一种船舶复杂结构焊缝模型计算与构建方法及系统与流程

本发明属于船舶智能制造，具体涉及到一种船舶复杂结构焊缝模型计算与构建方法及系统。

背景技术：

1、船舶建造是典型的复杂装配制造过程，焊接是其中最关键、最昂贵的工艺环节之一。随着船舶智能制造的发展，焊接机器人在小组立、中组立等工序中的应用日益广泛，对焊缝路径数据的精确性、完整性和工艺适配性提出了更高要求。

2、目前，结构焊缝路径计算的主流方法是通过提取cad模型的拓扑相交特征来生成对应的焊接路径。该方法对结构建模和拓扑关系的准确性与完整性要求极高，一旦模型中存在几何缺陷或拓扑信息不完整，焊缝识别即可能失败或产生错误结果。此外，该方法还面临以下技术缺陷：

3、第一，缺乏基于装配关系的焊缝路径拆分机制，在中组立等装配阶段，由于结构遮挡或过焊孔的存在，原本连续的焊缝在物理上无法一次连续施焊。现有方法无法自动识别这些不可焊区域并打断路径，导致生成的焊缝路径与现场实际焊接工艺不匹配，焊接机器人按该路径规划时将产生无效路径或碰撞风险。

4、第二，缺乏离散焊缝的智能合并机制，对于同一装配组内的连续焊缝，现有方法往往将其识别为多段相互独立的路径。若直接将这些离散路径用于机器人焊接，将导致焊接机器人频繁起弧、收弧，不仅降低焊接效率，而且频繁的热输入波动会影响焊缝成型质量。

5、第三，对曲面结构零件的焊缝识别精度不足，船舶结构中大量存在曲面外板、曲面舱壁等曲面零件。传统的纯拓扑求交方法对曲面模型的b-rep精度或三角面片精度极为敏感，在曲面与曲面、曲面与平面的焊缝识别中容易出现精度不足或完全失效的问题。

6、第四，缺乏接头形式的自动化判定，现有方法通常仅输出几何路径，未对搭接焊、对接焊、角焊等不同接头形式进行自动分类，导致下游焊接工艺参数的匹配仍需人工干预。

7、综上，本领域亟需一种能够结合船舶cad系统数据、充分考虑装配关系、适配复杂曲面结构并自动完成焊缝路径计算、智能打断与合并的通用焊缝计算方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种船舶复杂结构焊缝模型计算与构建方法及系统，本发明通过针对平面-平面、平面-曲面、曲面-曲面三类典型结构零件的专用求交算法，结合边界样条与实体距离验证，自动识别焊缝迹线并判定主导零件与接头形式，并基于装配拓扑关系实现焊缝路径的智能拆分与合并。

2、为了实现上述发明目的，本发明专利提供的技术方案如下：

3、一种船舶复杂结构焊缝模型计算与构建方法，该方法具体包括如下步骤：

4、s1，获取船舶三维设计模型中的结构零件数据，提取各零件的几何类型信息及边界样条数据，所述几何类型包括平面零件、曲面零件及组合型零件；

5、s2，根据参与焊缝计算的两个零件的几何类型组合，选择对应的焊缝迹线计算模式；当两零件均为平面零件时，采用边界样条投影求交法计算焊缝迹线；当两零件分别为平面零件和曲面零件时，采用边界样条求交与实体距离验证相结合的混合策略计算焊缝迹线；当两零件均为曲面零件时，采用双向边界距离验证的理论焊缝存在性检验法计算焊缝迹线；

6、s3，在焊缝迹线计算完成后，依据两零件法向量夹角及边界重合情况判定接头形式，所述接头形式包括搭接焊、对接焊和角焊；

7、s4，基于船舶装配树结构提取当前装配阶段的焊缝集合，通过拓扑冲突分析识别焊缝间断点，在间断点处对连续焊缝路径进行自动截断，生成独立的子焊缝对象；

8、s5，基于装配阶段一致性、端点邻近性和无干涉性三条约束规则，将满足条件的多条离散焊缝合并为一条连续焊缝路径，并更新焊缝属性信息；

9、s6，输出包含焊缝几何路径、接头形式、装配层级及路径连续性属性的焊缝模型数据。

10、进一步地，所述s2中平面-平面零件的边界样条投影求交法具体包括：

11、s21，基于两零件的轴对齐包围盒进行空间初步筛选，排除空间上无重叠的零件对；

12、s22，提取两平面零件的边界轮廓样条，将其中一者的轮廓投影至另一者的二维平面内，计算几何相交线；

13、s23，进行校验与主导零件判定：若相交线同时重合于两零件的边界，则判定数据有效，默认将第一个零件设为主导零件，保存焊缝迹线；若相交线仅重合于其中一个零件的边界，则判定该零件为主导零件，且与另一零件内部相交，数据有效，保存焊缝迹线。

14、进一步地，所述s2中平面-曲面零件的混合策略具体包括：

15、基于两零件的轴对齐包围盒进行空间初步筛选；

16、计算曲面零件边界样条与平面零件的几何交线，若交线上的点到平面零件表面的距离在板厚加容差的阈值范围内，则判定该交线为焊缝迹线，且曲面零件为主导零件；

17、当上一步中的曲面零件边界样条与平面零件的几何交线上的点到平面零件表面的距离验证失败或距离超限，则计算平面零件边界样条与曲面零件实体的距离，若该距离在板厚加容差的阈值范围内，则判定平面零件边界样条与曲面零件的几何交线为焊缝迹线，且平面零件为主导零件；

18、若上述两步均不满足容差要求，则判定无焊缝或计算失败。

19、进一步地，所述s2中曲面-曲面的理论焊缝存在性检验法具体包括：

20、基于两零件的轴对齐包围盒进行空间初步筛选；

21、计算第一曲面零件边界样条与第二曲面零件实体的距离，若该距离小于板厚加容差的阈值，则判定该边界为焊缝迹线，第一曲面零件为主导零件；

22、若步骤s2-2验证不成立，则计算第二曲面零件边界样条与第一曲面零件实体的距离，若该距离小于板厚加容差的阈值，则判定该边界为焊缝迹线，第二曲面零件为主导零件；

23、若双向验证均不满足容差要求，则判定计算失败。

24、进一步地，所述s3中接头形式判定标准具体为：

25、搭接焊；两零件法向量夹角为180°，且焊缝迹线仅重合于其中一个零件的边界；

26、对接焊；两零件法向量夹角大于130°，且焊缝迹线同时重合于两个零件的边界；

27、角焊；不满足上述两种情况的其他几何关系。

28、进一步地，所述s4中拓扑冲突分析具体包括：

29、s41，依据装配树结构锁定当前装配阶段需执行的焊缝集合，获取各焊缝的路径数据；

30、s42，遍历当前装配阶段的焊缝集合，检测是否存在三个零件两两互存焊缝的拓扑结构，即零件a与零件b之间存在焊缝、零件b与零件c之间存在焊缝、零件c与零件a之间存在焊缝；

31、s43，当检测到所述拓扑结构时，将三条焊缝在空间几何上的交点定义为焊缝的强制拆分间断点；

32、s44，在生成的间断点处对相关焊缝路径进行自动截断，生成独立的子焊缝对象。

33、进一步地，所述s5中三条约束规则具体为：

34、同阶段原则；待合并的焊缝必须归属于同一装配阶段；

35、端点邻近原则；两条焊缝的端点间距离必须小于预设的容差阈值，以确保几何连续性

36、无干涉原则；合并后的焊缝路径上不得存在其他零件实体或现有焊缝的几何干涉；

37、满足上述所有约束条件的焊缝被合并为一条连续焊缝路径，并自动更新焊缝标识、长度和工艺参数属性信息。

38、进一步地，所述s6输出的焊缝模型数据用于焊材用量计算、焊材领用计划编制、焊接工时计算以及中组立焊接机器人的焊接路径规划。

39、一种船舶复杂结构焊缝模型计算系统，该系统包括：

40、零件数据提取模块，用于从船舶三维设计模型中提取结构零件的几何类型信息和边界样条数据；

41、焊缝迹线计算模块，用于根据零件几何类型组合选择对应的求交策略计算焊缝迹线，包含平面-平面求交子模块、平面-曲面求交子模块和曲面-曲面求交子模块；

42、接头形式判定模块，用于依据法向量夹角及边界重合情况自动判定搭接焊、对接焊和角焊接头形式；

43、焊缝拆分模块，用于基于装配层级与焊缝拓扑关系，通过“三零件两两互存焊缝”的冲突分析自动生成间断点并执行路径截断；

44、焊缝合并模块，用于基于装配阶段一致性、端点邻近性和无干涉性三条约束规则将离散焊缝合并为连续路径；

45、焊缝数据输出模块，用于输出包含焊缝几何路径、接头形式、装配层级及路径连续性属性的焊缝模型数据。

46、基于上述技术方案，本发明专利一种船舶复杂结构焊缝模型计算与构建方法及系统经过实践应用取得了如下技术优点：

47、1.基于边界样条与距离验证的混合求交算法，区别于传统的纯拓扑求交，本发明针对船舶特有的平面、曲面混合结构，提出了“边界样条求交”与“实体距离验证”相结合的混合策略。特别是针对曲面-曲面求交，采用理论焊缝存在性检验法，降低了对三角面片精度的依赖，提高了复杂曲面焊缝识别的准确性。

48、2.基于装配拓扑关系的焊缝自动拆分机制；创新性地提出了基于“三零件两两互存焊缝”的拓扑冲突分析算法；系统能够自动识别装配层级中的几何遮挡与过焊孔冲突，在空间几何交点处生成强制拆分间断点，解决了现有方法无法自动识别并打断路径的问题。

49、3.多约束条件下的焊缝路径智能合并规则；建立了包含“同阶段原则”、“端点邻近原则”及“无干涉原则”的三维合并约束模型；不仅考虑几何连续性，还结合装配关系与实体干涉检测，实现了离散焊缝向连续路径的自动化转换。

50、4.主导零件与接头形式的自动化判定逻辑；通过双边界重合度与法向量夹角分析，系统能够自动判定焊缝的主导零件及接头形式；这一逻辑为后续焊接工艺参数的自动匹配提供了关键数据基础，实现了从几何模型到工艺数据的自动化映射。