基于改進OBB包圍盒的碰撞檢測算法

2014-08-08 13:52:19史旭升喬立紅朱作為

湖南大學(xué)學(xué)報·自然科學(xué)版 2014年5期

史旭升+喬立紅+朱作為

文章編號：16742974(2014)05002606

收稿日期：20130925

基金項目：國家科技重大專項項目（2011ZX04016-021）；北京市教育委員會共建資助項目

作者簡介：史旭升（1983-），男，陜西蒲城人，北京航空航天大學(xué)博士研究生

通訊聯(lián)系人，E-mail: lhqiao@buaa.edu.cn 

摘要：針對車銑復(fù)合數(shù)控加工仿真碰撞檢測精確度低的問題，提出了一種基于改進OBB包圍盒的快速碰撞檢測算法.該算法基于改進的OBB包圍盒算法，利用車銑復(fù)合加工仿真碰撞檢測的結(jié)果，創(chuàng)建碰撞單元組的包圍盒及層次包圍盒樹；通過粗檢階段計算出包圍盒樹的相交節(jié)點集合，計算得到發(fā)生碰撞的三角形面片集合；應(yīng)用回退技術(shù)，解得初始碰撞時間及位置.實例驗證結(jié)果表明，該算法有效提高了車銑復(fù)合數(shù)控加工碰撞檢測的精確度.

關(guān)鍵詞：車銑復(fù)合；碰撞檢測；OBB（Oriented Bounding Box）包圍盒；分離軸定理；三角面片

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)識碼：A

Algorithm of Collision Detection Based 

on Improved Oriented Bounding Box



SHI Xusheng，QIAO Lihong，ZHU Zuowei

(Advanced Manufacturing Technology and Systems Research Center, School of Manufacturing 

Engineering and Automation,Beihang University, Beijing 100191, China)

Abstract:To solve the problem of the low precision of collision detection in the turnmill combined machining simulation, a rapid collision detection algorithm based on the improved theory of Oriented Bounding Box was proposed. This algorithm, based on the improved oriented bounding box, and using the collision detection result as the input, creates the oriented bounding box and hierarchical bounding box tree of the collision unit group. During the rough detection phase, the intersecting nodes are detected. In the following precise detection phase, the triangular patches of the objects in collision are detected. With the application of feedback technology, the initial time and position of the collision are calculated. A case study shows that this algorithm increases the efficiency and precision of the collision detection in numerical control simulation.

Key words: turnmilling; collision detection; OBB(Oriented Bounding Box); SAT(Separating Axis Theorem);triangular patches

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車銑復(fù)合加工作為一種先進的加工技術(shù)，在加工復(fù)雜的高精密零件和異形零件等領(lǐng)域都有不可替代的地位.車銑復(fù)合加工機床包含多主軸多刀架結(jié)構(gòu)，在精密微小零件的高速加工過程中，多把刀架在狹小的空間中同時加工零件，刀架之間極易發(fā)生干涉碰撞現(xiàn)象[1].

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在降低成本、提高效率方面都有顯著優(yōu)勢.碰撞檢測算法主要有空間分解法和層次包圍盒法兩種算法，其核心思想都是盡可能減少相交測試對象的數(shù)目來提高檢測速度.空間分解法適用于在稀疏的環(huán)境中分布比較均勻的幾何對象間的檢測，層次包圍盒法則應(yīng)用更為廣泛，適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境中的碰撞檢測[2].車銑復(fù)合加工環(huán)境復(fù)雜，運動對象多，因此，在本研究中選用了基于層次包圍盒的方法.傳統(tǒng)檢測方法是進行一次或多次試切、不斷調(diào)試，直到確認(rèn)能夠完成預(yù)定的加工要求，該方法效率低、周期長、成本高.為了提高檢測效率，基于虛擬仿真技術(shù)的碰撞檢測算法[3-7]，為數(shù)控加工方案的修正提供了依據(jù)，但是在修正過程中需要工藝人員根據(jù)經(jīng)驗預(yù)估修正方式，由預(yù)估引起的不確定性和偶然性，給生產(chǎn)計劃帶來一定風(fēng)險，如果不能及時解決可能影響生產(chǎn)進度.為了避免盲目預(yù)估，減少反復(fù)修正的次數(shù)，提高準(zhǔn)確率，保證精度，本文提出了基于改進OBB包圍盒的快速碰撞檢測算法.

1 問題描述

現(xiàn)有研究傾向于通過碰撞檢測確定發(fā)生碰撞的對象，沒有考慮具體的交點信息.數(shù)控加工仿真軟件給出的碰撞檢測結(jié)果是加工過程中發(fā)生碰撞的對象，這些碰撞檢測數(shù)據(jù)可以基本滿足數(shù)控加工仿真的需求[1].但是由于碰撞結(jié)果比較籠統(tǒng)，需要反復(fù)調(diào)整或校正加工速度、切削量或刀具伸長量等方式來修正.為了避免盲目的參數(shù)預(yù)估，減少反復(fù)修正的次數(shù)，提高準(zhǔn)確率保證精度，準(zhǔn)確計算出三角面的初始碰撞時間和碰撞位置顯得尤其重要[8].針對車銑復(fù)合數(shù)控加工仿真碰撞檢測精確度低的問題，本文提出了一種基于改進OBB包圍盒的碰撞檢測算法.

2 碰撞檢測算法

碰撞檢測算法分為3個部分：預(yù)處理階段、粗檢階段和精檢階段.該算法以車銑復(fù)合加工仿真碰撞檢測信息作為輸入，計算出碰撞單元組之間發(fā)生的初始碰撞時間和位置.

2.1 創(chuàng)建OBB包圍盒及層次包圍盒樹

車銑復(fù)合加工碰撞檢測預(yù)處理階段的主要內(nèi)容是創(chuàng)建碰撞單元組對象的包圍盒及層次包圍盒樹.具體步驟如下：

步驟1 創(chuàng)建車銑復(fù)合加工仿真環(huán)境.主要是車銑復(fù)合加工機床組件的創(chuàng)建，如刀具、刀架、主軸等，根據(jù)機床的運動學(xué)關(guān)系，建立機床運動學(xué)模型.

步驟2 車銑復(fù)合加工仿真碰撞檢測.通過創(chuàng)建加工方法和加工操作，利用數(shù)控仿真軟件進行車銑復(fù)合加工仿真，并進行碰撞檢測.

步驟3 獲取車銑復(fù)合加工仿真過程中發(fā)生碰撞的碰撞組信息.設(shè)碰撞單元組信息表示為:

Mk=Tkab,Ak,∑Aki,νka,Bk,∑Bkj,νkb（1）

Tkab為第k對碰撞單元組發(fā)生碰撞的時間；Ak為碰撞單元組的對象1，νka為Ak的運動速度, ∑Aki表示Ak所包含的三角面片集合∑Akipi,qi,ri；Bk為碰撞單元組的對象2，νkb為Bk的運動速度，∑Bki為Bk包含的三角面片集合∑Bkjpj,qj,rj.則車銑復(fù)合加工仿真碰撞組信息集合可表示為：

M=M1,M2,…,Mk（2）

步驟4 創(chuàng)建OBB包圍盒.根據(jù)碰撞單元組對象所包含的三角面片信息，創(chuàng)建相應(yīng)的OBB包圍盒，分別標(biāo)記為包圍盒A和包圍盒B.

步驟5 創(chuàng)建OBB層次包圍盒樹.以八叉樹的形式進行空間劃分，按照“自上而下”的方法創(chuàng)建層次包圍盒樹，分別標(biāo)記為OBB_A和OBB_B.

層次包圍盒樹子節(jié)點主要分為3種類型，即實節(jié)點、空節(jié)點和灰節(jié)點.當(dāng)葉子節(jié)點與幾何對象實體完全重合時用實節(jié)點表示，當(dāng)葉子節(jié)點與幾何對象實體部分重合時用灰節(jié)點表示，當(dāng)葉子節(jié)點與幾何對象實體分離時用空節(jié)點表示.這樣葉子節(jié)點中就儲存了離散表面所包含的三角面片數(shù)據(jù)，用于精確碰撞檢測.

其中空節(jié)點不包含幾何實體，在計算中被剔除，減少運算節(jié)點數(shù)目；實節(jié)點與幾何對象完全重合，認(rèn)為該節(jié)點是最末端子節(jié)點，不需要再分割，可直接用于下一步進行精確碰撞檢測計算；灰節(jié)點包含幾何對象以外的空間，直接用于精確碰撞檢測可能引起偽碰撞現(xiàn)象，所以如果灰節(jié)點存在碰撞現(xiàn)象，需要進一步分割，直到滿足設(shè)定的層次包圍盒深度或者所有葉子節(jié)點都是空節(jié)點或?qū)嵐?jié)點為止，如果灰節(jié)點不存在碰撞現(xiàn)象，則不需要進一步分割，減少不必要的節(jié)點數(shù)目和存儲數(shù)據(jù).

在建立層次結(jié)構(gòu)時，層次結(jié)構(gòu)樹深度的確定需要遵循兩個原則：劃分深度不宜太大，從而在遍歷時，只需很少的步數(shù)，就能完成從根節(jié)點到葉子節(jié)點的搜索；劃分深度不宜太小，否則每個子節(jié)點內(nèi)包含的三角面片數(shù)量太多, 加重了精確檢測的計算壓力.層次包圍盒樹子節(jié)點的深度與幾何模型及其精度相關(guān)[9]，本文結(jié)合檢測對象的幾何模型及精度，設(shè)層次包圍盒樹子節(jié)點最大深度為6.

2.2 基于分離軸定理的初始碰撞檢測

碰撞檢測的粗檢階段是基于分離軸定理，通過廣度優(yōu)先搜索的策略遍歷層次包圍盒樹子節(jié)點，快速剔除不發(fā)生碰撞的子節(jié)點，當(dāng)發(fā)生碰撞的節(jié)點不可分割時，則記為：

WkOBB_Ani,OBB_Bmj （3）

其中OBB_Ani是指層次包圍盒A的第i層第n個子節(jié)點，OBB_Bmj是指層次包圍盒B的第j層第m個子節(jié)點，Wk表示第k對發(fā)生相交的子節(jié)點組.層次包圍盒OBB_A和OBB_B所有相交子節(jié)點組集合可表示為：

W=W1,W2,…,Wk（4）

對于一對OBB，需測試15條可能的分離軸(每個OBB的3個面方向，每個OBB的3條邊方向的兩兩組合)，只要找到一條這樣的分離軸，就可以判定這兩個OBB是不相交的.如圖1所示為分離軸定理示意圖，其中L表示兩個包圍盒的某一分離軸，Oa和Ob分別表示兩個包圍盒的中心位置，S是包圍盒中心位置在分離軸上投影的距離，ra和rb是包圍盒在分離軸上投影的距離，當(dāng)存在分離軸使S>ra+rb時，則OBB處于分離狀態(tài)，反之則視為相交.在某些情況下，該算法會將分離的盒體報告為相交，但不會遺漏相應(yīng)的碰撞結(jié)果，在初始碰撞檢測階段該算法計算簡單，能夠快速剔除不發(fā)生碰撞的包圍盒.

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圖1 分離軸定理示意圖

Fig.1 Separating axis theorem diagram

2.3 基于三角面片的精確碰撞檢測

碰撞檢測的精檢階段是應(yīng)用分離軸定理，判斷碰撞節(jié)點所包含的三角面片之間的相交情況，然后應(yīng)用回退技術(shù)，計算出三角面片發(fā)生碰撞的初始碰撞時間和碰撞位置.

已知在粗檢階段計算得到相交包圍盒節(jié)點集合：W=W1,W2,…,Wk.設(shè)Wk1是包圍盒節(jié)點集合W的第k個元素中層次包圍盒OBB_A的節(jié)點，Wk2是包圍盒節(jié)點集合W的第k個元素中層次包圍盒OBB_B的節(jié)點.應(yīng)用分離軸定理考查11個分離軸（平行于兩個三角形面法線的兩個軸，兩個三角形之間的9種邊邊組合）.若兩個三角形在任一分離軸上的投影區(qū)間不相交，則兩個三角形分離；若投影區(qū)間在所有分離軸上都相交，則兩個三角形必定相交.把發(fā)生相交的三角形組記為：

QnSki,Skj （5）

其中Ski是指相交包圍盒節(jié)點集合中的第k個元素對中層次包圍盒OBB_A的節(jié)點包含的第i個三角面片信息；Skj是指相交包圍盒節(jié)點集合中的第k個元素對中層次包圍盒OBB_B的節(jié)點包含的第j個三角面片信息.Qn表示第n對發(fā)生相交的三角面片.層次包圍盒OBB_A和OBB_B所有相交三角面片對集合表示為：

QQ1,Q2,…,Qn （6）

關(guān)于初始時間及位置的計算和改進方法將在第4節(jié)進行詳細(xì)闡述.

3 改進的OBB包圍盒算法

3.1 傳統(tǒng)OBB包圍盒算法

創(chuàng)建OBB包圍盒時，確定包圍盒的中心位置和最佳方向是關(guān)鍵.傳統(tǒng)算法是根據(jù)幾何模型的三角面片信息，利用均值和單位化協(xié)方差矩陣的統(tǒng)計量來計算包圍盒的位置和方向.已知組成幾何對象的基本幾何元素為三角形，設(shè)包含的三角面片數(shù)為n，且第i個三角形的頂點坐標(biāo)為(pi,qi,ri)，則包圍盒的中心位置為： 

m=13n∑ni=1(pi+qi+ri)（7）

由于該算法是各三角形頂點的簡單平均，如果幾何體結(jié)構(gòu)不均勻，在體積相等的區(qū)域，有的部分三角面片數(shù)量多，有的部分三角面片數(shù)量少，這樣計算出來的包圍盒就會向三角面片數(shù)量多的部分偏移（如圖2（a）所示）.顯然這將導(dǎo)致一部分包圍盒在幾何體外面，使碰撞檢測出現(xiàn)誤檢的現(xiàn)象.

3.2 改進的OBB包圍盒算法

為了解決傳統(tǒng)包圍盒算法計算結(jié)果不準(zhǔn)確的問題，本文提出區(qū)域加權(quán)的改進算法，該算法的核心思想是把幾何對象劃分為表面積相近的i個區(qū)域，分別計算每個區(qū)域的中心坐標(biāo)mi，再求這幾個區(qū)域中心坐標(biāo)的平均值：

m=∑i1mii （8）

其中mi=13∑ji=1(pj+qj+rj)，協(xié)方差矩陣元素為：

Cjk=13n∑ni=1(pijpik +qijqik+rijrik)（9）

其中1≤j,k≤3，pi=pi-m, qi=qi-m和 ri=ri-m都是3×1階向量，例如qi=(qi1,qi2,qi3)T.其次，計算協(xié)方差矩陣C［Cjk］的特征向量并單位化，作為包圍盒的方向軸，幾何體頂點在各方向軸上的投影區(qū)間長度就是相應(yīng)的包圍盒尺寸.

碰撞單元組對象的結(jié)構(gòu)存在很大不確定性，無法采用統(tǒng)一的表面積劃分方法.本文采用人機交互的方式，借助CAD軟件的“分析-測量面”獲取幾何形面表面積的功能，把產(chǎn)品劃分為幾個相近的區(qū)域，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可劃分為3~5個區(qū)域.本文把萬向節(jié)零件劃分為3個表面積相近的區(qū)域（如圖2（b）所示），通過采用改進的OBB包圍盒算法，使矯正之后的包圍盒緊緊地包圍物體（如圖2（c）所示）.

（a)改進前

(b)區(qū)域劃分

(c)改進后

圖2 OBB包圍盒改進效果對比圖

Fig.2 Comparison chartof improved OBB

4 初始碰撞時間及位置的計算

4.1 初始碰撞時間的計算

設(shè)在t=Tk時刻車銑復(fù)合加工發(fā)生碰撞現(xiàn)象，由于仿真精度和系統(tǒng)反應(yīng)時間的問題無法保證Tk就是物體之間的初始碰撞時間.本文應(yīng)用回退技術(shù)計算初始碰撞時間.

設(shè)兩個三角面片在某個臨近時間t=T0時未發(fā)生相交，則第一次發(fā)生碰撞的時間為t=TT0

T0是三角面片相交之前的某個時間，如何選擇T0直接影響初始時間的計算效率.假設(shè)在Tk時刻兩個三角面片相交，則回退的最大時間差表示為Δt，則Δt=N/va－vb?L，其中N表示兩個三角形中最長的邊，va和vb分別表示兩個三角面片的運動速度，L是三角形的分離軸，則T0=T－Δt.在區(qū)間t∈T0,T內(nèi)做回退處理，回退次數(shù)是可控的，可以通過增大三角形剖分的精度來減少回退次數(shù).設(shè)時間t的步長為0.02 s，在測試中發(fā)現(xiàn)，回退次數(shù)一般不大于5.

在應(yīng)用回退技術(shù)的過程中，需要推導(dǎo)出時間區(qū)間t∈T0,T內(nèi)每個回退點的位置信息.這里應(yīng)用洛倫茲變換理論，根據(jù)三角面片的頂點坐標(biāo)和運動狀態(tài)v，可以計算出任意時刻的三角面片位置信息.

通過遍歷集合QQ1,Q2,…,Qn包含的所有元素，并應(yīng)用回退技術(shù)計算出每對相交三角面片的初始相交時間，得出集合：

TT1,T2,…,Tn （10）

比較集合T中的元素，則最小時間為檢測對象初始碰撞時間記為Tmin .

4.2 初始碰撞位置的計算

兩個三角形初次相交時，必交于一點或者一條線段.若Tmin 對應(yīng)的三角面片對數(shù)目大于1，則三角形相交于一條線段.

設(shè)△ABC和△DEF是Tmin 時相交的一對三角形.設(shè)E1=B－A,E2=C－A和E3=E2－E1為△ABC的三條邊，N1=E1×E2為法線，{A+x1E1+x2E2}表示△ABC包含的點，其中(0≤x1≤1, 0≤x2≤1, x1+x2≤1).L1=E－D，L2=F－D和L3=L2－L1為△DEF三條邊，N2=L1×L2為法線，△DEF包含的點記為：{D+y1L1+y2L2}，其中(0≤y1≤1, 0≤y2≤1, y1+y2≤1).

則初始碰撞位置就轉(zhuǎn)換為計算Tmin 時兩個三角形交點P的問題，即求解:

A+x1E1+x2E2－Tva=

D+y1L1+y2L2－Tvb（11）

其中T=Tk－Tmin ，va是碰撞檢測對象A的運動速度，vb是碰撞檢測對象B的運動速度.

設(shè)初始相交位置在△DEF的任意一條邊上，則有y1=0,y2=0;y1=1,y2=0和y1=0,y2=1三種情況.篩選出滿足條件(0≤x1≤1,0≤x2≤1)的x1和x2.如果x1或x2不在[0,1]范圍內(nèi)，則假設(shè)不成立.重新假設(shè)初始相交點的位置在△ABC的任意一條邊上，同理，根據(jù)x1=0,x2=0;x1=1,x2=0和x1=0,x2=1三種情況，篩選出滿足條件(0≤y1≤1,0≤y2≤1)的y1和y2.因為三角形相交，所以一定能計算出滿足條件的系數(shù)x1，x2或系數(shù)y1，y2.

若計算出滿足條件的(0≤x1≤1,0≤x2≤1)的x1和x2.則把相應(yīng)的y1和y2代入D+y1L1+y2L2－Tvb得交點P的坐標(biāo).反之，則把x1和x2代入A+x1E1+x2E2－Tva得交點P的坐標(biāo).

如果以每種假設(shè)為計算單元，本文提出的假設(shè)算法總共需要計算3+3=6次.

常用基于分離軸的測試方案[10]，分別計算11個分離軸情況下，每一類分離軸有不同的3種情況（詳細(xì)內(nèi)容見文獻［10］），計算出相應(yīng)的x1和x2的系數(shù)，滿足條件時，則根據(jù)系數(shù)計算出P點的坐標(biāo).計算11×3次.

區(qū)間相交算法是一種類似于分離軸測試的改進方案[6].該算法先計算出兩個三角形所在平面的交線，然后比較分離軸中與交線L最接近平行的一條分離軸，測試在3種假設(shè)情況下滿足條件的系數(shù)，再計算出P點的坐標(biāo).計算11+3次.

綜上所述，本文關(guān)于三角面片相交位置的計算次數(shù)比分離軸算法的計算次數(shù)少了80%，比區(qū)間相交算法的計算次數(shù)少了50%，明顯提升了計算效率.

5 實例驗證

5.1 OBB包圍盒的創(chuàng)建

本文以某型號萬向節(jié)零件的車銑復(fù)合加工為例，進行碰撞檢測算法實例驗證.以CAD軟件為仿真平臺，創(chuàng)建了用于車銑復(fù)合加工仿真的機床、刀具、工件和夾緊裝置等三維模型，配置機床的運動學(xué)關(guān)系，選擇數(shù)控系統(tǒng)為simens840D.仿真碰撞檢測結(jié)果顯示共發(fā)生碰撞次數(shù)為15次.

本文以數(shù)控加工3分12秒時刀架1與刀架2發(fā)生的碰撞為例.由發(fā)生碰撞的時間和工藝過程推算得出，刀架1車削萬向節(jié)外圓和刀架2鉆削萬向節(jié)軸向孔時刀架1的刀具和刀架2的刀座發(fā)生了碰撞.相應(yīng)的碰撞信息描述為：

M1={0:45 min ,刀架1,∑A1i,2 mm/s,刀架2,∑B1j,0.8 mm/s}

其中“0:45 min”是指某工步在45 s時發(fā)生碰撞現(xiàn)象，“刀架1”是碰撞對象1，∑Aki表示刀架1的幾何信息，“2 mm/s”刀架1沿碰撞方向的加工參數(shù)；“刀架2”是碰撞對象2，∑Bkj表示刀架2的幾何信息，“0.8 mm/s”是刀架2沿碰撞方向的加工參數(shù)；應(yīng)用CAD軟件導(dǎo)出stl文件的功能，選擇公差為0.08 mm，則導(dǎo)出發(fā)生碰撞的兩個對象的三角面片數(shù)量分別為864個和13 632個.

應(yīng)用改進的OBB包圍盒算法得出：刀架1上車刀的包圍盒中心坐標(biāo)Oa(91.5,151.5,0)，半軸長分別為(71,67.5,50)，方向軸坐標(biāo)為（保留小數(shù)點后兩位）(－0.48,－0.72,－0.50;0.68,－0.67,0.31;－0.56,－0.19,0.81)；刀架2上鉆刀刀座的包圍盒中心坐標(biāo)Ob(217.5,0,0)，半軸長分別為(55,170,170)，(1,0,0;0,1,0;0,0,1)為方向軸坐標(biāo).根據(jù)八叉樹空間分割法，可以計算出OBB層次包圍盒樹的每一個節(jié)點和子節(jié)點的包圍盒中心坐標(biāo)及半長軸尺寸.

5.2 計算結(jié)果

通過粗檢階段得出，發(fā)生相交的子節(jié)點集合：

W=W1,W2,W3,W4,W5

其中：

W1OBB_A135,OBB_B116

W2OBB_A155,OBB_B86

W3OBB_A235,OBB_B146

W4OBB_A135,OBB_B156

W5OBB_A76,OBB_B146.

通過精檢階段得出，發(fā)生相交的三角面片有93對.初始碰撞時間為工步2加工運行到17.83 s，初始碰撞位置為P132.5,36.4,0.圖3為數(shù)控加工仿真碰撞示意圖.其中碰撞對象A為車刀，運動速度為va，碰撞對象B為鉆刀刀座, 運動速度為vb，加工對象W為工件，A沿著工件徑向豎直向下做直線運動，B沿著工件軸線方法向左做直線運動.在局部放大示意圖中，相交區(qū)域用C表示，點P為發(fā)生初始碰撞的位置.

在車削外圓與鉆削軸向孔時，刀架1的車刀與刀架2的鉆刀刀座發(fā)生碰撞.有以下4種修正方案：

方案1.增加鉆刀的伸長量.把鉆刀的伸長量由50 mm調(diào)整到56.2 mm以上，使鉆刀刀座與車刀距離增加，有可能避免碰撞現(xiàn)象；

方案2.增加車削加工車削速度.把車刀的切削速度增加到2.5 mm/s以上，使鉆刀與車刀在碰撞區(qū)域的運動軌跡產(chǎn)生時間差；



圖3 數(shù)控加工仿真碰撞示意圖

Fig.3 The graph of collision in NC simulation

方案3.減小鉆削速度.鉆刀的切削速度減小到0.7 mm/s以下，使鉆刀與車刀在碰撞區(qū)域的運動軌跡產(chǎn)生時間差；

方案4.調(diào)整工藝方案.將車削加工與鉆削加工分開加工.

以上4種方案中，方案1最方便快捷，且能保證切削效率和精度.方案2和方案3分別通過增加和減小加工參數(shù)避免干涉碰撞發(fā)生.如果參數(shù)修改幅度太大，會影響到加工效率和精度.方案4如果只是將車削加工與鉆削加工分為兩個工步進行加工，將影響加工效率.由于碰撞現(xiàn)象發(fā)生的情況各異，暫時還無法用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定修正方案，詳細(xì)修正計算過程這里不展開論述.本文采用方案1修正碰撞現(xiàn)象.經(jīng)驗證有效避免了碰撞現(xiàn)象.如圖4所示為車銑復(fù)合加工碰撞檢測流程示意圖.



圖4 碰撞檢測計算流程圖

Fig.4Flow chart of collision detection algorithm

6 結(jié) 論

本文創(chuàng)建的車銑復(fù)合加工仿真環(huán)境比CAM軟件通過刀位文件仿真更真實，更接近實際加工情況，提供了可靠的碰撞檢測信息.在預(yù)處理階段，建立了改進的OBB包圍盒及其層次包圍盒樹；在粗檢階段和精檢階段，基于分離軸定理和回退技術(shù)，計算出了初始碰撞時間及位置.實例驗證結(jié)果表明，計算結(jié)果準(zhǔn)確，為操作人員進行加工修正提供了可靠的依據(jù)，避免了盲目的參數(shù)預(yù)估，減少反復(fù)修正的次數(shù)，提高了效率，對車銑復(fù)合加工和制造也具有很重要的意義.

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