一种虚拟装配中基于公差约束的碰撞检测方法
【专利摘要】本发明为了更好的仿真零部件的装配过程，给出了一种基于公差约束的碰撞检测方法及响应策略。首先给出了虚拟零部件的层次模型表达构建方法；其次提出了基于体分解的空间层次包围体表达方法，给出了压缩包围体冗余空间的算法；再次给出碰撞穿透深度的计算方法，通过比对最大穿透深度值与零部件间公差范围，产生不同的碰撞响应策略；第四以孔-轴装配为例，给出了虚拟空间中未受约束与受约束零部件的装配方程；最后通过仿真给出了孔-轴零部件之间的装配过程。
【专利说明】一种虚拟装配中基于公差约束的碰撞检测方法
【发明内容】
[0001]本发明为了更好的仿真零部件的装配过程，给出了一种基于公差约束的碰撞检测方法及响应策略。首先给出了虚拟零部件的层次模型表达构建方法；其次提出了基于体分解的空间层次包围体表达方法，给出了压缩包围体冗余空间的算法；再次给出碰撞穿透深度的计算方法，通过比对最大穿透深度值与零部件间公差范围，产生不同的碰撞响应策略；第四以孔-轴装配为例，给出了虚拟空间中未受约束与受约束零部件的装配方程；最后通过仿真给出了孔-轴零部件之间的装配过程。
[0002]为解决上述技术问题，本发明的技术方案是:
在虚拟装配系统中如何既能快速有效的判断零部件的碰撞检测发生，又能及时鉴别所发生的碰撞是否在公差允许的范围内成为系统高效仿真的关键技术问题。本发明提出一种基于体分解的包围体层次方法，可以快速高效的判断零部件之间的碰撞检测，并给出了一种新的计算穿透深度的方法，当零部件发生碰撞时，能够实时、准确的计算方向穿透深度。通过判断发生碰撞的零部件能否构建装配对，进行不同的响应策略:对于无法构建装配对的零部件之间，直接进行碰撞响应；对于可以构建装配对的零部件之间进行穿透深度的计算，并进行最大穿透深度与公差范围的比对，对在公差范围内的碰撞并不进行碰撞响应，但对发生超出公差范围的碰撞，进行碰撞响应。通过调整零部件的位姿关系，最终实现基于公差约束的装配。图1给出了带公差信息的虚拟装配系统整体流程。
[0003]I虚拟零部件模型表达
装配特征信息主要包括零部件之间相互配合有关的特征信息，如点与面、线与面以及面与面等特征；工程语义信息主要包括零部件的基本尺寸信息和公差信息；拓扑结构信息是指组成当前零部件的几何层次结构，虚拟零部件的模型层次结构如图2所示。在实际的虚拟装配环境中，为了保证系统的实时性，仅使用三角面片信息进行碰撞检测，其他层次信息并不导入到虚拟环境中。当发生零部件之间的碰撞干涉时，会根据模型表达的拓扑结构由三角面片信息索引几何面片，进而检索零部件的特征信息，并将该层次中的其他信息反馈给系统进一步计算。
[0004]2构建基于体分解的空间包围体层次
基于体分解的空间包围体构建采用自顶向下的方法，考虑到平衡二叉树在层次结构的表达最简，遍历效率最优，因此将零部件的多面体表面及其内部空间组织成一棵平衡二叉树。具体步骤如下:
1)生成根节点。设存在任意形状的零部件模型，在世界坐标系(x，Y，z)下，沿模型方向构建方向包围体，该包围体在其局部坐标系(Vx，Vy，Vz)实际上是AABB包围体，将其作为树的根节点；
2)切分空间。选取父包围体中最长边上的任一点，过该点作垂直于最长边线的平面，将原包围体切分为两个子包围体，分别作为平衡二叉树的左右子树；
3)压缩包围体空间。由于切分点为任意选取，所以由切分平面所切的包围体内必定不能完全包围所有模型的三角面片，即存在游离的三角面片的顶点和边线，因此需要调整切分包围体的边界，使其包围游离的顶点和边线，这样从微观上虽然增加了当前包围体的空间，但从宏观上却是压缩了原始包围体的冗余空间；
4)递归构建平衡二叉树。递归执行步骤I) _3)，生成子节点，并对包围体进行切分和压缩，直到叶子节点中包含的三角面片个数小于预先设定的阈值或所得的空间包围体内的三角面片个数与其父节点内的个数比不超过2%为止。
[0005]3包围体空间压缩算法 算法如下:
EBV=BVS;
for (i=l;i<=6;i++)
{
if(vs[i] n MS= Φ) //VS[i]与MS没有交集意味着VS[i]为冗余空间；
EBV= EBV ? VS[i];
else
switch (i)
{
CASEl:
VSl.Y—maxVS= Y—maxMS;
break;
CASE2:
VS2.Y—minVS= Y—minMS;
break;
CASE3:
VS3.X—minVS= X—minMS;
break;
CASE4:
VS4.X_maxVS= X—maxMS;
break;
CASE5:
VS5.Z_maxVS= Z—maxMS;
break;
CASE6:
VS6.Z—minVS=Z—minMS;
break;
}
EBV= EBV U VS[i];
}
与现有技术相比， 本发明的有益效果是:
I)、本发明的实验结果表明，在装配的碰撞检测过程中引入公差约束信息，可以增进装配仿真的真实感，提高装配效率。[0006]2)、虚拟装配是实际装配在虚拟环境中的高度仿真，在数字机械制造领域发挥着越来越重要的作用。在虚拟环境中，实时、高效、真实的仿真出模型零部件的装配过程是虚拟装配技术追求的目标。本文根据真实装配零部件存在公差信息这一事实，提出了一种新的快速检测零部件碰撞的方法。
[0007]3)、通过比对计算得到的碰撞深度信息与零部件的公差范围，对零部件在装配过程中的碰撞采取不同的响应策略，并通过零部件之间的约束信息实现了最终的装配。实践证明，该方法能够较好地仿真零部件的装配过程，这为虚拟装配技术的研究提供了一个新的思路。
【权利要求】
1.一种虚拟装配中基于公差约束的碰撞检测方法包含以下几个部分: 在虚拟装配系统中如何既能快速有效的判断零部件的碰撞检测发生，又能及时鉴别所发生的碰撞是否在公差允许的范围内成为系统高效仿真的关键技术问题；本发明提出一种基于体分解的包围体层次方法，可以快速高效的判断零部件之间的碰撞检测，并给出了一种新的计算穿透深度的方法，当零部件发生碰撞时，能够实时、准确的计算方向穿透深度；通过判断发生碰撞的零部件能否构建装配对，进行不同的响应策略:对于无法构建装配对的零部件之间，直接进行碰撞响应；对于可以构建装配对的零部件之间进行穿透深度的计算，并进行最大穿透深度与公差范围的比对，对在公差范围内的碰撞并不进行碰撞响应，但对发生超出公差范围的碰撞，进行碰撞响应；通过调整零部件的位姿关系，最终实现基于公差约束的装配。
【文档编号】G06F17/50GK103678777SQ201310589278
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月22日 优先权日:2013年11月22日
【发明者】刘雨 申请人:大连海联自动控制有限公司