Fixed-angle Method for Examines Automatic Fiber Placement Based on Point Cloud Surfaces

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2023.21.013

Abstract

Abstract: The examines automatic fiber placement on point cloud surfaces was researched. The direct projection method with moving least-squares projection technique was proposed to project the initial path. A point cloud slicing method was improved to propose a point cloud projection slicing method. A cubic B-spline interpolation algorithm was used to generate initial paths by fitting projection points， and an equidistant offset algorithm for chord length subdivision projections was proposed. Based on stretching the path splines end， a boundary processing method was proposed to solve the problem that the offsetting paths could not reach the surface boundary. Finally， the algorithm was visualized by reverse engineering module of CATIA， and the systematic relationship between the path planning algorithm and the 3D modelling software was established.

Key words: point cloud surface, automatic fiber placement, moving least-squares projection, point cloud projection slicing, chord length subdivision projection

摘要： 研究了点云曲面自动铺丝路径规划，提出了使用移动最小二乘投影法投影初始路径的直接投影法。对点云切片法加以改进，提出了点云投影切片法。利用三次B样条插值算法拟合投影点生成初始路径，并提出弦长细分投影的等距偏移算法。针对偏移路径无法到达曲面边界的问题，提出基于路径样条线末端延伸的边界处理方法。最后通过CATIA的逆向工程模块实现了算法的可视化，建立了三维建模软件与路径规划算法的系统关系。

关键词: 点云曲面, 自动铺丝, 移动最小二乘投影, 点云投影切片, 弦长细分投影法

CLC Number:

TP391

JIANG Shikuo, WANG Xiaoping, WANG Kai, JIN Jiang. Fixed-angle Method for Examines Automatic Fiber Placement Based on Point Cloud Surfaces [J]. China Mechanical Engineering, 2023, 34(21): 2629-2636,2645.

姜世阔, 王小平, 汪凯, 金将. 基于点云曲面的定角度自动铺丝路径规划[J]. 中国机械工程, 2023, 34(21): 2629-2636,2645.

References

［1］王显峰，张育耀，赵聪，等. 复合材料自动铺丝设备研究现状［J］. 航空制造技术， 2018， 61（14）：83-90.
WANG Xianfeng， ZHANG Yuyao， ZHAO Cong， et al. Current Status of Research on Automatic Wire Lay-up Equipment for Composite Materials［J］. Aerospace Manufacturing Technology， 2018， 61（14）：83-90.
［2］PARNAS L， ORAL S， CEYHAN U. Optimum Design of Composite Structures with Curved Fiber Courses［J］. Compos. Sci. Technol.， 2003， 63（7）：1071-1082.
［3］SCHUELER K， MILLER J， HALE R， et al. Approximate Geometric Methods in Application to the Modeling of Fiber Placed Composite［J］. Journal of Computing & Information Science in Engineering， 2004， 4（3）：251-256.
［4］SHIRINZADEH B， CASSIDY G， OETOMO D， et al. Trajectory Generation for Open-contoured Structures in Robotic Fiber Placement［J］. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing， 2007， 23（4）：380-394.
［5］BLOM A W， SETOODEH S， HOL J M A M， et al. Design of Variable-stiffness Conical Shells for Maximum Fundamental Eigenfrequency［J］. Computers & Structures， 2008， 86（9）：870-878.
［6］WANG Xiaoping， AN Luling， ZHANG Liyan， et al. Uniform Coverage of Fibers over Open-contoured Freeform Structure Based on Arc-length Parameter［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2008， 21（6）：571-577.
［7］卢敏，周来水，王小平. 一种基于投影法的铺丝路径优化生成算法［J］. 中国机械工程， 2011， 22（16）：1993-1996.
LU Min， ZHOU Laishui， WANG Xiaoping. Optimization of Fiber Steering in Composite Laminates Using a Curve Projection Algorithm［J］. China Mechanical Engineering， 2011， 22（16）：1993-1996.
［8］孟书云，赵东标，陆永华. 复杂曲面自动铺丝轨迹规划算法设计［J］. 中国机械工程， 2016， 27（5）：669-673.
MENG Shuyun， ZHAO Dongbiao， LU Yonghua. Design of Path Planning Algorithm for Automatically Fiber Placement for Sculptured Surfaces［J］. China Mechanical Engineering， 2016， 27（5）：669-673.
［9］年春波. 变角度铺丝成型构件的力学性能分析［D］. 南京：南京航空航天大学， 2019.
NIAN Chunbo. Analysis of Mechanical Properties of Variable Angle Wire Lay-up Forming Members［D］. Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2019.
［10］LONG Yan， CHEN Zezhong， SHI Yaoyao， et al. An Accurate Approach to Roller Path Generation for Robotic Fiber Placement of Free-form Surface Composites［J］. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing， 2014， 30：277-286.
［11］XU Jinting， SUN Yuwen， WANG Sunke. Tool Path Generation by Offsetting Curves on Polyhedral Surfaces Based on Mesh Flattening［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2013， 64：1201-1212.
［12］李俊斐，王显峰，肖军，等. 网格化曲面的固定角度铺丝轨迹规划算法［J］. 计算机辅助设计与图形学学报， 2013， 25（9）：1410-1415.
LI Junfei， WANG Xianfeng， XIAO Jun， et al. Fixed-angle Filament Laying Trajectory Planning Algorithm for Meshed Surfaces［J］. Journal of Computer-Aided Design and Graphics， 2013， 25（9）：1410-1415.
［13］朱延娟，罗文龙. 自由曲面自动铺带轨迹规划三角网格算法研究［J］. 机电一体化， 2013， 19（5）：13-17.
ZHU Yanjuan， LUO Wenlong. Triangular Mesh Algorithm of Automated Tape Placement Trajectory Planning for Free-form Surface［J］. Mechatronics， 2013， 19（5）：13-17．
［14］PEI Jiazhi， WANG Xiaoping， PEI Jingyv， et al. Path Planning Based on Ply Orientation Information for Automatic Fiber Placement on Mesh Surface［J］. Applied Composite Materials， 2018， 10：1-14.
［15］王小平，周宇，刘付国. 三角网格面自动铺丝定角度路径规划算法［J］. 南京航空航天大学学报， 2020， 52（3）：378-387.
WANG Xiaoping， ZHOU Yu， LIU Fuguo. Automatic Filament Laying Fixed-angle Path Planning Algorithm for Triangular Grid Surface［J］. Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2020， 52（3）：378-387.
［16］冉庆波，肖鸿，杨富鸿，等. 含孔曲面自动铺丝轨迹规划算法［J］. 航空学报， 2022， 43（9）：688-700.
RAN Qingbo， XIAO Hong， YANG Fuhong， et al. Trajectory Planning Algorithm for Automatic Wire Laying on Perforated Surface［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2022， 43（9）：688-700.
［17］周宇. 网格曲面自动铺丝路径规划基础研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2020.
ZHOU Yu. Fundamental Research on Automatic Filament Laying Path Planning for Meshed Surfaces［D］. Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2020.
［18］伍龙华，黄惠. 点云驱动的计算机图形学综述［J］. 计算机辅助设计与图形学学报， 2015， 27（8）：1341-1353.
WU Longhua， HUANG Hui. A Review of Point Cloud-driven Computer Graphics［J］. Journal of Computer-Aided Design and Graphics， 2015， 27（8）：1341-1353.
［19］卢敏. 复合材料构件自动铺丝成型中的路径生成算法研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2011.
LU Min. Research on Path Generation Algorithm in Automatic Wire Layup Forming of Composite Components［D］. Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2011.
［20］李宝，程志全，党岗，等. 三维点云法向量估计综述［J］. 计算机工程与应用， 2010， 46（23）：1-7.
LI Bao， CHENG Zhiquan， DANG Gang， et al. A Review of 3D Point Cloud Normal Vector Estimation［J］. Computer Engineering and Applications， 2010， 46（23）：1-7.
［21］KOBBELT L， BOTSCH M. A Survey of Point-based Techniques in Computer Graphics［J］. Computer & Graphics， 2004， 28（6）：801-814.
［22］ZHANG Yingjie， GE Liling. Improved Moving Least Squares Algorithm for Directed Projecting onto Point Clouds［J］. Measurement， 2011， 44（10）：2008-2019.
［23］XU Jingting， GENG Zhen， SUN Yunwen， et al. Generating Gouge-free Tool Paths for Ball-end Cutter CNC Milling of Cloud of Point by Projecting Guide Curves［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2019， 102：1193-1204.
［24］ANADIL M， ROOHA S， MICHELLE P， et al. Tool Path Generation， for Complex Surface Machining， Using Point Cloud Data［J］. Procedia CIRP， 2015， 26：397-402.
［25］ZHANG Guifang， WANG Junwei， CAO Feng， et al. 3D Curvature Grinding Path Planning Based on Point Cloud Data［C］∥12th IEEE/ASME International Conference on Mechatronic and Embedded Systems and Applications（MESA）. Harbin， 2016：1-6.
［26］XU Jingting， HOU Wenbing， SUN Yuwen， et al. PLSP Based Layered Contour Generation from Point Cloud for Additive Manufacturing［J］. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing， 2018， 49：1-12.
［27］毛征宇，刘中坚. 一种三次均匀B样条曲线的轨迹规划方法［J］. 中国机械工程， 2010， 21（21）：2569-2572.
MAO Zhengyu， LIU Zhongjian. A Trajectory Planning Method for Cubic Uniform B-spline Curve［J］. China Mechanical Engineering， 2010， 21（21）：2569-2572.
［28］赵安安，何大亮，王晗，等. 复杂曲面上的自动铺放路径规划方法［J］. 北京航空航天大学学报， 2022， 48（4）：595-601.
ZHAO Anan， HE Daliang， WANG Han， et al. Automatic Paving Path Planning Method on Complex Surfaces［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2022， 48（4）：595-601.
［29］ZHANG Leen， WANG Xiaoping， PEI Jingyu， et al. Adaptive Path Planning of Fiber Placement Based on Improved Method of Mesh Dynamic Representation［J］. Applied Composite Materials， 2019， 26（3）：785-803.
［30］段沐枫，秦田亮，沈裕峰，等. 自动铺丝最小间隙路径规划与复合材料锥壳结构制造［J］. 航空学报， 2019， 40（2）：188-196.
DUAN Mufeng， QIN Tianliang， SHEN Yufeng， et al. Minimum Gap Layup Algorithms for Automatic Fiber Placement and Manufacture of Conic Composite Structure［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2019， 40（2）：188-196.