彭廣盼

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

1 土方機(jī)械產(chǎn)品照明燈的設(shè)計(jì)要求

土方機(jī)械是我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中最重要的工程施工機(jī)械，其用途十分廣泛，遍布國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，其中主要包括交通運(yùn)輸、能源、原材料、農(nóng)林水利、城鄉(xiāng)發(fā)展以及國防現(xiàn)代化等領(lǐng)域[1]。土方機(jī)械包括挖掘機(jī)、裝載機(jī)、平地機(jī)、推土機(jī)、鏟運(yùn)機(jī)、壓路機(jī)、自卸車、吊管機(jī)以及挖溝機(jī)等產(chǎn)品，這類機(jī)械作業(yè)工況往往較為惡劣，土方機(jī)械面臨一般機(jī)械產(chǎn)品所沒有的安全風(fēng)險(xiǎn)；因此，國際上對土方機(jī)械安全功能的要求越來越高。歐盟早在20世紀(jì)90年代中后期就發(fā)布了EN474-1～11《土方機(jī)械安全》通則和推土機(jī)、裝載機(jī)、挖掘裝載機(jī)、液壓挖掘機(jī)、自卸車、鏟運(yùn)機(jī)、平地機(jī)、吊管機(jī)和回填壓實(shí)機(jī)特殊要求等11項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，用于支撐 98/37/EC 機(jī)械指令等技術(shù)法規(guī)，設(shè)定了土方機(jī)械進(jìn)入歐盟市場的準(zhǔn)入門檻[2]。我國在2010年12月，由國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員發(fā)布了GB 25684.1—2010《土方機(jī)械 安全》標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)適用于GB/T 8498—2008/ISO 6165：2006定義的所有土方機(jī)械、機(jī)器附屬裝置以及主要用途為使用工作裝置進(jìn)行挖掘、裝載、運(yùn)輸以及對土壤和其他物料進(jìn)行鉆孔、攤鋪、壓實(shí)或挖溝等作業(yè)的派生機(jī)器。標(biāo)準(zhǔn)的第1部分（通用要求）主要涉及對與主機(jī)部分相關(guān)的轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、通道裝置、防護(hù)裝置、操作手冊、安全標(biāo)志、照明和電子控制的要求，其中包括對照明的要求。

目前國際上對設(shè)計(jì)土方機(jī)械產(chǎn)品照明燈提出要求的標(biāo)準(zhǔn)有ISO12509，國內(nèi)參照ISO12509制定的標(biāo)準(zhǔn)有GB20418—2011，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了對土方機(jī)械上使用的照明、信號、標(biāo)志燈以及反射器的安裝和性能的最低要求，適用于GB/T 8498定義的非公路和公路型自行輪胎式或自行驢打滾式土方機(jī)械，該標(biāo)準(zhǔn)是1個(gè)比較粗略的、要求比較低的標(biāo)準(zhǔn)。隨著燈具行業(yè)的不斷發(fā)展，所有燈具都能滿足ISO12509標(biāo)準(zhǔn)的照明要求。因此，設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)、合理的照明燈具是設(shè)計(jì)階段考慮的首要問題。相關(guān)的要求標(biāo)準(zhǔn)包括美國職業(yè)安全與健康管理局（OSHA）對土方機(jī)械在夜晚的照明要求，見表1；美國國家標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ANSI）對工業(yè)活動(dòng)照明要求，見表2。因此，在土方機(jī)械照明燈的開發(fā)階段，需要綜合考慮各種要求和因素，而僅依賴于樣機(jī)試驗(yàn)的方法，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代設(shè)計(jì)周期的要求。在工程機(jī)械行業(yè)里，越來越多的大公司在新產(chǎn)品開發(fā)階段，采用虛擬驗(yàn)證的方法來判斷新產(chǎn)品是否滿足某個(gè)設(shè)計(jì)要求，常見的有對可制造性、可裝配性、可維護(hù)性以及人機(jī)工程等方面的虛擬驗(yàn)證，但是用軟件來模擬機(jī)器燈具在夜間的照明效果的方法還不太常見。

表1 OSHA相關(guān)的最低照明要求（Hutchings 1998）

表2 ANSI相關(guān)的最低照明要求（ANSI 1973）

2 基于3DS Max的虛擬仿真方法

2.1 仿真流程

3DS Max軟件是Autodesk公司推出的基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫渲染和制作軟件。它有強(qiáng)大的模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的能力，可以渲染出逼真的圖片[3]。利用其渲染功能，也可以對土方機(jī)械產(chǎn)品的照明燈效果進(jìn)行渲染和分析。雖然傳統(tǒng)的工程建模軟件（例如UG、Solidworsk和ProE等）也可以進(jìn)行簡單的渲染，但是該類軟件的場景燈光都不能自定義。另外3DS Max軟件自帶的測光儀能夠測量各個(gè)測量點(diǎn)的照度流明值，該數(shù)據(jù)可以支撐試驗(yàn)人員對燈具進(jìn)行評價(jià)。

仿真流程如下：首先，將設(shè)計(jì)好的產(chǎn)品三維模型轉(zhuǎn)化為輕量化的模型，去除一些不必要的機(jī)器內(nèi)部零部件，使模型盡量的輕量化，再將輕量化的機(jī)器模型和照明燈模型導(dǎo)入3DS Max軟件。其次，在照明燈的模型表面創(chuàng)建光度學(xué)燈光（photometric lights），并加載IES文件（光源配光曲線文件的電子格式）定義光度學(xué)燈光；最后，對場景渲染輸出進(jìn)行設(shè)置，包括創(chuàng)建照相機(jī)、設(shè)置照相機(jī)的位置和角度、根據(jù)設(shè)計(jì)要求放置測光儀、選擇機(jī)器的材質(zhì)以及輸出圖片的清晰度等。全部設(shè)置好之后，打開燈光，計(jì)算測光儀測得的燈光數(shù)值，再渲染模型并輸出效果圖。具體的流程如圖1所示。

2.2 推土機(jī)燈光仿真實(shí)列

推土機(jī)是1種能夠完成挖掘、運(yùn)輸和填平等工作的土方機(jī)械，在采礦、采煤等大型工程中有廣泛的用途。很多的大型工程都是充分利用機(jī)械進(jìn)行24 h三班倒作業(yè)，晚上作業(yè)已經(jīng)是常態(tài)，因此對推土機(jī)的照明效果有很高的要求。該小節(jié)列舉了對某履帶式推土機(jī)進(jìn)行燈光仿真的實(shí)例。實(shí)驗(yàn)的目的是對LED燈和鹵素?zé)舻恼彰鞫?、光線分布以及實(shí)際效果進(jìn)行比較，為新產(chǎn)品開發(fā)工程師選擇合適的燈具提供一些直觀的數(shù)據(jù)。根據(jù)推土機(jī)機(jī)型的特點(diǎn)以及作業(yè)特征，在場景中的8個(gè)位置設(shè)置了測光儀，如圖2所示。第1組測光儀的位置主要考慮機(jī)器近處燈光的照明情況，便于機(jī)器夜晚作業(yè)；確定方法如下：1） 在離機(jī)器履帶前端5 m的地方放置1條豎直線，在履帶外側(cè)放置2條水平線。2） 在它們的2個(gè)焦點(diǎn)處分別引出2條夾角為45°和30°的交線。該線條的交點(diǎn)就是放置測光儀R5-1、R5-2、R5-3、R5-4、R5-5和R5-6的位置。第2組測光儀放置在離機(jī)器較遠(yuǎn)的地方，便于分析機(jī)器夜晚行駛時(shí)的照明情況；確定方法是在離機(jī)器履帶前端20 m的地方放置1條豎直線，與之前2條水平線得到2個(gè)交點(diǎn)，交點(diǎn)就是放置測光儀R20-1和R20-2的位置。

圖1 仿真流程

放置好測光儀后，就可以進(jìn)行測光計(jì)算了。推土機(jī)的燈具通常帶有燈具支架，該支架可以讓燈具旋轉(zhuǎn)一定的角度。如果需要燈具照向前方更遠(yuǎn)的地方，通常將燈具調(diào)成默認(rèn)的水平向前的狀態(tài)；而如果需要燈具照向近處，則可以把燈具調(diào)整為水平向下15 °。為了便于比較LED燈和鹵素?zé)魞?yōu)劣，該實(shí)驗(yàn)將測得2種燈具在2種狀態(tài)下的燈光照度值（共4組數(shù)據(jù)）。首先，測第1組，使LED燈處于水平狀態(tài)，打開LED燈，關(guān)閉鹵素?zé)簦ㄟ^軟件中的計(jì)算分析模塊，對各個(gè)位置測光儀的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，得到第1組數(shù)值。其次，關(guān)閉LED燈，打開鹵素?zé)?，?jì)算出第2組數(shù)值。再次，關(guān)閉鹵素?zé)?，打開LED燈，并將LED燈的朝向調(diào)整為水平向下15 ° ，計(jì)算出第3組數(shù)值。最后，關(guān)閉LED燈，打開鹵素?zé)?，并將鹵素?zé)舻某蛘{(diào)整為水平向下15 °，計(jì)算出第4組數(shù)值。將4組數(shù)值匯總在1個(gè)表格中，見表3。從表3中可以看出，當(dāng)燈具處于水平狀態(tài)時(shí)，LED燈在近處中間位置和在遠(yuǎn)處的燈光照度值要比鹵素?zé)舾吆芏?；而?dāng)燈具處于水平向下15°時(shí)，LED燈在測量點(diǎn)測得的燈光照度值反而比鹵素?zé)舻闹狄?，這可能是因?yàn)長ED燈的集中照亮點(diǎn)正好錯(cuò)開了測光儀的放置點(diǎn)。因此，不僅要看數(shù)值，還要看燈光的具體分布情況，這就需要對燈光的照明效果進(jìn)行渲染。

圖2 測光儀分布

設(shè)置渲染輸出的一些參數(shù)，對場景進(jìn)行渲染，就可以得到實(shí)際燈光分布的渲染效果。2種燈具在水平狀態(tài)下的燈光分布效果如圖3所示；2種燈具在水平向下15 °狀態(tài)下的燈光分布效果如圖4所示。通過渲染效果圖可以直觀地看到，2種燈具的燈光分布以及照明強(qiáng)度是完全不同的。LED燈集中照亮的區(qū)域在前方10 m左右，且照明度比較高；鹵素?zé)艏姓樟恋膮^(qū)域在推鏟的正前方，總體照明強(qiáng)度不如LED燈。燈具選型工程師可以根據(jù)2種燈具渲染出來的燈光分布效果以及所得照明值的大小，合理地對燈具進(jìn)行配置。

圖3 2種燈具水平狀態(tài)下燈光分布效果圖

表3 各個(gè)測量點(diǎn)的照度值（單位：lux）

很多礦用機(jī)械在燈具的外面會配有燈具保護(hù)罩，防止燈具被砸傷。而保護(hù)罩會降低燈具的照明效果，遮擋一部分的燈光，因此必須設(shè)計(jì)1款合適的保護(hù)罩；而燈光虛擬仿真技術(shù)也可以為該問題提供設(shè)計(jì)參考的依據(jù)，仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5的仿真結(jié)果可以看出，由于燈具保護(hù)罩遮擋了一部分光線，因此本應(yīng)該被照亮的區(qū)域變得非常黑暗，燈光的照度值也變得很低。因此，該燈罩的柵格應(yīng)該重新設(shè)計(jì)，否則會遮擋燈光，影響照明效果。

3 結(jié)語

在開發(fā)新燈具、設(shè)計(jì)燈具支架、設(shè)計(jì)燈罩以及檢驗(yàn)合規(guī)性的過程中，都可以應(yīng)用3DS Max軟件進(jìn)行虛擬仿真。根據(jù)不同的驗(yàn)證需求，靈活地處理模型、設(shè)置場景，從而達(dá)到驗(yàn)證的目的。從以上案例中可以看到燈光虛擬仿真技術(shù)具有很高的應(yīng)用價(jià)值，且該方法方便高效，可以為設(shè)計(jì)方案的比較以及燈具的選型等工作提供重要的參考依據(jù)。因此，在設(shè)計(jì)土方機(jī)械燈具的過程中，可以應(yīng)用3DS Max軟件進(jìn)行虛擬仿真，從而達(dá)到降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期以及提高產(chǎn)品使用性能的目的。

圖4 2種燈具在水平向下15°狀態(tài)下燈光分布效果圖

圖5 2種燈具在水平向下15°狀態(tài)下加燈罩的燈光分布效果圖