專利名稱：：一種虛擬激光加工過(guò)程幾何仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種仿真方法，更具體地，本發(fā)明涉及一種激光柔性加工過(guò)程幾何仿真系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
：虛擬制造是集現(xiàn)代制造工藝、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、并行工程、人工智能、人工現(xiàn)實(shí)等多種高新技術(shù)為一體，對(duì)所有的制造環(huán)境及制造活動(dòng)進(jìn)行建模與仿真，是對(duì)產(chǎn)品全生命周期的仿真。其中的加工過(guò)程仿真是虛擬制造的底層與核心。由于加工過(guò)程中涉及因素多，過(guò)程復(fù)雜，而且對(duì)加工過(guò)程的研究難以集成到虛擬制造的大仿真系統(tǒng)下，這一直是虛擬制造的瓶頸問(wèn)題之一。而加工過(guò)程幾何仿真可為激光制造系統(tǒng)提供完備的仿真環(huán)境、加工過(guò)程軌跡驗(yàn)證等重要功能環(huán)節(jié)，對(duì)提高系統(tǒng)運(yùn)行效率、消除工藝設(shè)計(jì)缺陷提供支持。集成化激光制造系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在同一五軸框架式機(jī)器人平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類的加工方式(切割、焊接、表面處理等)的一種自動(dòng)化系統(tǒng)。在現(xiàn)有方法中，幾何仿真均是針對(duì)某種特定類型的加工方式，如華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院基于分形掃描的選擇性激光燒結(jié)過(guò)程動(dòng)態(tài)幾何仿真但這種方式存在仿真應(yīng)用范圍局限性大、可維護(hù)性差等缺點(diǎn)；也有與物理;漠型集成對(duì)激光加工過(guò)程進(jìn)行完整仿真，如中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所張?zhí)壹t博士提出虛擬激光柔性加工的完整過(guò)程仿真進(jìn)行了探索。然而，其中幾何仿真使用商業(yè)化IGRIP軟件，具有開放性、可擴(kuò)展性差，而且軟件獨(dú)立性差(軟件只能在配有相關(guān)硬件的條件下使用)，難于在不同的系統(tǒng)之間移植。如果以激光制造系統(tǒng)中框架式機(jī)器人為載體，采用模塊化設(shè)計(jì)^H吏用VC編程環(huán)境和OpenGL圖形函數(shù)庫(kù)構(gòu)建虛擬激光加工環(huán)境，數(shù)據(jù)接口、軌跡規(guī)劃、圖元排序以及碰撞檢測(cè)等模塊嵌入到該可擴(kuò)展的虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)仿真。該方法可以克服上述難題，但是目前尚未見相關(guān)的研究報(bào)道或者是公布的專利技木
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是在虛擬制造的仿真大系統(tǒng)下，建立包括虛擬環(huán)境與虛擬設(shè)備的虛擬加工平臺(tái)，分析加工軌跡規(guī)劃優(yōu)化方法及算法實(shí)現(xiàn)，建立基于三角網(wǎng)格簡(jiǎn)化的碰撞檢測(cè)模型，嵌入到虛擬加工平臺(tái)中。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案一種嵌入式激光柔性加工過(guò)程仿真方法，其步驟包括(1)建立虛擬加工平臺(tái)在虛擬加工環(huán)境中加入虛擬i殳備即虛擬激光加工機(jī)器人；虛擬激光加工機(jī)器人的建立包括幾何模型的建立和控制設(shè)備幾何動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立。幾何模型指加工機(jī)器人的CAD實(shí)體模型；運(yùn)動(dòng)學(xué)模型包括其正解與運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，正解指由機(jī)器人各軸的運(yùn)動(dòng)量計(jì)算得加工頭處的位姿即坐標(biāo)值與法向量值，逆解指由加工頭處的位姿反算出機(jī)器人各軸的運(yùn)動(dòng)量值，反映的是機(jī)器人各關(guān)節(jié)軸值與加工頭位姿間的關(guān)系。(2)基于CAD數(shù)據(jù)的軌跡規(guī)劃在虛擬激光加工環(huán)境中，激光加工機(jī)器人加工軌跡驅(qū)動(dòng)仿真加工過(guò)程，它是虛擬環(huán)境中加工動(dòng)作的才艮本和優(yōu)化對(duì)象而虛擬仿真系統(tǒng)中待加工工件的面型數(shù)據(jù)主要來(lái)源于除CAD模型，針對(duì)大型汽車覆蓋件沖壓模具表面形貌復(fù)雜的特點(diǎn)，從工藝力學(xué)分析的角度出發(fā)，結(jié)合大量的工程實(shí)踐經(jīng)^^，>^人中抽:|又出一些有共同幾何特征的典型型面——棱脊，并基于STL數(shù)據(jù)格式實(shí)現(xiàn)加工軌跡規(guī)劃，便于驅(qū)動(dòng)仿真進(jìn)一步進(jìn)行。(3)軌跡優(yōu)化加工點(diǎn)1,2，…，n,采用C空間法計(jì)算任兩點(diǎn)i,j(i=1，2，…，n;j=l，2，…，n)的無(wú)碰撞最短軌跡；如圖2所示，加工點(diǎn)i用O,表示加工點(diǎn)j用02表示，碰撞點(diǎn)為p,建立通過(guò)p點(diǎn)和j點(diǎn)的連線(圖中虛線表示)的w個(gè)平面與模具型面相交得到w條交線，圖中用實(shí)線表示出其中的兩條，取w條交線中的最短交線，即為加工點(diǎn)i,j之間的無(wú)碰撞最短軌跡；w的取值大小決定了計(jì)算量大小，w的取值越大，計(jì)算量越大，取得的最短軌跡也越準(zhǔn)確；w的取值至少為8;兩點(diǎn)軌跡算出后采用螞蟻算法計(jì)算加工這n個(gè)加工點(diǎn)的最優(yōu)加工軌跡；(4)三角簡(jiǎn)化算法針對(duì)加工過(guò)程仿真干涉檢測(cè)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于網(wǎng)格覆蓋，誤差控制及加工頭尺寸效應(yīng)的三角網(wǎng)格簡(jiǎn)化算法。該算法首先對(duì)三角網(wǎng)格尋找一種初始的簡(jiǎn)化網(wǎng)格覆蓋r，給出相應(yīng)的初始覆蓋網(wǎng)格點(diǎn)集r。進(jìn)一步在r的各網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)尋找與相應(yīng)網(wǎng)格距離最大的網(wǎng)格點(diǎn)，并根據(jù)設(shè)定的最大及最小誤差范圍及加工頭的尺寸決定該點(diǎn)是否保留。該算法能夠在控制誤差的前提下快速有效的簡(jiǎn)化三角網(wǎng)格，特別適用于加工過(guò)程仿真干涉檢測(cè)應(yīng)用的三角網(wǎng)格簡(jiǎn)化。(5)碰撞檢測(cè)模型對(duì)于虛擬加工環(huán)境，可視為由n個(gè)形體(每個(gè)形體由m個(gè)三角網(wǎng)格組成)構(gòu)成的集合，若對(duì)每個(gè)形體直接實(shí)施加工頭(加工頭由k個(gè)三角網(wǎng)格組成)與周圍環(huán)境形體的碰撞;險(xiǎn)測(cè)算法，則進(jìn)行一次碰撞^r測(cè)需nxmxk次判斷，顯然算法的效率十分低下。多數(shù)碰撞檢測(cè)算法均存在時(shí)間步長(zhǎng)問(wèn)題，即碰撞檢測(cè)的精度與頻率問(wèn)題，頻率過(guò)高，則計(jì)算量大，增加了系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，頻率過(guò)低，則可能錯(cuò)過(guò)碰撞檢測(cè)。為此，在虛擬加工環(huán)境中建立了加工頭包圍球，利用包容球在整個(gè)加工軌跡形成的掃略體與加工件實(shí)體三角網(wǎng)格進(jìn)行求交計(jì)算。該算法可避免時(shí)間步長(zhǎng)問(wèn)題，并提高碰撞檢測(cè)算法的效率。在上述方法中，使用VC編程開發(fā)環(huán)境和0penGL圖形函數(shù)庫(kù)建立了具有通用性、易維護(hù)性和可擴(kuò)展性的計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是在虛擬激光加工環(huán)境中直觀顯示激光加工機(jī)器人與其它設(shè)備及工件的碰撞干涉情形及不合理加工軌跡；及早預(yù)見加工缺陷，為工藝參數(shù)調(diào)整及工藝優(yōu)化提供有效依據(jù)，節(jié)省人力、物力、時(shí)間與成本。圖1(a)是加工機(jī)器人的幾何模型整體結(jié)構(gòu)圖1(b)是圖1(a)中虛線圈中的腕部加工頭的放大圖2是棱脊示意圖3是系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)流程圖圖4是本發(fā)明加工點(diǎn)最優(yōu)加工路徑的螞蟻算法流程圖5是三角網(wǎng)格簡(jiǎn)化算法流程示意圖6是頂點(diǎn)P及其所在三角網(wǎng)格的投影示意圖7是包容球掃略體碰撞檢測(cè)示意圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描迷本發(fā)明的方法主要是仿真過(guò)程中的建才t軌跡規(guī)劃優(yōu)化及碰撞干涉^r測(cè)才莫型，其具體步驟如下1.建立虛擬激光加工平臺(tái)該虛擬平臺(tái)是為所有激光加工提供的加工平臺(tái)，所要虛擬的是激光加工設(shè)備和虛擬環(huán)境。本實(shí)施例針對(duì)由中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研制的"一種具有柔性傳輸和多軸聯(lián)動(dòng)的激光加工裝置"，專利號(hào)為98101217.5;其虛擬環(huán)境主要是加工間燈光、輔助-沒施及布局等。虛擬加工i殳備主要是虛擬激光加工機(jī)器人，包括機(jī)器人幾何模型和可執(zhí)行任何軌跡的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)控制模型。如圖1(a)所示，加工機(jī)器人為5軸框架式機(jī)器人，有x移動(dòng)軸1、y移動(dòng)軸2、z移動(dòng)軸3和A轉(zhuǎn)動(dòng)軸5、C轉(zhuǎn)動(dòng)軸6，幾何;溪型如圖1所示，其框架4尺寸為5.77mx3.63mx2.0m,石更限位為x:4.45m;y:2.755m;z:1.085m,運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系矩陣為<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>式中尸,，i5、,，尸:，C為各軸的運(yùn)動(dòng)量值；x，/，z為腕部加工工具頭7的坐標(biāo)值；法向矢量("，，"v,a2)是機(jī)器人腕部加工工具頭7的姿態(tài)，如圖1(b)所示，腕部加工工具頭7的三個(gè)方向余弦為姿態(tài))；r,是腕部加工工具頭7的長(zhǎng)度；仏是腕部手臂8的長(zhǎng)度；^代表A轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度；^代表C轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度；S^sin代表A轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度的正弦計(jì)算；C^cos^代表A轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度的余弦計(jì)算；S產(chǎn)sin9c代表C轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度的正弦計(jì)算；CfCos6c代表C轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度的余弦計(jì)算。上述運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系通過(guò)軟件IGRIP的SharedLibrary二次開發(fā)功能導(dǎo)入給虛擬機(jī)器人形成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)控制模型。2.基于STL格式的棱脊軌跡規(guī)劃棱脊是加工表面中常見的一種面型，但因?yàn)閼?yīng)用環(huán)境，應(yīng)用目的不同，加之棱脊的種類很多，所以還沒有一個(gè)通用的定義。從特征線的角度以及激光強(qiáng)化加工的目的出發(fā)，可以構(gòu)造性地給出如下的棱脊定義給定一條光滑的空間曲線L，則在L上任一點(diǎn)可做相應(yīng)的法平面。在法平面上做過(guò)該點(diǎn)的曲線R,令R沿L運(yùn)動(dòng)，R掃掠所構(gòu)成的曲面即稱為棱脊。曲線L稱為棱脊導(dǎo)線，R稱為棱脊母線(如圖2所示)。由上述定義可知，導(dǎo)線與母線就是棱脊的兩條特征線，知道一條棱脊導(dǎo)線以及導(dǎo)線上某一點(diǎn)處的母線，則整個(gè)棱脊就可以確定下來(lái)?；赟TL棱脊軌跡M^'j的流程如下(1)STL文件中，實(shí)體表面的所有三角網(wǎng)格被無(wú)序地列出，不存在任何拓樸信息，然而在基于STL軌跡規(guī)劃中，建立三角網(wǎng)格拓樸信息是首要的。(2)對(duì)于復(fù)雜表面STL文件，實(shí)體表面以大量甚至是海量的三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)記錄的，對(duì)于零件表面棱脊這類特殊形貌提取特征點(diǎn)。由曲面論可知，零件的棱脊線處曲面的曲率較大。為計(jì)算每一頂點(diǎn)的曲率，可在頂點(diǎn)P處建立曲面S(i/,v)=0，v，v))，其中/j(m,v)=做2+Zmv+cv2,曲面再P點(diǎn)得局部開j狀可由Darboux結(jié)構(gòu)DO)=(;,wpw2，iV，^,*2)完全描述。^(1《_/《w)在局部坐標(biāo)系(/>Av)下的坐標(biāo)值為(",由m個(gè)鄰點(diǎn)得到的線性方程組為式，用最小二乘法解此方程組，即求得曲面S(",v)。在求得S("，v)的基礎(chǔ)上，利用曲面的第一、第二基本公式可以得到曲面上P處的法曲率k:(3)特征點(diǎn)確定后，對(duì)特征點(diǎn)集范圍內(nèi)搜索構(gòu)造樣條曲線生成棱脊導(dǎo)線和棱脊母線。(4)按照一定的步長(zhǎng)，分別在棱脊導(dǎo)線和已知母線上取等距點(diǎn)。并可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步計(jì)算已知母線上各等距點(diǎn)的法向量。(5)在導(dǎo)線等距點(diǎn)上都有相應(yīng)的母線，母線上的等距點(diǎn)(包括坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)法向量)可由上面已知母線上的對(duì)應(yīng)等距點(diǎn)經(jīng)一定的坐標(biāo)變換得到。(6)將上面的不同母線上的對(duì)應(yīng)等距點(diǎn)按照一定順序排列，即得到所需的力口工軌跡。3.軌跡優(yōu)化激光加工的軌跡優(yōu)化與加工仿真結(jié)合起來(lái)才能保證正確加工及加工效率。激光加工點(diǎn)的軌跡優(yōu)化模型為求單次遍訪各加工點(diǎn)的最短回路公式表述如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中，xy^1:，(i，J)在最優(yōu)路徑上;，l引表示集合S中所含元素的個(gè)數(shù),」)0其他；/7為激光硬化加工的總點(diǎn)數(shù)，du為加工點(diǎn)i到加工點(diǎn)j間的無(wú)石並撞最短軌跡長(zhǎng)度。加工點(diǎn)i(圖4中用Q點(diǎn)表示)到加工點(diǎn)j(圖4中用Q點(diǎn)表示)間的無(wú)碰撞軌跡長(zhǎng)度在C空間中求得。如圖4所示，取工件上0點(diǎn)為坐標(biāo)參考原點(diǎn)，力口工點(diǎn)fl相對(duì)于工件基礎(chǔ)坐標(biāo)原點(diǎn)<9點(diǎn)的坐標(biāo)為(272.2,24.3，14.7)，加工點(diǎn)Q的相對(duì)坐標(biāo)為(283.4，44.6，29.8),從Q到ft點(diǎn)發(fā)生碰撞的點(diǎn)為Z7(279.4,34.4,19.8)，以」。Q為連線建立不同的8個(gè)面與工件型面相交得到8個(gè)交線，其中長(zhǎng)度最短的交線即為無(wú)碰撞最短軌逸本實(shí)施例建立不同的8個(gè)面，還可以取更多個(gè)面以獲得更準(zhǔn)確的無(wú)碰撞最短軌逸兩兩點(diǎn)無(wú)碰撞軌跡得知后，用螞蚊算法求單次遍訪各加工點(diǎn)的最短回路、設(shè)有n個(gè)加工點(diǎn)，有ra個(gè)搜索器，本實(shí)施例中m-20。搜索器在走過(guò)的路徑上留下搜索標(biāo)記量，這個(gè)量隨著時(shí)間而更新，搜索器k在t次迭代中從加工點(diǎn)i選擇下一加工點(diǎn)j時(shí),根據(jù)轉(zhuǎn)移概率來(lái)選擇，見公式(1)中戶、(f);其中r,7W為第t次迭代搜索路徑地圖上加工點(diǎn)i到加工點(diǎn)j軌跡的搜索標(biāo)記量，迭代總次數(shù)為T,例如T-IO，/7〃為搜索器搜尋法則，在這里^.尸1/《7，&(/)為加工頭尚未到達(dá)過(guò)的加工點(diǎn)集合，"、-表示相對(duì)重要性。公式(2)中A《()為第i個(gè)搜索器于第f次搜索中加工點(diǎn)i到加工點(diǎn)j的單位軌跡長(zhǎng)度搜索標(biāo)記數(shù)，。為單個(gè)搜索器的搜索標(biāo)記總量，厶為第l個(gè)搜索器搜索路徑的總距離，公式U)中為搜索標(biāo)記量的更新，/0為軌跡衰減度，公式(4)中A、(,)表示軌跡上所有搜索器的搜索標(biāo)記量。算法公式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>算法中"、-、p等參數(shù)對(duì)算法性能有很大的影響。"值的大小表明留在每個(gè)加工點(diǎn)上的標(biāo)記量受重視的程度，ff值越大，搜索器選擇以前經(jīng)過(guò)的路線的可能性越大，但過(guò)大會(huì)使搜索過(guò)早陷于局部最小解；〃的大小表明啟發(fā)式信息受重視的程度，y值越大，搜索器選擇離它近的加工點(diǎn)的可能性也越夂p表示軌跡標(biāo)記量的保留率，如果它的值取得不恰當(dāng)，得到的結(jié)果會(huì)很差，計(jì)算中采用最佳參數(shù)"=1，5，0.5,100。如圖3所示為上述算法流程圖。4.基于加工頭效應(yīng)的三角網(wǎng)格簡(jiǎn)化算法設(shè)加工頭的特征尺寸為J,,三角網(wǎng)格三邊的邊長(zhǎng)分別為A,A,/3,如果滿足A<《,z'=l，2,3,且三角網(wǎng)格投影域內(nèi)沒有高出三角網(wǎng)格面的頂點(diǎn)，則從干涉檢測(cè)的角度而言，該三角網(wǎng)格已沒有必要再加以細(xì)分。這就是所謂的加工頭尺寸效應(yīng)。即當(dāng)三角網(wǎng)格的尺寸相對(duì)于加工頭的特征尺寸很小時(shí)，往往就會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格冗余，特別是在一些凹陷區(qū)域。所以可針對(duì)不同的加工頭形狀，選4奪合適的加工頭特征尺寸，用以過(guò)濾一些滿足上述條件的三角網(wǎng)格及其頂點(diǎn)?；谏厦娴臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及所定義的運(yùn)算和判斷法則，算法流程如圖5，具體描述如下第一步設(shè)定所需的三個(gè)指標(biāo)點(diǎn)到三角網(wǎng)格面的最大距離指標(biāo)"_;點(diǎn)到三角網(wǎng)格面的最小距離指標(biāo)A^;加工頭特征尺寸A。第二步在原三角網(wǎng)格的基礎(chǔ)上構(gòu)造初始的三角面片覆蓋。首先將三角網(wǎng)格投影到水平面上(假定為XY面)，搜索得到投影多邊形的各個(gè)頂點(diǎn)，并確定它們所對(duì)應(yīng)的三角網(wǎng)格頂點(diǎn)，記這些網(wǎng)格頂點(diǎn)為v,，v2，…、；繼而得到三角網(wǎng)格頂點(diǎn)中投影點(diǎn)位于上述投影域中部的某點(diǎn)、，連接該點(diǎn)與v^2,…v"，然后順次(順時(shí)針或逆時(shí)針)連接v^,^...、，從而構(gòu)成一初始的三角網(wǎng)格覆蓋7;。7;中所有的頂點(diǎn)構(gòu)成初始頂點(diǎn)集r。判斷某頂點(diǎn)的投影是否為投影區(qū)域邊緣點(diǎn)的方法如下給定頂點(diǎn)P，找到所有以點(diǎn)p為頂點(diǎn)的三角網(wǎng)格，將這些網(wǎng)格投影到水平面上，y為點(diǎn)P對(duì)應(yīng)的投影點(diǎn)。如圖6所示，如果此時(shí)投影中所有不以點(diǎn)/;'為端點(diǎn)的邊構(gòu)成一個(gè)封閉曲線，那么點(diǎn)p'就是投影域的一個(gè)內(nèi)點(diǎn)(見圖6(a));反之，如果這些邊不能構(gòu)成一個(gè)封閉曲線，則；/就位于投影域的邊緣上(見圖6(b))。第三步對(duì)三角網(wǎng)格覆蓋；中的某一三角網(wǎng)格"7;,利用前面判斷一點(diǎn)是否在三角形區(qū)域內(nèi)方法判斷是否有某些頂點(diǎn)的投影落A/的投影域內(nèi)。如果沒有，直接返回，執(zhí)行對(duì)z;中其它三角網(wǎng)格的判斷；如果有，找到這些頂點(diǎn)中與r距離最大的點(diǎn)，記為A^，相應(yīng)的最大距離記為《^。類似的找到與f距離最小的點(diǎn);^，相應(yīng)的最小距離記為《n。另外以A，A，A分別標(biāo)記,的三條邊的邊長(zhǎng)。然后做如下的判斷(1)當(dāng)KJ〈A^，且I《。I〈D^時(shí)，返回，執(zhí)行對(duì)7;中其它三角網(wǎng)格的判斷。(2)當(dāng)KJ〈A^，iU,<￡,"=1,2，3時(shí)，返回，執(zhí)行對(duì)7;中其它三角網(wǎng)格的判斷。(3)對(duì)于其他情形，將該頂點(diǎn)添加到頂點(diǎn)集f;第四步對(duì)初始三角面片覆蓋中的每一三角面片進(jìn)行第三步，從而得到一新的頂點(diǎn)集r,對(duì)r進(jìn)行三角剖分，得新的三角網(wǎng)格覆蓋7;。第五步對(duì)頂點(diǎn)集r和三角面片覆蓋7;重復(fù)第三步和第四步。第六步當(dāng)頂點(diǎn)集r不再發(fā)生變化時(shí)，終止。此時(shí)經(jīng)三角剖分所得的三角面片集7;即為所求的三角網(wǎng)格。用乂表示此時(shí)r中的頂點(diǎn)個(gè)數(shù)，tv,表示7;的三角網(wǎng)格個(gè)數(shù)。5.碰撞檢測(cè)模型在激光加工中，軌跡規(guī)劃源于測(cè)量數(shù)據(jù)和CAD數(shù)據(jù)這兩種方式。對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)的規(guī)劃是首先通過(guò)選取代加工區(qū)咸再利用智能測(cè)量特征點(diǎn)集，最終對(duì)離散點(diǎn)構(gòu)造樣條曲線生成加工軌迎而對(duì)于CAD源數(shù)據(jù)，軌跡規(guī)劃是先從實(shí)體中選取特征點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造樣條曲線生成加工軌逸因此，這里加工軌跡可以使用累加弦長(zhǎng)三次參數(shù)樣條曲線描逸如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>s為累加弦長(zhǎng)，可表示為s0=0<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>如圖7所示，當(dāng)包圍球沿加工軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，三角形所在平面最先與球發(fā)生碰撞的點(diǎn)稱為接觸點(diǎn)，球與三角形發(fā)生碰撞的點(diǎn)位碰撞點(diǎn)。那么球與三角形是否碰撞問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為以下兩個(gè)子問(wèn)趁判斷接觸點(diǎn)是吝在三角形內(nèi)與求出碰撞點(diǎn)。對(duì)于接觸點(diǎn)在三角形內(nèi)的情況，碰撞點(diǎn)即為接觸點(diǎn)利用球正下方點(diǎn)代入式可以求解得到三角形所在平面碰撞點(diǎn)。對(duì)于接觸點(diǎn)在三角形外的情況，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可以等分s用等分點(diǎn)作為端點(diǎn)的多線段來(lái)近似樣條曲線，并求各線段到三角網(wǎng)格邊的距離，如果大于包容球半徑則不發(fā)生碰撞；如果小于等于半徑則可判定發(fā)生^e並撞。權(quán)利要求1.一種激光柔性加工過(guò)程幾何仿真方法，其步驟包括1)建立虛擬加工平臺(tái)在虛擬加工環(huán)境中加入虛擬設(shè)備即虛擬激光加工機(jī)器人；虛擬激光加工機(jī)器人的建立包括幾何模型的建立和控制設(shè)備幾何動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立；2)基于CAD數(shù)據(jù)的軌跡規(guī)劃；3)軌跡優(yōu)化加工點(diǎn)1，2，...，n，采用C空間法計(jì)算任兩點(diǎn)i，j(i＝1，2，...，n；j＝1，2，...，n)的無(wú)碰撞最短軌跡；兩點(diǎn)軌跡算出后采用螞蟻算法計(jì)算加工這n個(gè)加工點(diǎn)的最優(yōu)加工軌跡；4)三角簡(jiǎn)化算法針對(duì)激光加工的特點(diǎn)，為保證虛擬環(huán)境中運(yùn)動(dòng)實(shí)體顯示實(shí)時(shí)性，設(shè)計(jì)了一種基于網(wǎng)格覆蓋、誤差控制及加工頭尺寸效應(yīng)的三角網(wǎng)格簡(jiǎn)化算法；5)碰撞檢測(cè)模型為避免時(shí)間步長(zhǎng)問(wèn)題以及為提高幾何仿真過(guò)程的實(shí)時(shí)性，利用包容球掃略體模型與加工件實(shí)體三角網(wǎng)格進(jìn)行求交計(jì)算。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的激光柔性加工過(guò)程幾何仿真方法，其特征在于，步驟1)中，所述幾何模型指加工機(jī)器人的CAD實(shí)體模型；所述運(yùn)動(dòng)學(xué)模型包括其正解與運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，正解指由機(jī)器人各軸的運(yùn)動(dòng)量計(jì)算得加工頭處的位姿，即坐標(biāo)值與法向量值，逆解指由加工頭處的位姿反算出機(jī)器人各軸的運(yùn)動(dòng)量值，反映的是機(jī)器人各關(guān)節(jié)軸值與加工頭位姿間的關(guān)系。3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的激光柔性加工過(guò)程幾何仿真方法，其特征在于，步驟2)具體為基于CAD數(shù)據(jù)重構(gòu)棱脊以自動(dòng)規(guī)劃加工輛跡；所述棱脊的概念是給定一條光滑的空間曲線L,則在L上任一點(diǎn)可做相應(yīng)的法平面，在法平面上做過(guò)該點(diǎn)的曲線R,令R沿L運(yùn)動(dòng)，R掃掠所構(gòu)成的曲面即稱為棱脊。4.根據(jù)權(quán)利要求l所述的激光柔性加工過(guò)程幾何仿真方法，其特征在于，步驟3)中，計(jì)算加工點(diǎn)/，y'之間的無(wú)碰撞最短軌跡方法如下(a)確定碰撞點(diǎn)為p;(b)建立通過(guò)p點(diǎn)和7點(diǎn)的連線的w個(gè)平面與模具型面相交得到w條交線；(c)取『條交線中的最短交線，即為加工點(diǎn)人乂之間的無(wú)碰撞最短軌跡。5.根據(jù)權(quán)利要求l所述的激光柔性加工過(guò)程幾何仿真方法，其特征在于，針對(duì)加工過(guò)程仿真干涉檢測(cè)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于網(wǎng)格覆蓋、誤差控制及加工頭尺寸效應(yīng)的三角網(wǎng)格簡(jiǎn)化算法；該算法首先對(duì)三角網(wǎng)格尋找一種初始的筒化網(wǎng)格覆蓋T,給出相應(yīng)的初始覆蓋網(wǎng)格點(diǎn)集V，進(jìn)一步通過(guò)凸點(diǎn)提取的方法細(xì)化網(wǎng)格，同時(shí)考慮加工頭尺寸效應(yīng)Dt(即加工頭直徑大小)的影響；相應(yīng)的誤差可以通過(guò)兩個(gè)重要指標(biāo)Draail(設(shè)定誤差最大值)及Dmin(設(shè)定誤差最小值)來(lái)控制。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光柔性加工過(guò)程幾何仿真方法，其特征在于，利用包圍球模擬激光加工頭，在虛擬環(huán)境中由一個(gè)位置運(yùn)動(dòng)到另一位置時(shí)，為球心沿空間自由曲線形成的封閉掃掠體；包圍球的軌跡使用累加弦長(zhǎng)三次參數(shù)樣條曲線描述；那么球與三角形是否碰撞問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為以下兩個(gè)子問(wèn)題判斷接觸點(diǎn)是否在三角形內(nèi)與求出碰撞點(diǎn)。全文摘要本發(fā)明公開了一種虛擬激光柔性加工過(guò)程幾何仿真方法。該方法包括1)虛擬加工平臺(tái)的建立；2)基于CAD數(shù)據(jù)的軌跡規(guī)劃；3)軌跡優(yōu)化；4)基于加工頭效應(yīng)的三角簡(jiǎn)化算法；5)碰撞檢測(cè)模型。利用本發(fā)明可在計(jì)算機(jī)可視化環(huán)境中觀察到加工運(yùn)動(dòng)過(guò)程，直觀顯示激光加工機(jī)器人與其它設(shè)備及工件的碰撞干涉情形及不合理加工軌跡，及早預(yù)見加工缺陷，為工藝參數(shù)調(diào)整及工藝優(yōu)化提供有效依據(jù)，節(jié)省人力、物力、時(shí)間與成本。文檔編號(hào)G06F17/50GK101308523SQ200810115468公開日2008年11月19日申請(qǐng)日期2008年6月24日優(yōu)先權(quán)日2008年6月24日發(fā)明者何秀麗,寧偉健,王立新,鋼虞,鄭彩云,雷鐘申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所