基于UG的五轴机床碰撞仿真系统研发

针对目前五轴联动机床存在的空运行试切等问题,以DMU 70eV机床为例,分析其机床结构并研究碰撞仿真的原理及方法,基于UG系统研发了其碰撞仿真系统.实例验证表明,该系统能准确模拟机床加工过程真实情况,预见实际加工过程中出现的碰撞干涉问题并加以解决.

基于动态空间索引结构的三角网格模型布尔运算

针对目前三角网格模型布尔运算运行效率低的问题,提出了一种三角网格模型的动态空间索引结构,基于该结构可快速定位2个网格模型之间的相交区域,求解其交线;进而沿交线将每一三角网格模型分割成2个子网格模型,通过子网格模型的不同拼接生成三角网格模型的布尔运算结果.实例结果证明,该算法可准确地求解交线数据,有效地提高三角网格模型的布尔运算效率,并适用于各种复杂型面三角网格模型.

三角网格曲面模型快速求交算法

提出一种三角网格曲面模型快速求交算法,该算法基于三角网格曲面模型动态空间索引结构,通过结点包围盒相交检测快速缩小求交范围,准确定位相交三角面片包围盒集合并对该集合进行排序,依次连接各包围盒内三角网格曲面模型交线数据,实现曲面模型交线快速提取.实例证明,该算法可有效地提高数据密集、形状复杂的三角网格曲面模型求交效率,对逆向工程中三角网格曲面模型的裁剪、拼接及数控加工刀轨生成具有重要意义.

基于四维聚类的R^＊-树结点分裂算法

针对R*-树应用到逆向工程领域时遇到的适用性差等问题,提出一种新的R*-树结点分裂算法,该算法以R*-树结点最小边界矩形外接球半径为权值,对点、三角形、矩形等多种三维几何对象进行加权处理,将其统一表示为四维点对象,选定距离最远的两个四维点作为初始分簇中心,根据点到两分簇中心的距离进行分簇,结合k-means算法以结点外接球半径为权值计算新的分簇中心,并迭代分簇过程,直到各分簇中心不再变化,结束R*-树的结点分裂过程。试验证明,采用该结点分裂算法可处理复杂数据对象的分簇,并在提高建树效率的同时,优化R*-树结构,提高空间查询效率,对提高逆向工程数据预处理效率具有重要意义。

散乱点云局部型面参考数据的快速查询算法

提出了一种散乱点云局部型面参考数据的快速查询算法。该算法改进R*-tree建立散乱点云的空间索引结构,获取采样点所在叶结点,依据该结点MBR构造空心球,深度优先遍历R*-tree获取空心球内数据点,通过动态扩展空心球内外半径实现散乱点云局部型面参考数据的快速获取。实验表明,该算法可适用于各种复杂型面散乱点云,提高了查询的准确性与查询效率。

采用R^＊-tree的三角网格曲面非均匀精简算法

提出了一种三角网格曲面非均匀精简算法。该算法采用R^＊-tree组织三角网格曲面的空间拓扑结构，实现了三角面片拓扑邻域的快速查询。结合三角网格曲面模型的曲率分布状况，对三角网格曲面进行聚类分簇处理，通过对分簇网格进行局部精简，实现了三角网格曲面模型的整体保形性精简。与同类精简算法的对比实验表明，该算法的数据适应性强，有效地保留了三角网格曲面的型面特征，精简后的网格模型与原网格模型的面片偏差降低了20％～45％，精简时间减少了10％～35％。

三角网格细分曲面数控加工刀轨快速生成算法

提出了一种基于三角网格细分曲面模型的刀轨生成算法,建立三角网格细分曲面模型的空间聚类索引结构,基于该结构实现网格模型与刀轨截面快速、精确求交获取刀触点集,并根据刀触点对应曲面位置处的微分几何性质确定刀位点,采用最小生成树算法对刀位点集排序生成刀轨。实例证明,该算法可有效提高复杂曲面模型的刀轨生成效率及精度。

G^1连续三角Bézier曲面模型快速生成算法

提出一种由三角网格曲面构造G1连续三角Bézier曲面算法,该算法基于三角网格曲面动态空间索引结构获取网格顶点的局部型面参考数据,根据三角平面片局部型面参考数据构造三次三角Bézier曲面片,将三次三角Bézier曲面片升阶到五次,解决了五次三角Bézier曲面片G1拼接时的约束几何条件冲突问题,生成了整体G1连续的三角Bézier曲面,实例证明算法数据适应性强,可快速准确生成G1连续的三角Bézier曲面。

三角网格模型变形设计

提出了一种三角网格模型变形算法,采用最小二乘法求解三角网格模型变形设计的参考曲面,将网格顶点向参考曲面投影,建立网格顶点与投影点间的映射关系,通过调整参考曲面控制顶点,根据投影点位移量调整网格顶点坐标,采用三角Bézier曲面理论进行网格模型光顺处理,实例证明该方法可准确控制模型形状,有效提高三角网格模型的光顺性及变形设计效率。

散乱点云自适应切片算法研究

提出一种散乱点云自适应切片算法,该算法建立点云动态空间索引结构,基于该结构快速准确获取切片邻域数据并确定各层切片位置,依据邻域数据与切片的位置关系将其分为正负两个区域,通过正负区域配对点连线与切片求交获取切片数据点,并采用最小生成树算法排序,得到有序的切片数据点,实现散乱点云的自适应切片,实例证明该算法适用于逆向工程中各种复杂型面点云数据,切片数据获取精度高,算法运行速度快。

基于R^＊-tree的散乱点云截面数据获取算法

为快速准确地获取散乱点云的截面数据,以较少数据准确表达模型信息,提出一种截面数据获取算法.采用R*-tree建立点云的动态空间索引结构,基于该结构快速准确获取截面邻域数据,依据该数据与截平面的位置关系将邻域数据分为正负两个邻域,通过对两邻域数据点配对连线与截平面求交获取截面数据,并采用最小生成树算法对其排序,最终得到有序的截面数据.结果表明,该算法数据适应性强,截面数据获取精度高,运行速度快,且能够以较少数据准确表达模型型面特征.

基于现场可编程门阵列的质谱信号滤波器的设计与应用

低通滤波法是四极杆质谱仪信号去噪的常见方法,为了提高滤波器性能,引入一维离散平稳小波进行阈值法滤波,其不仅能够几乎完全抑制噪声,而且可以很好地保留原始信号的特征尖峰点,缩短与成熟商业化产品差距。同时针对四极杆质谱控制系统运算能力不足的问题,本研究提出了基于Zynq芯片的应用方案,大大降低了仪器得到高信噪比(Signal-To-Noise,SNR)和低均方误差(Mean-Square-Error,MSE)质谱数据的时间。基于本团队研制的四极杆质谱仪,测试使用赛默飞世尔科技(Thermo Fisher Scientific)公司的调谐液样品。结果显示,小波变换法噪声衰减25 dB以上,对比240阶低通滤波法MSE整体降低20%以上,有效部分降低8%以上,并且通过可配置现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)处理,使有效信号相较低通滤波法下降15%以上,同时处理延迟小于1μs。为优化质谱数据降噪和控制系统集成化提供了设计参考。

基于XGBoost的铝合金LIBS光谱分类识别方法

铝合金作为重要的金属材料,广泛应用于各领域,但大量的铝合金废料却难以进行分类回收。二次资源的回收利用是我国工业绿色、可持续发展的助推器,如何快速、简便地对铝合金废料进行识别分类则成为了铝合金废料回收利用的先决条件。激光诱导击穿光谱(LIBS)是近年来发展快速的一种分析技术,具有快速、全元素分析、实时、原位、远距离检测等优点,已广泛应用于塑料、土壤、肉类、钢铁等识别研究,大多采用最小二乘判别分析法、簇类独立软模式、人工神经网络、支持向量机、随机森林等算法来建立模型。基于迭代型树的XGBoost算法具有正则化、并行处理运算、内置交叉验证和高度的算法灵活性等优势,其模型结构相对简单、运算量较小,且准确率较高,成为近年来机器学习中极受欢迎的算法,因而被广泛应用。基于六种铝合金样品的600组光谱数据,根据NIST原子发射光谱数据库进行光谱特征提取,确定光谱特征谱线的分类依据。利用XGBoost算法进行自动分类及排序,将处理后的光谱数据随机划分为训练集和测试集,通过训练集构建算法模型,提取其分类特征;利用测试集检验模型的稳定性和可用性,防止出现过拟合。XGBoost在固定参数下得到的模型具有一定的自适应性,较少受数据集的影响,总体准确率可达96.67%。其分类特征与已知的元素含量信息相吻合,证明了基于光谱的特征谱线数据,可为分类识别提供参考;同时还可根据XGBoost生成的特征评分来对光谱谱线特征的重要性进行排序。实验结果表明,LIBS可用于不同种类铝合金的快速识别,为废弃金属的分类回收提供了一种新的技术。

基于ZYNQ的ICP-MS数据采集处理系统设计与实现

数据采集系统是电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)的重要组成部分。本研究针对ICP-MS需要同步采集脉冲和模拟信号,且信号信噪比低的问题,提出了一种基于ZYNQ芯片的数据采集处理解决方案。利用ZYNQ集处理器和可编程逻辑于一体的特性,在ARM端搭载了用于流程控制及以太网通讯的FreeRTOS实时操作系统,在FPGA端基于FIR compiler和MCDMA IP核实现了数据的采集、缓存、动态滤波及传输。脱机测试结果表明,脉冲计数误差率小于0.0005%,模拟计数线性度高达0.99998,数字滤波幅频特性曲线与理论基本一致。在本团队自行研制的ICP-MS仪器中,利用本系统测试标准调谐液TUNE D,数据采集满足仪器需求,配置64阶低通滤波后,模拟计数中^(115)In谱峰信噪比提高了49.59%。该系统FPGA端各资源占用率均小于50%,片上总功耗仅为2.28 W,有利于推动质谱仪小型化、智能化发展。

SC-ICP-MS法测定金属元素的方法研究

为了使用单细胞电感耦合等离子体质谱(SC-ICP-MS)方法准确测定单个细胞中的铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、铜(Cu)和锌(Zn)等多种内源性金属元素,该文基于动态反应池(DRC)模式对目标分析物的反应气流量和极杆抑制参数q(RPq)进行了优化,并研究了进样速度、细胞密度、驻留时间等因素对SC-ICP-MS检测的影响。分别采用细胞悬液直接进样、使用超声波探头使细胞悬液中的细胞破碎后进样和使用浓硝酸消解细胞后进样的ICP-MS测定结果对SC-ICP-MS定量结果的准确性进行验证分析。实验结果表明,可采用超声波破碎细胞的ICP-MS测定结果评估SC-ICP-MS测定的单细胞内Zn和Cu含量的准确性,采用酸消解细胞的ICP-MS检测结果验证单细胞内Fe和Cr的含量。缺少细胞标准物质时对SC-ICP-MS方法定量结果进行多角度验证是必要的。研究表明,使用SC-ICP-MS法可以较好地进行单细胞元素相关分析。

基于WPF的电感耦合等离子体质谱仪软件设计

介绍了一套自主开发的可用于电感耦合等离子体质谱仪的客户端软件系统MTALSYS,说明了其软件的设计思想和设计方法。MTALSYS使用MVVM(Model、View、View Model)的开发架构,实现了界面的前端与后端的分离,使得程序具有很好的可扩展性和可维护性。针对三维移动平台、射频功率和雾化气流速进行了实验测试,根据实验数据的特点,以离子信号强度、氧化物产率和双电荷产率为参考指标对其分别进行了自动优化算法的设计,并对算法的可行性进行了验证。

基于三角网格索引模型的3轴实时数控铣削仿真

提出一种基于三角网格索引模型的3轴实时数控铣削仿真方法,采用R*-树建立毛坯上表面网格节点索引结构,基于该结构快速查询切削区域,根据刀具扫掠体底面特征,计算切削区域网格节点的坐标Z值并更新节点坐标,基于3维图形渲染库VTK刷新显示切削环境,实现3轴数控铣削动态仿真,实验证明该方法数控仿真效率高且可达到较高仿真精度.

基于三角网格曲面的环切粗加工刀轨生成算法

提出一种基于三角网格曲面的环切粗加工刀轨生成算法,该算法采用R*-tree建立三角网格曲面的动态空间索引结构,基于该结构快速建立三角网格模型的Z向包络面,采用R*-tree建立Z向包络面的索引结构,对切削平面与Z向包络面求交获取截面轮廓环,判断截面轮廓环的环向,并依据轮廓环间的拓扑关系确定切削区域,通过对轮廓环进行等距偏置获取环切粗加工刀轨.实例证明:该算法对各类复杂三角网格曲面均可准确生成无干涉环切粗加工刀轨,并可实现模型的区域性加工.