王建軍 武秋俊 馬文斌 李寒雄

（1.河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，河北邢臺(tái)054000；2.青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，青海西寧810003；3.重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶400074；4.金屬礦山設(shè)備制造與先進(jìn)技術(shù)遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽110004）

我國(guó)新型礦車的研發(fā)與設(shè)計(jì)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(guó)汽車工業(yè)以及經(jīng)濟(jì)的騰飛式發(fā)展，越來越多的學(xué)者以及制造商將不同高新技術(shù)與方法應(yīng)用于新型礦車的開發(fā)與研究當(dāng)中[2-4]。

逆向工程，即反求技術(shù)，為結(jié)合數(shù)字化、表面重建、產(chǎn)品制造等技術(shù)將實(shí)體事物轉(zhuǎn)換為數(shù)字三維模型的一種方法，被廣泛應(yīng)用在汽車工業(yè)、地質(zhì)工程、農(nóng)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(duì)抗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)誘導(dǎo)輪實(shí)現(xiàn)了建模，并對(duì)其數(shù)控加工程序進(jìn)行了研究。李仲奎等[12]將逆向工程應(yīng)用于地下三維地質(zhì)力學(xué)模型的構(gòu)建當(dāng)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(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車覆蓋件回彈的測(cè)試，其測(cè)試結(jié)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(chǔ)。從檢索情況來看，將逆向工程應(yīng)用于新型礦車的開發(fā)研究鮮有報(bào)道，且我國(guó)新型礦車大部分在改造的基礎(chǔ)上進(jìn)行生產(chǎn)。本研究在逆向工程的基礎(chǔ)上，提出了采用三維照相掃描儀對(duì)新型礦車的開發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(diǎn)云數(shù)據(jù)，并采用Geomagic Studio軟件對(duì)不同位置、不同攝像頭的點(diǎn)云數(shù)據(jù)開展了連接、濾波、精簡(jiǎn)以及插補(bǔ)操作。通過CATIA軟件完成了新型礦車駕駛室上部的曲面重構(gòu)，建立了曲面重建光順性的評(píng)價(jià)方法。并將Focus 350三維掃描儀獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，Geomagic Studio處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，CATIA重建新型礦車曲面的研究方法應(yīng)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(chǔ)與參考依據(jù)。

1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與處理

本研究所選取的測(cè)量方法為未接觸式測(cè)量，三維掃描儀型號(hào)為Focus 350（圖1），通過該三維掃描儀所自帶軟件系統(tǒng)對(duì)所獲圖像進(jìn)行處理，從而得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)值。通過標(biāo)定板（圖2）以及設(shè)備所配備軟件（圖3）對(duì)攝像頭進(jìn)行標(biāo)定，在不同位置對(duì)物體進(jìn)行掃描所選參考點(diǎn)類型為黑底白點(diǎn)[15]。

本研究通過Geomagic Studio軟件以及在被測(cè)物體上粘貼參考點(diǎn)的方法，對(duì)不同位置、不同攝像頭所獲點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行整合連接。且仍通過Geomagic Studio軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后續(xù)處理進(jìn)行操作，包括設(shè)備自身以及被測(cè)物體表面處理不當(dāng)形成噪點(diǎn)而進(jìn)行的去噪、所獲點(diǎn)云數(shù)據(jù)龐大影響重建效果而進(jìn)行的數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)三角網(wǎng)絡(luò)連接。

2 三維重構(gòu)與曲面光順技術(shù)研究

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

從圖4可以看出經(jīng)過處理的點(diǎn)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(gòu)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(duì)新型礦車車身曲面的光順性進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(shí)對(duì)新型礦車車身重建中曲面的連續(xù)性級(jí)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(duì)所獲得不同的曲面進(jìn)行連接操作，在曲面連接位置的切線方向相同，同時(shí)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(píng)價(jià)方法采用能量光順?biāo)惴?，由薄板?yīng)變能來判斷曲面的光順。應(yīng)變能：

式中，A為常數(shù)，取1；β為Poisin值。

當(dāng)所重建新型礦車車身曲面變形較小時(shí)β=0，則：

由幾何學(xué)理論中的旋轉(zhuǎn)不變性，式（2）表達(dá)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(guān)參數(shù)，引起曲面曲率變化，從而可使得應(yīng)變能的數(shù)值為最小值，則達(dá)到光順效果。

3 新型礦車的開發(fā)與研究

3.1 點(diǎn)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(dá)輕卡底盤，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，研發(fā)設(shè)計(jì)出整體實(shí)物新型礦車。

對(duì)凱普斯達(dá)輕卡車身噴灑顯像劑，在其表面錯(cuò)落有致地粘貼參考點(diǎn)（圖6），并對(duì)Focus 350三維掃描儀的攝像頭進(jìn)行標(biāo)定。對(duì)新型礦車駕駛室上部測(cè)量，獲得其點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖7），并將點(diǎn)云數(shù)據(jù)以gpd形式導(dǎo)進(jìn)Geomagic Studio中進(jìn)行處理。

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

3.2 曲面重構(gòu)

將3.1中Geomagic處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CATIA軟件中（圖9），由于駕駛室上部為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此對(duì)其點(diǎn)云數(shù)據(jù)的一半進(jìn)行曲面重構(gòu)，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(diǎn)云數(shù)據(jù)的一半進(jìn)行激活（圖10），由CATIA軟件的草圖模塊繪制構(gòu)造曲線，獲得駕駛室上部的特征曲線（圖11）。

通過對(duì)所提取的特征曲線進(jìn)行拉伸等操作初步構(gòu)建駕駛室上部曲面，之后對(duì)曲面進(jìn)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(shí)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(gòu)光順性分析

通過CATIA軟件的后處理模塊對(duì)所重構(gòu)的駕駛室上部曲面模型的曲率進(jìn)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(jí)別G2連續(xù)的相關(guān)要求。采用上述方法對(duì)新型礦車的后部、側(cè)部等進(jìn)行重構(gòu)研究，經(jīng)過中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)等相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)由項(xiàng)目相關(guān)合作人員共同研制開發(fā)。

4 結(jié) 論

（1）在逆向工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了基于三維照相掃描儀的新型礦車開發(fā)設(shè)計(jì)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(cè)量與處理技術(shù)。通過Focus 350三維掃描儀等硬件獲得新型礦車點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并采用Geomagic Studio軟件對(duì)不同位置、不同攝像頭的點(diǎn)云數(shù)據(jù)開展了連接、濾波、精簡(jiǎn)以及插補(bǔ)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(gòu)，建立了曲面重建光順性的評(píng)價(jià)方法。并將Focus 350三維掃描儀獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，Geomagic Studio處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，CATIA重建新型礦車曲面的研究方法應(yīng)用于新型礦車整車的開發(fā)。