[發(fā)明專利]數(shù)控加工與測(cè)量設(shè)備的防碰撞方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310755623.5
• 申請(qǐng)日: 2013-12-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103728917A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-04-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉書桂;韓振華;姜珍珠;王懷瑜;毛晴
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B19/401
• 分類號(hào): G05B19/401
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 劉國(guó)威

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及數(shù)控加工與測(cè)量設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域，具體講，涉及數(shù)控加工與測(cè)量設(shè)備的防碰撞方法。?

背景技術(shù)

在數(shù)控加工與測(cè)量設(shè)備中，防碰撞能力已經(jīng)成為其發(fā)展的技術(shù)瓶頸。這主要是由于：（1）被測(cè)量或者被加工零件的形狀越來(lái)越復(fù)雜；（2）數(shù)控的機(jī)器運(yùn)行速度越來(lái)越快；（3）對(duì)自動(dòng)化、智能化程度的要求越來(lái)越高，有些情況需要在無(wú)人的環(huán)境中操作；（4）被測(cè)對(duì)象的材料、性能及工作環(huán)境越來(lái)越不利于常規(guī)的加工和測(cè)量，例如國(guó)防與高科技中常需要對(duì)有毒、易爆及有強(qiáng)輻射零部件的幾何尺寸和形狀位置進(jìn)行測(cè)量。?

數(shù)控加工與測(cè)量設(shè)備的實(shí)質(zhì)是將人的加工或者測(cè)量意圖通過(guò)計(jì)算機(jī)指令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)到指定位置進(jìn)行加工或者測(cè)量。如果加工與測(cè)量的過(guò)程中存在人為的誤操作、錯(cuò)誤指令或者在加工測(cè)量空間環(huán)境中存在異物，則有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的碰撞事故。因此需要防碰撞裝置對(duì)即將加工或者測(cè)量的過(guò)程進(jìn)行安全性測(cè)試和過(guò)濾，對(duì)防碰撞技術(shù)的研究具有很大的必要性。?

目前在傳統(tǒng)的數(shù)控設(shè)備上，防碰撞技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上加裝行程限位機(jī)構(gòu)和傳感器裝置來(lái)保護(hù)容易發(fā)生碰撞的部位,即通過(guò)硬件措施實(shí)現(xiàn)防碰撞技術(shù)，例如德國(guó)的Leitz公司和英國(guó)的Renishaw公司都是在硬件上加裝碰撞保護(hù)裝置。而此種實(shí)現(xiàn)方式成本開(kāi)銷大，受硬件本身的局限性影響，只能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的局部防碰撞，難以實(shí)現(xiàn)全空間全方位的防碰撞保護(hù)。所以本發(fā)明提出了一種數(shù)控設(shè)備的新型全方位檢測(cè)防碰撞技術(shù)。?

發(fā)明內(nèi)容

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工與測(cè)量設(shè)備的全方位全空間的防碰撞保護(hù)，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，數(shù)控加工與測(cè)量設(shè)備的防碰撞方法：將數(shù)控設(shè)備的現(xiàn)實(shí)空間虛擬成可數(shù)字化操作的圖像空間，實(shí)現(xiàn)防碰撞，具體為：將實(shí)體空間中包括數(shù)控設(shè)備及其刀具或測(cè)頭模型、待測(cè)或待加工工件模型、夾具模型、相關(guān)環(huán)境模型數(shù)字化到虛擬空間，使實(shí)體空間與虛擬空間有完全一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；在實(shí)體空間中將要發(fā)生的任何運(yùn)動(dòng)或者運(yùn)動(dòng)企圖，都首先經(jīng)過(guò)虛擬空間的防碰撞算法計(jì)算后，才發(fā)出執(zhí)行實(shí)體空間運(yùn)動(dòng)的控制指令，那些有碰撞危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)或者運(yùn)動(dòng)企圖都被防碰撞算法過(guò)濾掉，避免發(fā)出有碰撞危險(xiǎn)的指令。?

所述方法進(jìn)一步細(xì)化為如下步驟：?

步驟1：采用構(gòu)造實(shí)體幾何法實(shí)現(xiàn)虛擬空間平臺(tái)的構(gòu)建，虛擬空間平臺(tái)構(gòu)建主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)控測(cè)量或加工設(shè)備的虛擬化；?

步驟2：建立零件、刀具、夾具三維信息模型：在測(cè)量或者加工的實(shí)體空間中，通過(guò)攝像機(jī)組視覺(jué)檢測(cè)建立零件、刀具、夾具三維信息模型；?

步驟3：零件的位姿識(shí)別及異物檢測(cè)；提取包括零件、夾具、刀具的數(shù)據(jù)信息，建立包括零件、夾具、刀具的虛擬模型，確定出零件虛擬模型在虛擬空間平臺(tái)中的位置姿態(tài)，結(jié)合?刀具、夾具虛擬模型對(duì)虛擬測(cè)量或加工空間進(jìn)行異物檢測(cè)；?

步驟4：對(duì)加工或測(cè)量空間采取由粗檢測(cè)到精檢測(cè)的分層碰撞檢測(cè)方案：粗檢測(cè)是對(duì)虛擬空間CSG建模方法中的基本體素包圍盒的建立，并進(jìn)行包圍盒間的布爾運(yùn)算以及包圍盒的碰撞檢測(cè)，排除不可能發(fā)生碰撞的零件部位、相交區(qū)域；精檢測(cè)是對(duì)可能發(fā)生碰撞的部位進(jìn)行碰撞檢測(cè)，逐步排除可發(fā)生碰撞的部位，直到剩余不可發(fā)生碰撞的部位滿足精度要求為止；?

步驟5：基于人工勢(shì)場(chǎng)法的采樣策略，由模擬退火算法和遺傳算法規(guī)劃出測(cè)量或加工的路徑，并建立路徑優(yōu)化的多層次模型：無(wú)障礙連續(xù)表面的檢測(cè)或加工路徑規(guī)劃模型、障礙表面測(cè)量或加工點(diǎn)間最短路徑規(guī)劃模型以及空間兩點(diǎn)最短路徑模型，通過(guò)對(duì)多層次模型的分析求解和算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)或加工路徑的優(yōu)化設(shè)計(jì)。?

基于對(duì)初始圖形交換規(guī)范IGES文件或產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交互規(guī)范STEP文件的深入分析，提取三維零件模型的數(shù)據(jù)信息。?

采用構(gòu)造實(shí)體幾何法構(gòu)建虛擬空間平臺(tái)具體為：基于基本體素的具體描述，依據(jù)運(yùn)動(dòng)關(guān)系原則和裝配關(guān)系原則構(gòu)建虛擬空間的數(shù)學(xué)模型；建立設(shè)備模型庫(kù)，用幾何層次建模原理實(shí)現(xiàn)檢測(cè)儀器或加工設(shè)備的虛擬平臺(tái)的構(gòu)建，并對(duì)虛擬空間平臺(tái)進(jìn)行三維顯示。?

本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)及效果：?

提出了實(shí)體和虛擬兩個(gè)空間防碰撞檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全方位全空間防碰撞保護(hù)。?

基于兩空間檢測(cè)軟件控制成本開(kāi)銷小，有利于推廣應(yīng)用。?

避免了純硬件結(jié)構(gòu)勞損帶來(lái)的局限性，使用周期長(zhǎng)。?

對(duì)于有毒、易爆和有強(qiáng)輻射零部件可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人遠(yuǎn)程測(cè)量和控制。?

能夠自動(dòng)實(shí)時(shí)的識(shí)別工件、刀具或測(cè)頭及其位姿，阻止異物的侵入。?

構(gòu)建良好的人機(jī)交互平臺(tái)便于實(shí)現(xiàn)對(duì)巨型、微小、盲測(cè)零件的加工測(cè)量。?