基于智能化的矿山机械造型设计研究

时间：2024-11-06

王绍堂，韩家勇，陈思思，陈枷先，郎梓彭

（1.辽宁科技学院，机械工程学院，辽宁本溪 117000；2.辽宁师范大学海华学院，管理系，辽宁沈阳 121000）

在我国以往的矿山机械理念中可以看出，机械的造型设计主要受到产品功能性、安全性以及使用方式等因素的影响。在以往的矿山机械造型设计中，主要以技术指导为主题，但随着造型设计要求的提升，矿山机械造型设计也再不断发生转变[1]。矿山机械造型设计的主要理念在于将矿山机械产品的使用方式以及设计理念充分展现在产品造型外观上，同时考虑到矿山机械在使用过程中恶劣的工作环境，需要同样考虑到工业设计理论。将矿山机械整体设计达到最优化的同时，使机械整体造型设计考虑到细节处理考究、布局合理、造型新颖以及线条优美等因素[2]。矿山机械造型设计除考虑到外形因素外，更需要符合人机工程学，让机械能够满足使用者视觉和心理上需求的同时，减少因工作枯燥而带来的疲劳和精神负担，从而在提高工作效率的同时降低事故发生率。而随着科学技术的不断进步，现代矿山机械产品也在不断完善，因此为使矿山机械造型设计满足市场化需求，对基于智能化的矿山机械造型设计进行研究。

1 基于智能化的矿山机械造型设计

1.1 智能化矿山机械造型设计建模

智能化机械矿山机械造成设计主要采用3DS建模方法，这也是目前建模方式中最为快捷真实的方式[3]。在研究中，建模主要采用3DS建模与高级曲面建模相结合的方式，通过对可编辑对象的综合运用进行高级建模，其建模结构，如图1所示：

图1 智能化矿山机械造型设计建模结构

模型以几何学为基础，在对矿山机械整体外观进行设计时，主要考虑到机械整体与部件、部件与部件之间的关系，使机械整体符合几何规律，让机械整体能够更加美观，从而提升整体机械的市场价值。

1.2 智能化矿山机械外形设计

矿山机械智能化设计主要利用系统对机械通用特征、标准特征以及自由特征进行分析[4]。其中通用特征主要针对机械中使用相同或相似配件进行分析，在保证机械外形的同时将维修成本与制造成本控制在一定范围内；标准特征主要针对机械在设计中符合人机工程学的同时，满足国家或国际标准的相关要求，从而决定整体机械骨架结构；自有特征主要针对机械外形视觉的美观感与舒适度等因素进行设计，针对不同使用功能对机械的形态、色彩、材质等视觉与触觉进行分析设计。

1.3 智能化机械结构设计

矿山机械造型设计最主要的是产品结构，外结构是机械外形依附的主要载体，也是整个机械属性中难以映入眼帘的部分，机械结构的设计能够最大程度上让使用者增加对机械的了解。矿山机械结构的主要设计为整体机械造型与内在支撑造型，通过整体结构设计与内在结构设计的结合，增加使用者的便捷程度，从而提升机械附加值[5]。而操控室结构的合理设计能够让使用者在机械操作过程中更加准确，提升机械安全性。矿山机械的结构设计，考虑到其使用程度与操作行，需要结合机械使用场景，才能使机械结构设计更加具有有效性。由于矿山机械所使用造型环境较为复杂，主要用于露天或地下，背景为天空或植被，因此系统背景色较为复杂。根据机械工作环境对整体大背景进行分析，设定机械结构的颜色能够增加其醒目程度，例如，道路被判断为灰色系、植被为绿色系、天空为蓝色或白色。系统针对不同机械工作环境，利用拾色器对系统工作环境中每隔100像素进行饱和度、色相以及明度进行采样，通过分析后取平均值，如表1所示：

表1 矿山机械色彩色相、明度与饱和度采样值

其中，S为饱和度、H为色相、B为明度。三者数据范围均为0～255。根据数值分析，由此设计出最合适的机械结构的颜色。

2 实验分析

为验证基于智能化的矿山机械造型设计系统的有效性，设计如下对比实验。以两组设计机械后的工作效率作为实验对象，分为两组，其中基于智能化的矿山机械造型设计系统为实验组，传统设计方法作为对照组，在控制单一变量的前提下，分别记录两组的机械工作效率工作效率。对两组实验数据设定相应的条件，为保证实验的公平性，实验组、对照组参数始终保持一致。为了验证矿山机械造型设计的差异，实验组将按照需求使用基于智能化的矿山机械造型设计系统进行操作，而对照组采用传统处理的方式。

图2 矿山机械工作效率对比

矿山机械工作效率对比。实验组与对照组同时对机械工作效率进行实验，分别记录5、10、15、20、25个小时后，实验组与对照组的工作效率。为避免突发性事件对实验结果造成的干扰，实验组与对照组处理参数相同，具体结果如图。

对比上图实验结果，引入对照组和实验组矿山机械工作效率进行对比，实验组机械工作效率远远好于对照组。观察上图，利用实验组设计出的矿山机械与对照组设计出的矿山机械进行工作效率对比，实验组的工作效率为95.45，且效率较为稳定，与对照组相比，实验组工作效率得到4.86%的提升。