车铣复合加工中心在线防碰撞系统部件模型位姿变换方法技术方案

本发明专利技术涉及车铣复合加工中心在线防碰撞系统部件模型位姿变换方法，包括以下步骤：S1：构建基于STL格式的部件模型三角面片化数据结构；S2：构建各部件位姿变换矩阵；S3：根据车铣复合加工中心三维模型对步骤S1的部件模型三角面片化数据结构内的模型数据进行初始化；根据车铣复合加工中心伺服轴坐标参数识别位姿变化的部件，并基于步骤S2的各部件位姿变换矩阵函数获取位姿变化的部件的位姿变换矩阵；根据部件初始模型数据结构的模型数据和位姿变化的部件的位姿变换矩阵更新部件实时模型数据结构内的模型数据。与现有技术相比，本发明专利技术可快速且有效地实现各部件模型的位姿变换。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机床
，尤其是涉及一种车铣复合加工中心在线防碰撞系统部件模型位姿变换方法。
技术介绍
近年来，在传统数控车床和加工中心的基础上，增加C轴分度、Y轴运动、动力刀架或铣削电主轴等功能配置而发展起来的车铣加工中心大量出现，可通过一次装夹完成多步工序和多种工艺，大大提高了加工效率。但是，这类机床在加工过程中的走刀路径和机床部件运动十分复杂，使得加工过程中容易发生诸如刀具与工件或者刀具与机床之间的碰撞事故。为了尽可能避免此类事故发生，在数控系统中集成在线防碰撞系统是一种可行方案。由于加工中心部件一直处于复杂的空间运动过程中,而碰撞检测算法要求被检测对象的空间模型基于同一个空间坐标系。因此，高效的部件位姿变换算法是实现防碰撞系统碰撞检测功能的基础。常用的姿态变描述法主要有欧拉角法、四元数法和齐次变换法三种。由于机床部件主要运动形式为沿X、Y、Z轴的平移和绕B轴、C轴的旋转，采用齐次坐标变换法可以最为快速有效地实现各部件的位姿变换。中国专利CN103076762A公开了一种基于HTM40100车铣复合加工中心三位在线防碰撞方法，实现卧式车铣复合加工中心的在线防碰撞检测。本专利技术选用SINUMERIK840D系统作为开发平台，以HTM40100卧式车铣复合加工中心为研究对象，在西门子的标准界面下，利用西门子OEM软件开发包提供的标准编程语言，将自行开发的三维防碰撞系统集成于数控系统中。该专利并未提及如何最为快速有效地进行车铣复合加工中心的各部件的位姿变换。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种车铣复合加工中心在线防碰撞系统部件模型位姿变换方法，可快速且有效地实现各部件的位置变换。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种车铣复合加工中心在线防碰撞系统部件模型位姿变换方法包括以下步骤：S1：构建基于STL格式的部件模型三角面片化数据结构，包括用于存储部件初始模型数据的部件初始模型数据结构和用于存储部件实时模型数据的部件实时模型数据结构；S2：构建基于各伺服轴坐标参数的各部件位姿变换矩阵函数；S3：部件模型位姿变换过程：S3-1：根据车铣复合加工中心三维模型对步骤S1的部件模型三角面片化数据结构内的模型数据进行初始化；S3-2：根据车铣复合加工中心伺服轴坐标参数识别位姿变化的部件，并基于步骤S2的各部件位姿变换矩阵函数获取位姿变化的部件的位姿变换矩阵；S3-3：根据步骤S3-1中的部件初始模型数据结构的模型数据和步骤S3-2的位姿变化的部件的位姿变换矩阵更新步骤S3-1中的部件实时模型数据结构内的模型数据。所述部件初始模型数据结构包括用于存储部件与顶点的映射关系的初始模型部件层和用于存储顶点坐标值的初始模型空间点层；所述部件实时模型数据结构包括用于存储部件与三角面片的映射关系的实时模型部件层、用于存储三角面片与顶点的映射关系的实时模型三角面片层以及用于存储顶点坐标值的实时模型空间点层。所述初始模型部件层与初始模型空间点层之间根据顶点建立链接关系。所述实时模型部件层与实时模型三角面片层之间根据三角面片建立链接关系，所述实时模型三角面片层和实时模型空间点层根据顶点建立链接关系。所述步骤S2具体为：S2-1：获取车铣复合加工中心的结构参数以及各伺服轴的零点位置；S2-2：根据车铣复合加工中心的结构参数以及各伺服轴的零点位置，建立以各伺服轴坐标为参变量的各部件位姿变换矩阵函数。所述各部件位姿变换矩阵为各部件向绝对坐标系的齐次坐标变换矩阵。所述步骤S3-1中对部件模型三角面片化数据结构内的模型数据进行初始化的过程具体为：1)根据车铣复合加工中心三维模型获取STL格式文件；2)去除STL格式文件内的冗余点；3)对去冗余后的STL格式文件进行封装，获取初始化的部件模型三角面片化数据结构内的模型数据。所述步骤3-2具体为：S3-2-1：实时采集车铣复合加工中心各伺服轴的坐标参数；S3-2-2：判断部件当前时刻的伺服轴的坐标参数与上一时刻的伺服轴的坐标参数是否相同，若是，则跳转步骤S3-2-1，若否，则记该部件为位姿变化的部件；S3-2-3：基于步骤S2的各部件位姿变换矩阵函数，由位姿变化的部件当前时刻的伺服轴的坐标参数获取位姿变化的部件的位姿变换矩阵。所述部件实时模型数据结构内的模型数据用于车铣复合加工中心的实时碰撞检测和实时模型显示。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1)本专利技术构建机床部件模型简化的三角面片化数据结构，将传统的坐标点变换提升至模型变化的高层次，部件实时模型数据结构内的模型数据反应部件模型的三维状态，可进一步用于车铣复合加工中心的实时碰撞检测和实时模型显示，有利于加工中心的在线防碰撞规划，以保证设备运行安全。2)本专利技术采用以空间小三角形面片逼近三维实体表面的STL数据模型，仅对三角形面片的三个顶点进行坐标变化，大大减小所需坐标变化的处理量，提高数据处理效率。3)本专利技术构建部件初始模型数据结构和部件实时模型数据结构，实现结构化存储数据，降低模型数据冗余，有利于大量数据存储与调用，提高系统运行效率，消除手工推导方法中各轴坐标计算公式的推导环节，可快速处理部件模型位姿的变化状态，获得部件模型的实时空间分布。4)本专利技术采用齐次坐标变换法实现坐标变换，可以最为快速有效地实现各部件的位姿变换，高效的部件位姿变换算法是实现防碰撞系统碰撞检测功能的基础。附图说明图1为车铣复合加工中心的简化模型；图2为车铣复合加工中心各铣削加工部件的空间坐标变换示意图；图3为车铣复合加工中心各车削加工部件的空间坐标变换示意图；图4为部件初始模型数据结构的示意图；图5为部件实时模型数据结构的示意图；图6为位姿实时变换过程的流程图。图中：1、斜立柱Z轴溜板，2、斜立柱，3、斜立柱X轴溜板，4、铣主轴，5、副主轴，6、刀塔Z轴溜板，7、刀塔X轴溜板，8、主轴。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。一种车铣复合加工中心在线防碰撞系统部件模型位姿变换方法包括以下步骤：S1：构建基于STL格式的部件模型三角面片化数据结构，包括用于存储部件初始模型数据的部件初始模型数据结构和用于存储部件实时模型数据的部件实时模型数据结构。STL格式是一种用空间小三角形面片逼近三维实体表面的数据模型，通过三角形的三个顶点坐标值及三角形法向向量来实现对每个三角面片的具体描述。为了降低模型数据冗余，提高系统运行效率，本方法首先对STL格式模型文件去冗余并进行结构化封装。部件封装的数据结构如图4和图5所示，将部件封装成两个数据结构。其一为部件实时模型数据结构，包含部件与三角面片、三角面片与顶点的映射关系以及各顶点坐标值，作为部件位姿变换的输出，用于在线防碰撞系统的碰撞检测以及模型实时显示。其二为部件初始模型数据结构，包含了部件与顶点的映射关系以及各顶点的初始坐标值，主要用于部件位姿变换的输入。S2：构建基于各伺服轴坐标参数的各部件位姿变换矩阵函数。车铣复合加工中心各部件的空间运动是通过各伺服轴的运动实现的，根据车铣复合加工中心的结构参数以及各伺服轴的零点位置，建立加工中心各部件的初始化坐标变换矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种车铣复合加工中心在线防碰撞系统部件模型位姿变换方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：构建基于STL格式的部件模型三角面片化数据结构，包括用于存储部件初始模型数据的部件初始模型数据结构和用于存储部件实时模型数据的部件实时模型数据结构；S2：构建基于各伺服轴坐标参数的各部件位姿变换矩阵函数；S3：部件模型位姿变换过程：S3‑1：根据车铣复合加工中心三维模型对步骤S1的部件模型三角面片化数据结构内的模型数据进行初始化；S3‑2：根据车铣复合加工中心伺服轴坐标参数识别位姿变化的部件，并基于步骤S2的各部件位姿变换矩阵函数获取位姿变化的部件的位姿变换矩阵；S3‑3：根据步骤S3‑1中的部件初始模型数据结构的模型数据和步骤S3‑2的位姿变化的部件的位姿变换矩阵更新步骤S3‑1中的部件实时模型数据结构内的模型数据。

【技术特征摘要】
1.一种车铣复合加工中心在线防碰撞系统部件模型位姿变换方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：构建基于STL格式的部件模型三角面片化数据结构，包括用于存储部件初始模型数据的部件初始模型数据结构和用于存储部件实时模型数据的部件实时模型数据结构；S2：构建基于各伺服轴坐标参数的各部件位姿变换矩阵函数；S3：部件模型位姿变换过程：S3-1：根据车铣复合加工中心三维模型对步骤S1的部件模型三角面片化数据结构内的模型数据进行初始化；S3-2：根据车铣复合加工中心伺服轴坐标参数识别位姿变化的部件，并基于步骤S2的各部件位姿变换矩阵函数获取位姿变化的部件的位姿变换矩阵；S3-3：根据步骤S3-1中的部件初始模型数据结构的模型数据和步骤S3-2的位姿变化的部件的位姿变换矩阵更新步骤S3-1中的部件实时模型数据结构内的模型数据。2.根据权利要求1所述的车铣复合加工中心在线防碰撞系统部件模型位姿变换方法，其特征在于，所述部件初始模型数据结构包括用于存储部件与顶点的映射关系的初始模型部件层和用于存储顶点坐标值的初始模型空间点层；所述部件实时模型数据结构包括用于存储部件与三角面片的映射关系的实时模型部件层、用于存储三角面片与顶点的映射关系的实时模型三角面片层以及用于存储顶点坐标值的实时模型空间点层。3.根据权利要求2所述的车铣复合加工中心在线防碰撞系统部件模型位姿变换方法，其特征在于，所述初始模型部件层与初始模型空间点层之间根据顶点建立链接关系。4.根据权利要求2所述的车铣复合加工中心在线防碰撞系统部件模型位姿变换方法，其特征在于，所述实时模型部件层与实时模型三角面片层之间根据三角面片建立链接关系，所述实时模型三角面片层和实时模...

【专利技术属性】
技术研发人员：张为民，罗亮，张欢，李鹏忠，兰宇，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31