矿井主通风机关键部件数字化逆向重构研究

2019-12-24杨杰

煤炭工程 2019年12期

杨杰

(中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院，北京 100083)

矿井主通风机是影响矿井通风系统的安全运转的关键技术装备，尤其是在深井开采过程中通风设备具有大结构、高扬程等特点对其安全性能要求更高，要对主通风机的运行性能以及故障特征进行深入分析，就需要获得风机的关键结构参数。但是随着我国煤矿设备技术的高速发展，矿用风机市场对产品关键参数保密的重视度日益增长，很难直接获取风机的关键技术文档(包括图样、参数、模型等)。针对矿井主通风机关键部件结构参数在性能分析中不易获取，叶面曲度难以确定的难题，采用数字化设计方法对风机进行三维模型逆向重构关键参数获取的难题提供一个有效解决途径。

本文基于无法获得矿用主通风机关键模型资料，尤其是叶片曲度参数的前提下，采用逆向技术对矿井主通风机的关键部件进行逆向重构。先选取合适的三维数据数字化扫描方法，对风机的关键部件进行扫描，从而得到其点云数据，提取截面轮廓线特征，再通过图像数据处理、异常点剔除、曲面重建等处理手段对其进行逆向重构，最终得到其三维实体模型，完成矿井主通风机的关键部件逆向数字化重构研究[1]。

1 数字化逆向重构关键技术

逆向工程是针对没有给定设计参数的实物对象，采用各种测量手段对实物进行外形测绘，从而得到设计对象的三维表面特征坐标点，并根据这些表面特征点利用逆向建模软件重建实物三维模型，它再现了一个实物的设计过程，直接从实物进行分析，逆推出实物的设计原理[2]。涉及到的技术手段主要有以下几个方面：

1)数据获取，它是逆向设计的基础。对于结构简单的物件，传统的方法是利用人工测量或者三向测量机等机械测量方式对实物的尺寸进行测绘，并得到相关的结构参数。而对于结构复杂，尤其是曲面参数复杂的实物，可采用数字化的三维扫描仪，利用光学视觉成像处理技术，对实物的表面进行图像拍摄等，从而获取实物表面曲面的几何坐标点云数据。

2)图像数据的处理，它是逆向设计的重要环节。通过数字化扫描后得到的是实物各个表面的离散化数据点，由于图像拍摄精度等问题，这些数据存在许多噪声点，因此需要通过异常点剔除、数据简化等数字化手段对其表面特征点云数据进行预处理，从而提高逆向设计的效率。

3)模型构建，它是逆向建模的核心环节，通过对前面处理过的实物表面特征点数据进行重新组合，构建截面特征轮廓线，实物表面的几何特征面等方式，将特征点数据进行数字化拼接，从而重构三维几何模型，并进行曲面光顺度检测等分析过程，三维重构后的模型是否满足设计的标准[3]。

逆向设计流程如图1所示。

图1 逆向设计流程图

本文所要重构的对象为GAF型矿井轴流通风机，由于主通风机的流体特性的仿真分析主要的影响在于风机的本体，因此本文的重构对象是包含叶片、流线体、轮毂这部分模型。其中风机叶片是矿井主通风机的关键部件，叶片的参数选取直接影响风机的可靠运行，对风机的整体性能分析起着非常重要的作用[4]。风机叶片作为一种流体弹性结构所流经的空气随机性较强，叶片结构动力学特性的分析是风机流场分析研究的重要方面同时也是故障仿真的重要对象，因而对叶片的重构至关重要。

2 风机叶片的逆向重构过程

矿井主通风机的叶片表面形貌直接影响风机的安全高效可靠运转。由于对风机流场特性分析需要对矿井轴流通风机进行建模，其中风机叶片的建模尤为关键，而矿井通风的大流量、高安全性的设计需求使得叶片通常具有复杂的扭曲曲面，给风机的建模仿真研究带来了难度，因此对主通风机的逆向建模关键在于叶片的逆向重构[5]。

2.1 风机叶片表面特征点数据获取

光学三维扫描测量流程如图2所示。

图2 光学三维扫描测量流程

点云数据获取本质就是将实物表面的参数进行数字化表征，将实物的表面形貌特征经由特定的测量手段后，表示为离散的三维几何点坐标数据，从而进行实物曲面的重构。点云数据是逆向重构的基础，其关键是如何保证数据采集的高效和精准，常用的有接触式和非接触式方法[6]。由于本文所研究对象体积较大，曲面参数复杂，经过试验比较后发现采用非接触式测量方法更加适合主通风机的逆向重构研究，获取点云数据的效率较高。本文主要是应用双目光学三维扫描仪和空间摄像定位等设备，通过投影光栅相移法进行测量，从而高效快速对实物进行性数据测量。

另外三维扫描对实物的表面光泽有要求，而本文所研究的叶片在长期煤矿通风工作而表面色泽发黑，采用添加表面白色喷剂的形式提高光泽度，同时考虑到矿井主通风机叶片尺寸较大，所以需要先给叶片进行空间定位，本文采用空间参考点标识配合数码拍照的方法来计算其空间位置，如图3所示。

本文通过光栅式双目三维扫描仪对叶片进行表面特征扫描从而得到其点云数据。双目扫描的特点是扫描结果精度高，它是由两个摄像头协同工作，通过软件对拍摄图像进行对比，可以判断出物件的距离，配合拍照得到的空间坐标点，可以给出物件的三维形貌。三维扫描的精度直接影响到后期建模的质量，因此在过程中要先对三维扫描仪进行校准，它是数据扫描的基准，直接影响到扫描数据的精确度。三维扫描测量如图4所示。

图3 叶片空间参考点示意图

图4 三维扫描仪测量图

2.2 图像数据处理

由于矿井主通风机叶片在表面点云数据获取的过程中受到扫描仪器精度、数据采集环境工况的影响，必然导致实物的表面数据与所测量的表面点云数据存在差异，为了使得所重构模型尽可能逼近实物，需要对三维扫描获得的表面数据进行预处理，然后再进行模型重构，从而提高模型精确度，因此数据点的预处理技术是逆向重构中的重要部分[7]。

2.2.1 数据拼接

由于没法一次对整个叶片的数据进行扫描，需要通过不同空间位置、多角度的进行测量，并通过不同点云数据间的空间转换对所得到的点云数据进行空间匹配以完成拼接处理。拼接过程需要由较明显的特征点，这里通过在叶片表面粘贴空间标识点的方式，提高表面特征的识别率。

2.2.2 噪声点的剔除

扫描仪器参数和数据采集环境工况的改变会导致噪声点的产生，其会直接影响对逆向重构的后续工作，因此必须要在重构模型前剔除噪声点。叶片三维表面数据预处理的关键在于发现扫描数据中的失真点。

本文先通过直接观测法，剔除明显异常的数据点，例如叶片表面的异常凸起点，再结合曲线检查法对失真点进行排查，用最小二乘法将所截取面的首末数据点拟合成一条样条曲线，曲面截面的形状决定曲线的阶次，然后根据各数据点到样条曲线之间的欧氏距离的大小来确定失真点，如果‖e‖≥[ε]，[ε]为给定允差，则Ai点是失真点，如图5所示。

图5 剔除失真点

2.2.3 数据精简处理

在对矿井主通风机叶片三维数据扫描过程中，为了尽可能避免表面数据点的遗漏，会对叶片表面进行密集数据采集，但是过多数据采集点会增加模型重构的工作量，加重计算机的负担延长了叶片重构的周期影响模型重构的效率，有时不仅不能提高模型重构的质量，反而会对模型重构后光顺性造成较大影响，因此在满足一定的精度要求的范围内可以对数据进行适当的精简处理。

常用三种数据精简的方法[8]：随机抽样、同一抽样和按曲率抽样。本文考虑到主通风机叶片曲面的复杂性，采用按曲率抽样将数据精简到原来的50%，它的特点是能根据曲率的变化自动调整删除点数的多少，例如在叶尖等曲度变化较大的地方会保留较多的点，从而确保风机叶片的重构模型在尖锐等区域具有实物的完整特征。

2.3 特征截面

根据叶片曲面扭曲的特点，观察叶片实物曲面之间的边界，包括对叶尖的曲线拐点等特征进行分析，选取叶片的横截面特征数据点，然后再进行特征曲线重建，在对叶片的逆向重构过程中，本文先将预处理过的表面点云数据通过NURBS曲线插值算法拟合成样条曲线，再利用曲面构建工具并通过曲面编辑从而构建出完整的曲面模型。

本文采用B样条曲线逼近方法来进行曲线拟合，它是常用的形状数学描述方法。B样条曲线方程可写为：

其中，di(i=0，1，…，n)为控制定点，顺序连成的折现称为B样条控制多边形；Ni，k(i=0，1，…，n)称为k次规范B样条基函数。B样条基为多项式样条空间具有最小支撑的基。

把叶片的截面曲面重建后，可以通过不同的曲面构建方法来进行曲面重构。本文采用边界混合方法，以重构的叶片截面曲线为边界线构建边界混合曲面，依次将各个截面曲线对应的首尾端点进行连接，利用相邻的截面曲线进行混合曲面构建，依次对所有的截面曲线进行曲面重构，然后利用布尔运算对重构曲面进行修剪，得到整个叶片曲面的重构模型，如图6所示。

2.4 表面粗糙度处理

在模型的重构过程中，由于误差的存在会导致叶片表面粗糙度较高，会直接影响到叶片模型的精度，从而影响仿真分析的准确性，因此需要对叶片重构的模型在曲线重构和曲面重构两个方面分别进行光顺处理，确保重构后叶片模型的光顺性。

对风机叶片的曲线光顺要确保叶片的截面曲线不存在多余的拐点和奇点，不存在截面曲线断续点。首先要排查并修改截面曲线的坏点(断续点等)，其次保证截面曲线的单凸性或单凹性，然后进行光顺精细处理，保持叶片截面曲线上各段的曲率变化的平顺性，从而满足截面曲线的光顺要求。

叶片曲面的光顺性首先要满足组成曲面的截面曲线光顺，重构曲面的高斯曲率均匀变化。本文采用先横后纵的方法，先对横向样条曲线然后对重构曲面的纵向曲线进行光顺处理，最后进行曲面光顺处理，得到满足光顺度的风机叶片逆向重构模型，如图7所示。

图6 曲面重构示意图

图7 风机叶片逆向模型主视图

由于风机本体其他部件结构参数相对简单容易测量，因此在获取叶片的重构模型后可以对整个风机本体进行逆向重构建模，首先分别重构叶轮轮毂、导流罩和流线体，然后将各部件按照实物风机的相对位置进行组合装配，重构出主通风机本体的三维模型，最后对矿井主通风机的机体外壳进行构建装配，完成矿井主通风机的整体逆向重构模型，如图8所示。