五轴数控加工干涉检查技术的研究

摘要

本文基于虚拟加工研究中检测3维物体空间碰撞的方向包围盒OBB法，提出了一种新的全局干涉检查方法。在这种方法中，为了简化五轴加工中更新刀具位置和方向的计算，刀具和夹具用分层包围盒结构进行建模。为了应用计算机图形学中高效的3维物体碰撞检查的分离轴理论，对自由曲面进行八叉树建模。采用上述策略，干涉检查是在刀具方向包围盒OBB和曲面八叉树的半空灰节点之间进行的。当在包围体之间检查到干涉时，对表面八叉树叶子节点中的离散表面点采用离散矢量法进一步检查，以确定其是否确实与刀具发生了干涉。　　在干涉检查过程中，除了利用OBB干涉检测进行简化外，八叉树的分层结构也显著降低了大量的计算。干涉检查首先在刀具OBB和八叉树的第一层子节点之间进行，如果发生干涉，则对其下层的子节点递归进行检查。当确定了八叉树中发生干涉的叶子节点的位置，或是确定子节点没有发生干涉时，递归检查过程中止。在递归中，只对发生干涉的节点进行遍历，没有干涉的节点的子节点不需要处理，可以直接略过。对于刀具采用相似的过程，首先检查八叉节点和刀具的第一层OBB之间的干涉情况，当刀具OBB发生干涉时，其第2层的4个子OBB需要进一步检查；否则，可以确定刀具和八叉节点之间没有干涉发生。　　除此之外，基于碰撞的时间和空间的相关性原理，下一个循环时发生干涉的节点通常在上一次干涉的节点附近。因此在每次检查之前，首先检查上次发生干涉的叶子节点的邻居节点，采用这种方法可以降低逐层遍历的计算负载。　　计算分析和实际应用表明，在自由曲面五轴数控加工的局部和全局干涉检查中，这种算法可以有效降低计算负载。

目录

文摘

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第一章 绪论

§1.1课题研究背景及意义

§1.2数控加工及自动编程概述

§1.2.1数控加工基本概念

§1.2.2数控加工自动编程技术

§1.2.3数控加工编程技术的研究状况

§1.3五轴数控加工过程中的干涉问题

§1.3.1五轴加工中干涉的产生及检测的重要性

§1.3.2干涉检测定义及特点

§1.3.3各种干涉检测算法概述

§1.3.4五轴加工干涉检测算法

§1.4课题研究的内容及结构安排

第二章 刀具的分层方向包围盒建模技术

本章摘要

§2.1包围盒检测技术概述

§2.1.1几种常用包围盒特点介绍

§2.1.2几种类型包围盒优缺点比较

§2.2刀具及离散刀位

§2.2.1五轴加工中通常使用的刀具

§2.2.2刀具轨迹的离散刀位点

§2.3刀具的分层方向包围盒建模

§2.3.1方向包围盒OBB的建立方法

§2.3.2刀具的方向包围盒OBB建立及近似分析

§2.3.3刀具方向包围盒的方位更新

§2.4本章小结

第三章 工件曲面的混和建模技术

本章摘要

§3.1物体三维几何表示法概述

§3.2工件自由曲面离散化和三角化

§3.2.1曲面的NURBS表达

§3.2.2NURBS曲面的离散

§3.2.3参数平面上的分割点三角化

§3.3用于分层检测的八叉树空间分割

§3.3.1八叉树概述

§3.3.2八叉树存储数据结构特性

§3.3.3五轴干涉检测对八叉树的应用需求

§3.3.4链式和线性八叉树混和数据结构

§3.3.5线性结构中叶子节点的邻居查找

§3.3.6叶子节点的Hash数组存储法

§3.3.7八叉树的递归分解建立

§3.4本章小结

第四章 基于分离轴理论和方向包围盒的干涉初步检测

本章摘要

§4.1层次包围盒的碰撞检测性能评价

§4.2分离轴理论概述

§4.2.1分离轴理论

§4.2.2分离轴理论在OBB上的实现

§4.3碰撞的相关性原理

§4.4碰撞检测算法实现

§4.4.1算法流程图及伪代码

§4.4.2提高效率的简化算法

§4.5本章小结

第五章 基于曲面离散的详细检测

本章摘要

§5.1刀具全局干涉及局部干涉

§5.2刀具干涉的离散矢量法判断

§5.2.1刀具的通用表示法

§5.2.2离散矢量判断干涉

§5.3干涉刀位的修正

§5.3.1刀具干涉量的计算

§5.3.2刀具干涉的修正

§5.4本章小结

第六章 五轴数控加工干涉检查算法实现

本章摘要

§6.1实例研究

§6.2讨论

§6.3本章小结

第七章结论和展望

§7.1结论

§7.2展望

参考文献

作者读研期间录用的文章

致 谢