基于逆向工程的新型矿车开发设计与关键技术研究.pdf

收稿日期2019-12-30 基金项目国家重点研发计划重点专项编号 2018YFB16006000。 作者简介王建军 （1975） ， 男， 副教授， 硕士。 总第 526 期 2020 年第 4 期 金属矿山 METAL MINE 基于逆向工程的新型矿车开发设计与 关键技术研究 王建军 1 武秋俊 1 马文斌 2， 3 李寒雄 41 （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） 摘要为提高新型矿车的开发水平， 降低其研发的人力物力， 研究设计了一种基于三维照相扫描仪的新型 矿车开发方法。通过Focus 350三维扫描仪等硬件获得新型矿车驾驶室上部的点云数据， 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， 由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， 得知所重建新型矿车驾驶室上部曲面模型曲率变化的最 大值为0.012 mm-1， 最小值为-0.838 mm-1。最终， 通过上述研究方法对整车进行开发与加工制造。该研究可为我国 自主研发新型矿车提供理论参考与依据。 关键词三维照相扫描仪Geomagic Studio矿车CATIA逆向工程 中图分类号TD402文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -04-142-05 DOI10.19614/ki.jsks.202004022 Research on Development Design and Key Technologies of New Mine Rubber-tyred Vehicle Based on Reverse Engineering Wang Jianjun1Wu Qiujun1Ma Wenbin2， 3Li Hanxiong4 （1. Department of Mechanical Engineering， Hebei Institute of Mechanical and Electrical Technology， Xingtai 054000， China； 2. College of Automotive Engineering， Qinghai Communications Vocational and Technical College， Xining 810003， China； 3. College of Mechanical and Electrical Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China； 4. Liaoning Provincial Key Laboratory of Metal Mine Equipment Manufacturing and Advanced Technology， Shenyang 110004， China） AbstractIn order to improve the development level of rubber-tyred vehicle RV and reduce the manpower and materi⁃ al resources in its development，a new development of RV based on 3D camera scanner is studied and designed. Through the Focus 350 3D scanner and other hardware，the point cloud data on the upper part of the RV cab is obtained， and the point cloud data of different positions and different cameras are connected，filtered，simplified and interpolated by the Geographic Studio software. The surface reconstruction on the upper part of the RV cab is completed by CATIA software， and the uation for the smoothness of the surface reconstruction is established. It is concluded that the maximum curvature change of the surface model of the upper cab is 0.012 mm-1and the minimum is -0.838 mm-1. Finally， through the above research s，the whole vehicle is developed and manufactured. This research can provide theoretical reference and basis for the independent research and development of RV in China. KeywordsThree-dimensional photographic scanner， Geomagic Studio， Mine rubber-tyred vehicle， CATIA， Reverse en⁃ gineering 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 Series No. 526 April 2020 142 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， Geo- magic 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 Stu⁃ dio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］。 2020年第4期王建军等 基于逆向工程的新型矿车开发设计与关键技术研究 143 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 E A∫∫ | | | | | | | | | | | | | | | | ∂2F ∂x2 ∂2F ∂y2 2 - → ← 21 - β || || ∂2F ∂x2 ⋅ ∂2F ∂y2 - ∂2F ∂x∂y 2 dxdy， （1） 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β0， 则 E A∫∫{ } ∂2F ∂x2 2 2 ∂2F ∂x∂y 2 ∂2F ∂y2 2 dxdy.（2） 由几何学理论中的旋转不变性， 式 （2） 表达为 E A∬{}K1 2 K2 2 dxdy，（3） 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、 金属矿山2020年第4期总第526期 144 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。 4结论 （1） 在逆向工程设计的基础上， 提出了基于三维 照相扫描仪的新型矿车开发设计与研究方法。 （2） 研究了新型矿车开发中的非接触式数据测 量与处理技术。通过Focus 350三维扫描仪等硬件获 得新型矿车点云数据， 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。 （3） 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， Geo- magic 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。 参 考 文 献 罗仕鉴， 李文杰， 傅业焘.消费者偏好驱动的SUV产品族侧面外 形基因设计 ［J］ .机械工程学报， 2016， 52 （2） 173-181. Luo Shijian，Li Wenjie，Fu Yetao. Profile gene design of SUV product family driven by consumer preference［J］ . Journal of Me⁃ chanical Engineering， 2016， 52（2） 173-181. 彭宝富， 张同刚.城区机载LiDAR点云的汽车提取与类型识别 ［J］ .测绘科学， 2018， 43 （9） 140-145. Peng Baofu，Zhang Tonggang. Vehicle extraction and type recogni⁃ tion of airborne LIDAR point cloud in urban area［J］ . Surveying and Mapping Science， 2018， 43（9） 140-145. Jones D G B，Richardson A J. Origins of sports car marketing ear⁃ ly 20th Century British cycle-cars［J］ . Journal of Historical Re⁃ search in Marketing， 2017， 9 （4） 329-358. 吕海波， 谢广峰， 周向欣.井下凿岩台车无线遥控系统设计 ［J］ . 现代矿业， 2019 （1） 159-161. Lu Haibo，Xie Guangfeng，Zhou Xiangxin. Design of wireless re⁃ mote control system for underground drilling jumbo［J］ . Modern Mining， 2019 （1） 159-161. 杜秋， 郭广礼.三维激光扫描点云边界提取研究 ［J］ .金属矿 山， 2017 （10） 67-71. Du Qiu，Guo Guangli. Study on boundary extraction of 3D laser scanning point cloud［J］ . Metal Mine， 2017（10） 67-71. 孟万利， 蔡来良， 杨望山， 等.矿区开采沉陷预计的Geomagic法 ［J］ .金属矿山， 2017 （1） 126-131. Meng Wanli，Cai Lailiang，Yang Wangshan，et al. Geomagic for mining subsidence prediction［J］ . Metal Mine，2017 ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ 2020年第4期王建军等 基于逆向工程的新型矿车开发设计与关键技术研究 145 （1） 126-131. Ahmed F，Neelin J D. Reverse engineering the tropical precipita⁃ tion-buoyancy relationship ［J］ . Journal of the Atmospheric Scienc⁃ es， 2018， 75 （5） 1587-1608. 邬凌智， 黄永军， 吕瑛炯.沿海BDS CORS基准站选址关键技术 研究探讨 ［J］ .导航定位学报， 2017， 5 （1） 70-74. Wu Lingzhi，Huang Yongjun，Lu Yingjiong. Study on key technol⁃ ogy of site selection for coastal BDS CORS reference station［J］ . Journal of Navigation and Positioning， 2017， 5 （1） 70-74. Takano T，Schulte-Eistrup S，Yoshikawa M，et al. Impeller design for a miniaturized centrifugal blood pump［J］ . Artificial Organs， 2015， 24 （10） 821-825. Kamau E，Campino S，Amengaetego L，et al. K13-propeller poly⁃ morphisms in plasmodium falciparum parasites from Sub-Saharan Africa［J］ . Journal of Infectious Diseases，2015，211（8） 1352- 1355. Berzal S， Gonzlezguerrero C， Rayegomateos S， et al. TNF-related weak inducer of apoptosis（TWEAK）regulates junctional proteins in tubular epithelial cells via canonical NF-κB pathway and ERK activation. ［J］ . Journal of Cellular Physiology， 2015， 230 （7） 1580- 1593. 李仲奎， 王爱民， 王克忠， 等.地下工程三维地质力学模型制作 逆向控制技术研究与应用 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2009， 28 （9） 1729-1734. Li Zhongkui，Wang Aimin，Wang Kezhong，et al. Research and application of reverse control technology for making 3D geomechan⁃ ical model of underground engineering［J］ . Journal of Rock Me⁃ chanics and Engineering， 2009， 28（9） 1729-1734. 龚志辉， 钟志华.基于逆向工程技术实现汽车覆盖件回弹评测 ［J］ .湖南大学学报自然科学版， 2007 （1） 24-27. Gong Zhihui， Zhong Zhihua. uation of automobile panel springback based on reverse engineering technology［J］ . Journal of Hunan University Natural Science Edition， 2007（1） 24-27 . 王博， 王俊， 杜冬冬.基于HyperMesh和LS-DYNA的玉米籽 粒碰撞损伤动态过程的有限元分析 ［J］ .浙江大学学报农业与 生命科学版， 2018， 44 （4） 465-475. Wang Bo，Wang Jun，Du Dongdong. Finite element analysis of the dynamic process of corn grain collision damage based on Hyper⁃ Mesh and LS-DYNA［J］ . Journal of Zhejiang UniversityAgricultur⁃ al and Life Sciences Edition， 2018， 44（4） 465-475. 孙聪， 刘海波， 陈圣义， 等.基于广义成像模型的Scheimpflug 相机标定方法 ［J］ .光学学报， 2018， 38 （8） 114-122. Sun Cong，Liu Haibo，Chen Shengyi，et al. Calibration of Scheimpflug camera based on generalized imaging model［J］ . Acta Optica Sinica， 2018， 38（8） 114-122. 纪小刚， 杨艳， 薛杰.基于多分辨技术的任意控制顶点曲面 光顺 ［J］ .机械工程学报， 2015， 51 （11） 159-164. Ji Xiaogang，Yang Yan，Xue Jie. Surface fairing of arbitrary con⁃ trol vertices based on multi-resolution technology［J］ . Journal of Mechanical Engineering， 2015， 51（11） 159-164. ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ 金属矿山2020年第4期总第526期 146