CN114472588B - 一种新型弯管加工过程碰撞干涉检测方法 - Google Patents

一种新型弯管加工过程碰撞干涉检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种新型弯管加工过程碰撞干涉检测方法，其特征在于，包括：简化数控弯管机床结构，确定机床与弯管可能发生干涉的部件；获得弯管的工艺参数；建立同维度坐标系，确立弯管与干涉部件表面的数学模型；确定弯管数学模型取值范围，进行二者数学模型的最小距离求解运算；将最小距离与弯管外半径比较，若最小距离大于弯管外半径，可确定弯管此时无碰撞干涉：若最小距离小于弯管外半径，则发生干涉。本发明将弯管检测干涉的问题转换为弯管与机床表面之间数学方程的求解距离最小值问题，与传统检测方法相比，简化了计算量；利用起弯点加工前后的位置坐标来控制弯管干涉检测状态，实现了在弯管成形过程对其进行实时连续的检测。

Description

一种新型弯管加工过程碰撞干涉检测方法
技术领域
本发明涉及管材加工制造技术领域，具体涉及一种新型弯管加工过程碰撞干涉检测方法。
背景技术
数控弯管机在加工复杂管材时，不断成形的复杂空间弯管会呈现出各种不同的姿态，其和地面、以及机床各个部件之间可能存在干涉碰撞，影响弯管加工工艺的可行性，因此有必要对在弯管加工前进行干涉检测，以此来判断各个姿态下的弯管是否与地面，模具及机床发生干涉，从而优化弯管的加工工艺。目前通用的检测方法主要有：轴向包围盒、方向包围盒AABBTree(Axis-Aligned Bounnding Box)法为主的包围盒检测方法，将两个待测形状分别求包围盒，如果包围盒发生碰撞，再分别将两个待测形状通过三角化方法实现离散进行求解。但由于管材加工过程中弯管形状不断变化，各个部件运动状态复杂，使得通用的检测方法效率较低，可靠性差，无法满足生产要求。
发明内容
为了解决现有技术中对弯管加工过程中干涉碰撞检测方法效率较低，可靠性差，无法满足使用要求等问题，本发明提供了一种新的弯管加工过程中碰撞干涉检测方法。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种新的弯管加工过程碰撞干涉检测方法，包括如下步骤：
(1)确定数控弯管机床各个模块之间的运动关系，简化机床，确定各个模块中可能与弯管发生干涉的部件。
(2)将弯管放于机床内进行实物测量，获取弯管的弯曲角度C，旋转角度B，以及管料的直线送进长度Y。
(3)利用空间曲线(即弯管中心线)来描述弯曲成形后的弯管，通过起止点、终止点、以及两处圆弧段延长线的交点四个控制点的空间坐标来描述管道的空间绝对坐标。
(4)在步骤(3)的基础上，通过成形过程中变换矩阵的矢量计算得到弯管中心线的参数方程。
(5)确定中心线参数方程中的控制变量来控制弯管检测干涉的状态过程，控制变量为弯管起弯点前后的空间绝对坐标。
(6)将数控弯管机床模型简化，保留可能与弯管发生干涉的表面，导入有限元分析软件中。
(7)在步骤(6)的基础上，建立弯管与机床的同维度坐标系，标记中心线上的起弯点，根据弯管成形工艺参数模拟弯管加工过程。
(8)测量弯管成形前后起弯点的位置坐标，以及可能发生干涉机床表面上的位置点坐标。
(9)通过测得的机床表面点坐标，求得干涉表面参数方程。
(10)利用点到面的距离公式，将弯管中心线方程与机床干涉表面参数方程进行求解，变量参数的取值范围即为起弯点前后的空间绝对坐标。
(11)将求得的最小距离与弯管外半径比较，若在此成形范围内，最小距离小于弯管外半径，此时判断为弯管与机床表面发生干涉。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)将弯管检测干涉的问题转换为弯管与机床表面之间数学方程的求解距离最小值问题，与传统检测方法相比，简化了计算量。
(2)利用起弯点加工前后的位置坐标来控制弯管干涉检测状态，实现了在弯管成形过程对其进行实时连续的检测。
附图说明
图1为本发明新型弯管中心线示意图；
图2为本发明新型弯管起弯点坐标示意图；
图3为本发明新型弯管碰撞干涉检测原理示意图；
图中：A、起弯点；B、旋转角度；C、弯曲角度；D、出弯点；O、起始点；P、终止点；M、中心线。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例
基于三维建模软件建立可能发生干涉部件的三维模型，为了简化模型，可以去除在干涉实验中不可能与弯管发生碰撞的零部件，可以剔除的零部件有：未发生相对运动的零部件以及能够相互接触的零部件；
将弯管放于数控机床内进行实物测量，获取弯管成形的弯曲角度C，旋转角度B，以及管料的进料量Y。
利用空间曲线(即弯管中心线)来描述弯曲成形后的弯管，如图1所示，点O、P分别为弯管成形前后的起始点与终止点。
管材在成形过程中，经过直线送进、弯曲及空间旋转三个阶段，分别对应三个空间变换矩阵A1、A2、A3，成形后起始点O的坐标[x,y,z,1]T＝A1A2A3+A4，其中A4为起始点的齐次坐标列向量。
将管材和数控机床干涉表面等零件的三维模型导入到有限元分析软件中进行装配，建立同维度坐标系，在管材的中心线上标记起弯点，起弯点为如图2所示的点A。
设置工艺参数对管材进行弯曲成形仿真，测量标记的起弯点在管材成形之前A和成形之后A’的空间坐标，同时测量干涉表面的点坐标。
利用上一步骤中的点坐标，求出干涉表面的平面方程，同时将成形过程仿真所设置的弯曲角度C，旋转角度B，以及管料的进料量Y工艺参数带入弯管中心线方程中，得到描述弯管的参数方程。
将中心线上的点投影到平面上，以测量得到的点A和A’的坐标值作为弯管中心线参数方程的取值范围。
在取值范围内将连续的中心线通过步长分段，分为n1、n2、...ni，在n1中计算此时线上的点到平面的最小距离，记录为L1，再计算n2中点到面的最小距离，记录为L2，若L2<L1，则保留L2，以此类推直到步长结束求出中心线上的点到干涉面方程的最小距离Lmin。
将求出的最小距离与弯管外半径R进行比较，若Lmin<R，则判断此时弯管与机床表面发生干涉碰撞。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明新型精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种新型弯管加工过程碰撞干涉检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：简化数控弯管机床结构，确定机床与弯管可能发生干涉的部件；
S2：实物测量获得弯管的工艺参数；
S3：建立同维度坐标系，确立弯管与干涉部件表面的数学模型；
S4：确定弯管数学模型取值范围，在取值范围之内进行二者数学模型的最小距离求解运算；
S5：在上述过程中，将最小距离与弯管外半径比较，若最小距离大于弯管外半径，可确定弯管此时无碰撞干涉：若最小距离小于弯管外半径，则发生干涉；
所述S1具体还包括：去除弯管在成形过程中不可能与机床发生干涉的部件，包括未发生相对运动的部件以及与弯管直接接触的零部件；
所述S2具体还包括：在数控弯管机中对弯进行实物测量，得到弯管的弯曲角度、空间旋转角度、直线段送进长度；
所述S3具体还包括：在模拟弯管成形时，建立同维度坐标系，标记弯管成形前后位置的坐标变化，并得到坐标值，结合弯管工艺参数与运动变换矩阵计算得到弯管数学模型；同时标记可能发生干涉表面的坐标点，计算干涉面的数学模型；
所述S4具体还包括：确定弯管成形后起弯点起始与终止点坐标，作为弯管数学模型的取值范围；
利用弯管中心线描述弯管的数学模型，将中心线通过步长离散成一定数量的局部段，在每段步长中计算弯管与干涉表面的距离，依次逐步计算得到最小距离。
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