龙门制孔机床加工碰撞检测分析方法与流程

技术特征：

1.一种龙门制孔机床加工碰撞检测分析方法，用于龙门制孔机床对工件的理论加工孔的加工碰撞的检测与分析，龙门制孔机床包括n个子机床，其特征在于，所述龙门制孔机床加工碰撞检测分析方法包括步骤：

S1，在工件坐标系O_W-X_WY_WZ_W下构建工件的理论加工孔，并提取理论加工孔的位置坐标和理论加工孔的单位法向量其中，I_k，J_k，K_k分别为理论加工孔的单位法向量在工件坐标系O_W-X_WY_WZ_W的X_W轴、Y_W轴、Z_W轴上的单位向量，其中，k＝1,2,...,N_total，N_total为工件上的理论加工孔的总数；

S2，使用激光跟踪仪测量并计算得到子机床的子机床坐标系O_Mi-X_MiY_MiZ_Mi在工件坐标系O_W-X_WY_WZ_W下的相对位姿

其中，Mi＝1,2,...,n，Mi表示子机床Mi，n表示龙门制孔机床上的子机床的总数，n≥1，表示子机床Mi的X_Mi轴运动方向在工件坐标系O_W-X_WY_WZ_W中的矢量表示，表示子机床Mi的Y_Mi轴运动方向在工件坐标系O_W-X_WY_WZ_W中的矢量表示，表示子机床Mi的Z_Mi轴运动方向在工件坐标系O_W-X_WY_WZ_W中的矢量表示，表示子机床Mi的坐标原点O_Mi在工件坐标系O_W-X_WY_WZ_W中的矢量表示；

S3，对用于固定工件的夹具创建夹具包围盒，将工件曲面和夹具包围盒分别离散为离散点云数据wBndBox_3×wsize和fBndBox_3×fsize，其中，wsize为工件曲面的离散点云的离散点数量，fsize为夹具包围盒的离散点云的离散点数量，从而得到包括工件曲面的离散点云数据和夹具包围盒的离散点云数据的总离散点云数据BndBox_{3×(wsize+fsize)}，其中，(wsize+fsize)为工件曲面的离散点云和夹具包围盒的离散点云的离散点总数量；

S4，根据步骤S1中得到的理论加工孔的位置坐标和理论加工孔的单位法向量以及步骤S2中得到的子机床的子机床坐标系O_Mi-X_MiY_MiZ_Mi在工件坐标系O_W-X_WY_WZ_W中的矢量得到子机床的第一关键参数集合和第二关键参数集合

S5，根据步骤S1中得到的理论加工孔的位置坐标和步骤S2中得到的子机床的子机床坐标系O_Mi-X_MiY_MiZ_Mi在工件坐标系O_W-X_WY_WZ_W下的相对位姿判断理论加工孔对应的用于加工所述理论加工孔的所属子机床；

S6，根据步骤S1中得到的理论加工孔的位置坐标和理论加工孔的单位法向量步骤S3中得到的总离散点云数据BndBox_{3×(wsize+fsize)}以及步骤S5中得到的用于加工理论加工孔的所属子机床，选择理论加工孔的用于做碰撞判断的点云集合

S7，根据步骤S4中得到的子机床的第一关键参数集合和第二关键参数集合以及步骤S6中得到的理论加工孔的用于做碰撞判断的点云集合得到理论加工孔的用于做碰撞判断的点云集合中的每一点与用于加工理论加工孔的所属子机床碰撞的第一条件和第二条件；

S8，判断理论加工孔的用于做碰撞判断的点云集合中的每一点是否满足第一条件或第二条件，若理论加工孔的用于做碰撞判断的点云集合中有满足第一条件或第二条件的点，则表示理论加工孔与用于加工所述理论加工孔的所属子机床发生碰撞，将满足第一条件或第二条件的理论加工孔置为不可加工孔；若理论加工孔的用于做碰撞判断的点云集合中的每一点都不满足第一条件和第二条件，则表示理论加工孔与用于加工所述理论加工孔的所属子机床不发生碰撞，将不满足第一条件和第二条件的理论加工孔置为可加工孔。

2.根据权利要求1所述的龙门制孔机床加工碰撞检测分析方法，其特征在于，步骤S2包括步骤：

S21，在用于固定工件的夹具的定位面上不共线的设置p个靶球基座作为p个标志点，p个靶球基座上各对应设置有一个靶球，使用激光跟踪仪测量用于固定工件的夹具上的p个标志点ERS1^m～ERSp^m的坐标i＝1,2,…,p，p(p≥3)表示标志点数量，计算得工件坐标系O_W-X_WY_WZ_W的X_W轴、Y_W轴和Z_W的单位方向向量，从而建立工件坐标系O_W-X_WY_WZ_W在激光跟踪仪坐标系O_LT-X_LTY_LTZ_LT下的位姿矩阵^WT_LT；

S22，标定机床坐标系O-XYZ，建立n个子机床的子机床坐标系O_Mi-X_MiY_MiZ_Mi在机床坐标系O-XYZ下的位姿矩阵^MiT_B；

S23，在龙门制孔机床的横梁(1)上不共线的固定q个靶球基座作为q个标志点，q个靶球基座上各对应设置有一个靶球，使用激光跟踪仪测量横梁(1)上的q个标志点BMS1^m～BMSq^m的坐标并与标定的机床坐标系O-XYZ下测量的q个标志点BMS1^d～BMSq^d的坐标配准，i＝1,2,…,q，q(q≥3)表示标志点数量，建立机床坐标系O-XYZ在激光跟踪仪坐标系O_LT-X_LTY_LTZ_LT下的位姿矩阵^BT_LT；

S24，根据步骤S21中的工件坐标系O_W-X_WY_WZ_W在激光跟踪仪坐标系O_LT-X_LTY_LTZ_LT下的位姿矩阵^WT_LT、步骤S23中的机床坐标系O-XYZ在激光跟踪仪坐标系O_LT-X_LTY_LTZ_LT下的位姿矩阵^BT_LT和步骤S22中的n个子机床的的子机床坐标系O_Mi-X_MiY_MiZ_Mi在机床坐标系O-XYZ下的位姿矩阵^MiT_B，计算得到n个子机床的子机床坐标系O_Mi-X_MiY_MiZ_Mi相对工件坐标系O_W-X_WY_WZ_W的变换矩阵为

${{}^{Mi}T}_W={\left({{}^{W}T}_{LT}\right)}^{-1}\·{{}^{B}T}_{LT}\·{{}^{Mi}T}_B=\left[\begin{array}{cccc}{{}^{Mi}\stackrel{\→}{x}}_W& {{}^{Mi}\stackrel{\→}{y}}_W& {{}^{Mi}\stackrel{\→}{z}}_W& {{}^{Mi}\stackrel{\→}{p}}_W\\ & {\stackrel{\→}{0}}_{1\×3}& & 1\end{array}\right].$

3.根据权利要求2所述的龙门制孔机床加工碰撞检测分析方法，其特征在于，步骤S22中位姿矩阵^MiT_B的建立过程为：

S221，标定机床坐标系O-XYZ：在机床的地桥(4)的四个角A、B、C和D上设置标志点，以四个角的上表面A1、B1、C1和D1和两侧表面A2、B2、C2、D2及A3、B3、C3、D3作为标志面，利用机床的地桥(4)上的标志点和标志面在机床的地桥(4)上建立机床坐标系O-XYZ；

S222：子机床为AC摆头的五轴机床，其中AC摆头的五轴机床的X轴为第一直线运动轴、Y轴为第二直线运动轴、Z轴为第三直线运动轴、主轴A为第一旋转运动轴A_Mi而主轴C为第二旋转运动轴C_Mi，AC摆头还包括刀具(K)，第一旋转运动轴A_Mi和刀具(K)可随着第二旋转运动轴C_Mi旋转运动，刀具(K)安装在第一旋转运动轴A_Mi上，将各子机床调整到初始状态，并将龙门制孔机床调整到初始状态，利用激光跟踪仪跟踪设置在第一旋转运动轴A_Mi和第二旋转运动轴C_Mi上的靶球测量各子机床的第一直线运动轴、第二直线运动轴以及第三直线运动轴在机床坐标系O-XYZ下的单位方向向量分别为以及第一旋转运动轴A_Mi的轴线和第二旋转运动轴C_Mi的轴线的位置，得到第一旋转运动轴A_Mi的轴线在机床坐标系O-XYZ中的直线方程为以及第二旋转运动轴C_Mi的轴线在机床坐标系O-XYZ中的直线方程为：其中，(x_A,y_A,z_A)^T为轴线上任意一点的坐标，(x_C,y_C,z_C)^T为轴线上任意一点的坐标，为轴线的单位方向向量，为轴线的单位方向向量，为轴线上的已知点，为轴线上的已知点，为轴线的直线方程的参数，为轴线的直线方程的参数；

S223：根据步骤S222中得到的第一旋转运动轴A_Mi的轴线和第二旋转运动轴C_Mi的轴线由几何关系计算各子机床Mi的第一旋转运动轴A_Mi的轴线和第二旋转运动轴C_Mi的轴线的轴线公垂线F_Mi，并计算各子机床Mi的轴线公垂线F_Mi与其第二旋转运动轴C_Mi的轴线的交点T_Mi，将交点T_Mi作为子机床的AC摆头的腕心点(T)，从腕心点(T)沿第二旋转运动轴C_Mi的轴线偏移第一旋转运动轴A_Mi的摆长距离L_Mi得到虚拟刀尖(TCP)的位置，将偏移后得到的虚拟刀尖(TCP)作为子机床的子机床坐标系O_Mi-X_MiY_MiZ_Mi的原点O_Mi；

S224：设子机床的子机床坐标系O_Mi-X_MiY_MiZ_Mi的X_Mi轴的正方向与龙门制孔机床的机床坐标系O-XYZ的X轴的正方向X+一致，由步骤S222中得到的各子机床的第一直线运动轴、第二直线运动轴以及第三直线运动轴在机床坐标系O-XYZ下的单位方向向量将其中行程最长的直线运动轴在机床坐标系O-XYZ下的单位方向向量作为子机床的子机床坐标系O_Mi-X_MiY_MiZ_Mi的相应轴的单位方向向量，利用向量叉乘的方法修正子机床的子机床坐标系O_Mi-X_MiY_MiZ_Mi的其它两个轴的单位方向向量，通过子机床的子机床坐标系O_Mi-X_MiY_MiZ_Mi的原点O_Mi和各轴的单位方向向量得到子机床的子机床坐标系O_Mi-X_MiY_MiZ_Mi在机床坐标系O-XYZ下的位姿矩阵

4.根据权利要求1所述的龙门制孔机床加工碰撞检测分析方法，其特征在于，步骤S4中子机床的第一关键参数集合和第二关键参数集合的获取过程如下：

创建子机床的第三直线运动轴、第一旋转运动轴A_Mi以及第二旋转运动轴C_Mi的包围盒，将子机床的第三直线运动轴、第一旋转运动轴A_Mi以及第二旋转运动轴的包围盒分割为N_r个矩形体和N_c个圆柱体，得到每个矩形体R_r的第一边长第二边长第三边长和每个圆柱体C_c的半径r_c和长度l_c，由理论加工孔的位置坐标单位法向量以及子机床的Z_W轴运动方向在工件坐标系O_W-X_WY_WZ_W中的矢量与每个矩形体R_r和每个圆柱体C_c的位置关系计算得到每个矩形体R_r的中心位置第一面的法向量第二面的法向量和第三面的法向量以及每个圆柱体C_c的中心位置和轴线向量得到每个矩形体R_r的第一关键参数和每个圆柱体C_c的第二关键参数从而得到子机床的第三直线运动轴、第一旋转运动轴A_Mi以及第二旋转运动轴C_Mi的包围盒分割的N_r个矩形体的第一关键参数集合为：

其中，r＝1,2,...,N_r，N_r表示矩形体个数；

和N_c个圆柱体的第二关键参数集合为：

其中，c＝1,2,...,N_c，N_c表示圆柱体个数。

5.根据权利要求4所述的龙门制孔机床加工碰撞检测分析方法，其特征在于，每个矩形体R_r的中心位置第一面的法向量第二面的法向量和第三面的法向量以及每个圆柱体C_c的中心位置和轴线向量的计算过程如下：

将子机床的第三直线运动轴、第一旋转运动轴A_Mi和第二旋转运动轴C_Mi的包围盒分割成四个矩形体R₁、R₂、R₃及R₄和四个圆柱体C₁、C₂、C₃及C₄，计算矩形体R₁、R₂、R₃及R₄的中心位置第一面的法向量第二面的法向量和第三面的法向量以及圆柱体C₁、C₂、C₃及C₄的中心位置和轴线向量为：

其中，L_R1为从虚拟刀尖(TCP)到矩形体R₁的中心位置的距离，L_R2为从虚拟刀尖(TCP)到矩形体R₂的中心位置的距离，为从腕心点(T)到矩形体R₃的中心位置的距离，L_R4从腕心点(T)到矩形体R₄的中心位置的距离，L_C1为从虚拟刀尖(TCP)到圆柱体C₁的中心位置的距离，为从虚拟刀尖(TCP)到圆柱体C₂的中心位置的距离，为从虚拟刀尖(TCP)到圆柱体中心C₃的中心位置的距离，为从腕心点(T)到圆柱体C₄的中心位置的距离。

6.根据权利要求1所述的龙门制孔机床加工碰撞检测分析方法，其特征在于，步骤S5包括如下步骤：

S51，取与工件坐标系O_W-X_WY_WZ_W的Z_W轴垂直的N_s个工件的横截面，得到工件的内管道截面曲线集合对每个内管道截面曲线S_i求取最小外接圆C_i，得到最小外接圆C_i的圆心坐标为半径为其中，i＝1,2,…,N_s；由理论加工孔的位置坐标找到满足的最小外接圆C_i，对应圆心坐标与半径和最小外接圆C_i+1，对应圆心坐标与半径并计算理论加工孔所在位置即在Z_W轴上的值为z_k处工件的内管道截面曲线的最小外接圆的圆心坐标和半径为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{C_{P_k}}=\frac{x_{C_i}-x_{C_{i+1}}}{z_{C_i}-z_{C_{i+1}}}(z_{C_{P_k}}-z_{C_i})+x_{C_i}\\ y_{C_{P_k}}=\frac{y_{C_i}-y_{C_{i+1}}}{z_{C_i}-z_{C_{i+1}}}(z_{C_{P_k}}-z_{C_i})+y_{C_i}\\ r_{C_{P_k}}=\frac{r_{C_i}-r_{C_{i+1}}}{z_{C_i}-z_{C_{i+1}}}(z_{C_{P_k}}-z_{C_i})+r_{C_i}\end{array}\right.$

S52，根据步骤S1得到的理论加工孔的位置坐标和步骤S51计算得到的理论加工孔所在位置的内管道截面曲线的最小外接圆的圆心坐标和半径若判断所述理论加工孔为内孔，内孔由设置在龙门制孔机床的横梁(1)上的子机床或设置在龙门制孔机床的地桥(4)上的子机床加工，其中，当且z_k≥Z_UD时，所述理论加工孔属于设置在横梁(1)上的子机床加工，所述理论加工孔的所属子机床为设置在横梁(1)上的子机床；当且z_k＜Z_UD时，所述理论加工孔属于设置在龙门制孔机床的地桥(4)上的子机床加工，所述理论加工孔的所属子机床为设置在龙门制孔机床的地桥(4)上的子机床，其中，Z_UD为设置在龙门制孔机床的横梁(1)上的子机床和设置在龙门制孔机床的地桥(4)上的子机床在Z_W轴方向上的加工范围分界值；若判断所述理论加工孔为外孔，外孔由设置在龙门制孔机床的左立柱(2)上的子机床或设置在龙门制孔机床的右立柱(3)上的子机床加工，其中，当且y_k＜Y_RL，理论加工孔属于设置在龙门制孔机床的左立柱(2)上的子机床加工，所述理论加工孔由设置在龙门制孔机床的左立柱(2)上的子机床加工；当且y_k≥Y_RL，所述理论加工孔属于设置在龙门制孔机床的右立柱(3)上的子机床加工，理论加工孔的所属子机床为设置在龙门制孔机床的右立柱(3)上的子机床，其中，Y_RL为设置在龙门制孔机床的左立柱(2)上的子机床和设置在龙门制孔机床的右立柱(3)上的子机床在Y_W轴方向上的加工范围分界值。

7.根据权利要求6所述的龙门制孔机床加工碰撞检测分析方法，其特征在于，步骤S6中理论加工孔的用于做碰撞判断的点云集合的选择过程如下：

根据步骤S5中得到用于加工理论加工孔的所属子机床，如果所属子机床是设置在龙门制孔机床的横梁(1)上的子机床，则在总的离散点云数据BndBox_{3×(wsize+fsize)}中提取做碰撞判断的点云集合中的点满足：

$P_{bndbox}=\{\stackrel{\→}{p}={\[p_x,p_y,p_z\]}^T|\begin{array}{c}{x}_k-L_A\≤p_x\≤x_k+L_A\\ y_k-L_A\≤p_y\≤y_k+L_A\\ p_z\≥\min \left(z_k-H_A,z_k+L_A{K}_k-H_A\right)\end{array}\}$

如果所属子机床是设置在龙门制孔机床的地桥(4)上的子机床，则在总的离散点云数据BndBox_{3×(wsize+fsize)}中提取做碰撞判断的点云集合中的点满足：

$P_{bndbox}=\{\stackrel{\→}{p}={\[p_x,p_y,p_z\]}^T|\begin{array}{c}{x}_k-L_A\≤p_x\≤x_k+L_A\\ y_k-L_A\≤p_y\≤y_k+L_A\\ p_z\≤\max \left(z_k+H_A,z_k+L_A{K}_k+H_A\right)\end{array}\}$

如果所属子机床是设置在龙门制孔机床的左立柱(2)上的子机床，则在总的离散点云数据BndBox_{3×(wsize+fsize)}中提取做碰撞判断的点云集合中的点满足：

$P_{bndbox}=\{\stackrel{\→}{p}={\[p_x,p_y,p_z\]}^T|\begin{array}{c}{x}_k-L_A\≤p_x\≤x_k+L_A\\ z_k-L_A\≤p_y\≤z_k+L_A\\ p_y\≤\max \left(y_k+H_A,y_k+L_A{J}_k+H_A\right)\end{array}\}$

如果所属子机床是设置在龙门制孔机床的右立柱(3)上的子机床，则在总的离散点云数据BndBox_{3×(wsize+fsize)}中提取做碰撞判断的点云集合中的点满足：

$P_{bndbox}=\{\stackrel{\→}{p}={\[p_x,p_y,p_z\]}^T|\begin{array}{c}{x}_k-L_A\≤p_x\≤x_k+L_A\\ z_k-L_A\≤p_y\≤z_k+L_A\\ p_y\≥\min \left(y_k-H_A,y_k+L_A{J}_k-H_A\right)\end{array}\}$

其中，L_A为从虚拟刀尖(TCP)到沿刀轴矢量方向的第一旋转运动轴A_Mi的长度，H_A为垂直刀轴矢量方向的第一旋转运动轴A_Mi的投影得到的矩形的对角线的一半。

8.根据权利要求4中所述的龙门制孔机床加工碰撞检测分析方法，其特征在于，步骤S7中的第一条件为：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_1=|\left(\stackrel{\→}{p}-{\stackrel{\→}{RP}}_r\right)\·{\stackrel{\→}{NV}}_r^1|/\left|\right|{\stackrel{\→}{NV}}_r^1\left|\right|\<W_r^1/2\\ d_2=|\left(\stackrel{\→}{p}-{\stackrel{\→}{RP}}_r\right)\·{\stackrel{\→}{NV}}_r^2|/\left|\right|{\stackrel{\→}{NV}}_r^2\left|\right|\<W_r^2/2\\ d_3=|\left(\stackrel{\→}{p}-{\stackrel{\→}{RP}}_r\right)\·{\stackrel{\→}{NV}}_r^3|/\left|\right|{\stackrel{\→}{NV}}_r^3\left|\right|\<W_r^3/2\end{array}\right.$

表示点云集合中的点在矩形体R_r中，提取第一关键参数集合中的r行数据得到矩形体R_r的第一关键参数式中，d₁、d₂和d₃为理论加工孔的位置到矩形体R_r的中心位置的位移分别在矩形体R_r的第一面的法向量第二面的法向量和第三面的法向量方向上的单位向量；

步骤S7中的第二条件为：

表示点云集合中的点在圆柱体C_c中，提取第二关键参数集合中的c行数据得到圆柱体C_c的第二关键参数式中，d^||和d^⊥表示理论加工孔的位置到圆柱体C_c的中心位置的位移分别在轴线向量方向上和垂直轴线向量方向上的正投影值。