一种基于隐函数的五轴加工复杂曲面碰撞检测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于隐函数的五轴加工复杂曲面碰撞检测方法，在五轴加工仿真应用中，针对复杂曲面选取工件体素，通过隐函数建模方程在工件坐标系下构建刀具曲面，再进行逆运动映射，运用包围盒检测，缩小检测范围，减少检测时间,根据隐函数方程求解根之间的关系判断是否发生碰撞，最后判断碰撞发生位置。本发明专利技术针对复杂曲面无需三维空间相交计算，减少计算量，避免耗时；包围盒粗检测，缩小检测范围，提高时间性能；利用逆运动运算，运用矩阵变换，简化计算过程；隐函数和包围盒相结合的检测方法，能有效提高碰撞检测的精确度；利用隐函数方程构建刀具扫描体，能够防止碰撞检测时发生漏点情况。

A collision detection method for five axis machining complex surface based on implicit function

The invention relates to a collision detection method for complex surface of five-axis machining based on implicit function. In the application of five-axis machining simulation, workpiece voxels are selected for complex surface, cutter surfaces are constructed in workpiece coordinate system by implicit function modeling equation, and then inverse motion mapping is carried out. Bounding box detection is used to reduce the detection range. The detection time is reduced, and the collision position is judged according to the relationship between the roots of implicit function equation. The invention aims at the complex surface without three-dimensional space intersection calculation, reduces the calculation amount and avoids time-consuming; the bounding box rough detection reduces the detection range and improves the time performance; the inverse motion operation and the matrix transformation are used to simplify the calculation process; the implicit function and the bounding box combined detection method can effectively improve the collision detection. Accuracy; the use of implicit function equation to build a tool scanning volume, can prevent the collision detection of leakage.

【技术实现步骤摘要】
一种基于隐函数的五轴加工复杂曲面碰撞检测方法
本专利技术属于数控加工
，涉及一种五轴加工复杂曲面碰撞检测方法，具体涉及一种基于隐函数的五轴加工复杂曲面碰撞检测方法。
技术介绍
五轴加工能高精度的加工复杂曲面，具有更高的加工效率，更快的切削速率，更优的加工质量，广泛应用于装备制造领域。五轴加工碰撞检测方面存在有以下问题：与传统三轴加工相比，五轴加工增加两个旋转轴，可以实现刀具在工作空间内任意方向的移动和旋转，但自由度的增加必然提高碰撞的可能性。在实际生产中，一旦发生碰撞，轻则损坏工件，重则破坏机床部件，因此，加工前的碰撞检测尤为重要。
技术实现思路
针对上述技术不足，为了解决五轴数控加工中两个旋转轴带来的易碰撞性；同时为了减少复杂三维相交计算，提高碰撞检测时间性能，本专利技术考虑到缩小检测范围，直接求解隐函数表达式，提供了一种高效的基于隐函数五轴加工复杂曲面碰撞检测方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于隐函数的五轴加工复杂曲面碰撞检测方法，包括以下步骤：选取刀具曲面的工件体素，构建刀具曲面模型的隐函数方程，进行逆运动映射，再运用包围盒检测有碰撞时，进一步根据隐函数方程判断是否发生碰撞。所述选取工件曲面的工件体素时，工件体素间隔小于刀具直径2r。逆运动映射，当刀具既移动又旋转时，三维空间刀具体曲面各部分在工件坐标系原点处的隐函数方程为F(x,y,z)＝(x,y,z)×Tt(t)-1×Tx(t)-1，其中(x,y,z)表示采集工件体素，Tt(t)-1表示平移逆运动表达式，Tx(t)-1表示旋转逆运动表达式，t表示时间。所述包围盒检测具体为：当刀具包围盒和检测工件包围盒不重叠时，两者不发生碰撞，无需再进行隐函数方程检测；当刀具包围盒和检测工件包围盒存在重叠区域时，表示两者可能发生碰撞，需要用隐函数方程对重叠区域进行检测，确定碰撞是否发生。所述根据隐函数方程判断是否发生碰撞具体为：当F(x,y,z)＞0时，检测体素在三维空间刀具体曲面外，碰撞未发生；当F(x,y,z)＝0时，碰撞发生，碰撞点在曲面上；当F(x,y,z)＜0时，碰撞发生，至少存在2个碰撞点。所述根据隐函数方程判断是否发生碰撞后，通过对刀具移动位置形成的扫描体的隐函数求解判断是否发生碰撞，包括以下步骤：t是时间；F(x,y,z,t)表示刀具扫描体的隐函数参数化表达式，Tt(t)表示刀具表面检测体素从初始时刻到t时刻发生平移的变换矩阵，Tx(t)表示刀具表面检测体素从初始时刻到t时刻发生旋转的变换矩阵，Ms(S)表示刀具表面检测体素的集合；当F(x,y,z,t)为实系数一元二次多项式时：(1)两个不等实根x1、x2，则认为发生2次碰撞；(2)两个相等实根x1＝x2，则发生1次碰撞；(3)无实根则未发生碰撞。t的取值范围与刀具扫描体范围成正相关：t∈[0,1]、x1,x2∈[0,1]，则在刀具扫描体中发生碰撞；则在刀具扫描体的延长线上，不发生碰撞。所述通过对刀具移动位置形成的隐函数求解判断是否发生碰撞后，进行工件与刀具的碰撞检测：当满足下式时，刀具的非切割中部发生碰撞；当满足下式时，夹具发生碰撞；其中，x、y、z为碰撞检测体素坐标(x,y,z)。本专利技术具有以下有益效果及优点：1.针对复杂曲面无需三维空间相交计算，减少计算量，避免耗时；2.包围盒粗检测，缩小检测范围，提高时间性能；3.利用逆运动运算，运用矩阵变换，简化计算过程；4.隐函数和包围盒相结合的检测方法，能有效提高碰撞检测的精确度；5.利用隐函数方程构建刀具扫描体，能够防止碰撞检测时发生漏点情况。附图说明图1是球头刀具在工件坐标系中模型及参数图；图2是球头刀具隐函数方程建模侧视图和三维效果图；图3是五轴联动机床运动链关系图；图4是五轴联动运动等价示意图；图5是刀具运动前后映射关系图；图6是本专利技术的总体流程图；图7是刀具和工件包围盒形式碰撞检测示意图；图8是取工件体素待检测时碰撞点漏检测效果图；图9是刀具、夹具和工件可能发生碰撞区示意图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术涉及一种碰撞检测方法，尤其涉及在五轴加工仿真应用中，选取复杂曲面的工件体素，采集检测点时要确保取工件体素间隔要小于刀具直径2r。这样的条件限制可避免漏检测的可能性发生，确保检测的顺利进行。通过隐函数建模方程在工件坐标系下构建刀具曲面，再进行逆运动映射，运用包围盒检测无碰撞则不进一步检测，如有碰撞则剔除无关点，缩小检测范围，较少检测时间。根据隐函数方程求解根之间的关系判断是否发生碰撞，最后判断碰撞发生位置。当刀具处于任意位置时刻隐函数刀具曲面建模，如图2所示，五轴运动可以等价为先平移再旋转，可单一运动也可同时进行，矩阵变换表达刀具当下时刻隐函数方程。只发生平移时矩阵变化为Tt(t)，只发生旋转时矩阵变化为Tx(t)。任意位置时刻隐函数刀具建模表达式＝工件坐标原点隐函数刀具建模表达式×矩阵变化表达式。F(x,y,z)表示工件坐标原点隐函数刀具建模表达式，Tt(t)或Tx(t)表示矩阵变化表达式。工件与刀具逆运动关系具体为：采样体素进行逆运动映射，通过矩阵变换变换坐标参数，还原各个体素发生空间位移前的坐标。如果产生平移，还原体素参数化表达(x,y,z)×Tt(t)-1；如果产生旋转还原体素参数化表达(x,y,z)×Tx(t)-1其中(x,y,z)表示采集工件体素，t表示平移，x表示旋转。既移动又旋转，则通过逆运动映射参数化隐函数方程表达F(x,y,z)＝(x,y,z)×Tt(t)-1×Tx(t)-1；F(x,y,z)表示三维空间刀具体曲面各部分在工件坐标系原点处的隐函数方程，如图5所示，此时刀具和工件这两个坐标系是平行的，刀具的原点和工件的原点已知，及坐标差值已知，即两者存在已知的对应关系。如果工件原点为0,0,0，那么，刀具原点为0-x，0-y，0+z，故刀具此时位姿所处的刀具坐标系Ocutter-xcutterycutterzcutter等价于工件坐标系Oworkpiece-xworkpieceyworkpiecezworkpiece。包围盒检测具体为：包围盒检测主要是剔除无关体素，快速排除规则实体，缩小检测范围，较少检测时间。当刀具和检测工件包围盒不重叠时，两者一定不发生碰撞，无需再进行隐函数方程检测；当刀具和检测工件包围盒有重叠部位时，两者可能发生碰撞，需要用隐函数方程对重叠区域进行细检测，确定碰撞是否发生。隐函数方程判定条件具体为：当F(x,y,z)＞0时，在点在曲面外，碰撞未发生；当F(x,y,z)＝0时，碰撞发生，碰撞点在曲面上；当F(x,y,z)＜0时，碰撞发生，至少存在2个碰撞点。也可进一步优化刀具移动位置形成的隐函数扫描体法，防止漏点现象发生。隐式扫描体参数化表达式为：其中t表示时间，t的取值范围与扫描体范围成正相关。如t∈[0,1]，x1,x2∈[0,1]就在扫描体中发生碰撞；则在扫描体的延长线上，也不考虑发生碰撞。当F(x,y,z,t)为实系数一元二次多项式。求解一元二项式，根据方程解情况判断刀具扫描体和工件是否发生碰撞，并且根的个数能确定发生几次碰撞：(1)两个不等实根x1，x2则发生2次碰撞；(2)两个相等实根x1＝x2则发生1次碰撞；(3)无实根则未发生碰撞本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于隐函数的五轴加工复杂曲面碰撞检测方法，其特征在于包括以下步骤：选取刀具曲面的工件体素，构建刀具曲面模型的隐函数方程，进行逆运动映射，再运用包围盒检测有碰撞时，进一步根据隐函数方程判断是否发生碰撞。

【技术特征摘要】
1.一种基于隐函数的五轴加工复杂曲面碰撞检测方法，其特征在于包括以下步骤：选取刀具曲面的工件体素，构建刀具曲面模型的隐函数方程，进行逆运动映射，再运用包围盒检测有碰撞时，进一步根据隐函数方程判断是否发生碰撞。2.根据权利要求1所述的一种基于隐函数的五轴加工复杂曲面碰撞检测方法，其特征在于所述选取工件曲面的工件体素时，工件体素间隔小于刀具直径2r。3.根据权利要求1所述的一种基于隐函数的五轴加工复杂曲面碰撞检测方法，其特征在于逆运动映射，当刀具既移动又旋转时，三维空间刀具体曲面各部分在工件坐标系原点处的隐函数方程为F(x,y,z)＝(x,y,z)×Tt(t)-1×Tx(t)-1，其中(x,y,z)表示采集工件体素，Tt(t)-1表示平移逆运动表达式，Tx(t)-1表示旋转逆运动表达式，t表示时间。4.根据权利要求1所述的一种基于隐函数的五轴加工复杂曲面碰撞检测方法，其特征在于，所述包围盒检测具体为：当刀具包围盒和检测工件包围盒不重叠时，两者不发生碰撞，无需再进行隐函数方程检测；当刀具包围盒和检测工件包围盒存在重叠区域时，表示两者可能发生碰撞，需要用隐函数方程对重叠区域进行检测，确定碰撞是否发生。5.根据权利要求1所述的一种基于隐函数的五轴加工复杂曲面碰撞检测方法，其特征在于，所述根据隐函数方程判断是否发生碰撞具体为：当F(x,y,z)＞0时，检测体素在三维空间刀具体曲面外，碰撞未发生；当F(x...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭锐锋，王帅，廉东本，王鸿亮，苏谟，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳计算技术研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21