三维重建技术在轮式收割机设计中的应用研究

尹红俊

（常州大学，江苏 常州 213100）

0 引言

传统的轮式收割机设计主要是研发技术人员和机械设计人员依据个人直觉和感受进行的，因此在很长一段时间里，轮式收割机造型单一，零部件装配间隙大并且新品开发时间过长。新技术时代背景下，随着消费者对产品外观美观性和产品质量要求的不断提升，大型农业装备制造企业在发展过程中面临着很大机遇与挑战，智能制造将成为新时代农业装备制造企业转型升级的重要方向，这其中需要借助大量的高端技术来支撑设计研发，以保证设计的产品能符合消费市场的需求。轮式收割机作为大型农机装备的一种，因为产品体积大，模具成本高，内部具有众多精密零部件同时要求精准装配，所以在新产品开发初期需要做大量的前期产品规划工作和对标评比工作，以保障最终研发的轮式收割机产品可以满足前期目标的需求［1］。但目前大多轮式收割机企业对产品外观的重视度不高，导致设计的产品造型过于简单，同时轮式收割机发展起步较晚，不像汽车制造行业在长期的生产实践中已形成完善的产品研发体系和技术体系，产品开发往往是“技术先行”，这样会导致整个研发过程比较混乱，从而造成设计的轮式收割机无法满足前期的设计需求。

三维重建技术作为一种辅助设计研发的手段，具有可视化可快速形成产品形体的优势，未来可以被广泛运用在农机产品设计中。将三维重建技术引入轮式收割机产品开发中，一方面利用三维重建技术的逆性重建能力可以得到产品数据和原有机型数据，参与新设计产品的对标校核，从而指导新设计产品研发设计工作；另一方面通过三维重建进行外观覆盖件的造型设计，可以快速准确地设计出复杂的曲面形体，从而提高轮式收割机产品的模具可制造性和整机外观的美观性。随着5G技术的革新和发展，中国社会已经进入“后互联网时代”，在5G时代，网络将具备超低延迟和超快网速及快速计算的能力，这些优势将大大提升扫描仪、辅助计算机等智能工业设备的工作效率。信息技术和智能硬件的进步推动着三维重建技术进一步发展。

1 三维重建技术的分析

1.1 三维重建技术的概况

三维重建技术开始是在医学方面被广泛应用研究，随后扩展运用到游戏、建筑、产品等众多行业。三维重建技术的核心是基于视觉的三维重建，即利用点坐标的精度、空间与频率以及表面法向量形成点云数据进行三维重建，重建过程可以分成三部分，前端数据的获取、假面图形生成处理和使用三维工具重建设计［2］。

由于三维重建技术需要专业的设备和专业人员操作实施，同时点云数据的处理对操作者要求比较高，所以目前三维重建技术在产品开发设计方面使用率还较低，特别是农机产品开发设计中运用三维重建技术进行设计的实例十分有限。随着农机产品消费升级，消费者对农机产品的品质、设计、精度要求进一步升高，农机生产企业为了让自己的产品在竞争中脱颖而出，需要不断引入新的技术和理念提高农机产品开发的质量和效率。

1.2 三维重建技术的特点

1.2.1 适用范围广。三维重建技术对材质的适用范围很宽泛，无论是塑料材质还是玻璃、金属材质都可操作，同时适用于多个行业，不论是大型的航天飞机、汽车产品还是小型居家产品都可适用。现阶段三维重建技术主要是依靠特征点的提取来实现影像分析和影像模型匹配工作，所以三维重建只要是实体可贴特征点就可以进行操作。在未来，三维重建技术可以对文物保护、游戏开发、建筑设计、临床医学、产品研发设计等起到十分重要的辅助设计作用。

1.2.2 技术成熟，可实现三维重建的设备众多。目前，三维重建技术以主动式的使用最为广泛，即利用如激光、声波、电磁波等光源或能量源发射至目标物体，通过接收返回的光波来获取物体的深度信息，再进行编辑修改。在产品设计行业以手持激光扫面仪使用较多，医学方面三维重建技术中的旋转DSA三维重建技术、多层面螺旋cta三维重建技术也被广泛采用，同时，主动式三维重建技术在长期实践中，形成了莫尔条纹法、飞行时间法、结构光法和三角测距法为主的主动测距方法，所以三维重建技术已比较成熟，并且实现技术转化的设备也很完善。

1.2.3 支持修改编辑。与传统的产品设计技术相比，三维重建技术使用过程更为灵活，在扫描阶段，会可视化地展示产品被扫描的过程，因此技术人员可以进行多次扫描操作，通过对比扫描结果来选取最优的点云数据。三维重建技术中很重要的技术过程是扫描数据转化重建过程，在数据重建阶段，会利用计算机辅助软件对扫描得到的点云数据进行编辑重建，目前点云数据适配多款CAD造型软件，可以被UG、PROE等软件进行后期的编辑重建。

1.2.4 操作便利，制作成本低。三维重建技术在具体的实践中，操作时间跟产品的大小和复杂程度以及使用设备的配置有十分紧密的关系，通常越大型越复杂的产品操作时间越长，如复杂的汽车保险杠的扫描重建需要较长时间。扫描重建的过程主要是特征点提取物的消耗和扫描重建设备的折损，费用相对较低，操作十分便捷。

2 三维重建技术在轮式收割机中的应用

2.1 三维重建技术在轮式收割机对标设计中的应用研究

轮式收割机在开发设计时，外部覆盖件和内部机械零部件的开发是轮式收割机产品开发的重点，其中包含收割机外观覆盖件的造型设计、内部精密零部件结构设计及后期分析试制试验。在目前竞争激烈的大环境下，研发周期越长越不利于产品推广销售，所以轮式收割机生产企业在兼顾产品品质的前提下会尽量追求研发速度，在开发新机型时会尽量采用新的技术缩短开发时长，同时通过对标分析等方法保证新品开发的准确定位。三维重建技术作为辅助产品开发设计的手段，可以有效缩短开发时长和保证新品开发的准确定位，在未来可以被运用到轮式收割机产品开发设计中。

影响轮式收割机外观覆盖件研发速度的因素有很多，其中技术因素和产品决策因素影响较大。关于技术要素除了考虑产品结构和结构力学等方面影响，还应兼顾模具加工制造的因素，模具设计制造决定着最终生产产品的质量，利用三维重建技术能直观地分析把控模具情况，在开发前期避免模具出现倒扣无法脱模的问题和因为模具件热胀冷缩变形等因素制造出的零部件无法装配的问题，同时利用重建技术对设计的模型进行缺陷检测和力学分析，保障设计数据的合理准确性。关于产品决策因素，通过三维重建能更全面细致地进行竞品对标工作，好的产品都是在反复对标评比后再进行优化设计从而得到最优状态的。因此，如何进行产品的对标将变得十分重要，对标工作除了对实物对标外，还可以运用三维重建技术获取轮式收割机竞品数据进行对标，利用具体数据对轮式收割机竞品造型风格、具体走形、流线趋势、空间布置等方面细致评比，来清晰认识到轮式收割机设计产品的不足和优势，以保证开模制作的产品符合前期目标［3］。无论是在产品设计前期原车数据重建方面，还是后期对竞品数据重建进行评比以及对设计好的轮式收割机产品进行可行性验证方面，三维重建技术都作为一种有效便捷的手段为设计推进提供科学的数据支持，可以预见到，随着三维重建技术成熟运用，未来将大幅提高大型农机产品的研发速度。

2.2 三维重建技术在轮式收割机正逆性产品开发设计中的应用研究

轮式收割机内部结构复杂且零部件众多，在新机型开发设计中，轮式收割机的底盘、收割台、储仓、发动机等核心设计技术已较为成熟，因此设计更改较小，所以轮式收割机产品更新换代中外观覆盖件和驾驶室设计将是开发设计的重点。A面造型设计是轮式收割机覆盖件和驾驶室设计的重点，企业在对市场分析调研后，会基于老款产品或竞标产品进行分析解构再设计，通常先建立物体基础原型，再利用技术手段对基础原型进行概念化设计或改良性设计，可以利用三维重建技术获取原有产品三维模型数据，同时将获取的模型数据导入三维软件后进行数据处理从而获得想要的物体原型，最后造型设计师再对物体原型进行优化设计，从而得到新设计的轮式收割机产品。在实际开发设计过程中，轮式收割机零部件通常是由企业与外协单位通力合作设计完成的。企业为了能够做好整机数据、工作原理、制造细节等方面的保密工作，为了不使整机核心数据流失，会把整机分散成多个总成再让外协单位分配协助设计。外协供应商会运用三维重建技术构建出与设计总成相关的数据再设计，这既保障了整机数据的安全性，又不耽误各零部件开发的精度和进度。外协单位会对三维重建的数据处理进行正向开发，设计出符合客户要求的外形和结构，当造型、结构、材质和色彩等定型后需要在产品开模前进行产品质量验证以及对标工作，利用三维重建技术进行仿真模拟来直观感受产品在使用场景中的运动状态和使用者对产品的真实感受，并制作快速成型件进行试装验证。

3 三维重建技术在轮式收割机中的应用前景

由于目前三维重建技术具有不断成熟、适用范围广、支持多软件修改编辑以及操作便利等特点，三维重建技术在产品对标设计、逆向造型设计、质量控制、产品正向开发设计等方面都可以发挥重要作用。利用三维重建技术可以对产品进行壁厚分析、计量/三坐标测量、缺陷检测（即对产品面的不连续性进行自动检测如气孔、孔洞和夹杂物判定）、结构力学模拟分析、CAD数据对标评比等工作，三维重建技术的引入可以减少产品开发的时间，提高开发效率及部件装配的精度。轮式收割机的研发周期一般为3到5年，主要部件由驾驶室系统、主机部分、工作系统三部分组成，驾驶室系统包括超控平台、座椅、驾驶室外观覆盖件和内饰组成，主机部分由发动机、传动、行走、液压、电气、操纵等组成，工作系统由收割台、输送、脱粒、储仓等部分组成。通常驾驶室和工作系统外部覆盖件的开发分为五个阶段，第一阶段为前期调研确定产品方向阶段；第二阶段为概念设计并进行可行性分析阶段；第三阶段为产品设计阶段，该阶段为产品具体设计阶段，需要考虑外观、结构、模具制造、选材等多方面因素进行研发设计；第四阶段为产品验证阶段，该阶段为产品的试装验证阶段，主要是通过实际的装配找出产品装配间隙过大以及产品自身壁厚、力学结构不合理之处，以反馈给模具制造部门进行模具优化；第五阶段为新品定型生产和推广阶段，该阶段公司设计部、市场部、生产部、技术部等多部门进行协商沟通，确定产品的最终状态和生产标准，同时由公司美工部处理编辑内容后再进行推广宣传。

以常发的CF904C轮式收割机为研究分析对象，通过引入三维重建技术对产品驾驶室和外部覆盖件进行优化设计。轮式收割机新产品开发的主要任务集中在产品设计前期，产品设计师协调公司相关部门共同把控新品的整体开发进度，在产品确定方向进行概念设计阶段，利用三维重建技术重建竞标产品数据进行直观分析对标，同时利用已有的主机和工作系统框架进行正向开发设计，通过三维数模直观的感受确定新设计收割机产品的外观和结构。在产品设计阶段，利用三维重建技术得到产品原始数据，轮式收割机外观件设计者利用逆行造型和正向建模并行设计，先用逆向建模来重构出收割机现有车型部件，再通过重构进行正向开发设计，从而保证收割机原有总成与新设计产品进行高配合装配，进而从根源上保障装配间隙［4］。在轮式收割机产品可行性分析验证阶段，除了通过实验进行可靠性的分析外，为了节省时间和成本，还可以利用三维重建技术中的虚拟仿真进行外观造型分析和色彩搭配分析，用以找出开发产品装配、力学结构、壁厚等需改进之处，及时反馈调整模具以保障最终设计的轮式收割机产品外观造型美观、结构合理、装配顺畅等。

4 结语

随着人们生活水平的提高，轮式收割机消费者需求日益呈现出多元化、多层次的趋势。轮式收割机产品未来将朝着智能化、绿色化、人性化的方向发展。通过引入三维重建技术进行轮式收割机辅助开发，一方面三维重建技术的对标设计能力、逆向造型设计能力以及模拟真实产品验证产品可行性的能力可以提高轮式收割机产品开发的效率，另一方面开发过程中三维重建技术得到的可靠对标指导数据可以为企业建立产品数据库，为未来农机开发提供数据保障，从而更准确更快速地得到目标农机形体，提升农机新品开发效率和准确度。