智能测量、建模及加工一体化机器人系统研究

数字化、智能化和集成化是制造技术目前的发展热点和未来的重要特征，也是二十一世纪先进制造技术的发展趋势。随着测量技术、自由曲面重建技术和机器人加工技术的发展，三者之间的联系越来越密切，将上述技术集成，开发智能测量、建模及加工一体化机器人系统适应了现代制造业的需要，可以提高制造系统的柔性和敏捷性，具有广阔的应用前景。 目前对于智能测量、建模及加工一体化机器人系统的研究主要还停留在样机阶段，在系统集成与实现方面还有许多关键问题需要解决。为此，本文以863计划引导项目《智能测量建模加工一体化装备的产业化开发》和中国科学院知识创新工程重大项目《数字化智能制造装备与系统技术》为依托，在分析了国内外测量建模及加工集成技术研究现状和进展的基础上，系统地研究了线结构光测量技术、自由曲面NURBS重建技术和机器人加工控制技术的集成以及集成中出现的相关问题，最后开发完成一测量、建模及加工一体化机器人系统。本文主要贡献概括如下： 1、进行了五轴机器人的补偿技术研究，提出了一种非模型方法与基于模型方法相结合的混合机器人补偿算法，有效解决了单一方法难以解决多种复杂误差源的问题。该混合机器人补偿算法适应了一体化机器人系统工作空间大，精度高等要求，并有效结合了五轴机器人的结构特点。与传统方法相比，它不仅考虑了几何参数误差和非几何参数误差，还充分考虑了非几何参数因素导致的几何参数误差的变化。 2、进行了线结构光测量系统标定技术研究，提出了一种基于探针的手眼矩阵与摄像机外参数矩阵的混合标定算法，并提出了相应的标定补偿算法。针对线结构光测量系统标定中的一个关键问题—手眼标定与摄像机外参数标定，结合手眼矩阵与摄像机外参数矩阵均为常矩阵的特点，应用基于探针的方法，将二者合二为一进行标定；在深入分析标定误差、误差来源及其对测量结果的影响的基础上，提出了标定补偿算法，克服了基于探针标定算法中标定误差受人为操作因素影响的缺陷，简化了其操作要求，同时提高了精度，从而大大提高了探针式标定方法的实用性。 3、进行了线结构光透明件测量路径规划的研究，提出了基于IGES的线结构光透明件路径规划算法与无CAD模型的半自动测量路径规划算法。针对一些形状并不复杂的工件CAD模型由多片曲面片组成的特点，根据张量积曲面的性质，提出了曲面片组合算法，将多片曲面片组合成一整片曲面，为路径统一规划提供模型；与其他线结构光测量规划研究相比，这两种方法都充分考虑了线结构光透明件测量的特殊要求和特点，解决了线结构光测量透明件的难题。 4、进行了自由曲面NURBS重建技术的研究，并针对密集散乱点云数据，提出了一种基于逆向参数化的B样条曲面重建算法。与传统参数化方法由数据点求取对应参数相反，逆向参数化方法根据参数求取相应的数据点，有效克服了传统参数化方法寻找对应点需要反复迭代的缺点；并为B样条的曲面重建提供了一种新的思路，基于逆向参数化的B样条曲面重建算法解决了密集散乱点云传统参数化的矩形拓扑难题，且实验分析表明其在时间效率和精度上较传统算法都具有优势。 5、在解决上述关键技术问题的基础上，完成智能测量、建模及加工一体化机器人系统的开发与调试，使系统达到最终应用要求，为今后的产业化奠定了基础。

基于点集曲面投影算法的自由曲面匹配

测量数据的精确定位是实现复杂曲面加工检测的关键,针对测量点云数据与NURBS表示的CAD自由曲面模型匹配中求最近点计算方面存在的问题,提出了一种简单、有效的寻找最近点的方法。该方法与由测量点集评估给定曲面上的最近点的传统算法相反,采用点集曲面(point set surface,PSS)投影算法,对给定自由曲面模型上有限个点与不附加任何几何和拓扑信息的散乱点集之间进行粗匹配获得初始位置,进而以最近点迭代算法(ICP)完成测量数据定位的精确调整,达到全局及局部最优的目标。实验结果表明,采用PSS投影算法法寻找最近点不仅效率高,而且能得到全局匹配结果,可以为精匹配提供较好的计算初值,减少了ICP算法进行二次匹配时,迭代次数及执行时间并且精度得到了较大提高。

精密复杂曲面重构与多轴数控加工刀位规划策略

数控加工作为现代制造中的标志性加工技术，在航空航天、运载工具、动力装备等领域的精密复杂型面加工中占据着主导地位。随着国内高速数控加工中心及高档数控机床等硬件设备的日趋成熟和普及，围绕高速数控加工的一些深层次问题便逐步显现出来，这突出表现在数控机床的高速加工特性与传统加工方法之间的矛盾。本文将主要围绕复杂型面高速数控加工中的两大关键技术：曲面造型技术与刀位规划策略，展开论述，着重解决其中的一些关键科学问题，以期为复杂型面的高速数控加工提供新的技术支持。 1. 以罐车曲面重构为例，详细论述了从不完整散乱数据到曲面精确重构的整个过程，着重解决了自由曲面重构理论在实际应用中遇到的一些问题。针对不完整散乱数据，提出一种散乱数据的有序化处理方法，同时给出了面向NURBS的数据自动参数化策略，用于构造罐车的系列截面轮廓线。然后以曲面蒙皮操作为基础实现罐车曲面的快速重构。最后利用参数曲面的离散表达，完成罐车容积的快速检定并借以验证罐车曲面重建的精确性。 2. 以Bézier曲线/曲面为基础，运用多元Bernstein多项式算术运算，将点到复杂曲线/曲面最近点的计算转化为Bernstein多项式方程的求解，进而基于Bernstein基函数的线性精度性质，给出一种新的最近点计算模型。然后通过de Casteljau快速分割算法和二叉/四叉树递归分解的搜索策略寻找最近点。该方法可以有效避免繁琐的迭代计算和对初始值的选择，并从计算效率入手，对其加以改进，成功实现了分割算法与Newton-Raphson方法的融合。再利用B样条曲线/曲面与Bézier曲线/曲面之间成熟的转换算法，将所提出的方法进一步推广到应用更为广泛的B样条曲线/曲面。 3. 通过对刀具轨迹有效性的分析，将刀具轨迹规划分为曲面上曲线族的选择和有效合理排布方式的设计两个方面，为刀具轨迹规划提供了新的设计思路。并以此为基础，对最优刀具轨迹的定义进行了重新阐述，指出今后刀具轨迹规划的研究必须综合考虑轨迹的几何、刀具的运动以及机床的动力学特性。 4. 针对数控加工中心高速加工特性，提出一种等参数螺旋轨迹生成方法。该方法以减少抬刀和路径转接为目的，并综合考虑刀具轨迹几何与运动力学性能，特别适合自由曲面的高速数控加工。同时，在刀具路径的链接、误差分析等方面，也提出了一些颇具特色的方法，从而避免了传统偏置轨迹繁琐的自交干涉检测，能够有效抑制刀具负载的波动，减小刀具的磨损。 5. 在正确重建网格模型拓扑关系的基础上，从离散微分几何学这一新的角度入手，给出了一种新的三角网格曲面微分几何特性分析方法，进而以参数曲面上曲线偏置方法为基础，结合三角网格曲面的拓扑结构和局部区域的精确拟合，建立了网格曲面上的曲线偏置模型，并将计算最近点的方法进一步推广用来计算曲面上的偏置点，从而避免了繁琐的迭代计算。以此为基础，对网格模型的边界轮廓进行等残留偏置，给出了网格曲面上的等残留刀具轨迹生成方法。可进一步利用螺旋线连接各条轨迹，生成更为光滑刀具路径。

地震勘探三维可视化方法研究与实现

This thesis mainly studies the technologies of 3-D seismic visualization and Graphic User Interface of seismic processing software. By studying Computer Graphics and 3-D geological modeling, the author designs and implements the visualization module of seismic data processing software using OpenGL and Motif. Setting seismic visualization flow as the subject, NURBS surface approximation and Delaunay Triangulation as the two different methods, the thesis discusses the key algorithms and technologies of seismic visualization and attempts to apply Octree Space Partitioning and Mip Mapping to enhance system performance. According to the research mentioned above, in view of portability and scalability, the author adopts Object-oriented Analysis and Object-oriented Design, uses standard C++ as programming language, OpenGL as 3-D graphics library and Motif as GUI developing tool to implement the seismic visualization framework on SGI Irix platform. This thesis also studies the solution of fluid equations in porous media. 2-D alternating direction implicit procedure has been turned into 3-D successive over relaxation iteration, which possesses such virtues as faster computing speed, faster convergence rate, better adaptability to heterogeneous media and less memory demanding.

Development of numerical methodologies for parameter identification and shape optimization in metal forming simulations

Por parte da indústria de estampagem tem-se verificado um interesse crescente em simulações numéricas de processos de conformação de chapa, incluindo também métodos de engenharia inversa. Este facto ocorre principalmente porque as técnicas de tentativa-erro, muito usadas no passado, não são mais competitivas a nível económico. O uso de códigos de simulação é, atualmente, uma prática corrente em ambiente industrial, pois os resultados tipicamente obtidos através de códigos com base no Método dos Elementos Finitos (MEF) são bem aceites pelas comunidades industriais e científicas Na tentativa de obter campos de tensão e de deformação precisos, uma análise eficiente com o MEF necessita de dados de entrada corretos, como geometrias, malhas, leis de comportamento não-lineares, carregamentos, leis de atrito, etc.. Com o objetivo de ultrapassar estas dificuldades podem ser considerados os problemas inversos. No trabalho apresentado, os seguintes problemas inversos, em Mecânica computacional, são apresentados e analisados: (i) problemas de identificação de parâmetros, que se referem à determinação de parâmetros de entrada que serão posteriormente usados em modelos constitutivos nas simulações numéricas e (ii) problemas de definição geométrica inicial de chapas e ferramentas, nos quais o objetivo é determinar a forma inicial de uma chapa ou de uma ferramenta tendo em vista a obtenção de uma determinada geometria após um processo de conformação. São introduzidas e implementadas novas estratégias de otimização, as quais conduzem a parâmetros de modelos constitutivos mais precisos. O objetivo destas estratégias é tirar vantagem das potencialidades de cada algoritmo e melhorar a eficiência geral dos métodos clássicos de otimização, os quais são baseados em processos de apenas um estágio. Algoritmos determinísticos, algoritmos inspirados em processos evolucionários ou mesmo a combinação destes dois são usados nas estratégias propostas. Estratégias de cascata, paralelas e híbridas são apresentadas em detalhe, sendo que as estratégias híbridas consistem na combinação de estratégias em cascata e paralelas. São apresentados e analisados dois métodos distintos para a avaliação da função objetivo em processos de identificação de parâmetros. Os métodos considerados são uma análise com um ponto único ou uma análise com elementos finitos. A avaliação com base num único ponto caracteriza uma quantidade infinitesimal de material sujeito a uma determinada história de deformação. Por outro lado, na análise através de elementos finitos, o modelo constitutivo é implementado e considerado para cada ponto de integração. Problemas inversos são apresentados e descritos, como por exemplo, a definição geométrica de chapas e ferramentas. Considerando o caso da otimização da forma inicial de uma chapa metálica a definição da forma inicial de uma chapa para a conformação de um elemento de cárter é considerado como problema em estudo. Ainda neste âmbito, um estudo sobre a influência da definição geométrica inicial da chapa no processo de otimização é efetuado. Este estudo é realizado considerando a formulação de NURBS na definição da face superior da chapa metálica, face cuja geometria será alterada durante o processo de conformação plástica. No caso dos processos de otimização de ferramentas, um processo de forjamento a dois estágios é apresentado. Com o objetivo de obter um cilindro perfeito após o forjamento, dois métodos distintos são considerados. No primeiro, a forma inicial do cilindro é otimizada e no outro a forma da ferramenta do primeiro estágio de conformação é otimizada. Para parametrizar a superfície livre do cilindro são utilizados diferentes métodos. Para a definição da ferramenta são também utilizados diferentes parametrizações. As estratégias de otimização propostas neste trabalho resolvem eficientemente problemas de otimização para a indústria de conformação metálica.

Simulation de flammes interactives en temps réel

Vidéos et images des résultats disponible à : http://www.iro.umontreal.ca/labs/infographie/theses/fatnasss/

Reliable Solid Modelling Using Subdivision Surfaces

Les surfaces de subdivision fournissent une méthode alternative prometteuse dans la modélisation géométrique, et ont des avantages sur la représentation classique de trimmed-NURBS, en particulier dans la modélisation de surfaces lisses par morceaux. Dans ce mémoire, nous considérons le problème des opérations géométriques sur les surfaces de subdivision, avec l'exigence stricte de forme topologique correcte. Puisque ce problème peut être mal conditionné, nous proposons une approche pour la gestion de l'incertitude qui existe dans le calcul géométrique. Nous exigeons l'exactitude des informations topologiques lorsque l'on considère la nature de robustesse du problème des opérations géométriques sur les modèles de solides, et il devient clair que le problème peut être mal conditionné en présence de l'incertitude qui est omniprésente dans les données. Nous proposons donc une approche interactive de gestion de l'incertitude des opérations géométriques, dans le cadre d'un calcul basé sur la norme IEEE arithmétique et la modélisation en surfaces de subdivision. Un algorithme pour le problème planar-cut est alors présenté qui a comme but de satisfaire à l'exigence topologique mentionnée ci-dessus.

Avaliação da influência de diferentes materiais oclusais na confecção de próteses fixas implantossuportadas unitárias com diferentes diâmetros dos implantes osseointegrados: estudo pelo método dos elementos finitos tridimensionais

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Influência da carga oclusal parafuncional em próteses implantossuportadas, variando-se a proporção coroa/implante e o sistema de conexão protética: estudo pelo método dos elementos finitos tridimensionais

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Avaliação da influência da inclinação das cúspides e da direção das cargas oclusais na distribuição das tensões em próteses implanto-suportadas: estudo através do método dos elementos finitos tridimensionais

Pós-graduação em Odontologia - FOA

Avaliação da distribuição das tensões em prótese do tipo “All on Four”: estudo pelo método dos elementos finitos tridimensionais

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Análise da distribuição de tensões em reabilitação com implantes cone morse em maxilar posterior: estudo pelo MEF 3D não linear

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Mesh Generation for Isogeometric Analysis with T-spline

[EN]The application of the Isogeometric Analysis (IA) with T-splines [1] demands a partition of the parametric space, C, in a tiling containing T-junctions denominated T-mesh. The T-splines are used both for the geometric modelization of the physical domain, D, and the basis of the numerical approximation. They have the advantage over the NURBS of allowing local refinement. In this work we propose a procedure to construct T-spline representations of complex domains in order to be applied to the resolution of elliptic PDE with IA. In precedent works [2, 3] we accomplished this task by using a tetrahedral parametrization…

Metodi numerici per superfici T-Spline

Questo lavoro di tesi riguarda lo studio e la realizzazione dei principali algoritmi di rappresentazione e modellazione di superfici T-Spline. In particolare si è cercato di determinare i vantaggi e gli svantaggi che queste superfici presentano rispetto alle superfici NURBS, utilizzate nei software CAD.

Un'applicazione 3D con HTML5 e WebGL

Progetto e realizzazione di un’applicazione web per la visualizzazione di NURBS