基于三维建模的鞋切片冲切机结构数字化仿真设计方法与流程

本发明涉及数字化仿真设计，具体为基于三维建模的鞋切片冲切机结构数字化仿真设计方法。

背景技术：

1、在制鞋工业中，鞋面材料的冲切是连接设计数据与物理加工的关键工序。现有的鞋面冲切设备结构设计方法通常将鞋面轮廓获取与机床结构分析作为两个独立环节处理。鞋样设计阶段依靠展平算法将三维鞋楦曲面展开为二维轮廓，机床结构设计则基于经验或简化的运动学参数确定零部件尺寸，二者之间缺乏力学载荷的传递通道。这种分离式的设计流程导致冲切机的结构参数设定与实际切割工况脱节，设计者难以在方案阶段预判多源误差耦合下的力学表现。现有技术方案存在的缺陷体现在两个层面。在曲面展开环节，常规的几何展平方法以角度或长度变形最小化为目标，忽视面积保持约束，使得展开后的二维切片轮廓与原始三维曲面区域的实际面积存在偏差。由于鞋面材料的延展性有限且切割后需与鞋底精确缝合，面积失真的切片轮廓将直接影响冲切后的鞋片装配精度与材料利用率。在结构设计环节，冲切机的刀座、丝杠等关键部件参数多依据设计手册中的静载荷或运动学条件选取，未将实际刀具运动路径反算出的下压行程与切割反力直接引入结构力学分析流程。这种串行工作模式下，路径规划阶段产生的力位数据无法自动驱动结构有限元模型的载荷边界构建，导致应力集中区域的结构加强和传动刚度调整依赖物理样机试切后的反复修模，延长了开发周期。

2、针对上述缺陷，本方法所要解决的问题是使鞋楦曲面展开过程严格保持曲面的原始面积，以消除二维切片轮廓的面积畸变；同时，将刀具运动路径及其下压行程作为结构有限元仿真的载荷输入依据，使冲切机结构参数能够闭环响应力学性能的迭代反馈。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于三维建模的鞋切片冲切机结构数字化仿真设计方法，目的在于将鞋楦曲面保面积展开技术与载荷驱动的结构仿真优化过程融合，通过保持鞋面切片轮廓面积精度并贯通切割路径力学边界与结构分析的迭代链路，解决曲面展开面积失真和结构设计依赖经验试错的问题，实现冲切机从鞋楦数据到结构参数的数字闭环设计。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明提供一种基于三维建模的鞋切片冲切机结构数字化仿真设计方法，包括以下步骤：s1，获取多视角鞋楦深度图像，构建鞋楦点云模型，利用多视角同步采集与点云配准，能够精确捕捉鞋楦表面的三维形貌特征，为后续曲面重构提供高密度、低噪声的测量数据。s2，从鞋楦点云模型提取底面轮廓线、楦头脊线和后跟弧线，以此构建鞋楦nurbs曲面，通过提取结构特征曲线并施加对齐约束，使得生成的nurbs曲面严格贴合原始点云，保证鞋楦曲面重构的精度与光顺性。s3，在鞋楦nurbs曲面上绘制鞋面三维边界曲线，对边界曲线包围的曲面区域进行保面积平面展开，获得二维鞋面切片轮廓，采用保面积展开避免常规映射产生的面积形变，使二维轮廓的面积与三维曲面区域一致，保障鞋面裁片尺寸的准确性。s4，根据二维鞋面切片轮廓，采用等距偏置生成切割路径并设定进退刀轨迹，形成刀具运动路径，通过圆弧过渡平滑处理尖锐拐角，降低切割过程中的冲击与振动，同时进退刀轨迹的设置提高了切割起始与结束阶段的安全性。s5，基于刀具运动路径及其确定的下压行程，建立包含机架、刀座、传动丝杠和电机的冲切机三维实体装配模型，利用参数化建模与装配约束生成可运动的整机模型，使模型能够真实反映传动关系与结构配置。s6，对冲切机三维实体装配模型赋予材料属性，在刀具切削点施加切割反力，机架底面固定约束，进行静力学有限元仿真，提取应力云图与位移云图，通过仿真直观呈现关键受力部位的应力分布与整体变形趋势，为结构校核提供定量依据。s7，若应力云图中最大应力超过材料许用应力或位移云图中最大变形超过预定公差，则调整刀座加强筋参数或丝杠导程，并返回s6重新仿真，直至满足许用应力和变形公差，实现冲切机结构的闭环优化，确保整机刚度和强度满足设计要求。

3、作为本发明的一个优选技术方案，步骤s1中构建鞋楦点云模型具体包括：由至少六台深度相机环绕鞋楦轴线同步采集深度图像；将各视角深度图像转换为点云，利用对应彩色图像提取特征点进行相邻视角点云特征匹配，建立同名点对集合；采用迭代最近点算法以同名点对间距离之和最小为目标，求解各视角点云到统一坐标系的变换矩阵；将所有点云变换至统一坐标系后，使用体素网格滤波器滤除重叠点，生成鞋楦点云模型。该方式有效提高了多视角点云配准的鲁棒性与点云模型的均匀性，减少冗余数据。

4、优选的，步骤s2中构建鞋楦nurbs曲面具体包括：对鞋楦点云模型进行主成分分析，确定鞋楦长度方向作为轴向，沿轴向截取多个截面点云，分别拟合截面轮廓曲线；在截面轮廓曲线中识别鞋楦底面最低点连线作为底面轮廓线，识别鞋楦前部曲率最大点连线作为楦头脊线，识别鞋楦后部曲率变化点连线作为后跟弧线；以底面轮廓线、楦头脊线和后跟弧线作为曲面边界与脊线，通过蒙皮法生成nurbs曲面，并施加与点云模型的对齐约束，得到鞋楦nurbs曲面。由此提取的曲线能够准确描述鞋楦的结构特征，保证曲面模型在楦头、后跟等关键部位的重构质量。

5、进一步地，步骤s3中获得二维鞋面切片轮廓具体包括：将边界曲线包围的鞋楦曲面区域离散为三角网格；计算各三角面片面积；以边界曲线为固定边界，将鞋楦曲面网格顶点的三维坐标通过离散共形映射转化为二维平面坐标，在映射过程中以三角形的面积变化作为惩罚项，通过迭代求解使得所有三角形在二维平面上的面积与原三维面积之差的平方和最小，形成二维网格；提取二维网格的外边界作为二维鞋面切片轮廓。该方法可有效控制展开过程中的面积畸变，确保鞋面切片轮廓与设计鞋面在面积上保持高度一致。

6、优选的，步骤s4中形成刀具运动路径具体包括：对二维鞋面切片轮廓向内等距偏置刀具半径，生成刀具中心轨迹；识别刀具中心轨迹中的尖锐拐角，采用圆弧过渡进行平滑处理；在刀具中心轨迹的起点和终点处，沿法线方向外延一个安全距离，生成进刀轨迹与退刀轨迹；将二维刀具中心轨迹与进刀退刀轨迹映射到冲切机坐标系下，并添加刀具下压与抬起动作的高度坐标，形成刀具运动路径。经过平滑和进退刀设置的运动路径可减少刀具冲击，延长刀具寿命，并避免过切或撞刀。

7、作为本发明的另一优选技术方案，步骤s5中建立冲切机三维实体装配模型具体包括：根据刀具运动路径的最大运动范围确定刀座行程与机架内部空间尺寸；利用参数化建模方法生成机架、刀座、丝杠、导轨及电机支座的基础三维零件；依据传动链关系定义丝杠与刀座的螺纹配合、导轨与刀座的滑动配合以及电机轴与丝杠的联轴器连接；在装配环境中对各零件施加相应的面贴合、对齐和同轴约束，形成可运动的冲切机三维实体装配模型。参数化与约束驱动方式使模型修改更便捷，支持后续迭代优化中快速更新几何。

8、进一步地，步骤s6中进行静力学有限元仿真具体包括：对冲切机三维实体装配模型进行网格划分，在刀座、丝杠和导轨区域采用局部细化网格；在机架底面施加固定约束，刀座导轨配合面设定摩擦接触，丝杠与螺母间设定绑定接触；在刀具夹持点沿切割方向施加等效切割反力载荷，并考虑冲切机自重；采用预处理共轭梯度法求解静力学方程，获得节点位移解；基于节点位移解计算应力张量，生成应力分布云图和位移变形云图。细化网格与真实接触设置保证了仿真结果能够准确反映高应力梯度区域的受力状态和整机变形。

9、优选的，步骤s7中调整刀座加强筋参数或丝杠导程具体包括：当最大应力超过许用应力时，在应力集中区域增加加强筋数目或加大加强筋截面高度，更新刀座零件参数；当最大变形超过预定公差时，增加丝杠直径或减小丝杠导程以提高传动刚度；经参数修改后，更新冲切机三维实体装配模型并重新划分网格进行静力学有限元仿真。针对性的结构参数调整能够高效解决强度或刚度不足的问题，减少试凑成本。

10、作为本发明的一个更优选实施方式，步骤s7中判断是否满足许用应力和变形公差具体包括：从应力云图中提取每个节点的等效应力值，找出最大值并与材料屈服强度除以安全系数得到的许用应力比较；从位移云图中提取最大位移值，与设计给定的变形公差比较；当最大应力小于等于许用应力且最大位移小于等于变形公差时，判定满足要求。这一量化准则保证了结构设计留有足够的安全裕度。

11、在此基础上，减小丝杠导程的方式为将当前丝杠导程乘以一个比例因子，该比例因子等于允许的变形公差与计算得到的最大变形之比；当前丝杠导程为初始设计值，由下压行程除以电机设定转数得到。该种导程调整方式与变形指标直接关联，能够快速收敛到满足刚度要求的传动参数。

12、通过执行上述步骤，本方法实现了从鞋楦点云重建、鞋面展平、切割路径规划到冲切机结构设计与验证的数字化闭环，在保证鞋面裁片精度的同时，提高冲切机结构设计效率与可靠性，减少物理样机试制与试验次数。

13、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

14、在鞋楦曲面展开环节，采用的保面积平面展开技术将边界曲线包围的鞋楦曲面区域离散为三角网格后，以边界曲线为固定边界，通过离散共形映射将三维网格顶点转化为二维平面坐标，并在映射过程中将三角形的面积变化作为惩罚项。迭代求解以所有三角形在二维平面上的面积与原三维面积之差的平方和最小为目标，最终形成的二维网格在外边界提取后直接作为二维鞋面切片轮廓。该面积约束下的展开机制有效抑制了常规共形映射或基于角度保持的展平算法中出现的局部面积收缩或扩张现象，使展开轮廓所包围的区域总面积与原始三维曲面区域高度一致。由于鞋面材料切割后需与鞋底边缘精确匹配，面积的保真展开从几何源头消除了因展平算法缺陷引入的轮廓累积误差，冲切出的鞋面切片在与鞋底缝合时无需二次修剪或拉伸适配，减少了材料修边损耗并提升了鞋面组件的一次装配合格率。在结构仿真优化环节，刀具运动路径的生成直接源于二维鞋面切片轮廓的等距偏置与进退刀轨迹设定，该路径结合下压行程确定了刀座在切割方向上的空间运动范围与各工位载荷作用点。冲切机三维实体装配模型的几何参数由该运动行程驱动生成，使得机架、刀座、丝杠和电机等零部件的配合空间严格匹配实际切割所需的运动包络。在静力学有限元仿真中，由于刀具夹持点沿切割方向施加的等效切割反力直接对应路径规划的工况，机架底面固定约束模拟实际安装状态，由此得出的应力云图与位移云图真实反映了该特定切割任务下结构的力学响应。当最大应力超过材料许用应力时，在应力集中区域增加加强筋数目或加大加强筋截面高度的参数修改动作基于仿真计算结果中的应力分布热点定位，避免了均匀补强带来的材料冗余。当最大变形超过预定公差时，将当前丝杠导程乘以允许变形公差与计算最大变形之比的比例因子进行缩小，该参数调整量由变形偏差定量导出，取代了依靠经验逐次逼近的试凑方式。切割路径与结构仿真之间通过载荷位移边界的直接传递形成迭代闭环，每一步参数调整均有明确的力学判据和数值依据，结构方案在进入物理加工前即已收敛至满足许用应力和变形公差的状态，省去了多轮物理样机试切与修配环节。