基于逆向技术的采煤机导向滑靴设计优化.pdf 6页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn基于逆向技术的采煤机导向滑靴设计优化*郑晓春，邓娟，杨理昭（西安煤矿机械有限公司产品设计研究院，西安710032）5摘要：随着测量技术和计算机技术的快速发展，依托实体为研究对象，利用逆向工程技术对产品进行测绘、建模、仿真、优化及新产品开发成为现代设计的一大利器。逆向工程技术有别于传统正向设计，将大大缩短新产品的开发周期，提高企业竞争力。本文旨在探讨利用逆向技术对某导向滑靴设计的可行性。利用3D扫描技术获取某导向滑靴的点云数据和空间几何形状，通过逆向软件Imageware对其点云数据进行处理并建立三维参数化模型，为产品的10升级换代提供有力保证。关键词：逆向技术；采煤机；导向滑靴；设计优化中图分类号：TH122OptimizationofShearerDesignforShearerBasedon15ReverseTechnologyZhengXiaochun,DengJuan,YangLizhao(Xi’anCoalMiningMachineryCo.,Ltd.ProductDesignandResearchInstitute,Xi"an710032,China)Abstract:Withtherapiddevelopmentofmeasurementtechnologyandcomputertechnology,relying20ontheentityastheresearchobject,theuseofreverseengineeringtechnologyforproductmapping,modeling,simulation,optimizationandnewproductdevelopmenthasbecomeamajortoolformoderndesign.Reverseengineeringtechnologyisdifferentfromthetraditionalpositivedesign,willgreatlyshortenthedevelopmentcycleofnewproducts,improvethecompetitivenessofenterprises.Thispaperaimstoexplorethefeasibilityofusingreversetechnologytodesignaguidedshoe.Using3Dscanning25technologytoobtainpointclouddataandspatialgeometryofaguidedshoe,thereversecloudsoftwareisprocessedbythereversesoftwareImagewareandthe3Dparameterizedmodelisestablishedtoprovideaguaranteefortheupgradingoftheproduct.Keywords:Reversetechnology;Shearer;ShoeTrapping;DesignOptimization300引言随着逆向工程技术的不断发展，逆向工程已经成为新产品设计过程中各种先进技术的纽带，被广泛应用于汽车、考古、人体扫描、飞机、模具等各行各业。2008年的世界金融危机以来，世界经济竞争日趋激烈，人们对产品的设计与创新提出了更多的要求。为了满足市场的需要，逆向工程技术成为企业缩短设计到生产的周期，提高产品设计质量和制造质量，35提高企业对市场需求的响应速度的重要技术手段。导向滑靴为采煤机行走机构的关键零部件之一，它的使用寿命和质量对采煤机在井下采煤的生产能力有直接的影响；同时，导向滑靴亦是一种易损件，煤炭生产企业每年都有可观的消耗和需求，为了加快进口产品国产化的进程，逆向工程作为一种必不可少的技术储备有着十分重要的现实意义。作者简介：郑晓春（1984－），男，中级工程师。2003年毕业于中国矿业大学，现主要从事采煤机机械设计及相关有限元分析等工作.E-mail:zxchuman@163.com-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn401逆向工程技术[1][2]逆向工程(RE,ReverseEngineering)又称反求工程、反向工程。它将数据采集设备获取的实物表面或内腔数据，输入专业逆向软件中进行处理和三维模型重建，在计算机上再现原始实物的几何形状，并在此基础上进行原样复制、修改或重设计。市场竞争是经济发展的动力，一个公司乃至一个国家，要想在世界立于不败之地，必须45不断的创新。逆向工程技术与传统的正向设计方式不同，是对已有新产品进行解剖，获得产品的设计信息，并在此基础之上进行再设计，很大程度上缩短了新产品的开发周期。因此，逆向工程技术在新产品的快速创新设计占有绝对的优势，具有广阔的发展前景和重大的研究意义。本文以采煤机导向滑靴为例，介绍逆向工程技术的一般设计流程，具体流程如下图1：50图1逆向工程流程图Fig.1Reverseengineeringflowchart2数据采集[3]笔者采用非接触式测量方法，使用的扫描仪为Creaform公司的REVscan扫描仪，其55工作原理是激光三角测距法。数据采集为一套手持式自定位扫描仪REVscan，如图2所示。扫描仪下端小圆孔是十字激光发射口；中间黑色按钮是触发器，即开关；上端两个大圆孔是CCD镜头，用于接收反射回来的激光；每个CCD镜头周围是四个LED发光点，用于屏蔽周围环境光对扫描精度的影响。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn60图2REVscan扫描仪Fig.2REVscanscanner按住触发器后，激光发射孔发射十字激光，LED发射红色屏蔽光。同时，至少需要有3个定位点在系统的识别范围之内，系统才开始接收数据，其工作原理如图3所示。65图33D扫描仪原理图4导向滑靴实体Fig.33DscannerprincipleFig.4objectoftheshoetrapping导向滑靴属于大型铸造零件，且为非规则形状，手工测量误差大，不能满足设计要求。3D扫描仪能很好解决异形零件的测量测绘难题。导向滑靴由于其铸造属性，表面颜色较深，不利于激光反射；同时其加工表面明亮，对于激光的反射较强，使得扫描仪难以捕捉到零件70的外形定位，所以首先要对该实体进行着色。着色剂的作用是增强零件表面的漫反射，使扫描仪的CCD镜头能够较好的捕捉到零件的空间位置，如图4所示。为了创建相关的扫描数据，3D扫描仪要求空间坐标系作为参考。将反光的目标定位点置于扫描仪视场中，扫描仪通过三角测量及计算传感器确定目标的相对位置。粘贴定位标点时应注意标点间距不易过大，也不易过密，图如5、6、7。75图5间距控制在20~100mm之间图6避免定位点过密图7避免线性排列Fig.5Spacingbetween20~100mmFig.6AvoidpositioningtoocloseFig.7Avoidlinearalignment将导向滑靴点云数据采集完成后，以*.stl文件格式保存。*.stl格式的多边形的文件格式，即已经进行点云三角化的多边形结构形式，即包含点云和线框信息，从而可以更直观观察数80字模型，如图8所示。由于导向滑靴为左右对称结构，故在逆向时只需处理一半数据即可。-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图8*.stl文件格式的导向滑靴Fig.8*.stlfileformatshoetrapping3数据处理853.1点云数据的预处理点云数据在采集过程中除了有导向滑靴数据外，往往还会有一些不需要的噪点，这些噪点是设备校准不佳或者操作不当引起的，所以在模型重建之前一定要进行数据的预处理。数据简化在点云阶段的处理是一个很重要的环节，海量的点云会使计算机的处理时间偏长，而且点去的摆放位置也不合理，这会给逆向造型带来不便。[4][5]90利用专业软件Imageware对数据点云进行预处理，将点云进行去噪、平滑、精简及对齐等处理，预处理后点云数据由原始120万减少到106万。3.2导向滑靴模型的重建由于导向滑靴为异形结构，无法整体进行曲线拟合，通常采用将点云分片拟合曲面，最后整体拼接的方式来完成模型的重建，如图9所示。95首先通过点云拟合出网格样条曲线，再利用系统提供的混合、扫掠、曲线延伸等曲面造型功能进行曲面模型重建，最后通过延伸、求交、过渡等操作，将各曲面光滑拼接或缝合成整体的复合曲线模型。在逆向软件Imageware中将关键曲面设计完成后，考虑到后续的结构设计、数控加工等问题，将曲面导出到UG、Pro/E系统中。再对曲面进行适当修剪、倒圆角以及其它细节处100理后得到最终的产品模型，如图10所示。图9处理数据点云图10创建三维数字化模型Fig.9ProcessingpointclouddataFig.10Createa3Ddigitalmodel-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn3.3导向滑靴模型的拟合精度105点云偏差度检查的是逆向建模的重构精度，它可以查看模型与原始点云的偏差大小，从而来判别其曲面重构成功与否。导向滑靴为铸造零件，如图11所示，通过云图发现其误差范围在－0.9631~0.9998mm，平均误差为0.1791mm。以±0.5mm为控制偏差，拟合曲线与原始的重合率达到94%，符合导向滑靴模型和点云数据的误差数度，满足设计要求。110图11点云云图偏差图Fig.11Pointcloudclouddeviationchart4优化设计根据用户反馈，该导向滑靴在使用过程中连接耳根部容易出现过断裂事故，如图12所[6]115示。将逆向重建的导向滑靴利用solidworks软件进行有限元分析，结果如图13所示。图12导向滑靴断裂图片图13改进前导向滑靴应力云图Fig.12shoetrappingbreakpictureFig.13Improvedpre-Stresscloudofshoetrapping图13为逆向建模的导向滑靴在受最大冲击载荷时的应力云图，从图中可知，最大von120Mises应力为268.1MPa，已经大于该材料的屈服应力241.3MPa，故出现断裂事故。在逆向后导向滑靴模型基础上进行结构优化，将应力集中部位的铸造圆角由R10增加至R30，再利用solidworks软件进行有限元分析，结果如图14所示。-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图14改进后导向滑靴应力云图125Fig.14ImprovedStresscloudofshoetrapping改进后导向滑靴最大vonMises应力降低至210.7MPa，具有更高可靠性。5结语(1)基于逆向技术的采煤机导向滑靴设计优化是可行的。(2)由于导向滑靴是异形、铸造壳体，逆向工程技术获取的数据更全、更准确，特别是130对于复杂曲面，逆向工程技术有着不可替代的优势。(3)将逆向工程技术应用于采煤机的产品设计上，能加快产品的研发和升级改造的效率，使企业更具有竞争力。135[参考文献](References)[1]金涛.逆向工程技术[M].机械工业出版社，2003[2]蔚敬斌.逆向工程技术及应用[J].机械管理开发，2006(2):45-46[3]吴问霆，成思源，张湘伟.手持式激光扫描系统及其应用[J].机械设计与制造，2009(11):78-80[4]单岩.Imageware逆向造型技术基础[M].清华大学出版社，2006140[5]代菊英，涂群章，赵建勋.基于Geomagic、Imageware和Pro/E的机械零件逆向建模方法[J].工具技术，2012,46(5):55-58[6]张晋西、蔡维、谭芬.SolidWorksMotion机械运动仿真实例教程[M].清华大学出版社，2013-6-'