五轴数控加工仿真碰撞检测算法研究

摘要

五轴数控加工技术已成为制造业中最重要的生产工具，但是由于两个旋转轴的介入，使得各个部件的运动位置关系非常复杂，容易在加工中出现各部件的碰撞，因此在进行数控加工仿真时对各部件进行碰撞检测能有效避免碰撞事故的发生。
　　虚拟仿真中的碰撞检测在国内外已经有许多的研究，其成果可运用到数控加工碰撞检测中。由于三角面片具有较好的控制性，在五轴数控加工仿真中，模型的表达也采用了三角面片，同时根据五轴数控加工仿真的特点，将虚拟仿真中的检测算法进行适当的改进，以便能更好地应用于五轴数控加工仿真碰撞检测。
　　对于五轴数控机床凸体之间的碰撞检测，本文采用OBB层次树，并对OBB层次树进行了结构优化。对于OBB包围盒之间的碰撞检测，目前主要采用的是分离轴定理，但由于分离轴定理具有一定的盲目性，使得运算量偏大且算法效率波动较大，本文提出了一个新的检测方法，采用了将三维的包围盒之间的检测转化到二维平面之间的检测，从而提高了算法的运算效率。
　　针对机床外壳与其它部件包围盒的检测，本文采用了构建内包围盒的方法，实现了凹形体与其它部件之间的粗检，避开了目前主流的直接将凹形体分割成凸体再进行检测的方法，由于分割的前几步包围盒较大，而其他包围盒又在凹形体内部，造成检测的前几步一般都会出现包围盒碰撞，从而使得运算量较大，因而，采用内包围盒能有效地排除大部分不相交的情况，提高了算法的效率。
　　五轴数控加工仿真碰撞检测的精检都是直接对三角面片进行检测，本文在对各种三角面片碰撞检测算法的分析比较后，对tropp算法进行了优化，即在tropp算法前加上了一个类似AABB包围盒的方法，结合在三角面片顶点列表信息存储时的预处理，记录下三角面片各个方向的最大最小值，通过这些值之间的比较完成了三角面片对间的碰撞检测初步排除，弥补了tropp算法在三角面片碰撞率低时检测效率低的不足。
　　针对刀具和工件之间的碰撞检测，由于离散的碰撞检测容易造成一些漏检的情况，本文采用了刀具扫描体和工件来进行碰撞检测，实现了用离散的方法实现连续的碰撞检测。
　　本文在虚拟仿真碰撞检测算法的基础上完成了五轴数控加工仿真中的碰撞检测，但同时本文的碰撞检测算法也可用到其它类似虚拟仿真中去，实现了方法的通用性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究目标及主要内容

第二章 五轴数控机床三维模型的建立与姿态求取

2．1 五轴数控机床三维模型的建立

2．2 五轴数控机床三维模型信息提取

2．3 机床运动体姿态提取

2．3．1 五轴机床的分类及拓扑构型

2．3．2 五轴数控机床的位姿变换

2．4 本章小结

第三章 包围盒的建立

3．1 包围球的构建与优化

3．2 OBB包围盒的构建方法

3．3 OBB包围盒层次树的构造及优化

3．3．1 OBB包围盒层次树的构造

3．3．2 OBB包围盒层次树的构建的优化

3．4 内包围盒的建立

3．5 本章小结

第四章 包围盒的检测算法及三角面片检测算法

4．1 各类包围盒的碰撞检测算法

4．1．1 包围球的碰撞检测算法

4．1．2 AABB包围盒的碰撞检测算法

4．1．3 离散有向多面体包围盒的碰撞检测算法

4．1．4 OBB包围盒的碰撞检测算法

4．1．5 内包围盒的检测算法

4．2 OBB包围盒检测新算法

4．2．1 分离轴定理

4．2．2 OBB检测新算法

4．3 三角面片的碰撞检测

4．4 本章小结

第五章 五轴数控加工工件与刀具的连续碰撞检测

5．1 刀具扫描体的构成

5．1．1 刀具模型的建立

5．1．2 刀具扫描体的建立

5．2 刀具扫描体和工件的碰撞检测

5．3 本章小结

第六章 系统实现及验证

6．1 本文系统实现的主要内容

6．2 五轴数控加工仿真碰撞检测系统的开发

6．2．1 碰撞检测界面

6．2．2 模型信息的提取与存储

6．2．3 模型空间位置变换的求取更新

6．2．4 OBB包围盒树的建立与检测

6．2．5 内包围盒的建立与检测

6．2．6 三角面片碰撞检测算法

6．2．7 刀具与工件的连续碰撞检测

6．3 实例验证

6．3．1 OBB包围盒检测新算法验证

6．3．2 内包围盒检测新算法验证

6．3．3 碰撞检测实例

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文和参与科研项目情况