一种复杂空间专用扳手的形状设计方法与流程

1.本发明涉及机械设计技术领域，特别是涉及一种复杂空间专用扳手的形状设计方法。


背景技术：

2.随着装备制造水平的提高，高端机电产品如汽车、飞机、船舶、导弹等产品的设计越发地集成化与小型化，在其产品内部常有管路、线缆、零件集中的区域，即复杂空间。在复杂空间中的零成品制造、维修时，通常需要使用扳手安装或拆卸螺栓。但由于这些区域空间开敞性差，区域狭窄，难以使用常规通用扳手进行操作，通常需要设计专用异形扳手完成安装操作。
3.目前的异形扳手通常根据设计人员的经验进行设计，缺乏严谨的理论指导；对于简单空间，其扳手形状设计自由度较大，满足力矩要求即可。但在复杂空间中，零成品较多，扳手需要弯折避让干涉位置，并满足扳手旋转的空间要求；在实际设计工作中，扳手的轮廓曲线需要花费较长时间反复迭代，对于较为极限的空间，难以求解；依据经验的复杂空间扳手设计，在某一空间有多种设计方案时难以量化评估各设计方案的优劣，不具备一套评价标准来评价扳手形状优劣，难以实现扳手设计的优化更新。
4.综上所述，在复杂空间的专用异形扳手设计中，主要依赖于设计人员的经验，设计工作缺乏理论指导，耗时较长且成功率低，也难以评价异形扳手设计的好坏，不利于产品的更新优化。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提出了一种复杂空间专用扳手的形状设计方法，对异形扳手的轮廓中轴线进行设计和优化，能有效解决复杂空间扳手设计效率低的问题。
6.本发明是通过采用下述技术方案实现的：一种复杂空间专用扳手的形状设计方法，其特征在于：包括以下步骤：a. 建立复杂空间模型，标示拧紧点位和操作区域；b. 将复杂空间模型抽象化，建立离散空间地图；c. 对离散空间地图进行处理，标示可通行域与不可通行域；d. 构建评估函数，将扳手设计的约束条件转化为权值；e. 使用寻路算法，选择评估函数最优路径；f. 平滑路径曲线，并验证空间是否存在干涉。
7.所述步骤a具体包括：a1. 根据实际空间布局，建立工作区域等比例的三维模型；a2. 计算扳手拧紧力矩和拧紧力矩长度，所述拧紧力矩长度为力作用平面上施力点到拧紧点距离；a3. 对工作空间的开敞性情况进行检查，得到可行工作区域，即能达到的扳手握
紧点；a4. 在三维模型中添加可行工作区域标识和手持端标识；所述步骤b具体包括：b1. 确定空间各向离散尺度；b2. 将空间模型在某一空间方向上按该项离散尺度间隔截取剖面，将多副剖面保存为图片格式；b3. 将单张图片按另外两向的离散尺度建立平面地图网格，单位网格的边长即为离散尺度长度，根据每个网格的内容保存网格的实体属性；b4. 将剖面序号和网格序号作为地图位置信息，实体属性作为网格的属性信息，构建离散空间地图。
8.所述步骤c具体包括：c1.建立结构体存储位置信息和地形信息，得到空间地图矩阵；所述位置信息为空间坐标除以各向离散尺度的三维标量；地形信息为空间特征，包括可通行域和不可通行域；c2. 提取其中终点单元的位置信息保存为寻路终点，提取其中起点单元将其位置信息保存为可行起始域，并将起点单元置为可通行域。
9.所述步骤c还包括对空间地图中的不可通行域进行处理，具体包括：将空间地图矩阵中的不可通行域绕拧紧点旋转，旋转角度为扳手最小工作旋转角，旋转过程中所有与不可通行域重合的点位，统一置为不可通行域。
10.所述步骤d具体包括：d1. 将扳手设计中约束条件转化为与空间结构相关的函数；d2. 给每类函数前增加重要性权值，组合为评估函数。
11.所述d1具体包括：将结构强度转化为弯折次数和路径长度相关的函数、将材料成本转化为扳手总长度相关的函数以及将拧紧稳定性转化为分力矩即曲线垂直拧紧力作用面的最大长度的相关函数。
12.所述步骤e具体包括：基于a
‑
star寻路算法，建立地图编号转化规则、开启列表、关闭列表、子节点选择规则和父节点替换规则；根据评估函数判定路径优劣，进行路径寻优。
13.所述步骤f具体包括：将得到的最优路径加载到三维处理软件中，对路径进行后处理，以该最优路径的曲线为中轴线，建立扳手粗坯，放入空间模型中进行运动仿真，验证空间是否存在干涉。
14.所述步骤f中对路径进行后处理具体指：寻路结果实际为离散点，导出到txt，再转入到catia中，将离散点依次连接，对路径中的抖动进行平滑处理，对尖锐部分进行倒圆处理，使用横截面沿曲线拉模得到扳手外形粗胚。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：1、本设计方法免去了反复仿真迭代，可以一次性得到扳手中轴线作为设计参考，解决了复杂空间扳手设计效率问题。
16.2、在扳手设计中引入了a
‑
star寻路算法，将扳手设计约束作为算法中评估函数的一部分，使得到的扳手曲线直接符合设计约束。
17.3、在空间地图处理中预先将不可通行域旋转，将重合点的地图属性替换为不可通行域，在剩下的非干涉域中求解，解决了扳手空间干涉问题。
附图说明
18.下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式
19.实施例1作为本发明基本实施方式，本发明包括一种复杂空间专用扳手的形状设计方法，主要考虑了复杂空间内拧紧点位的可达性、工人操作力矩、空间干涉等因素，基于a
‑
star寻路算法，构造评估函数对异形扳手的轮廓中轴线进行设计和优化。具体包括以下步骤：a. 建立复杂空间模型，标示拧紧点位和操作区域；b. 将复杂空间模型抽象化，建立离散空间地图；c. 对离散空间地图进行处理，标示可通行域与不可通行域；d. 构建评估函数，将扳手设计的约束条件转化为权值；e. 使用寻路算法，选择评估函数最优路径；f. 平滑路径曲线，并验证空间是否存在干涉。
20.实施例2作为本发明一较佳实施方式，本发明包括一种复杂空间专用扳手的形状设计方法，用寻路算法进行复杂空间扳手的设计，将设计约束构造成为评估函数，得到更符合使用要求的轮廓曲线，具体包括以下步骤：a. 建立复杂空间模型，标示拧紧点位和操作区域。
21.a1. 根据实际空间布局，建立工作区域等比例的三维模型；a2. 通过螺栓所需拧紧力，计算扳手拧紧力矩；进行人机工程分析，得出该工作姿态下人工施加拧紧力大小，计算得到拧紧力矩长度，所述拧紧力矩长度为力作用平面上施力点到拧紧点距离；a3. 对工作空间的开敞性情况进行检查，得到可行工作区域，即能达到的扳手握紧点；a4. 在三维模型中添加可行工作区域标识和手持端标识，可以用特殊颜色进行标识。所述可行工作区域对应为拧紧点位，手持端对应为操作区域。
22.b. 将复杂空间模型抽象化，建立离散空间地图。
23.b1. 根据所需的曲线外形精度和结构最小间隙要求，确定空间各向离散尺度；b2. 将空间模型在某一空间方向上按该项离散尺度间隔截取剖面，将多副剖面保存为图片格式；b3. 使用处理软件将单张图片按另外两向的离散尺度建立平面地图网格，单位网格的边长即为离散尺度长度，根据每个网格的内容保存网格的实体属性，如空、结构、拧紧点、可行工作区域等；b4. 将剖面序号和网格序号作为地图位置信息，实体属性作为网格的属性信息，构建离散空间地图。
24.c. 对离散空间地图进行处理，标示可通行域与不可通行域。
25.c1.建立结构体存储位置信息和地形信息，得到空间地图矩阵；所述位置信息为空
间坐标除以各向离散尺度的三维标量；地形信息为空间特征，包括可通行域和不可通行域；不可通行域包括结构、空间边界等；c2. 提取其中终点单元的位置信息保存为寻路终点，提取其中起点单元将其位置信息保存为可行起始域，并将起点单元置为可通行域；c3. 为避免运动干涉，将空间地图矩阵中的不可通行域绕拧紧点旋转，旋转角度为扳手最小工作旋转角，旋转过程中所有与不可通行域重合的点位，统一置为不可通行域，此时空间矩阵中的可通行域为非干涉域，在该区域中进行路径搜索得到的曲线一定不与结构和边界干涉。
26.d. 构建评估函数，将扳手设计的约束条件转化为权值。
27.d1. 将扳手设计中约束条件转化为与空间结构相关的函数，如结构强度可以转化为弯折次数和路径长度相关的函数，材料成本可以转化为扳手总长度相关的函数，拧紧稳定性可以转化为分力矩即曲线垂直拧紧力作用面的最大长度的相关函数。
28.d2. 给每类函数前增加重要性权值，组合为评估函数。
29.e. 使用寻路算法，选择评估函数最优路径：在计算软件中编写寻路程序，建立地图编号转化规则、开启列表、关闭列表、子节点选择规则，父节点替换规则；根据评估函数判定路径优劣，进行路径寻优。
30.其中，所述地图编号转化规则：用编号代表坐标，在内存中仅存储一个编号，在需要计算距离或位置时再将编号转化为坐标参与运算，可以提高计算效率。
31.开启列表：保存下一步通行区域的数据结构。在计算某一格的下一步时，将所有临近可行域放入开启列表中。
32.关闭列表：保存不可通行点和已途径点的数据结构。
33.子节点选择规则和父节点替换规则：计算评估函数，将开启列表中评估函数最小的一格作为子节点（下一步），若当前格的所有邻域不是开启列表中评估函数最小的，需要将当前点替换为开启列表中评估函数最小的格的父节点，选择开启列表中评估函数最小的格为子节点。
34.f. 平滑路径曲线，并验证空间是否存在干涉：将得到的最优路径加载到三维处理软件中，对路径进行后处理，以该曲线为中轴线，建立扳手粗坯，放入空间模型中进行运动仿真，验证空间是否存在干涉。
35.实施例3作为本发明最佳实施方式，参照说明书附图1，本发明包括一种复杂空间专用扳手的形状设计方法，包括以下步骤：a. 建立复杂空间模型，标示拧紧点位和操作区域。
36.某一螺栓需要拧紧力矩60n*m，作业高度为1.2m，在该高度下成年人双臂最大稳定下压力150n，因此扳手长度需要60n*m/150n=0.4m，应至少对该作业半径0.4m内的空间结构外轮廓进行三维建模，将施力区域使用蓝色（rgb值：0，0，255）标记，将受力点使用红色标记（rgb值：255，0，0），结构颜色选择为黑色（rgb值：0，0，0）。
37.b. 将复杂空间模型抽象化，建立离散空间地图。
38.确定空间模型的离散尺度，即将长度为r*s*t的模型剖分成m*n*k个立方体，各向离散尺度分别为：a=r/m；b=s/n；c=t/k。按模型的r方向按每个a距离进行一次剖切，截取剖
切平面图保存，得到m张剖切平面图，使用matlab对每张图片进行识别，提取像素的点位信息与颜色信息，保存为（x，y，z，q），x为剖切面序号，y和z为像素在剖切平面图的像素中的行列数，q为颜色属性，白色表征可通行空间，黑色表征结构体，为不可通行空间，红色表示拧紧点，即为寻路终点，蓝色为可施力区域。以像素为单位的空间矩阵过大，对矩阵进行简化，每a*b*c范围内的像素简化为一个基本单元，该单元位置信息可取单元内第一个像素的位置信息，该单元的颜色属性，若a*b*c范围内存在黑色，则将该单元置为黑色；若均为白色，则将该单元置为白色；若为红色，则将该单元置为红色；若只含白色和蓝色，则将该单元置为蓝色。
39.c. 对离散空间地图进行处理，标示可通行域与不可通行域。
40.对得到的矩阵地图进行处理，提取其中红色单元将其位置信息保存为寻路终点z，提取其中蓝色单元将其位置信息保存为可行起始域a，并将蓝色单元置为白色；并将每个黑色单元绕z旋转60
°
，旋转过程中碰到的白色单元全部置为黑色，以保证留下的白色单元中产生的路径曲线在旋转时不会与实体结构发生干涉。
41.d. 构建评估函数，将扳手设计的约束条件转化为权值。
42.首先确定关注的设计约束，在满足路径可行性后，首先应使起始点与终点同在力矩作用面内，若因干涉不在同一面内，则路径中垂直力作用面的长度应尽可能小，以减少附加弯矩的出现此为p0约束。在优化过程中使扳手尽量不沿该方向生成路径，此为p1约束。为了增强扳手强度，避免在弯折处产生应力集中现象，扳手路径曲线应尽量少发生弯折，此为p2约束。为了减轻重量，路径长度应尽可能短，此为p3约束。为了使路径尽快收敛，剩余路径长度应尽可能短，此为p4约束。
43.评价函数为f=p1+p2+p3+p4。
44.e. 使用寻路算法，选择评估函数最优路径。
45.在计算软件中编写寻路程序，建立地图编号转化规则、开启列表、关闭列表、子节点选择规则，父节点替换规则，并将评估函数作为子程序，对每一次寻路中的节点方向进行判断。
46.地图编号转化规则：即用编号代表坐标，在程序中仅存储一个编号，在需要计算距离或位置时再将编号转化为坐标参与运算，可以降低矩阵维数，提高计算效率。如三维坐标（2，2，4）可以表示为编号020204。
47.开启列表：记录我们待处理格子的数据结构。在计算某一格的下一步时，若相邻格不在关闭列表也不在开启列表中，就将相邻格加入开启列表，把当前格记为该相邻格的父节点。
48.关闭列表：保存不可通行格和已途径格的数据结构。
49.子节点选择规则：计算评估函数，将开启列表中评估函数最小的一格作为子节点，若目标点在开启列表，直接将目标点作为子节点，路径被找到。或开启列表为空，无后继子节点，此时路径不存在。
50.父节点替换规则：若当前格的相邻格已在开启列表中，则表示之前已途径过这个点的其它相邻格，可以直接到达该相邻格。此时存在两种路径来到达该相邻格，需要使用分别计算两种路径的评估函数，将评估函数小的路径的置为当前路径，父节点替换为当前格。
51.f. 平滑路径曲线，并验证空间是否存在干涉。
52.得到的寻路结果实际为离散点，导出到txt，再转入到catia中，将离散点依次连接。对路径中的抖动进行平滑处理，对尖锐部分进行倒圆处理，使用横截面沿曲线拉模得到扳手外形粗胚，对该外形进行运动仿真，验证其与结构不发生干涉。
53.综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出的其他各种相应的变换方案，均属于本发明所保护的范围。