一种虚拟激光加工过程几何仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种虚拟激光柔性加工过程几何仿真方法。该方法包括：１）虚拟加工平台的建立；２）基于ＣＡＤ数据的轨迹规划；３）轨迹优化；４）基于加工头效应的三角简化算法；５）碰撞检测模型。利用本发明专利技术可在计算机可视化环境中观察到加工运动过程，直观显示激光加工机器人与其它设备及工件的碰撞干涉情形及不合理加工轨迹，及早预见加工缺陷，为工艺参数调整及工艺优化提供有效依据，节省人力、物力、时间与成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种仿真方法，更具体地，本专利技术涉及一种激光柔性加工过程 几何仿真系统及实现方法。
技术介绍
虚拟制造是集现代制造工艺、计算机图形学、并行工程、人工智能、人工 现实等多种高新技术为 一体，对所有的制造环境及制造活动进行建模与仿真， 是对产品全生命周期的仿真。其中的加工过程仿真是虚拟制造的底层与核心。 由于加工过程中涉及因素多，过程复杂，而且对加工过程的研究难以集成到虛 拟制造的大仿真系统下，这一直是虚拟制造的瓶颈问题之一。而加工过程几何 仿真可为激光制造系统提供完备的仿真环境、加工过程轨迹验证等重要功能环 节，对提高系统运行效率、消除工艺设计缺陷提供支持。集成化激光制造系统是由计算机控制系统在同 一五轴框架式机器人平台下 实现对不同种类的加工方式(切割、焊接、表面处理等)的一种自动化系统。在 现有方法中，几何仿真均是针对某种特定类型的加工方式，如华中科技大学机 械学院基于分形扫描的选择性激光烧结过程动态几何仿真但这种方式存在仿真应用范围局限性大、可维护性差等缺点；也有与物理;漠型集成对激光加工过 程进行完整仿真，如中国科学院力学所张桃红博士提出虚拟激光柔性加工的完 整过程仿真进行了探索。然而，其中几何仿真使用商业化IGRIP软件，具有开 放性、可扩展性差，而且软件独立性差(软件只能在配有相关硬件的条件下使 用)，难于在不同的系统之间移植。如果以激光制造系统中框架式机器人为载体，采用模块化设计^H吏用VC编 程环境和OpenGL图形函数库构建虚拟激光加工环境，数据接口、轨迹规划、图 元排序以及碰撞检测等模块嵌入到该可扩展的虚拟环境中实现仿真。该方法可 以克服上述难题，但是目前尚未见相关的研究报道或者是公布的专利技木
技术实现思路
本专利技术的目的是在虚拟制造的仿真大系统下，建立包括虚拟环境与虚拟设 备的虚拟加工平台，分析加工轨迹规划优化方法及算法实现，建立基于三角网 格简化的碰撞检测模型，嵌入到虚拟加工平台中。为了达到上述目的，本专利技术采取如下技术方案一种嵌入式激光柔性加工过程仿真方法，其步骤包括(1)建立虚拟加工平台在虚拟加工环境中加入虚拟i殳备即虚拟激光加工 机器人；虚拟激光加工机器人的建立包括几何模型的建立和控制设备几何动作 的运动学模型的建立。几何模型指加工机器人的CAD实体模型；运动学模型包 括其正解与运动学逆解，正解指由机器人各轴的运动量计算得加工头处的位姿 即坐标值与法向量值，逆解指由加工头处的位姿反算出机器人各轴的运动量值， 反映的是机器人各关节轴值与加工头位姿间的关系。(2) 基于CAD数据的轨迹规划在虚拟激光加工环境中，激光加工机器人 加工轨迹驱动仿真加工过程，它是虚拟环境中加工动作的才艮本和优化对象而 虚拟仿真系统中待加工工件的面型数据主要来源于除CAD模型，针对大型汽车 覆盖件沖压模具表面形貌复杂的特点，从工艺力学分析的角度出发，结合大量 的工程实践经^^， >^人中抽:|又出一些有共同几何特征的典型型面——棱脊，并基 于STL数据格式实现加工轨迹规划，便于驱动仿真进一步进行。(3) 轨迹优化加工点1, 2，…，n,采用C空间法计算任两点i, j (i =1， 2，…，n; j = l， 2，…，n)的无碰撞最短轨迹；如图2所示，加工点i 用O,表示加工点j用02表示，碰撞点为p,建立通过p点和j点的连线(图中 虚线表示)的w个平面与模具型面相交得到w条交线，图中用实线表示出其中 的两条，取w条交线中的最短交线，即为加工点i, j之间的无碰撞最短轨迹； w的取值大小决定了计算量大小，w的取值越大，计算量越大，取得的最短轨迹 也越准确；w的取值至少为8;两点轨迹算出后采用蚂蚁算法计算加工这n个加 工点的最优加工轨迹；(4) 三角简化算法针对加工过程仿真干涉检测的特点，设计了一种基于 网格覆盖，误差控制及加工头尺寸效应的三角网格简化算法。该算法首先对三 角网格寻找一种初始的简化网格覆盖r，给出相应的初始覆盖网格点集r。进一 步在r的各网格区域内寻找与相应网格距离最大的网格点，并根据设定的最大及 最小误差范围及加工头的尺寸决定该点是否保留。该算法能够在控制误差的前 提下快速有效的简化三角网格，特别适用于加工过程仿真干涉检测应用的三角 网格简化。(5) 碰撞检测模型对于虛拟加工环境，可视为由n个形体(每个形体由 m个三角网格组成)构成的集合，若对每个形体直接实施加工头(加工头由k个三角网格组成)与周围环境形体的碰撞;险测算法，则进行一次碰撞^r测需n x m x k次判断，显然算法的效率十分低下。多数碰撞检测算法均存在时间步长问题， 即碰撞检测的精度与频率问题，频率过高，则计算量大，增加了系统负担，频 率过低，则可能错过碰撞检测。为此，在虚拟加工环境中建立了加工头包围球， 利用包容球在整个加工轨迹形成的扫略体与加工件实体三角网格进行求交计 算。该算法可避免时间步长问题，并提高碰撞检测算法的效率。在上述方法中，使用VC编程开发环境和0penGL图形函数库建立了具有通 用性、易维护性和可扩展性的计算机模拟系统。 与现有技术相比，本专利技术的有益效果是在虚拟激光加工环境中直观显示激光加工机器人与其它设备及工件的碰撞 干涉情形及不合理加工轨迹；及早预见加工缺陷，为工艺参数调整及工艺优化 提供有效依据，节省人力、物力、时间与成本。附图说明图1 (a)是加工机器人的几何模型整体结构图1 (b)是图1 (a)中虚线圈中的腕部加工头的放大图2是棱脊示意图3是系统总体结构流程图图4是本专利技术加工点最优加工路径的蚂蚁算法流程图5是三角网格简化算法流程示意图6是顶点P及其所在三角网格的投影示意图7是包容球扫略体碰撞检测示意图。具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细描迷本专利技术的方法主要是仿真过程中的建才t轨迹规划优化及碰撞干涉^r测才莫 型，其具体步骤如下1.建立虛拟激光加工平台该虛拟平台是为所有激光加工提供的加工平台， 所要虚拟的是激光加工设备和虚拟环境。本实施例针对由中国科学院力学研究 所研制的"一种具有柔性传输和多轴联动的激光加工装置"，专利号为 98101217.5;其虛拟环境主要是加工间灯光、辅助-没施及布局等。虚拟加工i殳备主要是虛拟激光加工机器人，包括机器人几何模型和可执行任何轨迹的机器人运动学控制模型。如图1 (a)所示，加工机器人为5轴框架式机器人，有x 移动轴1、 y移动轴2、 z移动轴3和A转动轴5、 C转动轴6，几何;溪型如图1所 示，其框架4尺寸为5. 77mx 3. 63mx 2. 0m,石更限位为x: 4. 45m; y: 2. 755m; z: 1.085m,运动学关系矩阵为<table>table see original document page 7</column></row><table>式中尸,，i5、,，尸:，C为各轴的运动量值；x， /， z为腕部加工工具头7 的坐标值；法向矢量("，，"v, a2 )是机器人腕部加工工具头7的姿态，如图1 (b)所示，腕部加工工具头7的三个方向余弦为姿态)；r,是腕部加工工具头7 的长度；仏是腕部手臂8的长度；^代表A转动轴转动角度；^代表C转动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光柔性加工过程几何仿真方法，其步骤包括：１）建立虚拟加工平台：在虚拟加工环境中加入虚拟设备即虚拟激光加工机器人；虚拟激光加工机器人的建立包括几何模型的建立和控制设备几何动作的运动学模型的建立；２）基于ＣＡＤ数据的轨迹规划；３）轨迹优化：加工点１，２，…，ｎ，采用Ｃ空间法计算任两点ｉ，ｊ（ｉ＝１，２，…，ｎ；ｊ＝１，２，…，ｎ）的无碰撞最短轨迹；两点轨迹算出后采用蚂蚁算法计算加工这ｎ个加工点的最优加工轨迹；４）三角简化算法：针对激光加工的特点，为保证虚拟环境中运动实体显示实时性，设计了一种基于网格覆盖、误差控制及加工头尺寸效应的三角网格简化算法；５）碰撞检测模型：为避免时间步长问题以及为提高几何仿真过程的实时性，利用包容球扫略体模型与加工件实体三角网格进行求交计算。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：虞钢，钟雷，王立新，宁伟健，郑彩云，何秀丽，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]