三維重建技術在輪式收割機設計中的應用研究

尹紅俊

（常州大學，江蘇 常州 213100）

0 引言

傳統的輪式收割機設計主要是研發技術人員和機械設計人員依據個人直覺和感受進行的，因此在很長一段時間里，輪式收割機造型單一，零部件裝配間隙大并且新品開發時間過長。新技術時代背景下，隨著消費者對產品外觀美觀性和產品質量要求的不斷提升，大型農業裝備制造企業在發展過程中面臨著很大機遇與挑戰，智能制造將成為新時代農業裝備制造企業轉型升級的重要方向，這其中需要借助大量的高端技術來支撐設計研發，以保證設計的產品能符合消費市場的需求。輪式收割機作為大型農機裝備的一種，因為產品體積大，模具成本高，內部具有眾多精密零部件同時要求精準裝配，所以在新產品開發初期需要做大量的前期產品規劃工作和對標評比工作，以保障最終研發的輪式收割機產品可以滿足前期目標的需求［1］。但目前大多輪式收割機企業對產品外觀的重視度不高，導致設計的產品造型過于簡單，同時輪式收割機發展起步較晚，不像汽車制造行業在長期的生產實踐中已形成完善的產品研發體系和技術體系，產品開發往往是“技術先行”，這樣會導致整個研發過程比較混亂，從而造成設計的輪式收割機無法滿足前期的設計需求。

三維重建技術作為一種輔助設計研發的手段，具有可視化可快速形成產品形體的優勢，未來可以被廣泛運用在農機產品設計中。將三維重建技術引入輪式收割機產品開發中，一方面利用三維重建技術的逆性重建能力可以得到產品數據和原有機型數據，參與新設計產品的對標校核，從而指導新設計產品研發設計工作；另一方面通過三維重建進行外觀覆蓋件的造型設計，可以快速準確地設計出復雜的曲面形體，從而提高輪式收割機產品的模具可制造性和整機外觀的美觀性。隨著5G技術的革新和發展，中國社會已經進入“后互聯網時代”，在5G時代，網絡將具備超低延遲和超快網速及快速計算的能力，這些優勢將大大提升掃描儀、輔助計算機等智能工業設備的工作效率。信息技術和智能硬件的進步推動著三維重建技術進一步發展。

1 三維重建技術的分析

1.1 三維重建技術的概況

三維重建技術開始是在醫學方面被廣泛應用研究，隨后擴展運用到游戲、建筑、產品等眾多行業。三維重建技術的核心是基于視覺的三維重建，即利用點坐標的精度、空間與頻率以及表面法向量形成點云數據進行三維重建，重建過程可以分成三部分，前端數據的獲取、假面圖形生成處理和使用三維工具重建設計［2］。

由于三維重建技術需要專業的設備和專業人員操作實施，同時點云數據的處理對操作者要求比較高，所以目前三維重建技術在產品開發設計方面使用率還較低，特別是農機產品開發設計中運用三維重建技術進行設計的實例十分有限。隨著農機產品消費升級，消費者對農機產品的品質、設計、精度要求進一步升高，農機生產企業為了讓自己的產品在競爭中脫穎而出，需要不斷引入新的技術和理念提高農機產品開發的質量和效率。

1.2 三維重建技術的特點

1.2.1 適用范圍廣。三維重建技術對材質的適用范圍很寬泛，無論是塑料材質還是玻璃、金屬材質都可操作，同時適用于多個行業，不論是大型的航天飛機、汽車產品還是小型居家產品都可適用。現階段三維重建技術主要是依靠特征點的提取來實現影像分析和影像模型匹配工作，所以三維重建只要是實體可貼特征點就可以進行操作。在未來，三維重建技術可以對文物保護、游戲開發、建筑設計、臨床醫學、產品研發設計等起到十分重要的輔助設計作用。

1.2.2 技術成熟，可實現三維重建的設備眾多。目前，三維重建技術以主動式的使用最為廣泛，即利用如激光、聲波、電磁波等光源或能量源發射至目標物體，通過接收返回的光波來獲取物體的深度信息，再進行編輯修改。在產品設計行業以手持激光掃面儀使用較多，醫學方面三維重建技術中的旋轉DSA三維重建技術、多層面螺旋cta三維重建技術也被廣泛采用，同時，主動式三維重建技術在長期實踐中，形成了莫爾條紋法、飛行時間法、結構光法和三角測距法為主的主動測距方法，所以三維重建技術已比較成熟，并且實現技術轉化的設備也很完善。

1.2.3 支持修改編輯。與傳統的產品設計技術相比，三維重建技術使用過程更為靈活，在掃描階段，會可視化地展示產品被掃描的過程，因此技術人員可以進行多次掃描操作，通過對比掃描結果來選取最優的點云數據。三維重建技術中很重要的技術過程是掃描數據轉化重建過程，在數據重建階段，會利用計算機輔助軟件對掃描得到的點云數據進行編輯重建，目前點云數據適配多款CAD造型軟件，可以被UG、PROE等軟件進行后期的編輯重建。

1.2.4 操作便利，制作成本低。三維重建技術在具體的實踐中，操作時間跟產品的大小和復雜程度以及使用設備的配置有十分緊密的關系，通常越大型越復雜的產品操作時間越長，如復雜的汽車保險杠的掃描重建需要較長時間。掃描重建的過程主要是特征點提取物的消耗和掃描重建設備的折損，費用相對較低，操作十分便捷。

2 三維重建技術在輪式收割機中的應用

2.1 三維重建技術在輪式收割機對標設計中的應用研究

輪式收割機在開發設計時，外部覆蓋件和內部機械零部件的開發是輪式收割機產品開發的重點，其中包含收割機外觀覆蓋件的造型設計、內部精密零部件結構設計及后期分析試制試驗。在目前競爭激烈的大環境下，研發周期越長越不利于產品推廣銷售，所以輪式收割機生產企業在兼顧產品品質的前提下會盡量追求研發速度，在開發新機型時會盡量采用新的技術縮短開發時長，同時通過對標分析等方法保證新品開發的準確定位。三維重建技術作為輔助產品開發設計的手段，可以有效縮短開發時長和保證新品開發的準確定位，在未來可以被運用到輪式收割機產品開發設計中。

影響輪式收割機外觀覆蓋件研發速度的因素有很多，其中技術因素和產品決策因素影響較大。關于技術要素除了考慮產品結構和結構力學等方面影響，還應兼顧模具加工制造的因素，模具設計制造決定著最終生產產品的質量，利用三維重建技術能直觀地分析把控模具情況，在開發前期避免模具出現倒扣無法脫模的問題和因為模具件熱脹冷縮變形等因素制造出的零部件無法裝配的問題，同時利用重建技術對設計的模型進行缺陷檢測和力學分析，保障設計數據的合理準確性。關于產品決策因素，通過三維重建能更全面細致地進行競品對標工作，好的產品都是在反復對標評比后再進行優化設計從而得到最優狀態的。因此，如何進行產品的對標將變得十分重要，對標工作除了對實物對標外，還可以運用三維重建技術獲取輪式收割機競品數據進行對標，利用具體數據對輪式收割機競品造型風格、具體走形、流線趨勢、空間布置等方面細致評比，來清晰認識到輪式收割機設計產品的不足和優勢，以保證開模制作的產品符合前期目標［3］。無論是在產品設計前期原車數據重建方面，還是后期對競品數據重建進行評比以及對設計好的輪式收割機產品進行可行性驗證方面，三維重建技術都作為一種有效便捷的手段為設計推進提供科學的數據支持，可以預見到，隨著三維重建技術成熟運用，未來將大幅提高大型農機產品的研發速度。

2.2 三維重建技術在輪式收割機正逆性產品開發設計中的應用研究

輪式收割機內部結構復雜且零部件眾多，在新機型開發設計中，輪式收割機的底盤、收割臺、儲倉、發動機等核心設計技術已較為成熟，因此設計更改較小，所以輪式收割機產品更新換代中外觀覆蓋件和駕駛室設計將是開發設計的重點。A面造型設計是輪式收割機覆蓋件和駕駛室設計的重點，企業在對市場分析調研后，會基于老款產品或競標產品進行分析解構再設計，通常先建立物體基礎原型，再利用技術手段對基礎原型進行概念化設計或改良性設計，可以利用三維重建技術獲取原有產品三維模型數據，同時將獲取的模型數據導入三維軟件后進行數據處理從而獲得想要的物體原型，最后造型設計師再對物體原型進行優化設計，從而得到新設計的輪式收割機產品。在實際開發設計過程中，輪式收割機零部件通常是由企業與外協單位通力合作設計完成的。企業為了能夠做好整機數據、工作原理、制造細節等方面的保密工作，為了不使整機核心數據流失，會把整機分散成多個總成再讓外協單位分配協助設計。外協供應商會運用三維重建技術構建出與設計總成相關的數據再設計，這既保障了整機數據的安全性，又不耽誤各零部件開發的精度和進度。外協單位會對三維重建的數據處理進行正向開發，設計出符合客戶要求的外形和結構，當造型、結構、材質和色彩等定型后需要在產品開模前進行產品質量驗證以及對標工作，利用三維重建技術進行仿真模擬來直觀感受產品在使用場景中的運動狀態和使用者對產品的真實感受，并制作快速成型件進行試裝驗證。

3 三維重建技術在輪式收割機中的應用前景

由于目前三維重建技術具有不斷成熟、適用范圍廣、支持多軟件修改編輯以及操作便利等特點，三維重建技術在產品對標設計、逆向造型設計、質量控制、產品正向開發設計等方面都可以發揮重要作用。利用三維重建技術可以對產品進行壁厚分析、計量/三坐標測量、缺陷檢測（即對產品面的不連續性進行自動檢測如氣孔、孔洞和夾雜物判定）、結構力學模擬分析、CAD數據對標評比等工作，三維重建技術的引入可以減少產品開發的時間，提高開發效率及部件裝配的精度。輪式收割機的研發周期一般為3到5年，主要部件由駕駛室系統、主機部分、工作系統三部分組成，駕駛室系統包括超控平臺、座椅、駕駛室外觀覆蓋件和內飾組成，主機部分由發動機、傳動、行走、液壓、電氣、操縱等組成，工作系統由收割臺、輸送、脫粒、儲倉等部分組成。通常駕駛室和工作系統外部覆蓋件的開發分為五個階段，第一階段為前期調研確定產品方向階段；第二階段為概念設計并進行可行性分析階段；第三階段為產品設計階段，該階段為產品具體設計階段，需要考慮外觀、結構、模具制造、選材等多方面因素進行研發設計；第四階段為產品驗證階段，該階段為產品的試裝驗證階段，主要是通過實際的裝配找出產品裝配間隙過大以及產品自身壁厚、力學結構不合理之處，以反饋給模具制造部門進行模具優化；第五階段為新品定型生產和推廣階段，該階段公司設計部、市場部、生產部、技術部等多部門進行協商溝通，確定產品的最終狀態和生產標準，同時由公司美工部處理編輯內容后再進行推廣宣傳。

以常發的CF904C輪式收割機為研究分析對象，通過引入三維重建技術對產品駕駛室和外部覆蓋件進行優化設計。輪式收割機新產品開發的主要任務集中在產品設計前期，產品設計師協調公司相關部門共同把控新品的整體開發進度，在產品確定方向進行概念設計階段，利用三維重建技術重建競標產品數據進行直觀分析對標，同時利用已有的主機和工作系統框架進行正向開發設計，通過三維數模直觀的感受確定新設計收割機產品的外觀和結構。在產品設計階段，利用三維重建技術得到產品原始數據，輪式收割機外觀件設計者利用逆行造型和正向建模并行設計，先用逆向建模來重構出收割機現有車型部件，再通過重構進行正向開發設計，從而保證收割機原有總成與新設計產品進行高配合裝配，進而從根源上保障裝配間隙［4］。在輪式收割機產品可行性分析驗證階段，除了通過實驗進行可靠性的分析外，為了節省時間和成本，還可以利用三維重建技術中的虛擬仿真進行外觀造型分析和色彩搭配分析，用以找出開發產品裝配、力學結構、壁厚等需改進之處，及時反饋調整模具以保障最終設計的輪式收割機產品外觀造型美觀、結構合理、裝配順暢等。

4 結語

隨著人們生活水平的提高，輪式收割機消費者需求日益呈現出多元化、多層次的趨勢。輪式收割機產品未來將朝著智能化、綠色化、人性化的方向發展。通過引入三維重建技術進行輪式收割機輔助開發，一方面三維重建技術的對標設計能力、逆向造型設計能力以及模擬真實產品驗證產品可行性的能力可以提高輪式收割機產品開發的效率，另一方面開發過程中三維重建技術得到的可靠對標指導數據可以為企業建立產品數據庫，為未來農機開發提供數據保障，從而更準確更快速地得到目標農機形體，提升農機新品開發效率和準確度。