礦井主通風機關鍵部件數字化逆向重構研究

楊 杰

(中國礦業大學(北京) 機電與信息工程學院，北京 100083)

礦井主通風機是影響礦井通風系統的安全運轉的關鍵技術裝備，尤其是在深井開采過程中通風設備具有大結構、高揚程等特點對其安全性能要求更高，要對主通風機的運行性能以及故障特征進行深入分析，就需要獲得風機的關鍵結構參數。但是隨著我國煤礦設備技術的高速發展，礦用風機市場對產品關鍵參數保密的重視度日益增長，很難直接獲取風機的關鍵技術文檔(包括圖樣、參數、模型等)。針對礦井主通風機關鍵部件結構參數在性能分析中不易獲取，葉面曲度難以確定的難題，采用數字化設計方法對風機進行三維模型逆向重構關鍵參數獲取的難題提供一個有效解決途徑。

本文基于無法獲得礦用主通風機關鍵模型資料，尤其是葉片曲度參數的前提下，采用逆向技術對礦井主通風機的關鍵部件進行逆向重構。先選取合適的三維數據數字化掃描方法，對風機的關鍵部件進行掃描，從而得到其點云數據，提取截面輪廓線特征，再通過圖像數據處理、異常點剔除、曲面重建等處理手段對其進行逆向重構，最終得到其三維實體模型，完成礦井主通風機的關鍵部件逆向數字化重構研究[1]。

1 數字化逆向重構關鍵技術

逆向工程是針對沒有給定設計參數的實物對象，采用各種測量手段對實物進行外形測繪，從而得到設計對象的三維表面特征坐標點，并根據這些表面特征點利用逆向建模軟件重建實物三維模型，它再現了一個實物的設計過程，直接從實物進行分析，逆推出實物的設計原理[2]。涉及到的技術手段主要有以下幾個方面：

1)數據獲取，它是逆向設計的基礎。對于結構簡單的物件，傳統的方法是利用人工測量或者三向測量機等機械測量方式對實物的尺寸進行測繪，并得到相關的結構參數。而對于結構復雜，尤其是曲面參數復雜的實物，可采用數字化的三維掃描儀，利用光學視覺成像處理技術，對實物的表面進行圖像拍攝等，從而獲取實物表面曲面的幾何坐標點云數據。

2)圖像數據的處理，它是逆向設計的重要環節。通過數字化掃描后得到的是實物各個表面的離散化數據點，由于圖像拍攝精度等問題，這些數據存在許多噪聲點，因此需要通過異常點剔除、數據簡化等數字化手段對其表面特征點云數據進行預處理，從而提高逆向設計的效率。

3)模型構建，它是逆向建模的核心環節，通過對前面處理過的實物表面特征點數據進行重新組合，構建截面特征輪廓線，實物表面的幾何特征面等方式，將特征點數據進行數字化拼接，從而重構三維幾何模型，并進行曲面光順度檢測等分析過程，三維重構后的模型是否滿足設計的標準[3]。

逆向設計流程如圖1所示。

圖1 逆向設計流程圖

本文所要重構的對象為GAF型礦井軸流通風機，由于主通風機的流體特性的仿真分析主要的影響在于風機的本體，因此本文的重構對象是包含葉片、流線體、輪轂這部分模型。其中風機葉片是礦井主通風機的關鍵部件，葉片的參數選取直接影響風機的可靠運行，對風機的整體性能分析起著非常重要的作用[4]。風機葉片作為一種流體彈性結構所流經的空氣隨機性較強，葉片結構動力學特性的分析是風機流場分析研究的重要方面同時也是故障仿真的重要對象，因而對葉片的重構至關重要。

2 風機葉片的逆向重構過程

礦井主通風機的葉片表面形貌直接影響風機的安全高效可靠運轉。由于對風機流場特性分析需要對礦井軸流通風機進行建模，其中風機葉片的建模尤為關鍵，而礦井通風的大流量、高安全性的設計需求使得葉片通常具有復雜的扭曲曲面，給風機的建模仿真研究帶來了難度，因此對主通風機的逆向建模關鍵在于葉片的逆向重構[5]。

2.1 風機葉片表面特征點數據獲取

光學三維掃描測量流程如圖2所示。

圖2 光學三維掃描測量流程

點云數據獲取本質就是將實物表面的參數進行數字化表征，將實物的表面形貌特征經由特定的測量手段后，表示為離散的三維幾何點坐標數據，從而進行實物曲面的重構。點云數據是逆向重構的基礎，其關鍵是如何保證數據采集的高效和精準，常用的有接觸式和非接觸式方法[6]。由于本文所研究對象體積較大，曲面參數復雜，經過試驗比較后發現采用非接觸式測量方法更加適合主通風機的逆向重構研究，獲取點云數據的效率較高。本文主要是應用雙目光學三維掃描儀和空間攝像定位等設備，通過投影光柵相移法進行測量，從而高效快速對實物進行性數據測量。

另外三維掃描對實物的表面光澤有要求，而本文所研究的葉片在長期煤礦通風工作而表面色澤發黑，采用添加表面白色噴劑的形式提高光澤度，同時考慮到礦井主通風機葉片尺寸較大，所以需要先給葉片進行空間定位，本文采用空間參考點標識配合數碼拍照的方法來計算其空間位置，如圖3所示。

本文通過光柵式雙目三維掃描儀對葉片進行表面特征掃描從而得到其點云數據。雙目掃描的特點是掃描結果精度高，它是由兩個攝像頭協同工作，通過軟件對拍攝圖像進行對比，可以判斷出物件的距離，配合拍照得到的空間坐標點，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量，因此在過程中要先對三維掃描儀進行校準，它是數據掃描的基準，直接影響到掃描數據的精確度。三維掃描測量如圖4所示。

圖3 葉片空間參考點示意圖

圖4 三維掃描儀測量圖

2.2 圖像數據處理

由于礦井主通風機葉片在表面點云數據獲取的過程中受到掃描儀器精度、數據采集環境工況的影響，必然導致實物的表面數據與所測量的表面點云數據存在差異，為了使得所重構模型盡可能逼近實物，需要對三維掃描獲得的表面數據進行預處理，然后再進行模型重構，從而提高模型精確度，因此數據點的預處理技術是逆向重構中的重要部分[7]。

2.2.1 數據拼接

由于沒法一次對整個葉片的數據進行掃描，需要通過不同空間位置、多角度的進行測量，并通過不同點云數據間的空間轉換對所得到的點云數據進行空間匹配以完成拼接處理。拼接過程需要由較明顯的特征點，這里通過在葉片表面粘貼空間標識點的方式，提高表面特征的識別率。

2.2.2 噪聲點的剔除

掃描儀器參數和數據采集環境工況的改變會導致噪聲點的產生，其會直接影響對逆向重構的后續工作，因此必須要在重構模型前剔除噪聲點。葉片三維表面數據預處理的關鍵在于發現掃描數據中的失真點。

本文先通過直接觀測法，剔除明顯異常的數據點，例如葉片表面的異常凸起點，再結合曲線檢查法對失真點進行排查，用最小二乘法將所截取面的首末數據點擬合成一條樣條曲線，曲面截面的形狀決定曲線的階次，然后根據各數據點到樣條曲線之間的歐氏距離的大小來確定失真點，如果‖e‖≥[ε]，[ε]為給定允差，則Ai點是失真點，如圖5所示。

圖5 剔除失真點

2.2.3 數據精簡處理

在對礦井主通風機葉片三維數據掃描過程中，為了盡可能避免表面數據點的遺漏，會對葉片表面進行密集數據采集，但是過多數據采集點會增加模型重構的工作量，加重計算機的負擔延長了葉片重構的周期影響模型重構的效率，有時不僅不能提高模型重構的質量，反而會對模型重構后光順性造成較大影響，因此在滿足一定的精度要求的范圍內可以對數據進行適當的精簡處理。

常用三種數據精簡的方法[8]：隨機抽樣、同一抽樣和按曲率抽樣。本文考慮到主通風機葉片曲面的復雜性，采用按曲率抽樣將數據精簡到原來的50%，它的特點是能根據曲率的變化自動調整刪除點數的多少，例如在葉尖等曲度變化較大的地方會保留較多的點，從而確保風機葉片的重構模型在尖銳等區域具有實物的完整特征。

2.3 特征截面

根據葉片曲面扭曲的特點，觀察葉片實物曲面之間的邊界，包括對葉尖的曲線拐點等特征進行分析，選取葉片的橫截面特征數據點，然后再進行特征曲線重建，在對葉片的逆向重構過程中，本文先將預處理過的表面點云數據通過NURBS曲線插值算法擬合成樣條曲線，再利用曲面構建工具并通過曲面編輯從而構建出完整的曲面模型。

本文采用B樣條曲線逼近方法來進行曲線擬合，它是常用的形狀數學描述方法。B樣條曲線方程可寫為：

其中，di(i=0，1，…，n)為控制定點，順序連成的折現稱為B樣條控制多邊形；Ni，k(i=0，1，…，n)稱為k次規范B樣條基函數。B樣條基為多項式樣條空間具有最小支撐的基。

把葉片的截面曲面重建后，可以通過不同的曲面構建方法來進行曲面重構。本文采用邊界混合方法，以重構的葉片截面曲線為邊界線構建邊界混合曲面，依次將各個截面曲線對應的首尾端點進行連接，利用相鄰的截面曲線進行混合曲面構建，依次對所有的截面曲線進行曲面重構，然后利用布爾運算對重構曲面進行修剪，得到整個葉片曲面的重構模型，如圖6所示。

2.4 表面粗糙度處理

在模型的重構過程中，由于誤差的存在會導致葉片表面粗糙度較高，會直接影響到葉片模型的精度，從而影響仿真分析的準確性，因此需要對葉片重構的模型在曲線重構和曲面重構兩個方面分別進行光順處理，確保重構后葉片模型的光順性。

對風機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和奇點，不存在截面曲線斷續點。首先要排查并修改截面曲線的壞點(斷續點等)，其次保證截面曲線的單凸性或單凹性，然后進行光順精細處理，保持葉片截面曲線上各段的曲率變化的平順性，從而滿足截面曲線的光順要求。

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

圖6 曲面重構示意圖

圖7 風機葉片逆向模型主視圖

由于風機本體其他部件結構參數相對簡單容易測量，因此在獲取葉片的重構模型后可以對整個風機本體進行逆向重構建模，首先分別重構葉輪輪轂、導流罩和流線體，然后將各部件按照實物風機的相對位置進行組合裝配，重構出主通風機本體的三維模型，最后對礦井主通風機的機體外殼進行構建裝配，完成礦井主通風機的整體逆向重構模型，如圖8所示。

圖8風機整體模型

3 結 語

對礦井主通風機的關鍵部件進行逆向建模可以對風機的性能進行仿真分析，為風機的優化設計提供理論依據。在風機葉片的逆向數字化設計過程中，采用雙目數字掃描可以提高葉片逆向重構的效率，精確獲取葉片表面的特征點數據，然后再通過截面整合、曲面重建等手段對特征數據進行處理來完成主通風機關鍵部件數字化逆向重構。