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MODELISATION CINEMATIQUE DES MOBILITES DE COMPOSANTS POUR DES OPERATIONS D’ASSEMBLAGE ET DE DESASSEMBLAGE

MODELISATION CINEMATIQUE DES MOBILITES DE COMPOSANTS POUR DES OPERATIONS D’ASSEMBLAGE ET DE DESASSEMBLAGE

Language: French

Year: 2010

Author: Iacob, Robert-Eugen

Supervisor: Leon, Jean-Claude; Mitrouchev, M. Peter

Institution: Institut polytechnique de Grenoble, Université de Grenoble

Pages: 202

Abstract

Assembly/Disassembly (A/D) simulations are important to improve design and efficiency of product development processes. In order to get efficient simulation processes it is important to simulate all the possible relative movements between the components in a mechanical assembly. This is important both in the context of interactive simulation and in the context of immersive/real time simulations. If some categories of movements are missing, simulations can loose key configurations, hence they may be no longer meaningful.
The scope in research, whiting this thesis deals, in the first time, with a theoretical approach for developing of a kinematical model able to represent all the valid relative movements of a reference component with respect to its surrounding ones, which form a family of trajectories. It is based on the analysis of the three basic movements: translation, rotation and helical ones. In order to determine the compatibility between different families of trajectories, a bi-quaternion is associated to each contact area between the different components. All possible trajectories for each component are analyzed, for the three basic type of movements, in order to find the compatible ones, which leads to the specification of an operator. Thus, the results of all the possible associations are determined and a general combination operator is proposed. The properties of this later are demonstrated as well. The operator can form, in a real time simulation environment, the basis for determining at each moment, the valid movements between components, thus reducing the complexity of collision detection algorithms.
The A/D simulations can be performed either from an automated or interactive point of view using standard computer equipment or through immersive and real-time simulation schemes. In order to address this diversity of configurations, a simulation framework is (was) developed. It is based on a new simulation preparation process which allows a simulation process to address up to two types of shape representations, i.e. B-Rep NURBS and polyhedral ones, at the same time, thus handling efficiently the configurations where 3D shape representations of assemblies play a key role. In order to illustrate the simulation process the automatic identification of contacts in a 3D product model and their corresponding list is described. After the identification stage, an interpretation of the results is needed in order to have the complete list with the mechanical contacts for a product. The preparation process is performed within three major stages: model tessellation, surface merging and contacts identification. The framework is based on STEP exchange format. This software environment can assist designers to achieve a satisfactory assembly analysis rapidly and can reduce the lead-time of product development. Further consequences of the present work is its ability to produce models and treatments that improve integration of assembly models in immersive environments taking into account of the haptic and visual models needed.
Assembly/Disassembly simulations using haptic devices are facing difficulties while simulating insertion/extraction operations such as removing cylinders from holes for example. In order to address this configuration as well as others, an approach based on the kinematic model and on the simulation framework is proposed.

Résumé
La simulation des opérations d’assemblage/désassemblage (A/D) sont importantes pour améliorer la conception et l’efficacité du processus de développement du produit. Afin d’obtenir des processus efficaces d’analyse il est important d’avoir la possibilité de simuler tous les mouvements relatifs possibles entre les composants d’un systčme mécanique (ensemble). Cet aspect est important aussi bien dans le cadre de simulations interactives que de simulations immersives / temps réel. Si certaines (quelques) catégories des mouvements sont absentes, les simulations peuvent manquer des configurations importantes et, par conséquent, elles ne peuvent plus ętre significatives.
La thématique de recherche abordés dans le cadre de cette thčse traite, dans un premier temps, une approche théorique de développement d’un modčle cinématique capable de représenter tous les mouvements relatifs valides d’un composant de référence par rapport ŕ ses composants voisins, ainsi formant une famille de trajectoires. L’approche est basée sur l’analyse des trois mouvements de base : translations, rotations et mouvements hélicoďdaux. Afin de déterminer la compatibilité entre différentes familles de trajectoires, un bi-quaternion est associé ŕ chaque zone de contact entre les différents composants. Toutes les trajectoires possibles pour chaque composant sont analysées, pour les trois types de mouvements de base, afin d’identifier les compatibilités, qui mčne aux spécifications d’un opérateur. Ainsi, les résultats de toutes les associations possibles sont déterminés et un opérateur général de combinaison est proposé. Les propriétés de ce dernier sont également démontrées. Cet opérateur peut former, dans un environnement de simulation en temps réel, la base pour déterminer, ŕ chaque moment, les mouvements valides entre les composants, ainsi réduisant la complexité des algorithmes de détection de collisions.
Les simulations d’A/D peuvent ętre effectuées de maničre automatique ou interactive en utilisant du matériel informatique standard ou par des simulations immersives et temps réel. Afin d’adresser cette diversité des configurations, une plateforme de simulation a été développée. Elle est basée sur un nouveau type de processus de simulation adressant jusqu’ŕ deux types des représentations de formes : B-Rep NURBS et polyédrique. En męme temps, la plateforme peut manipuler efficacement des (les) configurations oů les représentations 3D des produits jouent un rôle principal. Afin d’illustrer le processus de simulation, l’identification automatique des contacts pour des modčles 3D et leur liste correspondante est présentée. Aprčs l’étape d’identification, une interprétation des résultats est nécessaire afin d’obtenir (avoir) la liste complčte avec les contacts mécaniques pour un produit. Le procédé de préparation contient trois étapes importantes : tessellation, fusionnement (fusion) de surfaces et identification de contacts. La plateforme utilise (est basée sur) le format d’échange de données STEP. Cet environnement peut aider les concepteurs pour réaliser rapidement l’analyse d’un ensemble, et réduire le temps du développement de produits. Autres bénéfices (conséquences) du ce travail est la capacité de produire des modčles et traitements qui améliorent l’intégration des modčles d’assemblages dans des environnements immersive avec les modčles haptiques et visuels requis.
Les simulations d’A/D qui utilisent des dispositifs haptiques ont des difficultés pour simuler les opérations d’insertion/extraction comme enlever un cylindre d’un trou par exemple. Afin d’adresser cette configuration aussi bien que d’autres, une approche basée sur la plateforme de simulation qui intčgre le modčle cinématique est proposée.

Keywords: assembly and disassembly, kinematic joints, bi-quaternions, simulation, kinematic modeling, component mobility; assemblage et désassemblage, liaison cinématique, quaternion, simulation, modélisation cinématique, mobilité de composants

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Keywords
Design 2010