数控机床实时碰撞检测算法的研究与实现
数控加工仿真中的碰撞干涉检测算法研究
基于数控铣床加工过程实时检测系统的研究与应用
基于数控铣床加工过程实时检测系统的研究与应用数控铣床是一种现代化精密机床，广泛应用于工业制造领域。
在加工过程中，由于刀具磨损、工件变形等原因，很容易导致加工精度下降，甚至出现加工质量不合格的情况。
开发一种基于数控铣床加工过程实时检测系统，对加工过程进行监控和控制，具有非常重要的意义。
实时检测系统可以通过采集数控铣床加工过程中的运动参数、力参数和温度参数等数据，对加工过程进行实时监测和控制。
通过分析这些数据，可以及时发现加工过程中的异常情况，并采取相应的措施进行调整和修正。
这样可以大大提高加工精度和质量，降低加工成本和损失。
实时检测系统通常由传感器、数据采集装置、数据处理装置和控制装置等组成。
传感器负责采集加工过程中的各种参数数据，如切削力、切削温度、坐标位置等。
数据采集装置将传感器采集到的数据转换为数字信号，并传输给数据处理装置。
数据处理装置对采集到的数据进行分析处理，判断加工过程中是否存在异常情况，并发送相应的控制信号给控制装置。
控制装置根据接收到的信号，调整数控铣床的工作状态，以实现对加工过程的控制。
实时检测系统的研究与应用在实际生产中有着很大的价值。
它可以大大提高加工精度和质量，避免因加工过程中的异常情况导致的加工质量不合格；它可以减少加工成本和损失，通过监测加工过程中的各种参数，及时发现问题并采取措施进行调整和修正，避免不良品的产生，降低了生产成本；它可以提高生产效率，通过实时监测和控制，可以自动化地进行加工过程，减少人工干预，提高生产效率；它可以提高生产的稳定性和可靠性，通过实时监测和控制，可以及时发现和处理加工过程中的异常情况，保证生产的稳定性和可靠性。
基于数控铣床加工过程实时检测系统的研究与应用具有非常重要的意义。
它可以提高加工精度和质量，降低加工成本和损失，提高生产效率，保证生产的稳定性和可靠性。
研究和开发这种实时检测系统，将对推动工业制造领域的发展起到非常积极的作用。
碰撞检测算法研究技术报告
碰撞检测算法研究技术报告传统工业机器人工作时，为了保证安全需采取措施把人排除在工作区域外。
近年来，随着3C 行业的崛起以及中小企业对自动化需求的增长，在一些涉及到装配（组装）、医疗手术辅助等领域，注重人机协作安全的协作型机器人逐渐进入人们的视野。
当人与机器人处于同一个协作空间时，安全性成为首先要考虑的问题，而最常发生的安全问题是机器人与人发生碰撞导致受伤。
因此，为了防止碰撞给人造成伤害，协作机器人就必须具备碰撞检测功能。
目前主流的解决方案是在机器人外部安装传感器，如机器人外表面包裹上一层敏感的皮肤传感器[1-2]、加装视觉传感器[3]、安装关节力矩传感器等[4-6]，其中安装关节力矩传感器是最常用的解决方案。
Lu [4]等人在机器人基座以及腕关节各加装了一个六维力矩传感器，基于动力学模型提出了一种神经网络方法，可实现对碰撞力的检测。
Haddadin [5]及Hur [6]等人以LWR Ⅲ机器人为原型，通过安装在机器人各个关节处的力矩传感器获得准确的关节力矩，通过观测关节处力矩的变化，实现机器人碰撞检测。
安装传感器的方案在一定程度上能够很好地保证人机协作安全，但存在两个主要不足：一方面，传感器数据的采集处理增加了控制系统的复杂性，容易造成实时性差的问题；另一方面，安装传感器会增加机械结构的复杂性以及加工制造的成本。
针对上述不足，部分学者在不借助外部传感器而通过控制算法来实现碰撞检测方面做了一些研究。
潘婷婷[7]等人提出了一种基于动力学模型的力矩差碰撞检测方法，通过实时比较关节理论预测力矩与关节采样力矩（电机力矩采样计算）的差值，若超出预设安全阈值，则认为发生碰撞。
但该方法受加速度影响较大，加减速频繁时关节采样力矩会存在较大的误差。
Luca [8-10]及Lee [11-12]等人提出了一种基于机器人广义动量构造观测器，实现对关节外力矩观测的方法，该方法避免了加速度对观测值的影响，但该算法的传递函数为一阶系统，可调参数较少，难以同时保证良好的快速性和稳定性。
CNC机床加工中的刀具路径规划与碰撞检测技术
CNC机床加工中的刀具路径规划与碰撞检测技术CNC机床是一种精密加工设备，广泛应用于各种制造业领域。
它可以根据预先设置的程序，通过控制刀具在工件上的移动轨迹来完成复杂的加工任务。
在CNC机床加工过程中，刀具路径规划和碰撞检测技术起着关键作用，主要用于确保加工的准确性和安全性。
本文将介绍CNC机床加工中的刀具路径规划与碰撞检测技术的原理和应用。
一、刀具路径规划技术刀具路径规划技术在CNC机床加工中起到了决定加工效率和质量的关键作用。
其主要目标是确定刀具在工件表面的最佳运动轨迹，使得加工过程中的切削负载最小，加工速度最高，并且能够满足工件表面质量和精度的要求。
实现刀具路径规划的关键是建立合适的数学模型。
一般情况下，常用的刀具路径规划方法有直线插补法、圆弧插补法和复合插补法。
其中，直线插补法适用于直线或轮廓的加工，圆弧插补法适用于圆弧的加工，而复合插补法则是综合利用了直线插补法和圆弧插补法进行复杂轮廓的加工。
刀具路径规划技术的应用可以大大提高CNC机床的加工效率和质量。
通过合理的路径规划，可以减少切削负载，降低加工过程中的振动和热变形，提高工件的表面质量和精度。
二、碰撞检测技术在CNC机床加工过程中，由于工件形状复杂或切削工况变化等原因，刀具可能会与工件或机床产生碰撞。
这不仅会导致加工质量下降，还会造成机床设备的损坏和安全事故的发生。
因此，碰撞检测技术在CNC机床加工中显得尤为重要。
碰撞检测技术主要通过建立机床加工模型和刀具模型，进行碰撞检测和碰撞预警。
其中，机床加工模型用于描述机床的几何形状和机械运动关系，刀具模型用于描述刀具的几何形状和运动轨迹。
通过对机床加工模型和刀具模型进行比较，可以判断是否存在碰撞，并及时采取措施避免碰撞的发生。
在碰撞检测技术中，还可以借助仿真软件和传感器来实现实时监测和反馈。
通过将实际加工过程与虚拟仿真模型进行对比，可以提前发现潜在的碰撞问题，并即时调整刀具路径或停机警告，从而保障加工过程的安全性和稳定性。
实时碰撞检测技术研究
实时碰撞检测技术研究
实时碰撞检测技术包括静态碰撞检测和动态碰撞检测两部分。
静态碰
撞检测用于检测静态模型之间的碰撞，例如建筑物间的碰撞、场景中的障
碍物等。
动态碰撞检测用于检测运动中的物体之间的碰撞，例如角色和墙
壁的碰撞、子弹和敌人的碰撞等。
在静态碰撞检测中，常用的技术包括包围盒检测、凸包检测和层次结
构检测等。
包围盒检测是最简单的一种方法，将模型用立方体或球体包围
起来，在这个层次上进行碰撞检测，可以极大地减少计算量。
凸包检测则
是对模型进行凸包求解，并对其进行碰撞检测，可以提高检测的精确度。
层次结构检测则是将模型分割为层次结构，通过遍历这个层次结构进行碰
撞检测。
在动态碰撞检测中，常用的技术包括球树、包围盒树和分离轴定理等。
球树是一种层次结构的数据结构，用于存储模型的包围球，通过遍历球树
进行碰撞检测。
包围盒树则是将模型分割为包围盒，并以树的结构进行存
储和遍历。
分离轴定理是一种基于向量的碰撞检测方法，通过检测模型的
投影是否存在重叠来判断碰撞。
除了以上的方法，还有很多其他的实时碰撞检测技术，如基于距离场
的碰撞检测、基于体素的碰撞检测、基于网格的碰撞检测等。
这些方法在
实时碰撞检测中有着不同的应用和特点。
综上所述，实时碰撞检测技术在计算机图形学和游戏开发中有着广泛
的应用。
通过选择合适的碰撞检测方法，可以在保证检测结果的准确性的
同时提高检测的效率。
未来随着计算机技术的进步，实时碰撞检测技术将
会得到更加广泛和深入的应用。
实时碰撞检测技术研究
基于单纯形（Simplex）的碰撞检测算法
Gilbert、Johnson和Keerthi [Gilbert 1988][Gilbert 1990]提出的GJK 算法
[Cameron 1997][Bergen 1999]
基于空间域的碰撞检测算法分类
基于物体空间的碰撞检测算法
算法预处理阶段
凸块的三角形带压缩编码
在基于图象的碰撞检测算法中，两物体间进行一次碰撞 检测往往需要对物体进行多次绘制
提高绘制速度 三角形带不改变物体的几何结构
算法预处理阶段
凸块的三角形带压 缩编码
利用三角形网格模 型的连通性对生成 的三角形带进行编 码压缩
深黑色的折线指示出 三角形带
1999]，[Vassilev 2001]，[Heidelb 2003]，[Govindar 2003] 基于可编程图形硬件….
碰撞检测算法框架
归纳出一个统一的碰撞检测算法框架
初步检测阶 段
详细检测阶段
逐步求精 层
精确求交 层
碰撞检测算法的一般框架
初步检测阶段
空间剖分法 基于插入排序的“掠扫和裁剪”法([Cohen 1995])
基于空间域的碰撞检测算法分类
基于物体空间的碰撞检测算法 基于图象空间的碰撞检测算法
利用图形硬件 对物体的二维图象采样 相应的深度信息
基于空间域的碰撞检测算法分类
基于图象空间的碰撞检测算法
Shinya等[Shinya 1991]和Rossignac等[Rossignac 1992]
Myszkowski等[Myszkow 1995] Baciu等[Baciu 1997][Baciu 1999] Hoff等[Hoff 2001]，Kim等[Kim 2002]， [Lombardo
CNC机床加工中的刀具路径规划与碰撞检测
CNC机床加工中的刀具路径规划与碰撞检测CNC机床是现代制造业中广泛使用的一种高精度、高效率的自动化加工设备。
在CNC机床加工过程中，刀具路径规划与碰撞检测是至关重要的环节。
本文将探讨CNC机床加工中的刀具路径规划和碰撞检测的相关问题。
一. 刀具路径规划刀具路径规划是指在CNC机床加工中，确定刀具在工件表面上移动的路径，以实现对工件的高效加工。
刀具路径规划的目标是在保证加工质量和减少加工时间的前提下，尽可能避免因机械性能限制和避免碰撞。
1.1 加工效率优化在刀具路径规划中，加工效率是一个重要的考量因素。
通过合理规划刀具的路径，可以减少切削过程中的空载时间，并且减少刀具在加工过程中的冗余移动。
例如，在连续切削过程中，可以选择沿着轮廓线进行切削，而不是在每个轮廓间来回移动。
这样可以显著提高加工的效率。
1.2 切削质量保证除了加工效率外，刀具路径规划还需要保证切削质量。
这包括避免工件表面出现明显的切削痕迹和减少加工过程中的振动。
在进行刀具路径规划时，需要考虑切削力的大小和方向，以及切削时产生的振动和噪音。
通过合理的路径规划，可以减少这些问题的出现，从而提高切削质量。
1.3 机械性能限制刀具路径规划还需要考虑CNC机床的机械性能限制。
机床在进行加工过程中，存在一些限制，比如最大行程、切削深度、切削速度等。
在进行路径规划时，需要考虑这些机械性能的限制，以避免超出机床的可操作范围。
二. 碰撞检测在CNC机床加工过程中，刀具碰撞是一个常见而严重的问题。
碰撞不仅会导致刀具和工件的损坏，还可能影响加工质量和机床的稳定性。
因此，对于刀具路径的碰撞检测至关重要。
2.1 碰撞检测方法常见的碰撞检测方法包括几何碰撞检测和力学碰撞检测。
几何碰撞检测是通过对刀具路径和工件模型进行几何分析，来判断是否存在碰撞。
力学碰撞检测是通过应用力学模型，计算刀具与工件之间的力和力矩，进而判断是否发生碰撞。
这两种方法可以结合使用，以提高碰撞检测的准确性和可靠性。
基于OSG的虚拟数控机床刀具碰撞检测技术研究
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ２ — ０ ８ 作者简 介 ： 严翔宇 （ １ ９ ７ １ 一） ， 男， 武汉市人 ， 工程师 ， 从事机电类特种设备 的安全检验 技术 、 事故分 析及 特种设备虚 拟可视化实现 等研究工作。
１ ５１
Ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎｏ ． ５ ， ２ ０ １ ３
一
个 给 定 对 象 的轴 向包 围 盒 （ Ａ Ａ Ｂ Ｂ ） 被 定 义 为
包 含 该 对 象 且 各 边 平 行 于 坐 标 轴 的最 小 的 六 面 体 。 Ａ Ａ Ｂ Ｂ间 的相交 测试 比较简 单 ，两 个 Ａ Ａ Ｂ Ｂ相交 时 ，
当且仅 当它 们在 三 个 坐标 轴 上 的投 影 区间 均 重叠 就 可 以。定 义 Ａ Ａ Ｂ Ｂ的六 个 最 大 最小 值 分 别 确定 了它 在 三个 坐标 轴上 的投 影 区 间 ， 因此 ， Ａ Ａ Ｂ Ｂ间 的相 交 测试 最 多 只需 要 六 次 比较 运算 。 图 １显示 了一 个 物 体的 Ａ Ａ Ｂ Ｂ包 围盒 。
一
个重要 技术 问题 ， 笔者利 用 ｖｃ ． ＮＥ Ｔ环境 下 ＯＳ Ｇ模 块表 示线段 ， 得 到线段 与场景 交点 的方法 ， 实现 刀具与场景 中非
加 工物体 的碰撞检 测的方 法， 简单且计 算迅 速 ， 在虚拟数控加 工过程 中如果发 生碰撞 ， 则机床停 止并报 警 ， 可 实现合理
一
２ 虚 拟现实 中常用 的包 围体 类型
在 数 控 虚拟 场 景 中 ，数 控机 床 的非 加 工 部 件 均 以包 围体 的形式 存 在 ，判 断 刀具 与机 床 非 加 工部 件 的碰撞 ，实 际就 是 判 断 随刀 具运 动 的几 何 图形 是 否 与非 加 工 部件 的包 围体 相 交 。 常用 的包 围体 类 型 包 括： 轴 向包 围盒 、 包 围球 、 方 向包 围盒 和 离 散 方 向多 面体 ［ ２ 】 。 （ １ ） 轴 向包 围盒 （ Ａ ｘ ｉ ｓ Ａ ｌ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ Ｂ ｏ ｕ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ Ｂ ｏ ｘ ， Ａ Ａ Ｂ Ｂ ）
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２１ ０ １年 １ ２月
组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术
Ｍ ｏ ｄｕｌｒ Ｍ ａ ｈｉ ｅ Ｔｏ ｌａ ｃ ｎ ｏ ｏ ｔｃ Ｍ ｎ ａｃ ｕ ｉ ｃ ｎｉ ｕｅ
Ｎ０ １ ． ２ Ｄｅ ．２ １ ｃ ０１
摘 要 ： 撞 检 测是 数 控机床 加 工过 程 中的一 个重要 功 能模 块 。碰 撞检 测 可 以有 效地 避免 刀具 与部 件 碰 发 生碰 撞 ， 同时可 以提 高加 工的 安全 性 。在 研 究 了大 量碰 撞检 测 算法 的基 础 上 ， 出 了一 种 实时 性 提
较 好 的碰撞 检 测算 法 ， 而避 免 了仿 真软 件 检 测缺 陷 。此 算 法 首 先在 预 处理 阶段 采 用轴 向 包 围盒 从
ｐｒ ｌ ｉ ｒｌ ｎ ｅ ｔｇ ｔ ｏ ｌｓｏ ｅ ｅ ｔｏ ｅ ｉ ｎａ ｉｙ ｉ ｖ ｓｉ ａ ｅ ｃ ｌ ｉ ｎ ｄ ｔ ｃ ｉ ｎ． Ｔｈ ｎ ｕｓ ｅ ａ ａ ｉ ｎ ａ ｉ ｈ ｏ ｙ ａ ｄ ｒ ｃ ａ ｇ ａ ｎ ｅ ｓ ｃ ｉ ｎ ｍ ｉ ｅ ｅ ｓ ｐ ｒ ｔ ｘ ｓ ｔ ｅ ｒ ｎ ｅ ｔ ｎ ｕｌ ｒ ｉ ｔ ｒ ｅ ｔｏ ｏ ｔ ｏ ｙ ｔ ｅ ｌ ｔ ｅ ｄ ｔ ｃ ｈ ｏ ｌｓｏｎ ｏ ｒ ｔ ｃ ｅ ｒ ａ ． Ｆｉ ａ ｌ ｈｅ ｒ ｏ ｒ ａ — ｉ ｅ ｅ ｔ ｔ ｅ ｃ ｌｉ ｉ ｆ ｐ ｏ ｅ ｔ ｄ ａ ｅ ｓ ｍ ｎ ｌｙ，ｔ ｅ ｐ ｏ ｏ ｅ ｌ ｏ ｉ ｍ ｓ ｓ ｍ ｕ ａ ｅ ｈ ｒ ｐ ｓ ｄ ａ ｇ ｒｔ ｈ ｉ ｉ ｌ ｔ ｄ，
文 章 编 号 ：Ｏ ｔ一 ２ ５ ２ １ ） ２— ０ ９— ４ ｌＯ ２ ６ （０ １ １ ０ ４ ０
数控机床实时碰撞检测算法 的研究与实现
吴 峰 ， 于 东 张 晓 辉 ， ， 耿 聪 ， 陈 龙 ＇
（ ． 国科 学 院 研 究 生院 ， ｔ中 北京 １０ ４ ； ． 国科 学 院 沈 阳计 算技 术研 究所 ， 阳 １０ ６ ） ０ ０９ ２ 中 沈 １ １ ８
，
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中 图 分 类 号 ：Ｈ１ ； Ｇ ５ Ｔ ６ Ｔ ６
文 献标 识码 ： Ａ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｓ ａ ｃ ｆ ＣＮＣ ｅ ｌｔｍ ｅ Ｃ ｏｌｓｏ ｅ ｅ ｔｏ ｅ ｈｏ Ｒ ａ －ｉ ｌ ｉ ｎ Ｄ ｔ ｃ ｉ ｎ Ｍ ｔ ｄ ｉ
Ｗ Ｕ ｎ ， Ｆｅ ｇ 一 ＹＵ ｎ 。 ＺＨＡＮＧ ａ ． ｕ ，ＧＥＮＧ ｎ ， Ｄｏ ｇ Ｘｉ ｏ ｈ ｉ一 Ｃｏ ｇ 一 ＣＨＥＮ ｏ ｇ ， Ｌ ｎ
Ａ Ｂ Ａ Ｂ对部 件和 刀 具进行 保 护 区的建 立 ， 对碰撞 检 测进 行初 步检 测 。 然后 采 用分 离轴 理 论 和 长方 体
相 交理论 对保 护 区进行 实时碰撞 检 测 。最后 对提 出的算法进 行 了仿 真 验证 ， 证 结果表 明该 算 法可 验
实 时 完成 对 碰 撞 体 保 护 区域 的 检 测 。 关 键 词 ： 撞 检 测 ； 围盒 ； 离 轴 理 论 ； 方 体 相 交 理 论 碰 包 分 长
Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｃｏ ｌｓｏ ｅ ｅ ｔ ｓａ ｍ ｐｏ ｔｎｔｆ ｎｃｉ ｎ ｌｂ ｏ ｋ ｉ ｈ ｌｉｉｎ ｄ ｔｃ ｉ ｉ ｎ ｉ ｏｎ ｒａ ｕ ｔｏ ａ ｌ ｃ ｎ ｔ ｅ ＣＮＣ ｒ ｃ ｓｉ ｇ， Ｃｏｌ ｓｏｎ ｄ ｔｃｉ ｎ ｐ ｏ ｅ ｓｎ ｌ ｉ ｅｅ ｔ ｉ ｏ ｃ ｎ ａ ｏ ｄ ａｃ ｌｉｉ ｅｗ ｅ ｎ ｔ ｏ ｓａ ｄ ｃ ｍ ｐｏ ｅ ｔ ，ａ ｄ ｃ ｎ ｉ ｐ ｏ ｅ ｔｅ ｐ ｏ ｅ ｓｎｇ ｓ ｃ ｒｔ Ａｆｅ ｔ — ａ ｖ ｉ ｏ ｌｓｏｎ ｂ ｔ ｅ ｏ ｌ ｎ ｏ ｎ ｎ ｓ ｎ ａ ｍ ｒ ｖ ｈ ｒ ｃ ｓ ｉ ｅ ｕ ｉｙ． ｔｒｓｕｄ ｙｎｇ ａ ｌｒ ｅ ｎｕ ｉ ａ ｇ ｍｂｅ ｆｒ ａ —ｉ ｅ ｃ ｌｉｉ ｅ ｅ ｔｏ ｌ ｏ ｉｈ ， ａ ｇ ｏ ｅ ｌｔｍ ｅ ｃ ｌｉｉ ｎ ｄ ｔｃ ｉｎ ａｇ － ｒ ｏ ｅ ｌｔｍ ｏ ｌｓｏｎ ｄ ｔｃ ｉ ｎ ａｇ ｒｔ ｍ ｏ ｄ ｒ ａ —ｉ ｏ ｌｓｏ ｅ ｅ ｔ ｌ ｏ ｏ ｒｔ ｍ ｓｐ ｏ ｓ ｄ ｔ ｖ ｉ ｈｅ ｓｍ ｕ ａ ｉｎ ｓ ｆｗ ａ ｅ ｄ ｔｃｉ ｇ ｄ ｆ ｃｓ ｉｈ ｉ ｒ ｐｏ ｅ ｏ ａ ｏ ｄ ｔ ｉ ｌ ｔｏ ｏ ｔ ｒ ｅｅ ｔ ｅ ｅ ｔ ．Ｆｉｓｌ ｔ ｌ ｏ ｉｈ ｅ ｔｂ ｉｈｅ ｈ ｎ ｒｔｙ， ｈｅ ａ ｇ ｒｔ ｍ ｓａ ｌｓ ｓｔ ｅ ｐｒ ｔ ｃｉ ｎ ａ ｅ ｓ ｏ ｏ ｐ ｎ ｎ ｓ ａ ｄ ｔ ｏｌ ｈ ｏ ｈ ｕ ｉ ｇ ｂ ｕ ｉ ｇ ｂ ｘ ｓ ＡＡＢＢ ，ａ ｄ ｕ ｅ ｐ ｅｒ ａｍ ｅ ｔｔ ｏ ｅ ｔｏ ｒ ａ ｆｃ ｍ ｏ ｅ ｔ ｎ ｏ ｓｔ ｒ ｕｇ ｓｎ ｏ ｎｄ ｎ ｏ ｅ ｎ ｓ ｒ ｔｅ ｔ ｎ ｏ