基于3DS Max的土方機械照明燈虛擬仿真技術(shù)

彭廣盼

（無錫職業(yè)技術(shù)學院機械技術(shù)學院，江蘇 無錫 214122）

1 土方機械產(chǎn)品照明燈的設(shè)計要求

土方機械是我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中最重要的工程施工機械，其用途十分廣泛，遍布國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，其中主要包括交通運輸、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]。土方機械包括挖掘機、裝載機、平地機、推土機、鏟運機、壓路機、自卸車、吊管機以及挖溝機等產(chǎn)品，這類機械作業(yè)工況往往較為惡劣，土方機械面臨一般機械產(chǎn)品所沒有的安全風險；因此，國際上對土方機械安全功能的要求越來越高。歐盟早在20世紀90年代中后期就發(fā)布了EN474-1～11《土方機械安全》通則和推土機、裝載機、挖掘裝載機、液壓挖掘機、自卸車、鏟運機、平地機、吊管機和回填壓實機特殊要求等11項標準，用于支撐 98/37/EC 機械指令等技術(shù)法規(guī)，設(shè)定了土方機械進入歐盟市場的準入門檻[2]。我國在2010年12月，由國家標準化管理委員發(fā)布了GB 25684.1—2010《土方機械 安全》標準，該標準適用于GB/T 8498—2008/ISO 6165：2006定義的所有土方機械、機器附屬裝置以及主要用途為使用工作裝置進行挖掘、裝載、運輸以及對土壤和其他物料進行鉆孔、攤鋪、壓實或挖溝等作業(yè)的派生機器。標準的第1部分（通用要求）主要涉及對與主機部分相關(guān)的轉(zhuǎn)向、制動、通道裝置、防護裝置、操作手冊、安全標志、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)計土方機械產(chǎn)品照明燈提出要求的標準有ISO12509，國內(nèi)參照ISO12509制定的標準有GB20418—2011，該標準規(guī)定了對土方機械上使用的照明、信號、標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械，該標準是1個比較粗略的、要求比較低的標準。隨著燈具行業(yè)的不斷發(fā)展，所有燈具都能滿足ISO12509標準的照明要求。因此，設(shè)計出經(jīng)濟、合理的照明燈具是設(shè)計階段考慮的首要問題。相關(guān)的要求標準包括美國職業(yè)安全與健康管理局（OSHA）對土方機械在夜晚的照明要求，見表1；美國國家標準化協(xié)會（ANSI）對工業(yè)活動照明要求，見表2。因此，在土方機械照明燈的開發(fā)階段，需要綜合考慮各種要求和因素，而僅依賴于樣機試驗的方法，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代設(shè)計周期的要求。在工程機械行業(yè)里，越來越多的大公司在新產(chǎn)品開發(fā)階段，采用虛擬驗證的方法來判斷新產(chǎn)品是否滿足某個設(shè)計要求，常見的有對可制造性、可裝配性、可維護性以及人機工程等方面的虛擬驗證，但是用軟件來模擬機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)的三維動畫渲染和制作軟件。它有強大的模擬現(xiàn)實環(huán)境的能力，可以渲染出逼真的圖片[3]。利用其渲染功能，也可以對土方機械產(chǎn)品的照明燈效果進行渲染和分析。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測量點的照度流明值，該數(shù)據(jù)可以支撐試驗人員對燈具進行評價。

仿真流程如下：首先，將設(shè)計好的產(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器內(nèi)部零部件，使模型盡量的輕量化，再將輕量化的機器模型和照明燈模型導入3DS Max軟件。其次，在照明燈的模型表面創(chuàng)建光度學燈光（photometric lights），并加載IES文件（光源配光曲線文件的電子格式）定義光度學燈光；最后，對場景渲染輸出進行設(shè)置，包括創(chuàng)建照相機、設(shè)置照相機的位置和角度、根據(jù)設(shè)計要求放置測光儀、選擇機器的材質(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 推土機燈光仿真實列

推土機是1種能夠完成挖掘、運輸和填平等工作的土方機械，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械進行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進行燈光仿真的實例。實驗的目的是對LED燈和鹵素燈的照明度、光線分布以及實際效果進行比較，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)推土機機型的特點以及作業(yè)特征，在場景中的8個位置設(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器近處燈光的照明情況，便于機器夜晚作業(yè)；確定方法如下：1） 在離機器履帶前端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個焦點處分別引出2條夾角為45°和30°的交線。該線條的交點就是放置測光儀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器較遠的地方，便于分析機器夜晚行駛時的照明情況；確定方法是在離機器履帶前端20 m的地方放置1條豎直線，與之前2條水平線得到2個交點，交點就是放置測光儀R20-1和R20-2的位置。

圖1 仿真流程

放置好測光儀后，就可以進行測光計算了。推土機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的地方，通常將燈具調(diào)成默認的水平向前的狀態(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燈和鹵素燈優(yōu)劣，該實驗將測得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)閉鹵素燈，通過軟件中的計算分析模塊，對各個位置測光儀的數(shù)值進行計算，得到第1組數(shù)值。其次，關(guān)閉LED燈，打開鹵素燈，計算出第2組數(shù)值。再次，關(guān)閉鹵素燈，打開LED燈，并將LED燈的朝向調(diào)整為水平向下15 ° ，計算出第3組數(shù)值。最后，關(guān)閉LED燈，打開鹵素燈，并將鹵素燈的朝向調(diào)整為水平向下15 °，計算出第4組數(shù)值。將4組數(shù)值匯總在1個表格中，見表3。從表3中可以看出，當燈具處于水平狀態(tài)時，LED燈在近處中間位置和在遠處的燈光照度值要比鹵素燈高很多；而當燈具處于水平向下15°時，LED燈在測量點測得的燈光照度值反而比鹵素燈的值要小，這可能是因為LED燈的集中照亮點正好錯開了測光儀的放置點。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)，對場景進行渲染，就可以得到實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；鹵素燈集中照亮的區(qū)域在推鏟的正前方，總體照明強度不如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 各個測量點的照度值（單位：lux）

很多礦用機械在燈具的外面會配有燈具保護罩，防止燈具被砸傷。而保護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1款合適的保護罩；而燈光虛擬仿真技術(shù)也可以為該問題提供設(shè)計參考的依據(jù)，仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5的仿真結(jié)果可以看出，由于燈具保護罩遮擋了一部分光線，因此本應該被照亮的區(qū)域變得非常黑暗，燈光的照度值也變得很低。因此，該燈罩的柵格應該重新設(shè)計，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)計燈具支架、設(shè)計燈罩以及檢驗合規(guī)性的過程中，都可以應用3DS Max軟件進行虛擬仿真。根據(jù)不同的驗證需求，靈活地處理模型、設(shè)置場景，從而達到驗證的目的。從以上案例中可以看到燈光虛擬仿真技術(shù)具有很高的應用價值，且該方法方便高效，可以為設(shè)計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)計土方機械燈具的過程中，可以應用3DS Max軟件進行虛擬仿真，從而達到降低開發(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