基于3DS Max的土方机械照明灯虚拟仿真技术

彭广盼

（无锡职业技术学院机械技术学院，江苏 无锡 214122）

1 土方机械产品照明灯的设计要求

土方机械是我国基础设施建设中最重要的工程施工机械，其用途十分广泛，遍布国民经济的各个领域，其中主要包括交通运输、能源、原材料、农林水利、城乡发展以及国防现代化等领域[1]。土方机械包括挖掘机、装载机、平地机、推土机、铲运机、压路机、自卸车、吊管机以及挖沟机等产品，这类机械作业工况往往较为恶劣，土方机械面临一般机械产品所没有的安全风险；因此，国际上对土方机械安全功能的要求越来越高。欧盟早在20世纪90年代中后期就发布了EN474-1～11《土方机械安全》通则和推土机、装载机、挖掘装载机、液压挖掘机、自卸车、铲运机、平地机、吊管机和回填压实机特殊要求等11项标准，用于支撑 98/37/EC 机械指令等技术法规，设定了土方机械进入欧盟市场的准入门槛[2]。我国在2010年12月，由国家标准化管理委员发布了GB 25684.1—2010《土方机械 安全》标准，该标准适用于GB/T 8498—2008/ISO 6165：2006定义的所有土方机械、机器附属装置以及主要用途为使用工作装置进行挖掘、装载、运输以及对土壤和其他物料进行钻孔、摊铺、压实或挖沟等作业的派生机器。标准的第1部分（通用要求）主要涉及对与主机部分相关的转向、制动、通道装置、防护装置、操作手册、安全标志、照明和电子控制的要求，其中包括对照明的要求。

目前国际上对设计土方机械产品照明灯提出要求的标准有ISO12509，国内参照ISO12509制定的标准有GB20418—2011，该标准规定了对土方机械上使用的照明、信号、标志灯以及反射器的安装和性能的最低要求，适用于GB/T 8498定义的非公路和公路型自行轮胎式或自行驴打滚式土方机械，该标准是1个比较粗略的、要求比较低的标准。随着灯具行业的不断发展，所有灯具都能满足ISO12509标准的照明要求。因此，设计出经济、合理的照明灯具是设计阶段考虑的首要问题。相关的要求标准包括美国职业安全与健康管理局（OSHA）对土方机械在夜晚的照明要求，见表1；美国国家标准化协会（ANSI）对工业活动照明要求，见表2。因此，在土方机械照明灯的开发阶段，需要综合考虑各种要求和因素，而仅依赖于样机试验的方法，已经无法满足现代设计周期的要求。在工程机械行业里，越来越多的大公司在新产品开发阶段，采用虚拟验证的方法来判断新产品是否满足某个设计要求，常见的有对可制造性、可装配性、可维护性以及人机工程等方面的虚拟验证，但是用软件来模拟机器灯具在夜间的照明效果的方法还不太常见。

表1 OSHA相关的最低照明要求（Hutchings 1998）

表2 ANSI相关的最低照明要求（ANSI 1973）

2 基于3DS Max的虚拟仿真方法

2.1 仿真流程

3DS Max软件是Autodesk公司推出的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。它有强大的模拟现实环境的能力，可以渲染出逼真的图片[3]。利用其渲染功能，也可以对土方机械产品的照明灯效果进行渲染和分析。虽然传统的工程建模软件（例如UG、Solidworsk和ProE等）也可以进行简单的渲染，但是该类软件的场景灯光都不能自定义。另外3DS Max软件自带的测光仪能够测量各个测量点的照度流明值，该数据可以支撑试验人员对灯具进行评价。

仿真流程如下：首先，将设计好的产品三维模型转化为轻量化的模型，去除一些不必要的机器内部零部件，使模型尽量的轻量化，再将轻量化的机器模型和照明灯模型导入3DS Max软件。其次，在照明灯的模型表面创建光度学灯光（photometric lights），并加载IES文件（光源配光曲线文件的电子格式）定义光度学灯光；最后，对场景渲染输出进行设置，包括创建照相机、设置照相机的位置和角度、根据设计要求放置测光仪、选择机器的材质以及输出图片的清晰度等。全部设置好之后，打开灯光，计算测光仪测得的灯光数值，再渲染模型并输出效果图。具体的流程如图1所示。

2.2 推土机灯光仿真实列

推土机是1种能够完成挖掘、运输和填平等工作的土方机械，在采矿、采煤等大型工程中有广泛的用途。很多的大型工程都是充分利用机械进行24 h三班倒作业，晚上作业已经是常态，因此对推土机的照明效果有很高的要求。该小节列举了对某履带式推土机进行灯光仿真的实例。实验的目的是对LED灯和卤素灯的照明度、光线分布以及实际效果进行比较，为新产品开发工程师选择合适的灯具提供一些直观的数据。根据推土机机型的特点以及作业特征，在场景中的8个位置设置了测光仪，如图2所示。第1组测光仪的位置主要考虑机器近处灯光的照明情况，便于机器夜晚作业；确定方法如下：1） 在离机器履带前端5 m的地方放置1条竖直线，在履带外侧放置2条水平线。2） 在它们的2个焦点处分别引出2条夹角为45°和30°的交线。该线条的交点就是放置测光仪R5-1、R5-2、R5-3、R5-4、R5-5和R5-6的位置。第2组测光仪放置在离机器较远的地方，便于分析机器夜晚行驶时的照明情况；确定方法是在离机器履带前端20 m的地方放置1条竖直线，与之前2条水平线得到2个交点，交点就是放置测光仪R20-1和R20-2的位置。

图1 仿真流程

放置好测光仪后，就可以进行测光计算了。推土机的灯具通常带有灯具支架，该支架可以让灯具旋转一定的角度。如果需要灯具照向前方更远的地方，通常将灯具调成默认的水平向前的状态；而如果需要灯具照向近处，则可以把灯具调整为水平向下15 °。为了便于比较LED灯和卤素灯优劣，该实验将测得2种灯具在2种状态下的灯光照度值（共4组数据）。首先，测第1组，使LED灯处于水平状态，打开LED灯，关闭卤素灯，通过软件中的计算分析模块，对各个位置测光仪的数值进行计算，得到第1组数值。其次，关闭LED灯，打开卤素灯，计算出第2组数值。再次，关闭卤素灯，打开LED灯，并将LED灯的朝向调整为水平向下15 ° ，计算出第3组数值。最后，关闭LED灯，打开卤素灯，并将卤素灯的朝向调整为水平向下15 °，计算出第4组数值。将4组数值汇总在1个表格中，见表3。从表3中可以看出，当灯具处于水平状态时，LED灯在近处中间位置和在远处的灯光照度值要比卤素灯高很多；而当灯具处于水平向下15°时，LED灯在测量点测得的灯光照度值反而比卤素灯的值要小，这可能是因为LED灯的集中照亮点正好错开了测光仪的放置点。因此，不仅要看数值，还要看灯光的具体分布情况，这就需要对灯光的照明效果进行渲染。

图2 测光仪分布

设置渲染输出的一些参数，对场景进行渲染，就可以得到实际灯光分布的渲染效果。2种灯具在水平状态下的灯光分布效果如图3所示；2种灯具在水平向下15 °状态下的灯光分布效果如图4所示。通过渲染效果图可以直观地看到，2种灯具的灯光分布以及照明强度是完全不同的。LED灯集中照亮的区域在前方10 m左右，且照明度比较高；卤素灯集中照亮的区域在推铲的正前方，总体照明强度不如LED灯。灯具选型工程师可以根据2种灯具渲染出来的灯光分布效果以及所得照明值的大小，合理地对灯具进行配置。

图3 2种灯具水平状态下灯光分布效果图

表3 各个测量点的照度值（单位：lux）

很多矿用机械在灯具的外面会配有灯具保护罩，防止灯具被砸伤。而保护罩会降低灯具的照明效果，遮挡一部分的灯光，因此必须设计1款合适的保护罩；而灯光虚拟仿真技术也可以为该问题提供设计参考的依据，仿真结果如图5所示。从图5的仿真结果可以看出，由于灯具保护罩遮挡了一部分光线，因此本应该被照亮的区域变得非常黑暗，灯光的照度值也变得很低。因此，该灯罩的栅格应该重新设计，否则会遮挡灯光，影响照明效果。

3 结语

在开发新灯具、设计灯具支架、设计灯罩以及检验合规性的过程中，都可以应用3DS Max软件进行虚拟仿真。根据不同的验证需求，灵活地处理模型、设置场景，从而达到验证的目的。从以上案例中可以看到灯光虚拟仿真技术具有很高的应用价值，且该方法方便高效，可以为设计方案的比较以及灯具的选型等工作提供重要的参考依据。因此，在设计土方机械灯具的过程中，可以应用3DS Max软件进行虚拟仿真，从而达到降低开发成本、缩短开发周期以及提高产品使用性能的目的。

图4 2种灯具在水平向下15°状态下灯光分布效果图

图5 2种灯具在水平向下15°状态下加灯罩的灯光分布效果图