言, 结构刚度相对较弱, 提升点的布设困难;支撑体系复杂, 高空对接就位质量难以保证;提升施工不可预见风险较大。

3. 吊装单元的划分与选择

选定了胎架滑移施工整体安装方案, 吊装单元的划分与选择方式又将成为研究的重点, 其对施工质量与进度影响重大, 针对桥建合一武汉站的特点, 共有三种单元划分形式:散件 (相贯杆件) 高空拼装;大单元地面拼装整体吊装;散件与片状结合施工。

3.1 散件 (相贯杆件) 高空拼装

主要施工方法:桁架所有杆件在工厂下料, 高空直接组对相贯口及所有节点板。

方案优点:相对减少工厂及地面拼装工作量, 降低了构件运输要求;杆件直接焊接, 相对减少了现场对接接头。

方案缺点:单节点相贯杆件数量较多且重叠相贯, 另有多板穿插其中, 组对、施焊时须先后进行, 部分焊缝在高空无法施工焊, 质量难以保证;现场施工工作量增大 (112300个相贯口、11500块穿心节点板、9870个非穿心节点板、34300块加劲板) , 工期难以保证;现场安装测量定位困难, 施工质量难以保证, 不可控因素多;节点焊接量大且集中, 焊接变形大, 容易形成较大的焊接残余应力, 对结构整体受力不利。

3.2 大单元地面拼装整体吊装

主施工方法:将2—3桁架在拼装场地进行整体拼装后, 采用大吨位吊装设备吊装就位。

方案优点:结构整体性相对较好;减少高空焊接工作量。

方案缺点:现场施工场地狭小, 无法提供拼装作业面, 只能进行场外拼装, 但限于道路及桥梁施工影响很难运输;两片结构体积通常达18.75m×8m×7.5m, 单块整体刚度较差, 吊装运输时容易造成结构永久性损坏。

3.3 散件与片状结合施工

主要施工方法:根据现场运输道路及塔吊起重能力将桁架分成部件 (高度大的分上下弦及腹杆, 其它的整片分段) 高空进行吊装。

方案优点:不受拼装进度的影响, 可多点位展开施工;合适的构件大小 (构件体积18m×3m×2m) , 能充分高效的发挥常用运输和吊装机械的能力;将整个工程的工作量合理地分配给加工厂和现场安装, 更充分的发挥了各自的优势;将复杂节点 (多管相贯和多板贯穿杆件以及加劲板的焊接) 的焊接放在了加工条件更好的工厂施工, 更好的保证了工程质量。

方案缺点:相对增加了现场对接接头;变形需严加控制。

综上, 三种吊装单元的划分均有其优势及缺点, 根据武汉站钢结构的特点, 选择“散件与片状结合施工”。

4. 具体的分段原则

4.1 桁架高度不大于2.5m

4.2 桁架高度大于2.5m

5. 结论

曲面空间结构 篇8

原因有如下几点:

(1) 曲面不能简单采用G02、G03圆弧编程指令直接编程。 (2) 曲面中任意空间点位置很难确定。本实例进行了有益的尝试和探索, 给出了切实可行的解决方案, 为类似问题提供了难得的参考及借鉴。圆弧倒角宏程序的编制思路分析如下。零件尺寸如图6所示。

刀具由下到上进行分层式加工。起刀位置设置在低端圆弧的象限点处。这样有利于程序的建立和加工过程的平稳。编制该圆弧倒角曲面 (以下简称圆弧曲面) 程序的核心点在于曲面上任意空间P点坐标值的确定 (如图4、图5) 。OB、OA、PE就是空间任意P点的坐标线段。

1 切点角度与圆心坐标的确定

分析图2可知, 由于尺寸图没有给出切点D、E的角度与圆心A点的坐标, 可以通过BC和角度α确定OB的长, 之后采用余弦定理求出∠AOB与∠ABO, 进而求出D、E点坐标和β、γ角度。通过D、E两点坐标与R100圆半径建立圆方程组, 即可求出圆心A点坐标。具体求解过程在此不再赘述, 请参阅相关数学资料。这里直接给出β=100°γ=123°, HA=20.03, HI=123.17。

2 任意层与截面曲线交点位置的确定

分析图2, 由于两端终值角度β、γ不一致, 把切削层分为50份, 令n为角度等分增量。任意层中轮廓角度的变化值为η, θ (如图3) 。

建立角度变量参数方程式:

由此推导出任意切削层交点T、S的位置为:

3 确定空间曲面任意P点的X、Y坐标参数

分析图4圆柱体半径OT经过180°扫略后逐渐渐变为OS, 图3中U、V、I在图五中投影成为O点。圆柱体半径OP的变化率为:

由于ω角度从0°到180°时, OP逐渐减小。从180°到360°时, OP逐渐增大。把ω均分为360份, 令m为等分增量。则OP的半径变动方程式为:

由此可推出空间曲面任意点坐标X、Y分别为:

4 确定空间曲面任意P点的Z坐标参数

分析图5中任意层P点的位置不难发现, P点相对于A点的半径P A是由T A逐渐增大至S A。圆柱体半径A P的变化率为:

由于ω从0°到180°时, PA逐渐增大。

从180°到360°时, PA逐渐减小。借用上述m参数, PA的半径变动方程式为:

综合图4、图5, 通过空间曲面任意点X轴坐标OB, 半径PA, 圆心坐标 (HA, HI) 利用圆方程求解, 即可确定PE的Z轴坐标值, 即确定了任意P点的Z坐标参数。

5 程序编制 (FANUC系统)

零件尺寸如图6所示

6 结语

该程序突出的是一种曲面编程的思路, 为了便于读者理解, 没有考虑刀具的半径补偿, 在实际的运用中, 只要把零件图适当的偏置一个刀半径。采用上述思路便能很好的与之结合并达到满意的加工效果。

摘要：复杂曲面的编程一直是数控手动编程的难点, 一般是通过电脑编程来进行控制, 本文从手动编程出发, 对曲面编程的数学原理进行剖析研究, 从最原始的角度阐述数控编程的核心内容与意义。

曲面空间结构 篇9

为此, 本文针对曲面胶印机两板式支撑结构的缺点, 提出了一种曲面胶印机三板式支撑结构, 以改进整机的动态性能, 提高印刷质量。论文首先论述曲面胶印机的主体机构与传动关系, 其次设计一种用于曲面胶印机的三板式支撑结构, 通过模态分析, 讨论三板式支撑结构的动态特性。所设计的结构应用在多色曲面胶印机中取得了很好的效果。

1 曲面胶印机的工作原理[2]

曲面印刷机是一个高度机电一体化的印刷设备, 其基本的印刷原理采用柔性凸版与胶印复合印刷模式, 因此兼有胶版印刷与柔性版印刷的优点。其结构及印刷示意图如图1所示, 曲面胶印机通过窜动胶辊2把UV油墨1均匀涂抹到柔性凸版3上;柔性凸版上的单色图形转印到鼓轮橡皮布4上, 橡皮布上的多色图形, 则通过多组柔性凸版通过恒定机械传动链以同步的方式套印在同一个橡皮布上;大鼓轮5与步进分度模头7以双电机独立控制方式确保橡皮布与步进分度模头7上的锥形塑杯步进同步接触滚动印刷。

1.UV绿色油墨2.窜动胶辊3.柔性凸版4.印刷橡皮布5.大鼓轮6.形塑杯7.步进分度模头

为了保证锥形塑杯的印刷质量, 需要一系列的功能工位, 具体如示意图2所示。整个步进印刷工步包括进杯1、顶杯2、电晕及检测3、顶杯4、印杯5、次品弹出6、UV固化7、出杯8八个工位。各工位按一定的节拍步进进行, 其中印杯工位5完成大鼓轮橡皮布上的套色图形转印到锥形塑杯表面。

因此, 曲面胶印机传动系统主要包括大鼓轮印刷传动系统、送墨传送系统和步进分度传动系统。这些传动系统的动态性能直接影响到整机的印刷精度与质量。随着曲面胶印机的工作速度达到36 000个印杯/小时, 对支撑这些传动系统的支撑箱体提出了更高的要求。

2曲面胶印机三板支撑结构的设计与模态分析

大鼓轮印刷传动系统、送墨传送系统等都需要一个支撑框架, 实现传动系统的支撑与各传动轴的空间布置。为此, 需要考虑支撑动态特性的结构设计。

2.1三板支撑结构的结构设计

曲面胶印机核心传动系统是大鼓轮印刷传动系统, 其功能是使印版辊与大鼓轮圆周分布的橡皮布之间实现无摩擦对滚, 完成多色图案的准确套印。其中, 多个印版辊环绕大鼓轮圆周间隔分布, 因此, 整个传动系统是空间分布的多轴系统。由于曲面多色胶印的速度很快, 各橡皮布的印刷节拍造成不可避免的强迫接触冲击, 有可能造成套色不准与错位, 直接影响印刷质量。为此, 必须提高大鼓轮印刷传动系统的刚性及动态性能。

为保证曲面胶印机大鼓轮印刷传动系统的动态特性、提高其刚度, 如图1所示, 设计一个三板式支撑结构。其中, 板1、2、3分别是三个支撑板, 传动主轴支撑在板1、3的轴承上, 通过板2把大鼓轮3和大齿轮5分成两个腔室, 分别是印刷腔室和传动腔室。同时, 多个印版辊传动轴支撑在板1、2、3上, 其中, 印版辊处于印刷腔室, 小齿轮处于传动腔室。从而实现了印刷与传动的空间隔离, 保证了印刷的卫生与整机的整洁。更为重要的是, 板1、2、3通过至少3个连接轴4紧固在一起, 提高了整机的支撑刚度, 保证快速印刷的动态性能。

1.左支撑板2.中间支撑板3.右支撑板4.连接轴5.大齿轮6.印版辊7.小齿轮

2.2模态分析

为了进一步评价三板式支撑结构的动态特性。本文通过3D实体建模, 在ANSYS Workbench中完成了两板式支撑结构与三板式支撑结构的模态分析, 以对比分析新型三板式支撑结构的优越性。分析结果如图4、5所示。

根据分析结果可知, 两板式结构的一阶模态频率1 436 Hz, 而三板式支撑结构的一阶模态频率为1 524 Hz。表明, 三板式支撑结构的动态刚度要远好于两板式支撑结构。

3 结论

随着曲面胶印机的印刷节拍越来越快, 对整机动态特性提出了更高的要求。本文提出的三板支撑结构能够显著提高整机的动态性能, 实现了印刷与传动的空间分离, 保证了印刷过程的卫生要求。所设计的三板式支撑结构已成功应用在公司产业化的曲面胶印机上, 在保证印刷质量的前提下, 使得整机印刷速度达到了36 000个印杯/小时。

摘要：论述了曲面胶印机的动态性能要求与支撑箱体结的设计。针对曲面胶印机高速运行情况下对整机动态性能的要求, 设计了具有三板式支撑结构特征的支撑箱体结构, 采用ANSYS Workbench进行了两板式与三板式支撑结构的模态分析。设计与分析结果表明, 三板式支撑结构具有更好的动态特性。

关键词：曲面胶印机,箱体,动态分析

参考文献

[1]蔡建伟, 胡中越曲面胶印机[]中国专利:200620061956.3.2007-08-22.

曲面空间结构 篇10

Gu[1]提出的重建方法能够处理双曲线、抛物线等工程中常见的二次曲线,该方法较好的解决了空间曲线边的重建问题,但存在着几何计算量大、曲线拟合精度不高等问题;Fen[2]以二次曲面体的三维位姿和它的图像轮廓之间的闭式映射关系,从灰度图像鲁棒地提取的二次曲线参数直接确定二次曲面体的三维位姿;Simant[3]从多目图像中,以物体边缘轮廓为基元对物体进行三维重建,但过于依赖重建对象的形状和空间位置的摆放,限制了它的实际应用;孙[4]以二次样条曲线作为重建基元对空间曲线进行重建,并将之应用到空间物体的三维重建中,在重建精度和算法复杂度上有较大的改善。

本文利用空间二次曲线的投影不变性,提出一种从两个透视投影图对空间二次曲面体轮廓重建的方法。这种方法充分利用了图像的轮廓特征,以轮廓曲线上的点做重建基元,对空间二次曲面体进行结构重建,避免了解高次方程所遇到的困难,弥补了以往重建精度的不足和重建方法的局限性。

1 成像系统及坐标描述

本文采用平行对准配置的双目立体视觉系统,摄像机的几何关系如图1所示。设两摄像机焦距分别为f1和f2,摄像机的光心O与O’分别对应着坐标系C1和C2的原点,两个摄像机的投影中心间的距离(基线)为B。为了问题简化,取左摄像机的坐标系C1为世界坐标系,左图像坐标系为O1-X1Y1,右图像坐标系为O2-X2Y2。空间景物上一点P,在世界坐标系C1中的坐标P(xw,yw,zw),P1(X1,Y1,f1)和P2(X2,Y2,f2)分别为其在左右图像平面I1和I2中的投影坐标。那么P点与P1点有关系如下:

设右坐标系C2的原点为O’,令其在世界左坐标系下坐标值为O2(xd,yd,zd)。那么P点在右坐标系C2中的坐标可表示为P(x’w,y’w z’w),且有如下关系[5]:

其中λ是两个参考坐标系之间比例因子,不失一般性,可设为1。由公式(2),空间点P(xw,yw,zw)与P2(X2,Y2,f2)有如下关系:

方程(1)和(3)是一对任意透视投影图的共线方程。

2 边缘特征的提取与匹配

2.1 轮廓边缘特征提取

图像中景物的形状轮廓信息通常采用边缘检测的方法获得。由于实际图像(图2)中边缘类型的复杂,并且存在着不同程度的噪声,对算法的适应性和有效性有着较大的考验。

Canny边缘检测算法[5]利用高斯函数的一阶微分,用非极大值抑制和“磁滞”阈值法来定位导数最大值,在噪声抑制和边缘检测之间取得了较好的平衡,是公认比较好的边缘检测算子。但对实际图像来说,直接canny算子提取的边缘仍不理想。从图2(a)中可看出,提取的边缘既琐碎凌乱,也不连续。这种边缘不但难以体现模型的轮廓信息,而且也很难进行后续边缘匹配。

为了得到单像素轮廓边缘,该文采用改进的canny算子[6]来提取轮廓边缘信息。改进后的canny算子采用非极大值抑制和双阈值控制的方法,能够有效的避免噪声的干扰,对原图像中具有一定像素宽度的区域边界进行细化。图2(b)是采用上述方法所获得的模型轮廓边缘,与Canny算子边缘相比,改进canny算子检测的边缘具有更好的连续性和完整性,能够较好地体现景物的轮廓信息。

2.2 轮廓边缘匹配

轮廓边缘匹配基元通常是以分段线段为单位,按线段分组匹配各边缘点。然而,不同视点的成像差异,造成左右图像中各边缘线段通常并不严格对应,从而使得匹配出现较大误差。

苏[7]提出边缘模板匹配法,计算基于边缘点之间的平均最近距离的匹配代价和基于边缘点梯度方向直方图的匹配代价作为相似性测度,实现模板匹配。该方法在模板匹配过程中充分利用边缘特征的梯度强度信息和梯度方向信息,使得匹配有更好的准确性和鲁棒性。该文采用该方法对轮廓边缘进行匹配。在边缘特征提取的基础上,选取一幅边缘图为基准模板,采用模板匹配方法对边缘图进行匹配。考虑到拍摄视角的转换会引起轮廓的扭曲变形,对第一幅图像中的每个轮廓点,遍历另一幅图像中的所有轮廓点,比较两个点间的差异,如果两个特征量差值均在一定范围内,则认为是正确的匹配对,匹配结果如如图4所示。

3 重建过程

由二次曲线的性质可以知道:空间二次曲线在图像上的投影仍然是二次曲线。设投影二次曲线Γj(j=1,2)在各自对应的图像平面I1和I2方程为:

设(X2,Y2)是曲线Γ2的任意一点,将其代入方程(4)后,应用针孔模型得:

设f2=1,其中(x’w,y’w,z’w)是空间景物上P点相对于右坐标系C2的坐标。现换算成相对于左坐标系C1,即将方程(2)与方程(5)联立:

由方程(1)可知:

不失一般性可设定f1=1,方程(6)改写成:

记

上面的公式(8)可以改写为:

那么,

在曲线Γ1上选择一系列点Pi1(Xi,Yi),利用方程(10)可以得到两组坐标值(xi1,yi1,zi1)和(xi2,yi2,zi2)。由先验知识和实际相机的几何约束可知:r为正,则z的值只能为正且为实数。在确定唯一解之后,对坐标(xi,yi,zi)进行拟合,重建空间二次曲线的三维结构。

4 实验

采用图5所示实物仿真平台进行实验,以检验上述三维重建算法。因实验平台只有一个CCD相机,实验时通过固定拍摄模型而平行移动相机获取双目视觉图像。

在标定摄像机内外参数之后,对模型进行拍摄,获取立体图像对。按第3节所述方法对左右两幅图像进行图像预处理,提取模型的边缘轮廓;然后以边缘模板匹配法得到同名轮廓曲线,并选取同名曲线的关键点,建立起两幅图像间同名目标曲线上各像素点的对应关系。在建立起基于图像点的对应关系后,就可以按第4节重建方法,计算出同名匹配点的空间坐标。最后用最小二乘法在matlab2011软件环境下,将空间点拟合成完整的二次曲线段。

5 结论

本文根据空间二次曲线投影不变性,提出一种从两个透视投影图像对重建空间二次曲面体轮廓的方法。此方法的主要优点在于:

1)能够从两个透视投影图像对重建空间二次曲线,不受重建对象空间位置的限制;

2)充分利用点的不变性和二次曲线的投影不变性,在点的基础上重建空间二次曲线,保证了重建的精度;

3)避免了解高次方程,算法具有较快的计算速度。

虽然本文提出的方法可以应用空间二次曲面体结构重建,但是对具有复杂结构的自然曲面体仍有较多不适,笔者正在研究将此法推广到其他复杂自由曲面体的重建。

摘要：该文利用空间二次曲线的投影不变性,提出一种从两个透视投影图对空间二次曲面体轮廓重建的方法。根据双目立体视觉的成像模型计算匹配边缘点的三维坐标,最后使用非线性最小二乘法曲线拟合实现轮廓的三维重建。实验结果表明,该方法能够有效地重建出空间中任意摆放的二次曲面体的轮廓边缘,较之以往的重建方法具有较高的重建精度。

关键词：双目视觉,二次曲面体,轮廓,三维结构重建

参考文献

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曲面产品彩色印刷方法 篇11

精美创意的曲面产品以其个性化造型、色彩绚丽和承载特定功能，受到了人们的喜爱，在日常生活中被大量使用。然而，其不规则曲面特征使得常规印刷技术难以直接对产品着色。因此，国内外学者以及科研人员纷纷采用不同方法研究曲面产品的彩色印刷问题，不断推动曲面产品彩色印刷技术的蓬勃发展。

曲面印刷是指对外形呈曲面的承印物进行印刷的印刷方式总称。根据曲面印刷的发展阶段不同，曲面彩色印刷分为传统方法和现代方法。传统方法根据曲面油墨转移方式不同，分为曲面丝网印刷、移印和成型物凸版胶印等几种类型。现代方法则依据承印物的空间运动形式不同，分为3D彩色打印、旋转体表面喷墨打印和立体喷墨打印方法。

传统曲面印刷技术

1.曲面丝网印刷

曲面丝网印刷是除平面之外诸如塑料圆筒、圆柱、圆锥、变形曲面等的丝网印刷。曲面丝网印刷的原理是承印物在某一位置，以某一中心线为轴进行旋转的印刷，承印物转动量和印版运动量是相同的，并且保持同步运行，在其中心线上通过刮板的加压运动而进行印刷。由于印刷面为非平面，其印刷方法、特点和平面印刷相比有很大不同，其印刷难度也较平面印刷大得多，因此印刷中的装备技术显得尤为重要。曲面丝网印刷机主要有3类：手动曲面印刷机、半自动曲面印刷机和全自动曲面印刷机。不同机型的曲面丝网印刷的工作特点及分析见表1。

为提高曲面丝网印刷技术的质量与效率，不少研究人员进行了尝试。如汪昌进制作了活面丝网版，纯手工拉紧印版紧贴承印物上进行丝网印刷，获得塑料桶、纯净水桶、脸盆、热水瓶、杯、碗、盘等印品。该种方法操作方便，对承印物的要求灵活，体积能大能小，数量可多可少，具有成本低廉、节约能源的优点。针对不规则曲面或者有异物突出的承印物，手动曲面丝网印刷机难以进行图案印制，代棋帆等人改进了手动曲面丝网印刷机，在印刷底板的表面开槽和打孔，将地板平面制成上下等宽的两条凹槽，左右同样开槽并各打两个穿透底板的圆孔，凹槽圆孔与圆柱丝杆直径相同，保证丝杆能在圆孔中上下、前后、左右方向上的三维移动，在手动曲面丝网印刷机的底板工作台上形成一个横纵自由的移动空间，使得半径不同的曲面物体以及带有凸起物的承印物可以放在纳物台上单向升降，解决了不规则物品的空间运动问题。杨光通过对丝网印刷与其他类型印刷工艺的实践比较，指出丝网印刷是一种适应现代艺术生活、创造具有高品位和高艺术价值的曲面造型物彩色外观的有效印刷方式。对于弧度约30度的曲面台灯表面，张宇新采用平面丝网版印刷方式在字典式台灯表面印字，发现局部区域点的重复印刷会导致字迹重影、模糊；后来采用弧形网版进行曲面印刷，解决了平版印刷出现的问题。张琦列举了几种不规则承印物的印刷方法，指出丝网印刷是适合固态承印物的印刷方式，给出了两个丝网曲面印刷的案例（见图1）。

在丝网装备技术方面，由于丝印装备价格低廉，且使用历史较长，因此对圆柱形瓶盖的表面彩印广泛采用曲面丝印方式。国际上，意大利、美国、荷兰、瑞典等发达国家一直是曲面印刷机设备的全球装备及技术领导者，如荷兰多福公司、美国波利太浦公司、意大利安色公司等三大曲面印刷机制造知名企业，它们开发、生产的装备代表当今国际最先进曲面印刷机设备的技术水平。国内圆柱形瓶盖曲面丝网印设备主要厂家集中在广东珠三角地区的东莞市、深圳市以及浙江省、香港等地。整体上看，丝印设备虽然价格低廉，但却具有效率低、操作难、人工多、故障率大等缺陷，极大制约该类设备的发展。一些高端企业逐步选择凸版曲面印刷设备，以解决曲面丝印设备效率低下等问题。

2. 移印

移印工艺借助于可以变形的移印胶头来完成油墨的转移，移印胶头表面并不含有图文，需要的图文先在铜或钢材上晒制并蚀刻成移印凹版，然后移印头将凹坑处的油墨吸起，移动到承印物表面进行压印完成图文的转移。由于移印工艺采用间接印刷方式，对印版和承印物的相对位置没有严格要求，移印胶头又可以制作的比较小，所以非常适合小工件印刷，而且移印胶头可制成和承印物表面相吻合的形状，在印刷凹凸不平面、磨砂面及球形面、弧面等材料时有着其他印刷工艺不可替代的优势。移印除可进行平面印刷外，多适用于各种成型物印刷，特别是对于不规则凹凸表面，采用其他印刷方式难以完成，而采用移印则可以实现多色精美印刷。

肖奚从制版、移印钢版、树脂版、制版工艺、油墨、油盅式移印机、UV移印技术、移印机技术新亮点等方面介绍了移印技术的现状。其中，日本最早在移印机加装了胶头清洗装置，在胶头退回的过程中比普通的移印机多一个在胶纸上面印刷的动作，去掉胶头的残余油墨，保证胶头每次上墨前的清洁，改善了移印印刷质量。嘉茂总结了移印的制版工艺，一般采用添加保护剂的硝酸溶液和三氯化铁溶液进行腐蚀获得移印钢版。但是，腐蚀用的酸气扑鼻，生成的一氧化氮和二氧化氮对人体的危害很大；钢版腐蚀后的显影多采用过氧化氢为主的化学溶剂，它对人的皮肤也有一定的危害。因此，在欧洲国家早已明令禁止使用，开始用树脂版或者用激光雕刻来制版，有些企业采用腐蚀锌版的无粉腐蚀剂来腐蚀钢版，已试制成功，这种方法大大降低了对环境的污染，也保证了员工的生命安全。林钟兴根据不同的印刷要求设计不同的辅助装置对移印机器进行改进，实现了球体表面的精美印刷，印制的足球和排球见图2。

移印装备包含4个组成部分：印刷钢片、印刷油墨、印刷胶头、印刷机器。从18世纪90年代前后在欧洲诞生起，这4个部分基本没有改变，只是在材料及其他辅助方面进行了一些改进。移印技术于20世纪70年代早期传入香港，主要用于印刷玩具车、公仔眼珠及其他塑料产品，此后逐渐向国内其他地区扩散，现在已经遍布中国大部分工厂。目前，中国移印机质量虽然达到国际先进水平，但是存在装备产品售价、附加值低等特点，难以占领国际市场。

3.成型物凸版胶印

凸版胶印又称间接凸印，是指经中间载体橡皮布将凸版上图文部分的油墨转移到承印物表面的印刷方式。成型物凸版胶印是指以圆柱体为主要产品的凸版胶印方式。成型物凸版胶印按用途不同主要有金属罐印刷、软管印刷和安瓿瓶印刷。其中，安瓿瓶印刷机构组成见图3，系统采用圆压圆印刷方式，加之设有专用的自动进料和收料系统，可以实现大批量高速印刷。此外，这种机型还可印刷诸如晶体管、电阻、电容等电子元件，其应用范围不断扩大。

凸版曲面胶印模式的圆柱形曲面印盖机在全球范围内生产制造企业甚少，其先进设备仍旧被国外发达国家所垄断，价格十分昂贵，如意大利进口六色瓶盖印刷机（型号：Event400，印刷速度400p/min） 每套折算人民币就高达1200多万元，一般企业很难具备购买能力。日本山形大学有机电子研究中心（ROEL）副主任时任静士教授在曲面上直接印刷电路的“三维曲面印刷电路技术（3D-PE）”，据称可将银纳米墨直接印刷到曲面上，布线线宽最大可达到20μm，可在圆筒等曲面上印刷。目前，国内一些印刷设备企业开始研究具有自主知识产权的国产凸版曲面胶印设备，多项技术已取得很大突破，2012年广东省部产学研项目“高效环保的高速凸版曲面印盖机”研发的UV油墨及光油二次印刷、二次固化技术的凸面胶版曲面印刷设备，印刷速度达到300p/min，接近国际先进设备水平，估价为进口装备价格的1/10。

从上述文献分析得出，传统方法主要是在简单、规则曲面进行印刷。例如，回转体表面通过丝网、移印、凸版胶印等方式进行印刷；对于空间一般不规则曲面则不具备印刷能力；并且曲面印刷装备的技术水平上国内跟国外存在很大差距。

现代曲面喷墨印刷

喷墨印刷（Inkjet Printing，IJP）是通过计算机控制细墨流从喷嘴射在承印物上，从而获得文字和图像的印刷技术。相对于传统印刷而言，喷墨印刷具有非接触、无压力、无印版、可变数据等特点，可以实现按需印刷、即时印刷、异地印刷、个性化印刷、大幅面印刷、曲面印刷。因此，喷墨印刷现已发展成为当今世界两大主流数字印刷技术之一，代表着印刷业的发展趋势和研究前沿。

当前，喷墨打印主要应用于平面印刷领域。对于平面喷墨而言，喷头运动是简单的直线运动，发展较为成熟，对于曲面产品的喷墨印刷，其喷头的运动轨迹是复杂空间曲线，开始成为研究热点。现代曲面彩色喷墨印刷方法根据承印物的空间运动形式不同，分为3D彩色打印、旋转体表面喷墨打印和立体喷墨打印。

1.3D彩色打印方法

3D彩色打印技术类似当代流行3D打印技术，基于离散-堆积原理，先对数字模型进行分层切片，然后分层控制，进行彩色打印，实现曲面产品彩色化。截至目前，国外有两家公司获得了3D彩色打印技术的突破。

Stratasys公司基于传统3D打印技术，于美国当地时间2014年1月27日推出革命性的新一代3D打印机——Objet500 Connex3彩色多材料3D打印机：设备采用独特的三重喷射技术，其打印头喷射一种微小树脂滴液，驱动粉箱内不同材料混合与结合，形成彩色产品；设备有数百种色彩可选，用于制造色彩斑斓的部件，并可根据需要打印软硬不同的产品，这是世界首个将彩色打印与多材料打印相结合的3D打印机（见图4），设备售价约200万元。

同样，美国Z-Corporation公司基于传统3D打印技术，成功研发了的全彩砂岩打印机，该设备高度自动化，先是扑粉辊子扑粉，然后打印辊子做直线运动，喷胶控制系统和喷墨控制系统协同工作、上色物体模型，最终打印出彩色零件，见图5。以上两种2D打印技术均实现了设备辊子的直线运动和胶水喷射或多色墨水喷墨的协同控制，但是前者是对单个层片区域单色或专色打印，后者则可对产品表面层进行彩色打印，实现了3D打印和产品表面按需喷墨、着色的一体化数字制造，具体彩打过程见图5（b）。

此外，2015年6月，周昆教授团队利用计算机图形学和虚拟视觉技术，通过专门开发的软件将三维设计图“降维”为二维“展开图”，并首次对水转印过程中水转印薄膜的形变特性进行物理建模，得到三维设计图与膜上的每一个点的映射关系；之后，研究团队利用普通喷墨打印机将二维展开图打印到水转印薄膜上；再把薄膜铺在水面上，让薄膜在水中包裹住3D模型并着色，通过“点对点”瞄准三维物体，实现承印物精确上色，解决了传统3D彩色打印设备成本高、速度慢、精度低等缺点。这种计算机水转印法类似于一种精确的自动贴膜，技术路线见图6，主要着色过程见图7。

2.旋转体表面喷墨打印

旋转体表面喷墨打印指承印物围绕轴线做圆周运动，喷头做直线运动并完成曲面彩色喷墨过程。2015年，美国DCS公司开发了圆柱体3D浮雕效果UV喷墨印刷机，型号为1024UVMVP+Easycil，可作为印刷企业开创多种经营模式的小型有效补充设备，能够实现360度圆柱体表面印刷；可喷墨承印物材料广泛，最大承印尺寸为330mm×650mm；先进的操作软件与业界标准软件无缝连接，并可同步印刷，一次性完成多个颜色的组合喷墨；承印物通过两个辊子的旋转转动带动旋转，并与喷头的往复直线运动耦合，实现喷头喷墨于承印物表面，同时位于喷头左右两端的UV LED灯进行同步干燥。设备及产品见图8。

在PRINT CHINA 2015上，海德堡展出了最新的捷霸4D打印机，该设备采用转盘式结构分布喷墨印刷工位，采用真空吸盘固定承印物，经历4个工序过程：除尘→红外定位→电晕→喷墨印刷，可以实现小曲率曲面的即时印刷。设备及喷墨印品见图9。

3.立体喷墨打印

立体喷墨打印指承印物通过复合运动方式进行曲面喷墨打印的方法。这方面，日本Mimaki Engineering和长野工业高等专业学校联合研发三维打印机，采用4个不同颜色的喷头，喷头可作直线扫描运动，运动基板通过组合二维平面运动和互相垂直的旋转运动进行空间复合运动，实现在球面和圆柱物体上喷墨打印颜色。承印物的运动示意图见图10。

法国普瓦捷大学的Gazeau等人研究出一种五自由度机器人，它能在大型诸如拖车篷布的垂直或倾斜平面上进行喷绘大幅面图案（见图11）。与普通的平面喷绘相比，它把应用领域从水平面扩展到竖直、倾斜等平面；设备通过对5个自由度的机构运动学研究，具备向复杂三维模型表面喷绘转变的可能性。

美国STM公司开发出一套能够制作彩色地理模型的设备，系统包括一台雕刻机及一台上色设备，可为客户提供三维地理DEM信息及表面颜色信息。该系统集中应用于军事沙盘和地理模型，如为美国军方制造阿富汗等沙盘模型。该系统的上色模型见图12。

国内方面，南开大学通过对卫星遥感数据的处理和分析，得到地理信息的实景模型数据。在此基础上，对实景地理模型喷绘机器人核心技术展开研究，包括运动机构、控制系统设计、模型优化、图像补偿等，最终研制出可进行高精度、真彩色实景地理模型自动喷绘的立体喷绘机器人系统。制作的台湾3D模型见图13。该设备的缺点是设备喷头仅做直线运动，难以实现曲率变化大的复杂曲面喷墨印刷。

蒋小珊提出一种全新曲面喷墨印刷技术：喷墨过程中喷头静止不动，承印物在多轴联动数控技术控制下做空间直线、曲线、旋转运动，分别采用常规喷头和毛细喷头进行常规曲面和复杂曲面的喷墨理论和方法研究，并采用仿真与试验研究了杂质对喷墨过程中墨滴流喷射方向、偏转方向和局部压力的影响规律，提出了提高毛细喷头喷射精度的方法，该技术仍处在初期研究阶段。

从上面分析可见，现代曲面喷墨打印技术仍处于研发初期，尤其是移动喷头立体喷墨打印过程中，喷墨墨水是微流体，喷头换向、变速运动产生的加速度使得墨水微滴在形成过程中受到冲击、流变、压力波变化等因素干扰，容易造成喷墨过程不稳定，使得墨滴大小变化、沉积位置发生偏差，图案难以套准，颜色发生偏差，不仅打印效果不好，而且使得打印三维物体的速度降低。因此，现代曲面喷墨打印技术面临诸多难题，尚无成熟产品上市。

创意产品彩色化技术的发展趋势

第一，复杂曲面彩色化方法、装备、工艺等关键技术基本上被国外公司所垄断，装备价格昂贵。因此，国内积极开展低成本创意产品表面彩色化装备及工艺技术研究具有现实意义。

第二，传统丝网、移印、凸版胶印等彩色印刷方法只能在简单回转体曲面进行印刷，对于空间复杂、不规则曲面，设备不具有空间复杂运动特性，难以印刷复杂曲面。

第三，通常3D彩打的曲面产品强度、硬度等性能不高，不便于后续工序中的搬运，因此需进行后处理工艺研究，提高制件的性能。此外，直接3D打印的产品表面具有台阶效应，使得产品表面粗糙，严重影响产品质量，因此亟需进行提高产品强度和表面精度的技术研究。

第四，对于具有复杂曲面印刷特点的曲面产品，采用多轴联动数控技术进行承印物的空间运动控制。依据RIP处理的图文数字信号，叠加在喷头的空间运动轨迹上，实现曲面喷墨彩色打印，代表着曲面产品数字印刷、彩色印刷的发展趋势。

曲面空间结构 篇12

关键词：曲面打标,多轴联动,插补

随着西气东输工程的进行以及能源行业的发展,国家对能源气体存储设备(气瓶、管道)有着巨大的需求量。气瓶在出厂前须将编号、工作压力、壁厚、容积、生产日期等符号打印在气瓶肩部球体上,管道在实际使用中也许打印直径、管长等参数于管道端部环状曲面。现有气瓶和管道打标机都是在二维平面打标机[1]基础上加装旋转控制装置,只能针对特定尺寸进行打标,因此研发一种新型空间曲面打标机械架构具有迫切的现实意义。

1 系统原理分析

如图1和图2所示,气瓶和管道标记打印位置为球体面和环状曲面,相比平面打标机而言,曲面打标机需增加曲面定位功能,要求其机床架构具有多坐标轴移动和多坐标轴转动。根据ISO规定,数控机床采用右手直角坐标系,即平行于机床主轴的坐标轴定义为Z轴,平行于工件装夹平面并平行于主运动方向为X轴,绕X、Y、Z轴的旋转坐标为A、B、C。考虑到工程实际中的需求[2],本新型空间曲面打标机械架构采用两坐标轴移动三坐标轴旋转的空间结构,其中分别为X和Z方向上的直线移动,绕Y轴和X轴的转动以及打标头绕空间一般轴Φ轴的旋转。

将打标头在工件坐标系中运动的打标点轨迹转化为机床坐标系中的值,假设工件坐标系Y OwXwYwZw在加工开始前与机床坐标系OXYZ平行,对应于工件上任意打标点位置在工件坐标系中的坐标为Pw(xw,yw,zw),打标头轴矢量(工件坐标系中的单位矢量)为κ。如图3所示的工件坐标系OwXwYwZw的原点Ow在机床坐标系OXYZ中的坐标为(xo,yo,zo),经过X、Z方向移动和Y轴、X轴、Φ轴的旋转后,OwXwYwZw随同工作台运动至OnXnYnZn。对应任意加工点的打标点位置Pw(xw,yw,zw)随工件坐标系运动到Pn(xn,yn,zn),Pn为机床打标时打标点在OXYZ中的位置的运动坐标。主要通过以下平移变化和旋转变换求得:(1)Pw绕B轴旋转;(2)Pw绕C轴旋转;(3)Pw绕Φ轴旋转;(4)将Ow平移至O点。上述步骤对应的坐标变化矩阵分别为M1、M2、M3、M4,机床的运动坐标x、y、z可通过式(1)求得

式中,κx、κy、κz为一般轴的单位矢量κ的3个方向的分量;V为versΦ=1-cosΦ的缩写;S为sinΦ的简写;C为cosΦ的简写;

2 新型空间曲面打标机械架构设计

根据式(1)中所建立的两轴移动、三轴旋转数学模型,新型空间曲面打标机械架构设计如图4所示,包括坐标轴驱动伺服电机、字盘轮、冲击气缸、夹紧油缸等部件。

1.床身2.工件(气瓶)3.字盘轮4.字盘轮转动伺服电机5.Z轴移动伺服电机6.冲击气缸7.Y轴旋转伺服电机8.打标针9.X轴旋转伺服电机10.夹紧油缸11.X轴移动伺服电机

新型空间曲面打标机械架构整体关键之处在于气动打标头。其中,冲击气缸由螺杆、储气缸、冲击缸、副缸、活塞杆组成,打标针与活塞杆相连,冲击气缸固定在箱体上,字盘轮转动伺服电机通过联轴器与字盘主轴相连,字盘主轴与字盘轮相连;字盘主轴通过轴套固定在箱体上,Y轴旋转伺服电机带动蜗杆与蜗轮啮合将运动传导到固定整体打标机构的拖板,气动打标头是通过转轴固定在气动打标机上。X轴旋转伺服电机通过锥齿轮实现工件绕X轴旋转,Z轴移动伺服电机实现整体气动打标头沿Z轴方向的移动。通过X、Z轴移动和Y轴转动可以实现打标头的空间曲面定位,然后字盘轮转动与工件转动获取打标字符与打标位置,最后冲击气动冲击打标针冲压字盘字模实现标记打印。

3 多轴联动插补技术

新型空间曲面打标机采用两轴移动三轴转动多轴联动机床架构,与传统的三直线两旋转的机床相比具有很大的不同。通用数控机床[3]往往采用两个直线轴的坐标移动实现工件与打标头的相对移动,本新型空间曲面打标机床采用一个直线轴(X轴)和一个旋转轴(Φ轴)的极坐标移动实现工件与打标头的相对移动,同时工作台的转动和打标针的转动共同改变了打标头在XOZ平面内的偏角。

设插补算法求出打标针所在的目标空间位置和法矢为(x1,z1,γ1,μ1,v1),此时对应伺服电机的转动位置为(P1,P2,P3,P4,P5),P1、P2、P3、P4、P5分别对应X、Z、B、A、Φ轴的伺服电机,则存在一个映射关系f,使得

由于{x1,z1,γ1,μ1,v1}→f{P1,P2,P3,P4,P5}对应呈线性关系,在每个插补周期实时得到映射关系f,求取每个插补周期的伺服电机的目标位置坐标(P1,P2,P3,P4,P5),进而求得电机的运动增量。利用运动控制器提供的标准的多轴联动插补算法,在插补周期读取实时计算结果,实现两直线三旋转的多轴联动插补功能。

4 结论

设计出的新型空间曲面打标机械架构,通过插补计算可以控制打标头相对于工件以给定速度路线运动,较传统二维改装平面打标机,提高了打标灵活性和打标精度。生产出的打标机除可以应用于气瓶、管道,还可应用火车轮毂等空间曲面打标。

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