基于逆向工程的新型矿车开发设计与关键技术研究

2020-05-28王建军武秋俊马文斌李寒雄

金属矿山 2020年4期

王建军武秋俊马文斌李寒雄

（1.河北机电职业技术学院机械工程系，河北邢台054000；2.青海交通职业技术学院汽车工程学院，青海西宁810003；3.重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆400074；4.金属矿山设备制造与先进技术辽宁省重点实验室，辽宁沈阳110004）

我国新型矿车的研发与设计起步较晚，在新型矿车发展前期大部分为改装而来[1]。现今随着我国汽车工业以及经济的腾飞式发展，越来越多的学者以及制造商将不同高新技术与方法应用于新型矿车的开发与研究当中[2-4]。

逆向工程，即反求技术，为结合数字化、表面重建、产品制造等技术将实体事物转换为数字三维模型的一种方法，被广泛应用在汽车工业、地质工程、农业工程、船舶工业等方面[5-8]。Takano T等[9]通过逆向工程与深度对抗神经网络相结合实现了对车辆叶轮表面轮廓的高精度重建。Kamau E等[10]利用逆向工程实现对了轮船螺旋桨的重建，并求得螺旋桨叶片桨叶数据处理后的偏差值。Berzal S等[11]通过逆向工程对诱导轮实现了建模，并对其数控加工程序进行了研究。李仲奎等[12]将逆向工程应用于地下三维地质力学模型的构建当中，所建立模型中的材料密度与要求基本一致。龚志辉等[13]以逆向工程实现了对汽车覆盖件回弹的测试，其测试结果较为精确。王博等[14]通过逆向工程建立了玉米的三维模型，为研究其在收获过程中的最佳碰撞参数提供了研究基础。从检索情况来看，将逆向工程应用于新型矿车的开发研究鲜有报道，且我国新型矿车大部分在改造的基础上进行生产。本研究在逆向工程的基础上，提出了采用三维照相扫描仪对新型矿车的开发进行设计，以新型矿车驾驶室上部为例，通过Focus 350三维扫描仪等硬件获得新型矿车驾驶室上部点云数据，并采用Geomagic Studio软件对不同位置、不同摄像头的点云数据开展了连接、滤波、精简以及插补操作。通过CATIA软件完成了新型矿车驾驶室上部的曲面重构，建立了曲面重建光顺性的评价方法。并将Focus 350三维扫描仪获得的点云数据，Geomagic Studio处理的点云数据，CATIA重建新型矿车曲面的研究方法应用于新型矿车整车的开发。为缩短新型矿车的研发周期，提高新型矿车的开发水平提供理论基础与参考依据。

1 点云数据采集与处理

本研究所选取的测量方法为未接触式测量，三维扫描仪型号为Focus 350（图1），通过该三维扫描仪所自带软件系统对所获图像进行处理，从而得到点云数据的坐标值。通过标定板（图2）以及设备所配备软件（图3）对摄像头进行标定，在不同位置对物体进行扫描所选参考点类型为黑底白点[15]。

本研究通过Geomagic Studio软件以及在被测物体上粘贴参考点的方法，对不同位置、不同摄像头所获点云数据进行整合连接。且仍通过Geomagic Studio软件对点云数据的后续处理进行操作，包括设备自身以及被测物体表面处理不当形成噪点而进行的去噪、所获点云数据庞大影响重建效果而进行的数据精简以及点云数据三角网络连接。

2 三维重构与曲面光顺技术研究

三维重构的方法主要分为以曲线或曲面为基础，本研究拟采用基于曲线为基础来进行新型矿车表面的重构。其重构流程如图4所示。

从图4可以看出经过处理的点云数据通过特征提取等操作拟合成曲线，之后再经过扫掠等操作构建曲面片，最后由剪裁、拉伸等功能生成曲面模型。

本研究通过曲率对新型矿车车身曲面的光顺性进行评价，拟利用新型矿车车身曲率颜色映射图研究曲率大小的分布情况，从而获得整车车身曲面光顺性的情况。同时对新型矿车车身重建中曲面的连续性级别采用G2连续（图5）[16]。

从图5以及研究可知，G2连续可以表示为对所获得不同的曲面进行连接操作，在曲面连接位置的切线方向相同，同时曲率也相同。斑马纹在不同曲面连接处的过渡较为光滑，极少出现曲率突变的情况。曲面的光顺评价方法采用能量光顺算法，由薄板应变能来判断曲面的光顺。应变能：

式中，A为常数，取1；β为Poisin值。

当所重建新型矿车车身曲面变形较小时β=0，则：

由几何学理论中的旋转不变性，式（2）表达为

式中，K1,K2为重建新型矿车车身曲面曲率。因此可以得知改变新型矿车车身曲面相关参数，引起曲面曲率变化，从而可使得应变能的数值为最小值，则达到光顺效果。

3 新型矿车的开发与研究

3.1 点云数据获取与处理

本研究的新型矿车底盘选用郑州日产的凯普斯达轻卡底盘，在其基础上进行改装，研发设计出整体实物新型矿车。

对凯普斯达轻卡车身喷洒显像剂，在其表面错落有致地粘贴参考点（图6），并对Focus 350三维扫描仪的摄像头进行标定。对新型矿车驾驶室上部测量，获得其点云数据（图7），并将点云数据以gpd形式导进Geomagic Studio中进行处理。

在Geomagic Studio中分别对不同位置、不同摄像头的点云数据开展了连接、滤波、精简以及插补操作。处理后的点云数据如图8所示。

3.2 曲面重构

将3.1中Geomagic处理后的点云数据导入到CATIA软件中（图9），由于驾驶室上部为对称结构，因此对其点云数据的一半进行曲面重构，由CATIA软件的镜像功能获得驾驶室上部整体曲面。

将驾驶室上部点云数据的一半进行激活（图10），由CATIA软件的草图模块绘制构造曲线，获得驾驶室上部的特征曲线（图11）。

通过对所提取的特征曲线进行拉伸等操作初步构建驾驶室上部曲面，之后对曲面进行修剪、延伸等处理。在获得驾驶室上部的完整曲面之后，由闭合、加厚功能获得驾驶室上部实体，最终通过修剪、倒角等功能完善驾驶室上部。图12为驾驶室上部的重合模型。

3.3 曲面重构光顺性分析

通过CATIA软件的后处理模块对所重构的驾驶室上部曲面模型的曲率进行分析，获得其曲率颜色映射图（图13）。

从图13可以看出驾驶室上部整体曲面模型中曲率变化最大值为0.012 mm-1，最小值为-0.838 mm-1。曲率变化的幅度以及范围不大，满足本研究曲面连续性级别G2连续的相关要求。采用上述方法对新型矿车的后部、侧部等进行重构研究，经过中南大学高性能复杂制造国家重点实验室以及郑州日产中牟工厂生成加工出样车。样车的电气设备、发动机等相关关键技术由项目相关合作人员共同研制开发。