[发明专利]基于图像信息辅助的多轴加工无干涉刀路检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种计算机辅助制造技术，尤其是涉及一种基于图像信息辅助的多轴加工无干涉刀路检测方法。

背景技术

五轴机床在通常三轴机床基础上增加了两个旋转轴，具有更好的刀具可达性，更快的材料去除率，更少的加工时间以及更好的表面加工质量。但由于多了两个自由度，五轴加工中更容易发生干涉碰撞。

五轴数控加工中的干涉问题分为局部干涉和全局干涉。局部干涉是在刀具切入被加工表面而引起过切。全局干涉是加工中机床主轴头及刀具会与被加工表面产生干涉，还可能与夹具及机床床身发生碰撞干涉。

碰撞干涉检测是数控加工过程仿真的重要内容，当前，大多数商用五轴CAM软件如UGS NX、CATIA等均提供过切检查与修正的功能。然而，当使用这些软件进行编程时，仍然需要大量的人机交互来避免碰撞，这些CAM系统不能自动地完成干涉避免。

经对现有技术的文献检索发现，以色列学者Ilushin等人探索了一种全局干涉检测中的精确多边形刀具求交算法，该方法可对任意形状的刀具和刀杆进行干涉检测，但仅仅在接触点处考虑可能的碰撞。同课题组Wein等人将Ilushin的方法扩展到刀具沿连续刀路运动的干涉检测中。每一路径上的干涉检测问题通过使用刀轴附近障碍物的放射投影方式得到关键曲面片的集合。然而，该算法仅能检测刀具与工件或刀具与机床部分的碰撞问题。

比利时学者Lauwers等人将碰撞检测集成到刀路生成过程中。将刀路规划模块、后处理模块以及机床仿真环境集成到同一系统中。该算法可以检测刀具与工件、刀具与机床以及机床运动组件之间的碰撞检测。然而，由于假定刀具为圆柱体，该算法不能应用到刀具的通用形式中，工件几何变化没有被考虑。

发明内容

本发明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基于图像信息辅助的多轴加工无干涉刀路检测方法，该方法可以快速准确的对多轴加工中的干涉状态进行检测，从而快速获取无干涉的刀路，进行刀路验证及参数优化。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于图像信息辅助的多轴加工无干涉刀路检测方法，包括以下步骤：

1)确定刀具的几何尺寸和检测精度；

2)基于层次二叉树的包围盒算法获取加工环境的立体图像，将加工环境中刀具路径外的图像进行删减；

3)根据给定的刀位，将刀具和加工环境的图像通过图形硬件投影至图像平面上，降维得到二维图像空间，同时将图像数据保存至预设的干涉数组中；

4)采用干涉检测图检测当前刀位的干涉状态，若为干涉模糊状态，则执行步骤5)：若为干涉确定状态或无干涉状态，则保存该干涉状态信息后，重新执行步骤3)；

5)采用最短距离矢量法对干涉模糊状态的刀位进行进一步处理，确定该刀位的干涉状态并保存后，重新执行步骤3)。

步骤2)中根据刀具的视景体表达，删去视景体之外的图像。

步骤3)中采用OpenGL的双缓存技术，将刀具和加工环境的图像复制到前缓存中，并投影至图像平面上，而后缓存中的图像直接保存至预设的干涉数组中。

所述的干涉检测图中每个用于检测的三角形区域用RGB颜色表建立索引，非干涉区域的RGB颜色值设定为黑色，若干涉检测图的内切圆检测区域内存在非黑色的三角形区域，则当前刀位为干涉确定状态，若干涉检测图的内切圆检测区域内不存在非黑色的三角形区域，则当前刀位为无干涉状态，若干涉检测图的内切圆检测区域边缘存在非黑色的三角形区域，则当前刀位为干涉模糊状态。

步骤5)的最短距离矢量法根据干涉检测图中检测区域与刀具的轴线的最短距离判断干涉状态状态，若该最短距离小于刀具的半径，则为干涉确定状态，若该最短距离不小于刀具的半径，则为无干涉状态。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、该算法结合了图形硬件的绘制加速性能和层次二叉树的简化优势来提高物体间碰撞检测的速度，对五轴加工干涉检测可获得快速近乎实时性能；

2、计算效率高、编程简单，适用于多轴数控加工刀路验证与参数优化中。

附图说明

图1为刀位点干涉检测分析流程框图；

图2为刀具几何体的参数表示，其中(a)为平底刀、(b)为球头刀、(c)为环形刀、(d)为锥形刀；

图3为刀具的视景体表达，其中(a)圆柱刀的正交投影，(b)锥形刀的透视投影；

图4为利用RGB颜色表检索三角形区域干涉状态的示意图；