运行时间周期化工业机器人模型迭代寻优NURBS轨迹插补

为满足工业机器人高精度复杂曲线运动的需求,本文提出运行时间周期化工业机器人模型迭代寻优NURBS轨迹插补算法.首先,根据轨迹最大轮廓误差和机器人动力学特性对曲线分段.随后,提出优化回溯算法,使各子曲线段均可用S曲线加减速规划.之后,为保证机器人在进给速度极小值处不超速,将各加减速阶段运行时间调整为插补周期的整数倍,并对子曲线段衔接处速度平滑处理.最后,提出模型迭代寻优曲线插补,大大降低了速度波动率.仿真试验表明,该方法插补轨迹的各项指标均满足要求且最大速度波动率仅为0.000099%.真机试验也验证了该方法可有效减小轨迹误差.

基于双NURBS曲线的叶轮叶片工业机器人GMAW增材制造

以双NURBS曲线获得的直纹面广泛存在于各行业复杂零件中,如何实现复杂直纹面的增材制造一直是增材制造领域中极为关心的问题。以双NURBS曲线描述叶片模型,进一步获得直纹面,采用优化工艺参数,以GMAW方法实现了叶轮叶片的增材制造,增材获得的叶片完整,成形良好,表明以GMAW工艺实现双NURBS曲线叶片增材制造是可行的。为叶片模型构建、复杂形状叶片的电弧增材制造提供了新方法,对复杂形状零件增材制造过程控制具有借鉴意义。

基于NURBS曲线拟合的渐开线圆柱齿轮齿形偏差计算

为了提高现有齿轮齿廓曲线的拟合精度,针对现有的齿形偏差计算方法,提出了一种基于非均匀有理B样条(NURBS)曲线拟合的渐开线圆柱齿轮齿形偏差计算方法。首先,建立渐开线圆柱齿轮齿形误差的理论数学模型,然后根据NURBS曲线拟合原理和三坐标测量机测量的齿廓坐标点,用Matlab编程实现了NURBS曲线对实际齿廓曲线的拟合,结合渐开线等效拟合法,计算出了齿轮的齿形偏差。拟合结果表明,与最小二乘法(LS)的拟合结果对比,NURBS曲线拟合齿廓曲线精度更高,误差小,具有良好的拟合效果。齿形偏差计算结果表明,采用的基于NURBS曲线拟合的齿形偏差与实测值一致,表明该方法准确、有效。

基于NURBS曲线的提花机拉刀结构优化

针对大型提花机承受载荷时易发生弯曲变形导致拉刀提升高度不够,使直针钩子无法被电磁装置吸附的问题,首先对拉刀结构、载荷以及曲柄滑块驱动机构运动情况进行分析。其次,基于变截面梁理论和结构优化的方法,采用非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Splines,NURBS)曲线表达拉刀侧面、截面形状,通过数值方法计算拉刀截面惯性矩函数、弯矩函数,并通过有限差分法计算拉刀变形量。通过有限元方法(Finite Element Method,FEM)、等效为等截面梁的方法对挠度计算方法进行验证,误差在10%以内。最后,以最小质量为目标,采用原-对偶不可行内点算法对拉刀结构进行优化。优化结果表明,相较于优化初值模型,拉刀质量减小约17%,最大挠度减小约2667%。

基于误差敏感区域特殊处理的NURBS曲线拟合算法

在NURBS曲线拟合中,现有的提高拟合精度的方法一般是通过迭代的方式逐步逼近最优拟合曲线.但是迭代算法普遍时间代价较高,且当控制点达到一定数量后再增加控制点会导致曲线变形.另一方面,NURBS曲线拟合方式对于曲率较平缓的曲线具有较高的拟合精度,而曲率变化较大的曲线则很难高精度逼近.针对这两个问题,本文提出了一种基于误差敏感区域特殊处理的NURBS曲线拟合算法.首先利用传统算法得到初步符合加工精度要求的曲线,然后对曲线进行误差分析,根据误差分布及数据饱和度,提出了误差敏感段的概念.利用NURBS曲线的局部性,无需增加控制点个数和更改参数,将误差敏感区域进行局部插值处理,从而消除局部高误差拟合区域,提高算法整体拟合精度.本文使用三次参数样条插值和Akima插值两种算法对误差敏感段进行局部替换,实验证明本算法可以通过对局部高误差区域的特殊处理而提高整体拟合精度,且替换部分区域不显著增加计算时间.

NURBS曲面逆节点插入法

针对工程中对控制点的特殊需求,提出了一种非均匀有理B样条曲面逆节点插入方法。从分析NURBS控制多边形的边及其相关联的节点出发,通过齐次坐标投影确定必须插入节点所在区间,利用插入控制点对控制多边形的边分割与需插入节点对参数区间的分割等比例映射,获得过任意点并与控制多边形对边相交的等参线,得到对应插入节点,再从插入节点出发反方向确定所有需要插入的控制点,协同实现某特殊需求控制点插入的任务。数值算例验证了文中方法对于NURBS曲面插入控制点的有效性,且具有明显的几何和物理意义。

基于热加工图和NURBS曲线的伺服热冲压工艺设计

考虑热冲压成形过程中工艺流程和材料变形行为的复杂性以及温度分布的时变性,提出一种基于热加工图和NURBS曲线的伺服热冲压工艺设计。以常用B1500HS热成形试样为研究对象,通过高温拉伸实验测得了不同热变形参数下B1500HS硼钢的真应力-真应变曲线,基于DMM原理构建了不同应变量下的B1500HS硼钢热加工图,计算了该材料在伺服热冲压过程中成形阶段最优速度和温度区间。根据典型热冲压模式的各阶段工艺特征和NURBS曲线数学模型,规划和建立了符合各约束条件的伺服热冲压工艺曲线,实现了对伺服热冲压工艺曲线的设计。借助CAE分析软件,开展了汽车中立柱伺服热冲压对比仿真实验。综合分析表明,与常规热冲压工艺相比,采用所提出的伺服热冲压工艺曲线模型成形时中立柱样件应力和温度分布更均匀,最大减薄率降低约8.5%,最大起皱度为4.002×10-3,主应变降低约12.5%,表明所提出的伺服热冲压工艺对危险位置破裂趋势有明显的抑制作用。

基于NURBS曲线的超高速电梯导流罩多目标气动优化设计

随着电梯梯速的提高,轿厢受到的气动阻力和升力越来越大,这不仅制约着梯速的进一步提高,也成为影响电梯舒适性和安全性的关键因素。为优化电梯的气动性能,利用NURBS曲线构建了包括导流罩、轿厢、对重和井道的电梯系统参数化模型。以气动阻力系数C_(d)和气动升力系数C_(l)为优化目标,利用敏感性分析筛选出对优化目标影响最大的4个关键设计参数。通过网格独立性检验选取合适的仿真计算网格,为缩短计算时间,结合最优空间填充设计的样本点建立Kriging模型对导流罩进行多目标优化,得到一系列Pareto解,并对优化前后导流罩的气动性能进行了对比分析。结果表明,降低导流罩侧面和后部凸凹度,增大导流罩总高和后部高,可以改善电梯系统的气动性能,优化后导流罩的C_(d)减小26.67%,C_(l)减小34.27%,并且在不同梯速下具有较好的适用性。

点到空间NURBS曲线距离的筛选迭代求取方法

针对点到空间非均匀有理B样条曲线(NURBS)的距离求取问题,提出一种最短距离筛选迭代方法。分析了NURBS曲线的几何特征并建立距离求取目标函数。对曲线节点向量进行初次筛选得到目标节点参数,以目标节点参数为中心在节点向量间内进行局部搜索,并依据参数所对应数据点的一阶导矢与待测点间的几何关系确定最终参数搜索区间,通过迭代方法在最终参数搜索区间中迭代求得最短距离点。利用MATLAB设计程序并进行实际数据的仿真计算,结果表明所提出求取点到NURBS曲线距离的方法速度快且精度高,在计算机辅助设计等方面具有较高的实用价值。

基于NURBS曲面的船体三维建模应用

NUBRS曲面建模技术是专为曲面复杂物体三维模型重建而设计的,能基于曲线和曲面的形式对目标地物三维模型的轮廓和外形进行准确精细的表达。本文介绍了一款基于NURBS曲面的船体三维建模程序Maxsurf Modeler,详细论述了应用该程序进行船体三维建模的流程;同时,对三维模型的可靠性和适用性进行了CFD验证。在静水阻力计算中,6种工况下的最大误差为2.29%;在耐波性计算中,纵摇运动的计算误差最大,为19.32%。结果表明,采用Maxsurf Modeler完成的三维模型具有一定的可靠性。

基于插值NURBS曲面的马铃薯叶片3维重建

随着计算机虚拟技术的迅速发展,虚拟作物技术已成为水稻、小麦、玉米等农作物生长发育状况研究的重要工具.现有关于农作物叶片3维重建的研究主要关注叶片的正面表面,而忽略了背面构造.该文针对农作物叶片3维重建问题,选取马铃薯叶片作为研究对象.首先,利用马铃薯叶片的实测数据和标记数据,结合非均匀有理B样条(NURBS)曲面重构技术,通过控制点的反算方法及权重因子插值曲面算法,确定插值NURBS曲面的节点矢量、控制点、权重因子等相关参数;其次,采用插值NURBS曲线的方法对叶脉进行3维重建;最后,使用VisMPL和VisVTK对曲面进行颜色渲染和绘制,并引入曲面容器将叶正面、叶背面和叶柄的插值NURBS曲面进行融合.实验结果表明:基于传统方法,该方法通过增加叶片背面的构造,在重建马铃薯叶片的3维曲面模型上表现出色,有效实现了马铃薯叶片形态特征的3维重建,为马铃薯叶片研究提供技术支持.

矩阵权NURBS曲面的拟合与光顺

介绍了利用矩阵权非均匀有理B-spline (non-uniform rational B-spline,NURBS)曲面拟合与光顺带法向的网格数据。通过输入带法向的规则四边形网格,以网格的顶点为曲面的控制顶点,用法向信息计算每个控制顶点对应的矩阵权,构造矩阵权NURBS曲面。与传统NURBS曲面相比,矩阵权NURBS曲面具有拟柱面精度,当数据均匀采样自光滑曲面时,构造的矩阵权NURBS曲面具有较好的光顺性且能很好地拟合网格模型;当输入的网格数据掺杂噪声时,通过迭代在已有的矩阵权NURBS曲面上重新采样顶点和计算法向量构造新的矩阵权NURBS曲面,最后得到具有较好光顺性且仍能逼近原始网格数据的拟合曲面。

基于矩阵表示的NURBS曲面逆值GPU并行求解算法

NURBS曲面逆向求值是CAD几何内核中最基础的算子之一,即计算NURBS曲面上三维空间点对应的二维参数值.然而,当前求解算法计算效率不高、鲁棒性不强,严重制约了CAD软件处理大规模复杂CAD模型的性能.现有的GPU加速算法也往往仅对传统算法进行简单并行化,没有充分利用GPU共享显存等架构特性.为此,提出一种全GPU运行的并行求解算法.基于NURBS矩阵表示的GPU逆值求解算法通过矩阵表示代替传统的B-Spline基函数递归表示,适配GPU缓存机制,实现GPU缓存优化,解决数据公用、寄存器占用和缓存频繁申请与释放等问题,从而提高求解效率.同时,该算法采用多层次求解算法,以自适应曲面细分算法得到粗略解,再辅以Gauss-Newton迭代法得到精确解,提高处理复杂模型的效率和鲁棒性.采用多张简单曲面和复杂曲面进行测试,结果表明,该算法每毫秒最多可求解超过10000个逆值点,相比于传统算法,将NURBS曲面逆向求值速度提高了至少2个数量级.

基于四阶S曲线加减速的NURBS曲线插补算法

为提高NURBS曲线插补的运动平滑性,提出一种基于四阶S曲线加减速的NURBS曲线插补算法。该算法通过使用四阶S曲线加减速求解NURBS曲线节点上的速度,首先分析最大速度、最大加速度和最大加加速度的可达性,同时考虑非对称四阶S曲线加减速模型,并对较短弧长的采用二分法寻找实际最大速度,规划出31种速度曲线类型,然后根据NURBS曲线参数和约束条件生成对应的速度曲线。仿真结果表明,与三阶S曲线加减速控制的NURBS曲线插补算法相比,所提算法的插补精度更高,加速度曲线光滑且加加速度曲线连续无突变,降低其运动过程中的柔性冲击。

NURBS曲面在舰船垂向参数设计中的应用

近几年NURBS和相关技术的快速发展,使得船舶外形越来越多地使用NURBS表示,在参数化设计中的解决方式有很多种,但是选择最优的解决方案非常重要。针对船舶纵向参数优化问题,提出一种以NURBS表面为基础的纵向参数优化算法,并对船舶纵向参数优化算法进行研究。本文给出船舶垂直参数化的基本思路,并与NURBS表面构建法相结合,编制了一种用于船舶垂直参数化表面构建的程序。最后,用NURBS表面法确定船舶垂直方向的模型,并与表面曲线法相比较,证明了NURBS表面法可以精确、迅速地确定船舶垂直方向的模型。

NURBS曲线反算不同参数取值法在纬平针织物仿真中的比较

为精准模拟和灵活控制纬平针组织三维仿真效果,通过分析纬平针织物的几何结构改进成圈线圈模型,建立纬平针组织三维结构模型,获得线圈中心线型值点数据和纱线的结构特征。使用Code::Blocks开发环境、C++语言和OpenGL函数库,基于非均匀有理B样条(NURBS)曲线原理,采用均匀参数化法、弦长参数化法和向心参数化法3种不同的节点矢量计算方法,反算控制点,之后拟合曲线模拟线圈中心线,比较使用不同节点矢量计算方法时线圈中心线结构的模拟效果,最终得到合理通用的仿真效果,并可根据型值点的选取情况以及各方法的特性选择合适的节点矢量计算方法。基于NURBS曲面原理可模拟纬平针组织纱线表面,并增加光照与材质效果,实现纬平针组织三维实体仿真。

基于改进NURBS曲线的水下机械臂轨迹规划

为了实现对水下机械臂末端执行机构快速、准确的控制,使其可以按照最佳路线平稳地运动到工作位置,提出一种基于五次多项式速度控制的NURBS(QV-NURBS)曲线插值轨迹规划算法。通过利用五次多项式对曲线的曲率突变阶段进行速度控制,以规划速度平滑得进行插补。通过对六自由度水下机械臂进行仿真分析,结果表面该轨迹规划算法可以有效地平滑曲线,使得机械臂更加平稳地进行运动。

基于男性腰臀裆部NURBS曲面模型的内裤数字化制版

为解决男士内裤版型因前裆凸起量规定模糊而导致内裤裆部不合体的问题,对男性人体建立腰臀裆部曲面仿真模型,依据曲面模型生成合体的数字化内裤版型。运用三维人体扫描仪获取实验对象腰臀裆部点云数据,使用逆向工程软件提取点云数据中能表征腰臀裆部形态的点云坐标集,按照NURBS曲线曲面原理在Solidworks软件中建立腰臀裆部曲面模型并对7块曲面进行展平,以ET服装CAD软件为版片编辑平台生成合体的男士内裤版型。结果表明:从点云数据中提取7个特征截面的点云坐标集构建的曲面模型能够表征腰臀裆部体表形态,数字化男士内裤版型在虚拟试衣和真实试穿中十分贴合男性腰臀裆部形态,内裤服装压强范围在0~2.4 kPa之间,可满足人体舒适性要求,验证显示采用腰臀裆部曲面模型生成数字化内裤版型是合理的,数字化内裤版型更符合人体腰臀裆部形态特征,为合体和贴体服装版型的快速获取提供一种新的方法。

三角网格模型法与NURBS曲面重构法相结合的测头半径补偿

在使用接触式测量法进行检测时,测量数据是测头中心点的数据坐标,与实测点之间存在一定的误差。针对该问题提出一种三角网格模型法与NURBS曲面重构法相结合的方法对测头半径进行补偿。对测头中心采样点进行曲面拟合,并通过三角网格划分该曲面,求解三角网格顶点法矢和实测点。再选取高斯曲率较大或曲面法矢方向与坐标平面夹角较小的区域进行NURBS曲面重构,求出重构后的实测点。仿真实验结果表明:采用该方法补偿后的精度比三角网格模型法提高了95.52%。对未知CAD模型的自由曲面工件进行验证实验,补偿误差最大值为0.0121mm,补偿误差平均值为0.0033mm,验证了该方法的有效性和实用性。

一种减小柔性冲击的NURBS曲线速度规划算法

针对传统NURBS曲线插补7段S型加减速模型存在较大柔性冲击的问题,设计一种柔性冲击较小的四次多项式加减速模型,将其与传统7段S型进行组合,并引入系数k来调整两者各自占比,达到加工效率与柔性冲击均衡的目的。仿真结果表明:该算法能在满足加工效率的条件下减少速度波动,且加工精度较传统7段S型有所提高。