礦井主通風(fēng)機(jī)關(guān)鍵部件數(shù)字化逆向重構(gòu)研究

楊 杰

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

礦井主通風(fēng)機(jī)是影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵技術(shù)裝備，尤其是在深井開(kāi)采過(guò)程中通風(fēng)設(shè)備具有大結(jié)構(gòu)、高揚(yáng)程等特點(diǎn)對(duì)其安全性能要求更高，要對(duì)主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行性能以及故障特征進(jìn)行深入分析，就需要獲得風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。但是隨著我國(guó)煤礦設(shè)備技術(shù)的高速發(fā)展，礦用風(fēng)機(jī)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品關(guān)鍵參數(shù)保密的重視度日益增長(zhǎng)，很難直接獲取風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)文檔(包括圖樣、參數(shù)、模型等)。針對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)在性能分析中不易獲取，葉面曲度難以確定的難題，采用數(shù)字化設(shè)計(jì)方法對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行三維模型逆向重構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)獲取的難題提供一個(gè)有效解決途徑。

本文基于無(wú)法獲得礦用主通風(fēng)機(jī)關(guān)鍵模型資料，尤其是葉片曲度參數(shù)的前提下，采用逆向技術(shù)對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行逆向重構(gòu)。先選取合適的三維數(shù)據(jù)數(shù)字化掃描方法，對(duì)風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行掃描，從而得到其點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取截面輪廓線特征，再通過(guò)圖像數(shù)據(jù)處理、異常點(diǎn)剔除、曲面重建等處理手段對(duì)其進(jìn)行逆向重構(gòu)，最終得到其三維實(shí)體模型，完成礦井主通風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件逆向數(shù)字化重構(gòu)研究[1]。

1 數(shù)字化逆向重構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

逆向工程是針對(duì)沒(méi)有給定設(shè)計(jì)參數(shù)的實(shí)物對(duì)象，采用各種測(cè)量手段對(duì)實(shí)物進(jìn)行外形測(cè)繪，從而得到設(shè)計(jì)對(duì)象的三維表面特征坐標(biāo)點(diǎn)，并根據(jù)這些表面特征點(diǎn)利用逆向建模軟件重建實(shí)物三維模型，它再現(xiàn)了一個(gè)實(shí)物的設(shè)計(jì)過(guò)程，直接從實(shí)物進(jìn)行分析，逆推出實(shí)物的設(shè)計(jì)原理[2]。涉及到的技術(shù)手段主要有以下幾個(gè)方面：

1)數(shù)據(jù)獲取，它是逆向設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的物件，傳統(tǒng)的方法是利用人工測(cè)量或者三向測(cè)量機(jī)等機(jī)械測(cè)量方式對(duì)實(shí)物的尺寸進(jìn)行測(cè)繪，并得到相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。而對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是曲面參數(shù)復(fù)雜的實(shí)物，可采用數(shù)字化的三維掃描儀，利用光學(xué)視覺(jué)成像處理技術(shù)，對(duì)實(shí)物的表面進(jìn)行圖像拍攝等，從而獲取實(shí)物表面曲面的幾何坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2)圖像數(shù)據(jù)的處理，它是逆向設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)數(shù)字化掃描后得到的是實(shí)物各個(gè)表面的離散化數(shù)據(jù)點(diǎn)，由于圖像拍攝精度等問(wèn)題，這些數(shù)據(jù)存在許多噪聲點(diǎn)，因此需要通過(guò)異常點(diǎn)剔除、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化等數(shù)字化手段對(duì)其表面特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，從而提高逆向設(shè)計(jì)的效率。

3)模型構(gòu)建，它是逆向建模的核心環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)前面處理過(guò)的實(shí)物表面特征點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組合，構(gòu)建截面特征輪廓線，實(shí)物表面的幾何特征面等方式，將特征點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化拼接，從而重構(gòu)三維幾何模型，并進(jìn)行曲面光順度檢測(cè)等分析過(guò)程，三維重構(gòu)后的模型是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)[3]。

逆向設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 逆向設(shè)計(jì)流程圖

本文所要重構(gòu)的對(duì)象為GAF型礦井軸流通風(fēng)機(jī)，由于主通風(fēng)機(jī)的流體特性的仿真分析主要的影響在于風(fēng)機(jī)的本體，因此本文的重構(gòu)對(duì)象是包含葉片、流線體、輪轂這部分模型。其中風(fēng)機(jī)葉片是礦井主通風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件，葉片的參數(shù)選取直接影響風(fēng)機(jī)的可靠運(yùn)行，對(duì)風(fēng)機(jī)的整體性能分析起著非常重要的作用[4]。風(fēng)機(jī)葉片作為一種流體彈性結(jié)構(gòu)所流經(jīng)的空氣隨機(jī)性較強(qiáng)，葉片結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的分析是風(fēng)機(jī)流場(chǎng)分析研究的重要方面同時(shí)也是故障仿真的重要對(duì)象，因而對(duì)葉片的重構(gòu)至關(guān)重要。

2 風(fēng)機(jī)葉片的逆向重構(gòu)過(guò)程

礦井主通風(fēng)機(jī)的葉片表面形貌直接影響風(fēng)機(jī)的安全高效可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。由于對(duì)風(fēng)機(jī)流場(chǎng)特性分析需要對(duì)礦井軸流通風(fēng)機(jī)進(jìn)行建模，其中風(fēng)機(jī)葉片的建模尤為關(guān)鍵，而礦井通風(fēng)的大流量、高安全性的設(shè)計(jì)需求使得葉片通常具有復(fù)雜的扭曲曲面，給風(fēng)機(jī)的建模仿真研究帶來(lái)了難度，因此對(duì)主通風(fēng)機(jī)的逆向建模關(guān)鍵在于葉片的逆向重構(gòu)[5]。

2.1 風(fēng)機(jī)葉片表面特征點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取

光學(xué)三維掃描測(cè)量流程如圖2所示。

圖2 光學(xué)三維掃描測(cè)量流程

點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取本質(zhì)就是將實(shí)物表面的參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化表征，將實(shí)物的表面形貌特征經(jīng)由特定的測(cè)量手段后，表示為離散的三維幾何點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行實(shí)物曲面的重構(gòu)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)是逆向重構(gòu)的基礎(chǔ)，其關(guān)鍵是如何保證數(shù)據(jù)采集的高效和精準(zhǔn)，常用的有接觸式和非接觸式方法[6]。由于本文所研究對(duì)象體積較大，曲面參數(shù)復(fù)雜，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)比較后發(fā)現(xiàn)采用非接觸式測(cè)量方法更加適合主通風(fēng)機(jī)的逆向重構(gòu)研究，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的效率較高。本文主要是應(yīng)用雙目光學(xué)三維掃描儀和空間攝像定位等設(shè)備，通過(guò)投影光柵相移法進(jìn)行測(cè)量，從而高效快速對(duì)實(shí)物進(jìn)行性數(shù)據(jù)測(cè)量。

另外三維掃描對(duì)實(shí)物的表面光澤有要求，而本文所研究的葉片在長(zhǎng)期煤礦通風(fēng)工作而表面色澤發(fā)黑，采用添加表面白色噴劑的形式提高光澤度，同時(shí)考慮到礦井主通風(fēng)機(jī)葉片尺寸較大，所以需要先給葉片進(jìn)行空間定位，本文采用空間參考點(diǎn)標(biāo)識(shí)配合數(shù)碼拍照的方法來(lái)計(jì)算其空間位置，如圖3所示。

本文通過(guò)光柵式雙目三維掃描儀對(duì)葉片進(jìn)行表面特征掃描從而得到其點(diǎn)云數(shù)據(jù)。雙目掃描的特點(diǎn)是掃描結(jié)果精度高，它是由兩個(gè)攝像頭協(xié)同工作，通過(guò)軟件對(duì)拍攝圖像進(jìn)行對(duì)比，可以判斷出物件的距離，配合拍照得到的空間坐標(biāo)點(diǎn)，可以給出物件的三維形貌。三維掃描的精度直接影響到后期建模的質(zhì)量，因此在過(guò)程中要先對(duì)三維掃描儀進(jìn)行校準(zhǔn)，它是數(shù)據(jù)掃描的基準(zhǔn)，直接影響到掃描數(shù)據(jù)的精確度。三維掃描測(cè)量如圖4所示。

圖3 葉片空間參考點(diǎn)示意圖

圖4 三維掃描儀測(cè)量圖

2.2 圖像數(shù)據(jù)處理

由于礦井主通風(fēng)機(jī)葉片在表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的過(guò)程中受到掃描儀器精度、數(shù)據(jù)采集環(huán)境工況的影響，必然導(dǎo)致實(shí)物的表面數(shù)據(jù)與所測(cè)量的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在差異，為了使得所重構(gòu)模型盡可能逼近實(shí)物，需要對(duì)三維掃描獲得的表面數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后再進(jìn)行模型重構(gòu)，從而提高模型精確度，因此數(shù)據(jù)點(diǎn)的預(yù)處理技術(shù)是逆向重構(gòu)中的重要部分[7]。

2.2.1 數(shù)據(jù)拼接

由于沒(méi)法一次對(duì)整個(gè)葉片的數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，需要通過(guò)不同空間位置、多角度的進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)不同點(diǎn)云數(shù)據(jù)間的空間轉(zhuǎn)換對(duì)所得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行空間匹配以完成拼接處理。拼接過(guò)程需要由較明顯的特征點(diǎn)，這里通過(guò)在葉片表面粘貼空間標(biāo)識(shí)點(diǎn)的方式，提高表面特征的識(shí)別率。

2.2.2 噪聲點(diǎn)的剔除

掃描儀器參數(shù)和數(shù)據(jù)采集環(huán)境工況的改變會(huì)導(dǎo)致噪聲點(diǎn)的產(chǎn)生，其會(huì)直接影響對(duì)逆向重構(gòu)的后續(xù)工作，因此必須要在重構(gòu)模型前剔除噪聲點(diǎn)。葉片三維表面數(shù)據(jù)預(yù)處理的關(guān)鍵在于發(fā)現(xiàn)掃描數(shù)據(jù)中的失真點(diǎn)。

本文先通過(guò)直接觀測(cè)法，剔除明顯異常的數(shù)據(jù)點(diǎn)，例如葉片表面的異常凸起點(diǎn)，再結(jié)合曲線檢查法對(duì)失真點(diǎn)進(jìn)行排查，用最小二乘法將所截取面的首末數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合成一條樣條曲線，曲面截面的形狀決定曲線的階次，然后根據(jù)各數(shù)據(jù)點(diǎn)到樣條曲線之間的歐氏距離的大小來(lái)確定失真點(diǎn)，如果‖e‖≥[ε]，[ε]為給定允差，則Ai點(diǎn)是失真點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 剔除失真點(diǎn)

2.2.3 數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)處理

在對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)葉片三維數(shù)據(jù)掃描過(guò)程中，為了盡可能避免表面數(shù)據(jù)點(diǎn)的遺漏，會(huì)對(duì)葉片表面進(jìn)行密集數(shù)據(jù)采集，但是過(guò)多數(shù)據(jù)采集點(diǎn)會(huì)增加模型重構(gòu)的工作量，加重計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)延長(zhǎng)了葉片重構(gòu)的周期影響模型重構(gòu)的效率，有時(shí)不僅不能提高模型重構(gòu)的質(zhì)量，反而會(huì)對(duì)模型重構(gòu)后光順性造成較大影響，因此在滿(mǎn)足一定的精度要求的范圍內(nèi)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)木?jiǎn)處理。

常用三種數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)的方法[8]：隨機(jī)抽樣、同一抽樣和按曲率抽樣。本文考慮到主通風(fēng)機(jī)葉片曲面的復(fù)雜性，采用按曲率抽樣將數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)到原來(lái)的50%，它的特點(diǎn)是能根據(jù)曲率的變化自動(dòng)調(diào)整刪除點(diǎn)數(shù)的多少，例如在葉尖等曲度變化較大的地方會(huì)保留較多的點(diǎn)，從而確保風(fēng)機(jī)葉片的重構(gòu)模型在尖銳等區(qū)域具有實(shí)物的完整特征。

2.3 特征截面

根據(jù)葉片曲面扭曲的特點(diǎn)，觀察葉片實(shí)物曲面之間的邊界，包括對(duì)葉尖的曲線拐點(diǎn)等特征進(jìn)行分析，選取葉片的橫截面特征數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后再進(jìn)行特征曲線重建，在對(duì)葉片的逆向重構(gòu)過(guò)程中，本文先將預(yù)處理過(guò)的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)NURBS曲線插值算法擬合成樣條曲線，再利用曲面構(gòu)建工具并通過(guò)曲面編輯從而構(gòu)建出完整的曲面模型。

本文采用B樣條曲線逼近方法來(lái)進(jìn)行曲線擬合，它是常用的形狀數(shù)學(xué)描述方法。B樣條曲線方程可寫(xiě)為：

其中，di(i=0，1，…，n)為控制定點(diǎn)，順序連成的折現(xiàn)稱(chēng)為B樣條控制多邊形；Ni，k(i=0，1，…，n)稱(chēng)為k次規(guī)范B樣條基函數(shù)。B樣條基為多項(xiàng)式樣條空間具有最小支撐的基。

把葉片的截面曲面重建后，可以通過(guò)不同的曲面構(gòu)建方法來(lái)進(jìn)行曲面重構(gòu)。本文采用邊界混合方法，以重構(gòu)的葉片截面曲線為邊界線構(gòu)建邊界混合曲面，依次將各個(gè)截面曲線對(duì)應(yīng)的首尾端點(diǎn)進(jìn)行連接，利用相鄰的截面曲線進(jìn)行混合曲面構(gòu)建，依次對(duì)所有的截面曲線進(jìn)行曲面重構(gòu)，然后利用布爾運(yùn)算對(duì)重構(gòu)曲面進(jìn)行修剪，得到整個(gè)葉片曲面的重構(gòu)模型，如圖6所示。

2.4 表面粗糙度處理

在模型的重構(gòu)過(guò)程中，由于誤差的存在會(huì)導(dǎo)致葉片表面粗糙度較高，會(huì)直接影響到葉片模型的精度，從而影響仿真分析的準(zhǔn)確性，因此需要對(duì)葉片重構(gòu)的模型在曲線重構(gòu)和曲面重構(gòu)兩個(gè)方面分別進(jìn)行光順處理，確保重構(gòu)后葉片模型的光順性。

對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的曲線光順要確保葉片的截面曲線不存在多余的拐點(diǎn)和奇點(diǎn)，不存在截面曲線斷續(xù)點(diǎn)。首先要排查并修改截面曲線的壞點(diǎn)(斷續(xù)點(diǎn)等)，其次保證截面曲線的單凸性或單凹性，然后進(jìn)行光順精細(xì)處理，保持葉片截面曲線上各段的曲率變化的平順性，從而滿(mǎn)足截面曲線的光順要求。

葉片曲面的光順性首先要滿(mǎn)足組成曲面的截面曲線光順，重構(gòu)曲面的高斯曲率均勻變化。本文采用先橫后縱的方法，先對(duì)橫向樣條曲線然后對(duì)重構(gòu)曲面的縱向曲線進(jìn)行光順處理，最后進(jìn)行曲面光順處理，得到滿(mǎn)足光順度的風(fēng)機(jī)葉片逆向重構(gòu)模型，如圖7所示。

圖6 曲面重構(gòu)示意圖

圖7 風(fēng)機(jī)葉片逆向模型主視圖

由于風(fēng)機(jī)本體其他部件結(jié)構(gòu)參數(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單容易測(cè)量，因此在獲取葉片的重構(gòu)模型后可以對(duì)整個(gè)風(fēng)機(jī)本體進(jìn)行逆向重構(gòu)建模，首先分別重構(gòu)葉輪輪轂、導(dǎo)流罩和流線體，然后將各部件按照實(shí)物風(fēng)機(jī)的相對(duì)位置進(jìn)行組合裝配，重構(gòu)出主通風(fēng)機(jī)本體的三維模型，最后對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)的機(jī)體外殼進(jìn)行構(gòu)建裝配，完成礦井主通風(fēng)機(jī)的整體逆向重構(gòu)模型，如圖8所示。

圖8風(fēng)機(jī)整體模型

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行逆向建?？梢詫?duì)風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行仿真分析，為風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。在風(fēng)機(jī)葉片的逆向數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用雙目數(shù)字掃描可以提高葉片逆向重構(gòu)的效率，精確獲取葉片表面的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后再通過(guò)截面整合、曲面重建等手段對(duì)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來(lái)完成主通風(fēng)機(jī)關(guān)鍵部件數(shù)字化逆向重構(gòu)。