基于CAD技術的制圖測繪模式研究及其教學設計

摘 要 基于CAD技術的制圖測繪模式，適應高職教學特點，注重培養學生的實踐能力以及對新技術的了解與應用。該模式以三維掃描儀代替傳統的測量工具，應用CAD技術完成圖形的處理，獲得了有利于實現CAX集成的三維幾何模型。制圖測繪模式的創新，體現了教學環節與生產實踐和技術發展的一致性，有助于培養學生的創新意識和能力。

關鍵詞 制圖測繪；三維掃描；CAD；幾何建模；教學設計

中圖分類號 G712 文獻標識碼 A 文章編號 1008-3219（2013）32-0046-03

收稿日期：2013-10-11

作者簡介：孫亞玲（1961- ），女，江蘇南京人，南京技師學院高級講師；方東陽（1971- ），女，河南唐河人，鄭州大學機械工程學院講師；張愛梅（1964- ），女，河南唐河人，鄭州大學機械工程學院教授。

在工程實際中，產品的更新設計無處不在，對原產品進行測繪是更新設計過程中一個重要環節。隨著CAD技術的發展及其應用領域的深化，機械設計過程呈集成化趨勢。面對現代工程設計的要求，測繪環節也需要適應新技術，改變傳統的測繪模式，實現測繪結果由二維工程圖向三維幾何實體模型的轉變。

一、傳統制圖測繪模式及其局限性

傳統測繪方法中，利用游標卡尺、內外卡規和鋼尺等量具對機件進行測量，獲得機件的三維尺寸數據，繪制零件草圖，然后由零件草圖再畫出零件工作圖。在這個過程中，由于人的主觀因素和技術水平的差異，會產生較大的測量誤差，而且效率低；對于復雜的曲面等結構更是無法直接測量，常采用近似的方法確定其結構尺寸，工作難度大，準確度低，難以滿足工程實際的需求。

二、基于CAD技術的制圖測繪思想

為了改變傳統的測繪方法滯后于工程實際的現狀，本文提出基于CAD技術的制圖測繪模式。這種測繪方法利用三維掃描儀對被測零件進行掃描測量，獲得零件表面的三維點云數據；運用Geomagic和CATIA等CAD軟件，在對點云數據處理的基礎上，完成被測零件的表面重構和三維模型的建立[1]，同時也可根據需要進一步生成二維工程圖。

（一）數據獲取

零件的數字化測繪首先要把零件實物模型轉化為離散的點云數據，通過特定的測量設備獲得零件表面各點的幾何坐標。零件表面三維數據的獲取方法分為接觸式和非接觸式：接觸式測量使用測頭直接碰觸零件表面，根據測量裝置的空間幾何結構得到測頭的坐標，這種方法測量精度高，速度慢；非接觸式是基于計算機視覺原理，從攝像機拍攝的圖像中獲取目標的三維信息，測量精度高，速度快，獲得的密集點云信息量大，能最大限度地反映被測零件表面的真實形狀[2]。目前逆向工程中第二種數據獲取方法較為常用。

本文所用的結構光三維掃描儀就屬于非接觸式掃描。它是利用光平面照射在物體表面產生光條紋，由條紋的形態和間斷性體現零件表面的形狀信息；經過裝置定標后，可計算出零件表面某一點的三維坐標；配合機械掃描運動，可以獲得零件表面各點的坐標[3]。為了能夠全面表達被測零件的形狀特征，掃描時首先將對象劃分為若干區域，然后借助輪廓特征確定每個區域的掃描路徑，得到多個方位的表面特征圖像，最后通過合成得到完整的零件表面。

（二）數據處理

點云的數據處理環節非常重要，直接影響接下來曲面和三維模型重構的質量；處理的內容包括點云數據的拼接、過濾和網格化[4]，這些處理在Geomagic或CATIA中都可以完成。

點云拼接。由于被測繪零件表面結構的表達需多方位掃描的圖像，這些圖像經過拼接才能得到零件總體外貌。拼接就是將不同坐標系下的點云數據統一到同一坐標系中，統一的方法是在兩幅圖像中尋找有相同特征的點，實現特征點重合；逐幅圖像進行拼接最后獲得完整的數據信息。拼接過程中常用的確定相同特征點的方法有：利用同一曲率的數據點作基準，或者是掃描前在零件表面粘貼標記點作為參考基準等。

點云過濾。拼接后的零件表面圖像點云數量龐大，各幅圖像間點云的重復也較多。為了提高運算速度，可以過濾一部分點云。常用的過濾方法有均勻采樣法、弦差分法、空間采樣法和包圍盒法。過濾的原則是在曲率變化小的部位點云可以稀疏一些，而變化較大部位點云應密集一些。另外，由于掃描過程中受外界光線的干擾、被測件表面反射特性及系統和隨機誤差等因素的影響，測量數據中會存在一些“噪聲”點，這些點在進行線面操作前也應去除。

點云網格化。掃描得到的點云包含零件表面的拓撲結構，但點云本身并不能表示，因而需要對點云數據進行分析，構建網格來反映零件表面的拓撲結構。常見的網格構建模型有基于多項式擬合的NURBS模型、三角形網格模型和四邊形網格模型等。

（三）曲面重構和三維模型的重建

在CATIA中基本曲面的構建主要有兩種方法：一是由點云直接擬合成曲面，二是由點云創建曲線再生成曲面。由點云擬合成曲面，是把不同的點云數據之間應用CATIA中的部分功能，直接生成曲面片。由于這種方法對點云質量要求較高，曲面之間拼接的連續性約束需要預先合理規劃，且生成曲面后調整也比較困難，因此實際測繪時，建議采用基于曲線的曲面構建方法。由曲線生成曲面，可由CATIA中數字化設計模塊下的截面法或提取特征線的方法得到掃描線；通過分析曲線的曲率變化并進行調節，得到變化均勻且光順程度比較好的樣條曲線；再應用創成式設計模塊中的掃掠、填充或混成等功能擬合曲面。在曲面重構過程中，較大的點云圖應根據零件的表面特征，分成若干個小的點云進行操作，逐步將每個小的曲面片拼合，得到完整的零件表面，然后再利用CATIA中的拉伸、修剪、倒角、圓角等特征命令重建三維模型。

三、實例分析

以生產中常見的零件為例，若要清楚表達該零件外形表面特征，一般需要多個方向視圖。在新的測繪模式中，采用結構光3DSS三維掃描儀掃描零件表面。為了拼接時能夠準確找出各幅點云圖的公共點，掃描前先在零件表面粘貼一些參考基準點，根據該零件結構特點分3個角度對零件進行掃描，形成3幅點云圖，在Geomagic中把這些點云圖進行處理，得到能夠反映零件總體形狀特征的點云圖。

在CATIA中的數字化外形設計模塊中，將處理好的點云利用Import導入；依據點云提供的特征信息，在創成式外形設計模塊功能下，對零件的各部分特征進行重構；最后再通過一系列三維特征命令完成零件的幾何實體模型。對于物體中深的內腔結構，目前的掃描尚無法表現；在測繪過程中，需要應用機械設計的知識進一步完善零件的結構。

四、教學設計

考慮到高職教學中注重實踐的特點，教學過程中從時間到內容都強化了測繪環節。測繪從原來的一周延長為兩周，測繪方法采取傳統測繪模式與創新測繪模式并行。簡單零件仍采用傳統方法進行測繪，如減速器中的齒輪和軸類零件等；復雜零件，如箱蓋和箱體，采用新的測繪方法與傳統的測繪方法，在學生測繪過程中，特別是對于減速箱蓋上不易測量的弧形表面，通過三維掃描得到了準確的點云數據，并依據點云數據創建了三維幾何模型。

綜上，這種測繪模式利用新的測量工具替代傳統的測量工具，提高了測量精度和效率，解決了機件上復雜的不規則曲面結構測量問題。教學實踐表明：學生能夠從測繪過程中見到新技術，學到新方法，開拓新思路。同時能引導學生找到所學的理論與現代工程實際的結合點，有助于提高學生的學習積極性，培養學生的創新意識。

參考文獻：

[1]石永芳，孫文磊，等.犁臂三維幾何模型逆向工程研究[J].機械設計與制造，2006（7）：94-96.

[2]胡寅.三維掃描儀與逆向工程關鍵技術[D].武漢：華中科技大學，2005.

[3]金剛.三維掃描儀中三維信息獲取理論與技術研究[D].武漢：華中科技大學，2002.

[4]李豐，惠延波，等.基于逆向工程的汽車覆蓋件模型重構方法研究[J].機械設計與制造，2010（2）：4-6.

Research on the Surveying and Mapping Mode Based on CAD Technology and Its Teaching Design

SUN Ya-ling1， FANG Dong-yang2， ZHANG Ai-mei2

（1. Nanjing Technician College， Nanjing Jiangsu 210033；

2.School of Mechanical Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou He’nan 450001， China）

Abstract The surveying and mapping mode based on CAD technology should consider the characteristics of higher vocational education and teaching and pay attention to the cultivation of students’ practical ability as well as understanding and applying ability for new technologies. The mode adopted the spatial digitizer instead of traditional measuring tool， applied CAD technology to complete graphic processing， and got the three-dimensional geometrical modeling contributing to the achievement of CAX integration. The innovation of surveying and mapping mode reflects the consistence of teaching link， production practice and technology development and contributes to the cultivation of students’ innovative consciousness and ability.

Key words surveying and mapping； three-dimension scanning； CAD； geometrical modeling； teaching design