CN103728917A - 数控加工与测量设备的防碰撞方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数控加工与测量设备应用领域，为实现数控加工与测量设备的全方位全空间的防碰撞保护，本发明采用的技术方案是，数控加工与测量设备的防碰撞方法：将数控设备的现实空间虚拟成可数字化操作的图像空间，实现防碰撞，具体为：将实体空间中包括数控设备及其刀具或测头模型、待测或待加工工件模型、夹具模型、相关环境模型数字化到虚拟空间，使实体空间与虚拟空间有完全一一对应关系；在实体空间中将要发生的任何运动或者运动企图，都首先经过虚拟空间的防碰撞算法计算后，才发出执行实体空间运动的控制指令，那些有碰撞危险的运动或者运动企图都被防碰撞算法过滤掉，避免发出有碰撞危险的指令。本发明主要应用于数控加工与测量。

Description

数控加工与测量设备的防碰撞方法

技术领域

本发明涉及数控加工与测量设备应用领域，具体讲，涉及数控加工与测量设备的防碰撞方法。 

背景技术

在数控加工与测量设备中，防碰撞能力已经成为其发展的技术瓶颈。这主要是由于：（1）被测量或者被加工零件的形状越来越复杂；（2）数控的机器运行速度越来越快；（3）对自动化、智能化程度的要求越来越高，有些情况需要在无人的环境中操作；（4）被测对象的材料、性能及工作环境越来越不利于常规的加工和测量，例如国防与高科技中常需要对有毒、易爆及有强辐射零部件的几何尺寸和形状位置进行测量。 

数控加工与测量设备的实质是将人的加工或者测量意图通过计算机指令控制执行机构到指定位置进行加工或者测量。如果加工与测量的过程中存在人为的误操作、错误指令或者在加工测量空间环境中存在异物，则有可能导致严重的碰撞事故。因此需要防碰撞装置对即将加工或者测量的过程进行安全性测试和过滤，对防碰撞技术的研究具有很大的必要性。 

目前在传统的数控设备上，防碰撞技术的实现主要是通过在机械结构上加装行程限位机构和传感器装置来保护容易发生碰撞的部位,即通过硬件措施实现防碰撞技术，例如德国的Leitz公司和英国的Renishaw公司都是在硬件上加装碰撞保护装置。而此种实现方式成本开销大，受硬件本身的局限性影响，只能实现系统的局部防碰撞，难以实现全空间全方位的防碰撞保护。所以本发明提出了一种数控设备的新型全方位检测防碰撞技术。 

发明内容

为克服现有技术的不足，实现数控加工与测量设备的全方位全空间的防碰撞保护，本发明采用的技术方案是，数控加工与测量设备的防碰撞方法：将数控设备的现实空间虚拟成可数字化操作的图像空间，实现防碰撞，具体为：将实体空间中包括数控设备及其刀具或测头模型、待测或待加工工件模型、夹具模型、相关环境模型数字化到虚拟空间，使实体空间与虚拟空间有完全一一对应关系；在实体空间中将要发生的任何运动或者运动企图，都首先经过虚拟空间的防碰撞算法计算后，才发出执行实体空间运动的控制指令，那些有碰撞危险的运动或者运动企图都被防碰撞算法过滤掉，避免发出有碰撞危险的指令。 

所述方法进一步细化为如下步骤： 

步骤1：采用构造实体几何法实现虚拟空间平台的构建，虚拟空间平台构建主要是实现数控测量或加工设备的虚拟化； 

步骤2：建立零件、刀具、夹具三维信息模型：在测量或者加工的实体空间中，通过摄像机组视觉检测建立零件、刀具、夹具三维信息模型； 

步骤3：零件的位姿识别及异物检测；提取包括零件、夹具、刀具的数据信息，建立包括零件、夹具、刀具的虚拟模型，确定出零件虚拟模型在虚拟空间平台中的位置姿态，结合 刀具、夹具虚拟模型对虚拟测量或加工空间进行异物检测； 

步骤4：对加工或测量空间采取由粗检测到精检测的分层碰撞检测方案：粗检测是对虚拟空间CSG建模方法中的基本体素包围盒的建立，并进行包围盒间的布尔运算以及包围盒的碰撞检测，排除不可能发生碰撞的零件部位、相交区域；精检测是对可能发生碰撞的部位进行碰撞检测，逐步排除可发生碰撞的部位，直到剩余不可发生碰撞的部位满足精度要求为止； 

步骤5：基于人工势场法的采样策略，由模拟退火算法和遗传算法规划出测量或加工的路径，并建立路径优化的多层次模型：无障碍连续表面的检测或加工路径规划模型、障碍表面测量或加工点间最短路径规划模型以及空间两点最短路径模型，通过对多层次模型的分析求解和算法设计，实现检测或加工路径的优化设计。 

基于对初始图形交换规范IGES文件或产品模型数据交互规范STEP文件的深入分析，提取三维零件模型的数据信息。 

采用构造实体几何法构建虚拟空间平台具体为：基于基本体素的具体描述，依据运动关系原则和装配关系原则构建虚拟空间的数学模型；建立设备模型库，用几何层次建模原理实现检测仪器或加工设备的虚拟平台的构建，并对虚拟空间平台进行三维显示。 

本发明的技术特点及效果： 

提出了实体和虚拟两个空间防碰撞检测方法，实现系统的全方位全空间防碰撞保护。 

基于两空间检测软件控制成本开销小，有利于推广应用。 

避免了纯硬件结构劳损带来的局限性，使用周期长。 

对于有毒、易爆和有强辐射零部件可以实现无人远程测量和控制。 

能够自动实时的识别工件、刀具或测头及其位姿，阻止异物的侵入。 

构建良好的人机交互平台便于实现对巨型、微小、盲测零件的加工测量。 

对即将进行的操作，经过虚拟空间的计算模拟可以优化操作路径方案。 

附图说明

图1为系统全方位软件防碰撞原理图。 

图2为全程实现技术路线框图。 

图3为实例示意图。 

具体实施方式

本发明主要目的在于过滤掉有碰撞危险的运动企图并优化加工或测量路径。 

本发明采用的技术方案是，一种数控与测量设备的全方位防碰撞的方法，包括步骤： 

步骤1：采用构造实体几何法实现虚拟空间平台的构建，虚拟空间平台构建主要是实现数控测量或加工设备的虚拟化。 

步骤2：建立零件、刀具、夹具三维信息模型，在测量或者加工的实体空间中，通过摄像机组视觉检测建立零件、刀具、夹具三维信息模型。 

步骤3：零件的位姿识别及异物检测。从中性文件中提取零件、夹具、刀具的CAD文件 数据信息，建立零件、夹具、刀具虚拟模型，确定出零件虚拟模型在虚拟空间平台中的位置姿态，结合刀具、夹具虚拟模型对虚拟测量或加工空间进行异物检测。 

步骤4：对加工或测量空间采取由粗检测到精检测的分层碰撞检测方案：粗检测主要是对虚拟空间CSG（构造立体几何）建模方法中的基本体素包围盒的建立，并进行包围盒间的布尔运算以及包围盒的碰撞检测，排除不可能发生碰撞的零件部位、相交区域；精检测是对可能发生碰撞的部位进行碰撞检测，逐步排除可发生碰撞的部位，直到剩余不可发生碰撞的部位满足系统精度要求为止。 

步骤5：基于人工势场法的采样策略，由模拟退火算法和遗传算法规划出测量或加工的路径，并建立路径优化的多层次模型：无障碍连续表面的检测或加工路径规划模型、障碍表面测量或加工点间最短路径规划模型以及空间两点最短路径模型。通过对多层次模型的分析求解和算法设计，实现检测或加工路径的优化设计。 

机械零件、刀具或测头、测量加工平台在视觉系统的有效视场之内。 

所用的视觉系统可以从不同的角度采集实体空间的图像，获取足够的空间三维信息。 

基于对IGES（初始图形交换规范）文件或STEP（产品模型数据交互规范）文件的深入分析，提取三维零件模型的数据信息，不依赖于第三方软件的支持。 

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。 

为了实现本发明的方法，实施时采用一台双核CPU为2.90GHz,内存为4G，具有独立显卡的计算机。在计算机上用VC++编写的系统程序，并基于OpenGL实现三维虚拟空间模型实时显示。 

本发明的具体实施步骤如下： 

1、构建虚拟空间平台 

采用构造实体几何法实现虚拟空间平台的构建。虚拟空间平台构建主要是实现数控测量或加工设备的虚拟化。基于基本体素的具体描述，依据运动关系原则和装配关系原则构建虚拟空间的数学模型。为了增加系统的通用性，建立了设备模型库，用几何层次建模原理构建检测或加工设备的虚拟空间平台，并对虚拟空间平台三维实时显示。 

2、建立零件、刀具、夹具三维信息模型 

在测量或者加工的实体空间中，通过摄像机组视觉检测建立零件、刀具、夹具等三维信息模型。摄像机组是经过预先标定过的，每个摄像机的拍摄角度都不相同，能够拍摄机械零件、刀具、夹具不同角度的图像，经过图像处理特征提取，最大限度地提取机械零件、刀具、夹具三维特征信息。最后经过三维重建，建立零件、刀具、夹具三维信息模型。 

3、零件的位姿识别及异物检测 

对机械三视图IGES文件进行深入分析，从中性文件中提取零件、夹具、刀具的CAD文件数据信息，并对复杂曲面用非均匀有理Ｂ样条曲面来重构，建立零件、夹具、刀具虚拟模型，结合步骤2中通过视觉检测建立的机械零件三维信息模型对零件进行匹配和三维位姿识别，确定出零件虚拟模型在虚拟空间平台中的位置姿态，结合刀具、夹具虚拟模型对虚拟测量或加工空间进行异物检测。 

4、防碰撞保护计算 

对加工或测量空间采取由粗检测到精检测的分层碰撞检测方案。粗检测主要是对虚拟空间CSG建模方法中的基本体素包围盒的建立，并进行包围盒间的布尔运算以及包围盒的碰撞检测，排除不可能发生碰撞的零件部位、相交区域。再通过精检测对可能发生碰撞的部位进行碰撞检测，逐步排除可发生碰撞的部位，直到剩余不可发生碰撞的部位满足系统精度要求为止，即在测量或加工最小单位运动情形下，满足一定的安全裕度以保证不发生碰撞，亦即排除所有发生碰撞的可能性。在精检测阶段拟结合使用包围盒检测、曲面的三角面片化和非均匀有理B样条曲面等技术实现碰撞检测算法的优化设计。 

5、规划操作路径 

基于人工势场法的采样策略，由模拟退火算法和遗传算法规划出测量或加工的路径，并建立路径优化的多层次模型：无障碍连续表面的检测或加工路径规划模型、障碍表面测量或加工点间最短路径规划模型以及空间两点最短路径模型。通过对多层次模型的分析求解和算法设计，实现检测或加工路径的优化设计。 

如图1所示，本发明包括两个空间，一个实体空间和一个虚拟空间。实体空间包括刀具或者测头、夹具、机械工件、平台环境等。通过CAD文件的数据读取以及视觉系统对实体空间的检测、识别、匹配，虚拟化实体空间，建立了虚拟空间平台。虚拟空间在电脑屏幕上实时动态显示，同时虚拟空间进行实时检测，防止在加工或测量的过程中有异物的侵入或者人为的放错刀具或者工件，异物包括多余的机械工件、人的肢体等。实体空间中的运动企图（包括有危险的运动企图）通过数控设备的程序语言传递给计算机虚拟空间。在虚拟空间中，虚拟模型进行相应运动操作的虚拟实施，在运动实施过程中过滤掉那些有碰撞危险的运动企图，最后把安全的运动操作指令发送给实体数控设备。 

具体实施技术路线如图2所示，实体空间主要功能是根据数控设备的安全指令进行相应的测量或加工，虚拟空间功能包括夹具和异物的检测、零件位姿识别、防碰撞计算以及安全路径规划。 

实施例 

如图3是实例示意图，一个被测机械零件放置三坐标测量机平台上，视觉系统把图像信息传递给计算机，计算机首先进行图像处理三维重建，提取三维信息，然后识别零件的位姿并对虚拟空间进行防碰撞检测，最后把安全指令发给三坐标测量机的数控设备。 

防碰撞保护计算就是检测出加工或者测量运动程序中是否有碰撞的运动企图，如果有就把危险的运动企图过滤掉，为后面的规划操作路径打下基础，在规划操作路径中进一步优化路径，过滤掉危险的运动企图，选择更安全的操作路径。本发明的重心在于两个空间防碰撞检测的思想。 

本发明中，CAD（计算机辅助设计）、CSG（构造实体几何）、IGES（初始图形交换规范）、STEP（产品模型数据交互规范）。 

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的具体保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可以理解想到的变换或替换，都应该涵盖本发明的包含范围之内，因此本发明的保护范围应该以权力要求书的保护范围为准。 

人工势场法文献：O Khatib.Real-time obstacle avoidance for manipulators and mobile robots[C].Proc of the1985IEEE Int.Conf.On robotics and Automation,1985.3:500-505. 

模拟退火算法文献：Metropolis N,Rosenbluth A,Rosenbluth M et al.Equation of state calculations by fast computing machines[J].Journal of Chemical Physics,1953,21:1087-1092. 

遗传算法文献：Holland J H.Adaptation in Natural and Artificial Systems[M].MIT Press,1975。 

Claims (4)

1.一种数控加工与测量设备的防碰撞方法，其特征是，将数控设备的现实空间虚拟成可数字化操作的图像空间，实现防碰撞，具体为：将实体空间中包括数控设备及其刀具或测头模型、待测或待加工工件模型、夹具模型、相关环境模型数字化到虚拟空间，使实体空间与虚拟空间有完全一一对应关系；在实体空间中将要发生的任何运动或者运动企图，都首先经过虚拟空间的防碰撞算法计算后，才发出执行实体空间运动的控制指令，那些有碰撞危险的运动或者运动企图都被防碰撞算法过滤掉，避免发出有碰撞危险的指令。

2.如权利要求1所述的数控加工与测量设备的防碰撞方法，其特征是，所述方法进一步细化为如下步骤：

步骤1：采用构造实体几何法实现虚拟空间平台的构建，虚拟空间平台构建主要是实现数控测量或加工设备的虚拟化；

步骤2：建立零件、刀具、夹具三维信息模型：在测量或者加工的实体空间中，通过摄像机组视觉检测建立零件、刀具、夹具三维信息模型；

步骤3：零件的位姿识别及异物检测；提取包括零件、夹具、刀具的数据信息，建立包括零件、夹具、刀具的虚拟模型，确定出零件虚拟模型在虚拟空间平台中的位置姿态，结合刀具、夹具的虚拟模型对虚拟测量或加工空间进行异物检测；

步骤4：对加工或测量空间采取由粗检测到精检测的分层碰撞检测方案：粗检测是对虚拟空间CSG建模方法中的基本体素包围盒的建立，并进行包围盒间的布尔运算以及包围盒的碰撞检测，排除不可能发生碰撞的零件部位、相交区域；精检测是对可能发生碰撞的部位进行碰撞检测，逐步排除可发生碰撞的部位，直到剩余不可发生碰撞的部位满足精度要求为止；

步骤5：基于人工势场法的采样策略，由模拟退火算法和遗传算法规划出测量或加工的路径，并建立路径优化的多层次模型：无障碍连续表面的检测或加工路径规划模型、障碍表面测量或加工点间最短路径规划模型以及空间两点最短路径模型，通过对多层次模型的分析求解和算法设计，实现检测或加工路径的优化设计。

3.如权利要求1所述的数控加工与测量设备的防碰撞方法，其特征是，基于对初始图形交换规范IGES文件或产品模型数据交互规范STEP文件的深入分析，提取三维零件模型的数据信息。

4.如权利要求1所述的数控加工与测量设备的防碰撞方法，其特征是，采用构造实体几何法构建虚拟空间平台具体为：基于基本体素的具体描述，依据运动关系原则和装配关系原则构建虚拟空间的数学模型；建立设备模型库，用几何层次建模原理实现检测仪器或加工设备的虚拟平台的构建，并对虚拟空间平台进行三维显示。

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