大型超塑成型设备结构化设计及其模型轻量化技术研究

武大伟 刘迎春 苏长青

摘要：大型超塑成型设备在航空航天领域有广泛的应用前景，而其三维模型的结构化设计以及轻量化技术研究仍然处于初级阶段。本文从大型超塑成型设备的技术方案入手，对其主机系统结构进行了分析。通过结构化设计思路以及减少图形渲染次数等三维模型设计手段对模型轻量化的技术进行了研究。

关键词：轻量化；三维模型；结构化；超塑成型设备

1大型超塑成型设备结构特点

1.1整体设备技术方案概述

大型超塑成型设备能够用于航空航天零件的加工，其加工特点是将一些具有超塑性的金属加热到一定的温度之后使其塑性显著提升而进行塑性变形，超塑成型设备主要的加工对象是钛合金材料，钛合金在常温下塑性很低，难以进行精确的成型，因此采用超塑成型的工艺对其进行成型加工。首先大型超塑成型设备升温至950摄氏度使钛合金发生软化，此时钛合金的塑性显著提高，而后超塑成型设备中的炉门关闭，在950摄氏度的温度条件下进行保温，在950摄氏度的温度条件下模具开始运动，挤压已经软化的钛合金而完成成型过程。

超塑成型设备通常包含压力提供系统，加热系统、温度保持系统、冷却系统、供气系统自以及真空系统组成，还包含超塑成型设备的控制系统。压力由液压机以及液压站提供，液压主机产生的压力将传导至钛合金材料上以使钛合金材料产生塑性变形。超塑成型设备的加热系统由金属加热平台、采用陶瓷制作的加热管以及进行温度控制和温度测量的热电偶系统组成。保温系统主要由前后左右等四个封闭门以及封闭门上的密封结构组成。气路采用氩气路，氩气是一种惰性气体，对超塑性变性过程起到保护作用，在超塑成型设备的过程中保持其内部的真空环境能够使超塑成型过程不受到环境的湿度以及杂质因素的影响，真空系统中真空泵分为两级结构组成，一级是机械泵，用以将超塑成型设备中的密封结构抽至低真空，另一级是分子泵，用于将超塑成型设备中的密封结构抽至高真空。控制系统包含上下位机的移动控制系统以及由热电偶和陶瓷加热管组成的温度控制系统。

1.2主机系统结构

超塑成型的主机结构采用经典的框架式结构，由封闭的框架通过超压预紧的方法制作而成。横梁和支柱在螺母和拉杆的作用下被锁紧，这样可以使超塑成型设备在工作过程中保持最大程度的稳定性，使其变形量减小。

超塑成型设备的导向装置被设计在超塑成型设备的上端，导向机构由导向柱和导向套组合而成，组合方式为楔铁式组合方式，在导柱进行横向移动时只需要调节楔铁的垫片高度即可，采用调节楔铁垫片高度的方法来移动导柱可以实现滑块导向的功能，又可以避免进入滑块工作的高温区域。

2超塑成型设备结构化设计以及轻量化模型实现

超塑成型设备是一种大型的机械设备，其结构非常复杂，零部件众多，因此超塑成型设备的三维装配图所占用的空间非常大，装配文件的复杂性也导致文件的打开速度很慢。为了降低超塑性成型设备三维模型所占用空间的大小以及提高模型浏览和修改的速度，需要对超塑成型设备的三维结构进行结构化设计，并且进行三维模型的轻量化研究。如今，移动存储设备以及移动终端的普及使得人们的办公方式逐渐出现了变化，以往的办公方式已经变为不限时间、不限地点的办公。例如乘坐地铁上班时利用乘车时间进行办公，这是只能利用手机或者平板电脑进行工作，但这类移动设备的硬件处理性能相比于台式电脑来讲还是相距甚远，如果采用这类设备对三维模型进行浏览甚至进行编辑则会耗费大量的时间，卡顿现象也在所难免。因此在超塑成型设备的三维模型装配设计过程中，融入结构化设计和轻量化表达设计思想非常重要，这会极大的压缩三维装配文件的打开时间，增加模型的处理效率。

若想要对超塑成型设备三维模型轻量化操作，首先要实现的就是一次性传入数据的最大化。当利用OpenGL ES进行三维模型的绘制函数调用时，图形驱动就要收集各种数据以完成上述过程，其收集数据包含设备的各种状态、设备结构纹理以及设备顶点的属性等等，根据这些数据进行三维图形的绘制需要消耗大量的时间，产生巨大的工作量，无数次渲染极大的降低了三维模型的绘制效率。解决的思路是尽量减少渲染的次数，一次性渲染多个三角形来实现一次性传入数据的最大化操作。除了一次性传入数据最大化之外还有减少绘制单元数量设计，这种设计思路依托于模型简化和剪裁技术，最大程度的实现所需要绘制的三维模型图元，这样同样可以通过减少单次图形的渲染工作量来实现整体图形渲染工作量的降低。

其次，当绘制状态发生变化时，图形渲染所占用的内存以及渲染开销都会显著增加，绘制状态变化较为频繁时驱动器的运作负荷将会大幅度提升，因此在对不同的超塑成型设备零部件进行绘制时可以按照聚类的原则对其进行划分，绘制状态相同的零部件分为一个绘制组别，绘制状态通常分为颜色、材质、光照和纹理等，相同或者相似的图形进行绘制分组时能够显著降低绘制状态变化频次，减少驱动器运作负荷。

另外，使用顶点缓冲对象（vertex buffer objects）、对纹理进行压缩、降低着色器复

杂度、减少资源锁定、根据深度对几何体进行排序等方法都可以达到优化渲染过程的目的。OpenGL ES的图形渲染管线优化方法还有很多，这里无法对其一一列举。在实际中，需要根据具体的绘制需求以及真实的性能瓶颈，灵活运用各种优化方法，充分发挥硬件性能，以达到良好的渲染效果，并且实现超塑成型设备三维模型设计的轻量化。对于需要的渲染的几何体而言，以压缩格式存储顶点数据，如降低顶点、法向、颜色数据的精度也可以减少对带宽的要求，同时也能减少应用程序的内存消耗。

参考文献：

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[3]朱广涛. 基于三维模型的PMI信息提取及应用技术研究[D].北华航天工业学院，2018.

作者简介：武大伟（1979.09--）；性别：男，籍贯：辽宁朝阳人，学历：硕士研究生，毕业于沈阳航空航天大学；现有职称：高级工程师；研究方向：航空制造工艺及其数字化；

*基金项目：本论文受科技部重大专项项目资金资助，项目编号2013ZX04001041-09