CAI技術在“機械制圖測繪與CAD實訓”課程中的應用

程雪連 陳福德

摘? 要：文章對目前教學中機械制圖測繪和工程實際脫節的原因進行了分析，針對復雜的教學零件測繪缺點，提出了融合計算機輔助測量（CAI）技術，該技術是一項比較先進的測量技術。詳述了結合CAI技術以手持式三維激光掃描儀為例的現代測繪過程。用一種新的繪制模式和方法代替傳統的測量方法，提高了測量的準確性和有效性，解決了不規則曲面復雜的測量方法。

關鍵詞：CAI技術;測繪;三維掃描儀

中圖分類號：TB237? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）01-0153-04

The Application of CAI Technology in the Course of “Mechanical Drawing，Mapping and CAD Training”

CHENG Xuelian，CHEN Fude

（Shandong Huayu Institute of Technology，Dezhou? 253034，China）

Abstract：This paper analyzes the reasons for the disconnection between the current teaching machinery drawing and mapping and engineering practice，and puts forward the integration of computer aided inspection（CAI）technology，which is an advanced measurement technology，aiming at the shortcomings of complex teaching parts mapping. The modern surveying and mapping process combining CAI technology with handheld 3D laser scanner is described in detail. A new drawing mode and method is used to replace the traditional measurement method，which improves the accuracy and effectiveness of measurement and solves the complex measurement method of irregular surface.

Keywords：CAI technology;surveying and mapping;3D scanner

0? 引? 言

“測繪”，就操作過程而言，是指對現有的零件或機器進行拆卸和測量，繪制所有非標準零件的草圖、工作圖和裝配圖，并給出合理的表達方案，也就是測量零件和繪制圖紙的過程。它對設計產品、仿制機器、修配設備以及產品資料的歸檔等方面都有很重要的意義。所以，測繪是技術員應該有的一項基本技能。現代的測量技術不僅會運用一般的測量工具，如游標卡尺、千分尺等，還要結合計算機輔助設備進行測量，比如三坐標測量機、三維掃描儀設備的使用，根據測量的數據結果利用計算機軟件重構出零件的三維模型，進而實現零件的設計和制造過程。

CAI技術是計算機輔助檢測（Computer Aided Inspection）技術的簡稱，是一種基于計算機測量軟件和測量硬件設備的高精度、高效率的測量技術，是現代先進測量技術的發展趨勢。基于CAI技術的機械制圖測繪是指在沒有設計圖紙或圖紙不完整而有樣品的情況下，利用接觸式或非接觸式的測量設備，準確快速地獲得樣品或輪廓外形的設計數據，通過點數據處理、曲面創建、三維實體模型重構等造型設計手段得到樣品三維模型的模式。

1? 課程傳統測繪教學與工程實際相脫節

測繪實訓脫節于工程，沒有樹立起實踐觀念，從工程應用的角度進行實踐，跟不上時代的步伐，使測繪方式不能與社會實際使用的圖形方式相對接，培養出的人才不能適應社會的需要。目前，機械制圖和CAD實訓的教學過程主要分為下文所述的兩個階段。

1.1? 以手工為主傳統的制圖測繪

在測繪實踐教學中，通常讓學生了解和理解被測量零部件的工作原理及其相互關系;其次，在充分分析和掌握其工作原理、內外結構、技術要求組成材料和制造方法后，繪制其草圖。目前作圖方法主要有手工作圖、圖板儀器作圖，然而這種圖樣出圖費時費力。

在目前的測繪方法中，零件可以采用游標卡尺、內外卡尺、鋼尺等量具進行測量，從而獲得具有三維數據的零件，繪制一些草圖，然后用零件的草圖繪制一些工程圖。在這一過程中，由于主觀因素和技術水平的差異，測量誤差大，工作效率低;由于復雜曲面的特點，直接測量難度較大，往往采用近似方法確定其結構尺寸，工作難度較大，而且精確度很低，難以滿足實際工程需求。

1.2? 結合AutoCAD軟件繪制機械工程圖樣

結合CAD技術的制圖測繪是指應用計算機軟件輔助繪制工程圖，如利用AutoCAD完善、強大的繪圖和編輯功能，可以方便地在一臺計算機上直接繪制得到精確的二維結構圖。二維工程圖顯示了各個構件的幾何結構特性及其公差。在繪圖的過程中，工作人員將這些幾何元素及其公差信息應用到各種圖紙中。與傳統的手工繪圖技術相比，具有“高效率、高速、高質量、高數量”的優勢。然而，二維CAD只是用計算機替代了尺規等繪圖工具，而沒有從根本上改變傳統的測繪思想。

2? 結合CAI技術的現代制圖測繪過程

對模型精確地測量是實現零件測繪的關鍵，快速而完整的獲得零部件模型形貌的特征，是制圖繪畫的又一基礎要求。隨著社會地發展，我們周邊的產品日益多樣化、個性化，人們對產品設計的要求也日益提高，對產品造型的要求也日益流行，產品表面有大量自由曲面，這給傳統測繪方法帶來越來越大的挑戰。人們急切希望通過先進測量裝置來完成實物測量，而結合CAI技術輔助測量，是現代制圖測繪方式的一個發展方向。三坐標測量機設備，能夠對空間任意的點位置進行精確測量。探討結合三維激光掃描儀這一現代測量方法及傳統的機械測量方式進行機械制圖繪畫的教學過程，即規則特征仍然采用了傳統測量手法，而非規則特征借助三維掃描器的掃描來實現零部件表面點的獲得，這也是目前制圖測繪實訓改革的一個主要方向。手持三維激光掃描儀的工作原則：

第一步：兩組儀器的相機分別在被測對象上投影，兩個激光會隨著物體的表面形狀而變形，這是因為兩個攝像機已經事先校準過，可以計算出激光線投影的三維線信息。

第二步：儀器根據物體表面固定的視覺標記點，確定掃描儀在掃描過程中的空間位置掃描過程，用于變換空間的位置。

第三步：掃描儀利用第一步獲得的線性三維信息和第二步獲得的掃描儀空間，當掃描儀移動時，掃描儀的相對位置連續地獲得一個在激光位置上的三維信息，從而構造出連續的三維數據，具體操作如下文所述。

2.1? 工件準備

測量之前需要確定掃描模型中的一些點，這些點就是掃描粘貼定位點，這是掃描前要做的一項關鍵工作。要求反射點必須隨機粘貼在工件表面，距離至少30 mm。如果曲面曲率變化不大，則距離可達100 mm。這些反射點使系統能夠在空間中完成自我定位。并要求定位點必須貼在離邊緣12 mm以上的地方，圖1為合適點的分布樣例。

需要說明的是一些黑色、透明、發亮或反光的面，為了有更好的掃描效果，應該在其上面噴涂白色粉末。但是，不是在任何情況下都很容易找到合適的定位點，比如很小的表面（小工件），這時候可以把定位點貼在一個平板上（最好是黑色且不光滑的），然后將工件放于平板上。

2.2? 手持式三維掃描儀—軟件的使用

2.2.1? 標定

使用標定板，能夠校準掃描儀。具體操作步驟為：

第一步：單擊快速標定的圖標，然后出現快標界面，如圖2所示。需要說明的是，當設備長時間不使用時或者在運輸過程中發生過抖動是，均需再一次快標，一般情況下，一次快標后可以長期使用。

第二步：將標定板放置穩定的平面，掃描儀正對標定板，距離30 cm，按一下掃描儀由上往下的第三個按鍵——掃描鍵，發出激光束（以三條平行激光為例），如圖3所示。

第三步：控制掃描器的角度，調整其與標定板之間的距離，使左邊陰影圓與標定器重合，保證在掃描器所處水平面不改變角度，水平掃描器使右邊的梯形陰影重合，如圖4所示，然后進入下一個標定處，這個角度為10步。

第四步：右側45度標定，將掃描儀向右傾斜45度，激光束保持處在第三行與第四行標記點之間，使激光束與梯形陰影重合，進入下一步標定，如圖5所示。左側45度標定，將掃描儀向左傾斜45度，激光束保持處在第三行與第四行標記點之間，使與陰影重合，進入下一步標定。上側45度標定，將掃描儀向上傾斜45度，激光束保持處在第三行與第四行標記點之間，使陰影重合，進入下一步標定。下側45度標定，將掃描儀向下傾斜45度，激光束保持處在第三行與第四行標記點之間，使激光束與梯形陰影重合。界面提示如圖6所示，點擊右上角關閉標定窗口，標定到此完成。

2.2.2? 掃描

掃描前先設置掃描參數，其中描述解析度的設置為：根據掃描對象，不同的解析度，掃描程序越小，掃描的細節就越豐富，數據也就越大;曝光參數的設置為：根據掃描對象，設置不同的曝光參數（激光亮度），掃描物體的反光，顏色更深，適度地調高曝光參數。

掃描步驟的具體操作為：

第一步：點擊掃描標記點按鈕，然后單擊開始掃描，如圖7所示。

第二步：將掃描儀正對該掃描工件，距離300 mm左右，按一下掃描儀上的掃描鍵，開始對標記點進行掃描，其中軟件左下角會顯示掃描標記點的數量。掃描標記點完成后，可點擊軟件左上角的文件，進行標記點另存為。再按一下掃描儀上的掃描鍵，停止掃描，接著單擊界面上的暫停掃描，如圖8所示。

第三步：切換成掃描激光點，點擊開始掃描按鈕。將掃描儀正對該掃描工件，距離300 mm左右，按一下掃描儀上的掃描鍵，開始掃描。掃描完成后，按一下掃描儀上的掃描鍵，停止掃描，再點擊掃描軟件上的暫停掃描。

第四步：等待點云數據處理完成，點擊左上角文件，進行工程另存為，將點云數據另存為IGES格式，如圖9所示。此格式為通用格式，可在其他三維數據處理軟件中打開編輯。

需要注意的是：第一、二步稱為預掃描標記點，也可以不預掃描標記點，直接從第三步開始操作。但是預掃描標記點后再掃描精度更佳，且掃描過程中過渡方便，建議先預掃描標記點。

2.2.3? 點云數據的后處理

點云數據IGES格式文件導入UG-NX軟件中，應用曲面擬合功能完成三維零件特征的構建，最后導出二維工程圖，得到具體的尺寸數據。

3? 改革效果

面對現代工程設計的要求，測繪也需要緊跟時代新工業技術的發展，改革傳統的測繪模式。基于CAI技術的機械制圖模式采用了新的測量思想，取代了一些傳統的測量方法，提高了測量精度和效率，解決了模型上復雜不規則曲面特征的測量問題。教學實踐表明，學生能在測繪過程中學習新技術、掌握新方法、發展新觀念。同時，通過引導學生找到測繪理論與現代工業技術應用的結合點，有利于激發學生的學習興趣，培養學生的創新意識。

4? 結? 論

針對目前教學中機械制圖測繪和工程實際脫節的原因進行了分析，對于機械零件中曲面部分測繪時的不足，運用比較現在的計算機輔助測量（CAI）技術——三維激光掃描儀設備，并詳述了手持式三維激光掃描儀的測繪過程。從而解決了教學與工程之間的脫節現象，簡化了曲面復雜零件的測繪。

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作者簡介：程雪連（1986—），女，漢族，山東菏澤人，講師，碩士本科生，研究方向：機械工程，高等教育;陳福德（1985—），男，漢族，山東日照人，講師，研究碩士生，研究方向：三維掃描，高等教育。