程雪連 陳福德

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

關(guān)鍵詞：CAI技術(shù);測繪;三維掃描儀

中圖分類號：TB237? ? ? ?文獻標(biāo)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(xiàn)有的零件或機器進行拆卸和測量，繪制所有非標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計產(chǎn)品、仿制機器、修配設(shè)備以及產(chǎn)品資料的歸檔等方面都有很重要的意義。所以，測繪是技術(shù)員應(yīng)該有的一項基本技能?，F(xiàn)代的測量技術(shù)不僅會運用一般的測量工具，如游標(biāo)卡尺、千分尺等，還要結(jié)合計算機輔助設(shè)備進行測量，比如三坐標(biāo)測量機、三維掃描儀設(shè)備的使用，根據(jù)測量的數(shù)據(jù)結(jié)果利用計算機軟件重構(gòu)出零件的三維模型，進而實現(xiàn)零件的設(shè)計和制造過程。

CAI技術(shù)是計算機輔助檢測（Computer Aided Inspection）技術(shù)的簡稱，是一種基于計算機測量軟件和測量硬件設(shè)備的高精度、高效率的測量技術(shù)，是現(xiàn)代先進測量技術(shù)的發(fā)展趨勢?；贑AI技術(shù)的機械制圖測繪是指在沒有設(shè)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(shè)備，準(zhǔn)確快速地獲得樣品或輪廓外形的設(shè)計數(shù)據(jù)，通過點數(shù)據(jù)處理、曲面創(chuàng)建、三維實體模型重構(gòu)等造型設(shè)計手段得到樣品三維模型的模式。

1? 課程傳統(tǒng)測繪教學(xué)與工程實際相脫節(jié)

測繪實訓(xùn)脫節(jié)于工程，沒有樹立起實踐觀念，從工程應(yīng)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(yǎng)出的人才不能適應(yīng)社會的需要。目前，機械制圖和CAD實訓(xùn)的教學(xué)過程主要分為下文所述的兩個階段。

1.1? 以手工為主傳統(tǒng)的制圖測繪

在測繪實踐教學(xué)中，通常讓學(xué)生了解和理解被測量零部件的工作原理及其相互關(guān)系;其次，在充分分析和掌握其工作原理、內(nèi)外結(jié)構(gòu)、技術(shù)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(biāo)卡尺、內(nèi)外卡尺、鋼尺等量具進行測量，從而獲得具有三維數(shù)據(jù)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(shù)水平的差異，測量誤差大，工作效率低;由于復(fù)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(jié)構(gòu)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(jié)合AutoCAD軟件繪制機械工程圖樣

結(jié)合CAD技術(shù)的制圖測繪是指應(yīng)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(jié)構(gòu)圖。二維工程圖顯示了各個構(gòu)件的幾何結(jié)構(gòu)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(yīng)用到各種圖紙中。與傳統(tǒng)的手工繪圖技術(shù)相比，具有“高效率、高速、高質(zhì)量、高數(shù)量”的優(yōu)勢。然而，二維CAD只是用計算機替代了尺規(guī)等繪圖工具，而沒有從根本上改變傳統(tǒng)的測繪思想。

2? 結(jié)合CAI技術(shù)的現(xiàn)代制圖測繪過程

對模型精確地測量是實現(xiàn)零件測繪的關(guān)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(chǔ)要求。隨著社會地發(fā)展，我們周邊的產(chǎn)品日益多樣化、個性化，人們對產(chǎn)品設(shè)計的要求也日益提高，對產(chǎn)品造型的要求也日益流行，產(chǎn)品表面有大量自由曲面，這給傳統(tǒng)測繪方法帶來越來越大的挑戰(zhàn)。人們急切希望通過先進測量裝置來完成實物測量，而結(jié)合CAI技術(shù)輔助測量，是現(xiàn)代制圖測繪方式的一個發(fā)展方向。三坐標(biāo)測量機設(shè)備，能夠?qū)臻g任意的點位置進行精確測量。探討結(jié)合三維激光掃描儀這一現(xiàn)代測量方法及傳統(tǒng)的機械測量方式進行機械制圖繪畫的教學(xué)過程，即規(guī)則特征仍然采用了傳統(tǒng)測量手法，而非規(guī)則特征借助三維掃描器的掃描來實現(xiàn)零部件表面點的獲得，這也是目前制圖測繪實訓(xùn)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(jīng)事先校準(zhǔn)過，可以計算出激光線投影的三維線信息。

第二步：儀器根據(jù)物體表面固定的視覺標(biāo)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(dāng)掃描儀移動時，掃描儀的相對位置連續(xù)地獲得一個在激光位置上的三維信息，從而構(gòu)造出連續(xù)的三維數(shù)據(jù)，具體操作如下文所述。

2.1? 工件準(zhǔn)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(guān)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(tǒng)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(fā)亮或反光的面，為了有更好的掃描效果，應(yīng)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(biāo)定

使用標(biāo)定板，能夠校準(zhǔn)掃描儀。具體操作步驟為：

第一步：單擊快速標(biāo)定的圖標(biāo)，然后出現(xiàn)快標(biāo)界面，如圖2所示。需要說明的是，當(dāng)設(shè)備長時間不使用時或者在運輸過程中發(fā)生過抖動是，均需再一次快標(biāo)，一般情況下，一次快標(biāo)后可以長期使用。

第二步：將標(biāo)定板放置穩(wěn)定的平面，掃描儀正對標(biāo)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(fā)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(diào)整其與標(biāo)定板之間的距離，使左邊陰影圓與標(biāo)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(biāo)定處，這個角度為10步。

第四步：右側(cè)45度標(biāo)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(biāo)記點之間，使激光束與梯形陰影重合，進入下一步標(biāo)定，如圖5所示。左側(cè)45度標(biāo)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(biāo)記點之間，使與陰影重合，進入下一步標(biāo)定。上側(cè)45度標(biāo)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(biāo)記點之間，使陰影重合，進入下一步標(biāo)定。下側(cè)45度標(biāo)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(biāo)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(guān)閉標(biāo)定窗口，標(biāo)定到此完成。

2.2.2? 掃描

掃描前先設(shè)置掃描參數(shù)，其中描述解析度的設(shè)置為：根據(jù)掃描對象，不同的解析度，掃描程序越小，掃描的細節(jié)就越豐富，數(shù)據(jù)也就越大;曝光參數(shù)的設(shè)置為：根據(jù)掃描對象，設(shè)置不同的曝光參數(shù)（激光亮度），掃描物體的反光，顏色更深，適度地調(diào)高曝光參數(shù)。

掃描步驟的具體操作為：

第一步：點擊掃描標(biāo)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(biāo)記點進行掃描，其中軟件左下角會顯示掃描標(biāo)記點的數(shù)量。掃描標(biāo)記點完成后，可點擊軟件左上角的文件，進行標(biāo)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(shù)據(jù)處理完成，點擊左上角文件，進行工程另存為，將點云數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理軟件中打開編輯。

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

2.2.3? 點云數(shù)據(jù)的后處理

點云數(shù)據(jù)IGES格式文件導(dǎo)入UG-NX軟件中，應(yīng)用曲面擬合功能完成三維零件特征的構(gòu)建，最后導(dǎo)出二維工程圖，得到具體的尺寸數(shù)據(jù)。

3? 改革效果

面對現(xiàn)代工程設(shè)計的要求，測繪也需要緊跟時代新工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，改革傳統(tǒng)的測繪模式。基于CAI技術(shù)的機械制圖模式采用了新的測量思想，取代了一些傳統(tǒng)的測量方法，提高了測量精度和效率，解決了模型上復(fù)雜不規(guī)則曲面特征的測量問題。教學(xué)實踐表明，學(xué)生能在測繪過程中學(xué)習(xí)新技術(shù)、掌握新方法、發(fā)展新觀念。同時，通過引導(dǎo)學(xué)生找到測繪理論與現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)應(yīng)用的結(jié)合點，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

4? 結(jié)? 論

針對目前教學(xué)中機械制圖測繪和工程實際脫節(jié)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(xiàn)在的計算機輔助測量（CAI）技術(shù)——三維激光掃描儀設(shè)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(xué)與工程之間的脫節(jié)現(xiàn)象，簡化了曲面復(fù)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。