基于逆向工程的新型礦車開發(fā)設計與關鍵技術研究

王建軍 武秋俊 馬文斌 李寒雄

（1.河北機電職業(yè)技術學院機械工程系，河北邢臺054000；2.青海交通職業(yè)技術學院汽車工程學院，青海西寧810003；3.重慶交通大學機電與車輛工程學院，重慶400074；4.金屬礦山設備制造與先進技術遼寧省重點實驗室，遼寧沈陽110004）

我國新型礦車的研發(fā)與設計起步較晚，在新型礦車發(fā)展前期大部分為改裝而來[1]?，F(xiàn)今隨著我國汽車工業(yè)以及經(jīng)濟的騰飛式發(fā)展，越來越多的學者以及制造商將不同高新技術與方法應用于新型礦車的開發(fā)與研究當中[2-4]。

逆向工程，即反求技術，為結合數(shù)字化、表面重建、產(chǎn)品制造等技術將實體事物轉換為數(shù)字三維模型的一種方法，被廣泛應用在汽車工業(yè)、地質工程、農業(yè)工程、船舶工業(yè)等方面[5-8]。Takano T等[9]通過逆向工程與深度對抗神經(jīng)網(wǎng)絡相結合實現(xiàn)了對車輛葉輪表面輪廓的高精度重建。Kamau E等[10]利用逆向工程實現(xiàn)對了輪船螺旋槳的重建，并求得螺旋槳葉片槳葉數(shù)據(jù)處理后的偏差值。Berzal S等[11]通過逆向工程對誘導輪實現(xiàn)了建模，并對其數(shù)控加工程序進行了研究。李仲奎等[12]將逆向工程應用于地下三維地質力學模型的構建當中，所建立模型中的材料密度與要求基本一致。龔志輝等[13]以逆向工程實現(xiàn)了對汽車覆蓋件回彈的測試，其測試結果較為精確。王博等[14]通過逆向工程建立了玉米的三維模型，為研究其在收獲過程中的最佳碰撞參數(shù)提供了研究基礎。從檢索情況來看，將逆向工程應用于新型礦車的開發(fā)研究鮮有報道，且我國新型礦車大部分在改造的基礎上進行生產(chǎn)。本研究在逆向工程的基礎上，提出了采用三維照相掃描儀對新型礦車的開發(fā)進行設計，以新型礦車駕駛室上部為例，通過Focus 350三維掃描儀等硬件獲得新型礦車駕駛室上部點云數(shù)據(jù)，并采用Geomagic Studio軟件對不同位置、不同攝像頭的點云數(shù)據(jù)開展了連接、濾波、精簡以及插補操作。通過CATIA軟件完成了新型礦車駕駛室上部的曲面重構，建立了曲面重建光順性的評價方法。并將Focus 350三維掃描儀獲得的點云數(shù)據(jù)，Geomagic Studio處理的點云數(shù)據(jù)，CATIA重建新型礦車曲面的研究方法應用于新型礦車整車的開發(fā)。為縮短新型礦車的研發(fā)周期，提高新型礦車的開發(fā)水平提供理論基礎與參考依據(jù)。

1 點云數(shù)據(jù)采集與處理

本研究所選取的測量方法為未接觸式測量，三維掃描儀型號為Focus 350（圖1），通過該三維掃描儀所自帶軟件系統(tǒng)對所獲圖像進行處理，從而得到點云數(shù)據(jù)的坐標值。通過標定板（圖2）以及設備所配備軟件（圖3）對攝像頭進行標定，在不同位置對物體進行掃描所選參考點類型為黑底白點[15]。

本研究通過Geomagic Studio軟件以及在被測物體上粘貼參考點的方法，對不同位置、不同攝像頭所獲點云數(shù)據(jù)進行整合連接。且仍通過Geomagic Studio軟件對點云數(shù)據(jù)的后續(xù)處理進行操作，包括設備自身以及被測物體表面處理不當形成噪點而進行的去噪、所獲點云數(shù)據(jù)龐大影響重建效果而進行的數(shù)據(jù)精簡以及點云數(shù)據(jù)三角網(wǎng)絡連接。

2 三維重構與曲面光順技術研究

三維重構的方法主要分為以曲線或曲面為基礎，本研究擬采用基于曲線為基礎來進行新型礦車表面的重構。其重構流程如圖4所示。

從圖4可以看出經(jīng)過處理的點云數(shù)據(jù)通過特征提取等操作擬合成曲線，之后再經(jīng)過掃掠等操作構建曲面片，最后由剪裁、拉伸等功能生成曲面模型。

本研究通過曲率對新型礦車車身曲面的光順性進行評價，擬利用新型礦車車身曲率顏色映射圖研究曲率大小的分布情況，從而獲得整車車身曲面光順性的情況。同時對新型礦車車身重建中曲面的連續(xù)性級別采用G2連續(xù)（圖5）[16]。

從圖5以及研究可知，G2連續(xù)可以表示為對所獲得不同的曲面進行連接操作，在曲面連接位置的切線方向相同，同時曲率也相同。斑馬紋在不同曲面連接處的過渡較為光滑，極少出現(xiàn)曲率突變的情況。曲面的光順評價方法采用能量光順算法，由薄板應變能來判斷曲面的光順。應變能：

式中，A為常數(shù)，取1；β為Poisin值。

當所重建新型礦車車身曲面變形較小時β=0，則：

由幾何學理論中的旋轉不變性，式（2）表達為

式中，K1,K2為重建新型礦車車身曲面曲率。因此可以得知改變新型礦車車身曲面相關參數(shù)，引起曲面曲率變化，從而可使得應變能的數(shù)值為最小值，則達到光順效果。

3 新型礦車的開發(fā)與研究

3.1 點云數(shù)據(jù)獲取與處理

本研究的新型礦車底盤選用鄭州日產(chǎn)的凱普斯達輕卡底盤，在其基礎上進行改裝，研發(fā)設計出整體實物新型礦車。

對凱普斯達輕卡車身噴灑顯像劑，在其表面錯落有致地粘貼參考點（圖6），并對Focus 350三維掃描儀的攝像頭進行標定。對新型礦車駕駛室上部測量，獲得其點云數(shù)據(jù)（圖7），并將點云數(shù)據(jù)以gpd形式導進Geomagic Studio中進行處理。

在Geomagic Studio中分別對不同位置、不同攝像頭的點云數(shù)據(jù)開展了連接、濾波、精簡以及插補操作。處理后的點云數(shù)據(jù)如圖8所示。

3.2 曲面重構

將3.1中Geomagic處理后的點云數(shù)據(jù)導入到CATIA軟件中（圖9），由于駕駛室上部為對稱結構，因此對其點云數(shù)據(jù)的一半進行曲面重構，由CATIA軟件的鏡像功能獲得駕駛室上部整體曲面。

將駕駛室上部點云數(shù)據(jù)的一半進行激活（圖10），由CATIA軟件的草圖模塊繪制構造曲線，獲得駕駛室上部的特征曲線（圖11）。

通過對所提取的特征曲線進行拉伸等操作初步構建駕駛室上部曲面，之后對曲面進行修剪、延伸等處理。在獲得駕駛室上部的完整曲面之后，由閉合、加厚功能獲得駕駛室上部實體，最終通過修剪、倒角等功能完善駕駛室上部。圖12為駕駛室上部的重合模型。

3.3 曲面重構光順性分析

通過CATIA軟件的后處理模塊對所重構的駕駛室上部曲面模型的曲率進行分析，獲得其曲率顏色映射圖（圖13）。

從圖13可以看出駕駛室上部整體曲面模型中曲率變化最大值為0.012 mm-1，最小值為-0.838 mm-1。曲率變化的幅度以及范圍不大，滿足本研究曲面連續(xù)性級別G2連續(xù)的相關要求。采用上述方法對新型礦車的后部、側部等進行重構研究，經(jīng)過中南大學高性能復雜制造國家重點實驗室以及鄭州日產(chǎn)中牟工廠生成加工出樣車。樣車的電氣設備、發(fā)動機等相關關鍵技術由項目相關合作人員共同研制開發(fā)。

4 結 論

（1）在逆向工程設計的基礎上，提出了基于三維照相掃描儀的新型礦車開發(fā)設計與研究方法。

（2）研究了新型礦車開發(fā)中的非接觸式數(shù)據(jù)測量與處理技術。通過Focus 350三維掃描儀等硬件獲得新型礦車點云數(shù)據(jù)，并采用Geomagic Studio軟件對不同位置、不同攝像頭的點云數(shù)據(jù)開展了連接、濾波、精簡以及插補操作。

（3）通過CATIA軟件完成了新型礦車駕駛室上部的曲面重構，建立了曲面重建光順性的評價方法。并將Focus 350三維掃描儀獲得的點云數(shù)據(jù)，Geomagic Studio處理的點云數(shù)據(jù)，CATIA重建新型礦車曲面的研究方法應用于新型礦車整車的開發(fā)。