CN112872114B - 一种钣金折弯过程三维干涉检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种融合OBB包围盒及几何算法的钣金折弯过程三维干涉检测方法，其特征是：首先，将折弯加工环境以及待加工的钣金件导入并分析提取各个物体的顶点；对各加工环境物体使用主成分分析法等数学方法计算最小OBB包围盒；针对钣金件的特点使用分割法，分别计算各钣金块的最小OBB包围盒，再将每一板块的包围盒用双向链表串联成包围盒链；使用简化的空间分离轴测试法快速筛选出可能发生干涉的实体；然后，将筛选出的实体沿着机床z轴方向投影，排除左右耳的干扰之后，再沿着机床x轴方向投影使用几何算法计算出干涉信息。本发明可快速准确的计算出干涉位置和干涉深度，解决机器人钣金折弯工序规划中的干涉检测问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种钣金自动化加工技术，尤其是钣金三维折弯的干涉检测技术，用于在钣金折弯工序规划中的快速准确检测当前折弯工序的干涉相关信息，具体地说是融合OBB包围盒及几何算法的钣金折弯过程三维干涉检测方法。
背景技术
相对二维折弯的工序规划，三维钣金折弯往往涉及多套模具协同加工，工序规划更加灵活，干涉计算更加复杂，生成无干涉的可行折弯工序或最优折弯工序的难度更大。其中，三维环境下的钣金折弯干涉的快速而准确检测是开展三维钣金折弯工序规划的必要前提。目前，关于钣金折弯过程中的干涉检测研究主要以二维为主。而面对更加复杂的三维工件和多套模具及机床、机器人夹具等之间干涉检测研究未见报道。
本发明针对目前国内外快速发展的机器人钣金折弯的应用需求，面向复杂三维钣金折弯的工序规划，开展三维环境下的钣金折弯过程中三维工件与多套模具及机床、机器人夹具等加工环境之间的干涉检测算法研究，通过分析钣金折弯件及其加工环境的三维模型具体特点，提出一种兼具快速性和准确性的干涉检测算法，为三维折弯的工序规划与离线编程奠定基础。
发明内容
本发明的目的是针对三维钣金折弯过程的干涉问题，提出一种融合OBB包围盒及几何算法的钣金折弯过程三维干涉检测方法，它能够快速准确计算钣金折弯中的干涉相关信息，用于钣金折弯工序的自动规划。主要包括如下过程：快速筛选出折弯过程中可能发生干涉的钣金块与加工环境(1)；使用合适的算法，判断是否发生干涉，若干涉则计算出干涉位置与干涉深度(2)。
本发明的技术方案是：
一种融合OBB包围盒及几何算法的钣金折弯过程三维干涉检测方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：快速筛选出折弯过程中可能发生干涉的钣金块与加工环境；
步骤二：使用算法，判断是否发生干涉，若干涉则计算出干涉位置与干涉深度。
所述的步骤一中的快速筛选包括以下步骤：
步骤1：分析折弯环境物体的三维模型，采用主成分分析的方法，计算最小OBB包围盒；并结合钣金件特点建立其最小OBB包围盒链；
步骤2：针对钣金折弯环境的特殊性，简化三维空间分离轴测试方法，提高检测速度；
其中，建立钣金件包围盒链，是将整个工件以折弯边分割成不同的钣金块，分别生成独立的最小OBB包围盒，再以折弯边为核心，将独立的最小OBB包围盒表示成双向链表形式。
简化三维空间分离轴测试方法，是结合三维钣金折弯的特点，只需要对两个待检测包围盒自身三个坐标进行分离轴测试，以提高检测效率。
所述步骤二的算法包括以下步骤：
步骤1：向机床X-Y平面投影，使用几何算法，判断是否干涉；若不干涉则直接退出，反之则进行步骤2；
步骤2：向机床Y-Z平面投影，使用几何算法，判断是否干涉。若不干涉则直接退出，反之则计算出干涉位置及干涉深度。
其中，几何算法，是使用线段与线段的相交算法、线段与圆弧的相交算法，计算是否相交，若相交即发生干涉，则计算出相交点和相交深度，即为干涉位置与干涉深度。
所述的快速筛选出折弯过程中可能发生干涉的钣金块与加工环境(1)，主要分为两步：1)分析机床滑块、上/下模具、机器人抓手等三维模型，采用主成分分析法构建折弯环境的OBB最小包围盒；并对钣金件以折弯边为界采用分割法，分别构成每一钣金块的OBB最小包围盒，再将钣金块的包围盒串成一个双向链表；2)分析钣金折弯过程的特点，使用简化的三维分离轴测试方法，快速筛选出可能发生干涉的钣金块与加工环境。
所述的使用合适的算法，判断是否发生干涉，若干涉则计算出干涉位置与干涉深度(2)，主要分为两步：1)将(1)中筛选出的可能发生干涉的钣金块与加工环境沿着机床X-Y平面投影，使用几何算法(a)判断是否存在干涉情况，若不存在则退出，反之则进行下一步。2)将可能发生干涉的钣金块和加工环境沿着机床Y-Z平面投影，使用几何算法(a)判断有无干涉情况，若无干涉则退出；反之计算出干涉位置和干涉深度。所述的几何算法(a)，主要为：使用线段与线段的交点算法、以及线段与圆的交点算法，结合钣金工件特征和折弯方向，计算干涉位置和干涉深度。
本发明的有益效果是：
将包围盒与几何法两种干涉检测的算法相结合，OBB最小包围盒能够快速的筛选出疑似干涉的钣金块和加工环境，投影几何算法可以准确的判断是否发生实际干涉，并可计算出干涉位置和干涉深度，不仅检测快速，而且准确性高，很好地满足了工序规划对干涉检测算法高效准确的要求。
附图说明
图1是本发明涉及的平面线段相交检测与交点计算示意图。
图2是本发明涉及的平面圆弧段与直线段相交检测及交点计算示意图。
图3是本发明涉及的干涉检测算法总体流程图。
图4是本发明涉及的干涉检测算法的两个应用案例及其与单纯的空间线面相交干涉检测算法的效率对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种融合OBB包围盒及几何算法的钣金折弯过程三维干涉检测方法，能够快速准确计算钣金折弯过程中发生干涉的相关信息，用于钣金折弯工序的自动规划。首先将折弯加工环境以及待加工的钣金件导入并分析提取各个物体的顶点；对各加工环境物体使用主成分分析法等数学方法计算最小OBB包围盒；针对钣金件的特点使用分割法，分别计算各钣金块的最小OBB包围盒，再将每一板块的包围盒用双向链表串联成包围盒链。然后使用简化的空间分离轴测试法快速筛选出可能发生干涉的实体；将筛选出的实体向机床的X-Y平面投影，排除左右耳的干扰之后，再向机床的Y-Z平面投影使用几何算法计算出干涉信息。即本发明的检测方法主要包括两个过程：构建包围盒，并快速筛选出折弯过程中可能发生干涉的钣金块与加工环境(1)；使用合适的算法，判断是否实际发生干涉，若干涉则计算出干涉位置与干涉深度(2)。具体的处理过程如下：
构建包围盒，并快速筛选出折弯过程中可能发生干涉的钣金块与加工环境(1)，主要分为两步：针对机床折弯加工环境以及钣金件的模型特点构建包围盒(a)；使用适合的方法筛选出可能发生干涉的包围盒(b)。
针对机床折弯环境以及钣金件的模型特点构建包围盒(a)，快速将机床模型包括模具、夹具、折弯机滑块等模型导入三维加工环境中，通过对文件进行解析，可以得到各个模型的三维信息，分析提取出三维轮廓顶点，使用主成分分析法(PCA)构建其最小OBB包围盒，具体方法可参考有关公开资料，主要包括：计算当前模型所有顶点的坐标平均值，使用平均值和顶点构建出协方差矩阵，利用雅克比迭代法计算协方差矩阵的特征向量，该特征向量即为最小包围盒自身的坐标轴，再将顶点坐标变换到最小包围盒坐标系下，计算最小包围盒的三个半边长。以上述所得坐标轴和三个半边长表示的立方体即为所构建的最小OBB包围盒。
钣金件与机床实体不同，本发明将采用以折弯边为中心，折弯边两边的钣金块分别生成OBB包围盒，再以折弯边为核心将两边的包围盒组合成一个双向链表，以方便后续相交检测分析。
使用适合的方法筛选出可能发生干涉的包围盒(b)：本发明鉴于钣金折弯工艺的特殊性，大多数钣金工件的折弯过程都与机床的x轴相平行，针对钣金折弯加工环境OBB包围盒的相交测试，使用简化的三维分离轴测试，即以两个包围盒各自的坐标轴，共六个轴为分离轴分别进行投影测试，只要任意一根轴上不相交就足以判断这两个包围盒不相交，如公式(1)所示。
|T·L|＞RA+RB (1)
其中
RA＝project(L，Ax)+project(L，Ay)+project(L，Az) (2)
RB＝project(L，Bx)+project(L，By)+project(L，Bz) (3)
公式(1)中T表示该检测两个OBB包围盒中心点中间的距离，|T·L|代表T在分离轴L上的投影，公式(2)和(3)中RA和RB分别是A包围盒与B包围盒的半边长在分离轴L上的投影长度之和。公式(1)表明，若两个OBB包围盒的中心点距离在任意一根分离轴L上的投影大于A和B的投影之和，则存在一个垂直于分离轴L的平面，可将包围盒A与包围盒B分隔开，即A与B不相交。
使用合适的算法，判断是否实际发生干涉，若干涉则计算出干涉位置与干涉深度(2)，即对获得可能干涉的钣金块，需要进行相交精确检测。本发明采用将上文检测出的可能干涉钣金块和加工环境，沿机床坐标系X-Y平面投影，若不存在交点则判定为不干涉。反之则进行下一步沿Y-Z平面投影，使用几何算法计算干涉点及干涉深度(c)。
几何算法计算干涉点及干涉深度(c)主要包括两部分：利用简单的平面线段相交算法(c.1)；若钣金折弯过程中使用带有圆弧的加工模具，需进行线段与圆弧的相交测试(c.2)。
利用简单的平面线段相交算法(c.1)，如图1所示。计算步骤如下：
首先写出两线段的参数表达式：
如果两直线相交，则两直线在交点处相等。
[A+t(B-A)]＝[C+u(D-C)] (5)
整理可得两直线在交点处的参数：
若交点参数满足不等式(7)，两线段存在交点。反之则线段不相交。
若存在交点，将交点参数代入直线方程即可计算出交点，结合钣金块在工件链上的位置与当前折弯号，即可知钣金件的干涉位置与干涉深度。
若钣金折弯过程中使用带有圆弧的加工模具，需进行线段与圆弧的相交测试(c.2)，如图2所示。计算步骤如下：
将圆弧补全，计算线段两端点到圆心之间的距离，将相交情况分类，线段与圆的相交情况如附图2所示：
(1)两端点到圆心的距离均小于半径r，说明线段在圆内无需求交，如图2(a)所示。
(2)一个端点到圆心的距离小于半径r，另一个大于半径r，需要求交点，如图2(b)所示。
(3)若圆心点到线段所在直线的距离大于半径r，则线段在圆弧外无需求交点。如图2(c)所示。
(4)两个端点到圆心的距离都大于半径r，且圆心点到线段所在直线的距离小于半径r，需要求出线段与圆的交点。若两交点为同一点则说明线段在圆外，则两者无交点，如图2(d)所示。若交点不同则说明直线与圆相交，保留交点以便后续判定交点是否在圆弧上。
线段与圆的相交点可采用公式(8)计算，原理如图2(e)所示。
式(8)中长度l是向量
在向量
上的投影长度。
通过公式(8)求出交点后，若满足以上3个条件，则将交点与圆弧的起点与终点比较，判断交点是否在圆弧范围内。
在图2(f)中，设S点为圆弧的起点，E点为圆弧的终点，X点为线段与圆的交点。
若公式(9)为真，则交点在圆弧上。
进一步，结合线段表达式可计算出干涉位置与深度等相关信息。
本发明涉及的三维钣金折弯过程干涉检测算法总体流程图如附图3所示。
图4为本发明的干涉检测算法两个应用案例及其与传统基于NURBS曲面的三维线面相交干涉检测方法的检测速度对比图。从图4中可以看出，本发明的干涉检测每次折弯检测时间都在1ms左右，明显快于传统的三维线面相交干涉检测算法，并能精准计算出干涉位置和干涉深度，为开展钣金折弯的工序规划奠定了坚实的基础。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (3)
1.一种融合OBB包围盒及几何算法的钣金折弯过程三维干涉检测方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：快速筛选出折弯过程中可能发生干涉的钣金块与加工环境；
步骤二：使用算法，判断是否发生干涉，若干涉则计算出干涉位置与干涉深度；所述的步骤一中的快速筛选包括以下步骤：
步骤1：分析加工环境及钣金件的三维模型，采用主成分分析的方法，计算最小OBB包围盒；并结合钣金件特点建立其最小OBB包围盒链；
步骤2：针对钣金折弯环境的特殊性，使用简化三维空间分离轴测试方法，筛选出折弯过程中可能发生干涉的最小OBB包围盒；建立钣金件OBB包围盒链是将整个钣金件以折弯边分割成不同的钣金块，分别生成独立的最小OBB包围盒，再以折弯边为核心，将独立的最小OBB包围盒表示成双向链表形式；
所述步骤二的算法包括以下步骤：
步骤1：向机床X-Y平面投影，使用几何算法，判断是否干涉；若不干涉则直接退出，反之则进行步骤2；
步骤2：向机床Y-Z平面投影，使用几何算法，判断是否干涉；若不干涉则直接退出，反之则计算出干涉位置及干涉深度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：简化三维空间分离轴测试方法是结合三维钣金折弯的特点，只需要对两个待检测包围盒自身三个坐标进行分离轴测试。
3.根据权利要求1的方法，其特征是：所述的几何算法包括使用线段与线段的相交算法、线段与圆弧的相交算法，计算是否相交；若相交即发生干涉，则计算出相交点和相交深度，即为干涉位置与干涉深度。
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