CAI技术在“机械制图测绘与CAD实训”课程中的应用

程雪连 陈福德

摘  要：文章对目前教学中机械制图测绘和工程实际脱节的原因进行了分析，针对复杂的教学零件测绘缺点，提出了融合计算机辅助测量（CAI）技术，该技术是一项比较先进的测量技术。详述了结合CAI技术以手持式三维激光扫描仪为例的现代测绘过程。用一种新的绘制模式和方法代替传统的测量方法，提高了测量的准确性和有效性，解决了不规则曲面复杂的测量方法。

关键词：CAI技术;测绘;三维扫描仪

中图分类号：TB237       文献标识码：A 文章编号：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

“测绘”，就操作过程而言，是指对现有的零件或机器进行拆卸和测量，绘制所有非标准零件的草图、工作图和装配图，并给出合理的表达方案，也就是测量零件和绘制图纸的过程。它对设计产品、仿制机器、修配设备以及产品资料的归档等方面都有很重要的意义。所以，测绘是技术员应该有的一项基本技能。现代的测量技术不仅会运用一般的测量工具，如游标卡尺、千分尺等，还要结合计算机辅助设备进行测量，比如三坐标测量机、三维扫描仪设备的使用，根据测量的数据结果利用计算机软件重构出零件的三维模型，进而实现零件的设计和制造过程。

CAI技术是计算机辅助检测（Computer Aided Inspection）技术的简称，是一种基于计算机测量软件和测量硬件设备的高精度、高效率的测量技术，是现代先进测量技术的发展趋势。基于CAI技术的机械制图测绘是指在没有设计图纸或图纸不完整而有样品的情况下，利用接触式或非接觸式的测量设备，准确快速地获得样品或轮廓外形的设计数据，通过点数据处理、曲面创建、三维实体模型重构等造型设计手段得到样品三维模型的模式。

1  课程传统测绘教学与工程实际相脱节

测绘实训脱节于工程，没有树立起实践观念，从工程应用的角度进行实践，跟不上时代的步伐，使测绘方式不能与社会实际使用的图形方式相对接，培养出的人才不能适应社会的需要。目前，机械制图和CAD实训的教学过程主要分为下文所述的两个阶段。

1.1  以手工为主传统的制图测绘

在测绘实践教学中，通常让学生了解和理解被测量零部件的工作原理及其相互关系;其次，在充分分析和掌握其工作原理、内外结构、技术要求组成材料和制造方法后，绘制其草图。目前作图方法主要有手工作图、图板仪器作图，然而这种图样出图费时费力。

在目前的测绘方法中，零件可以采用游标卡尺、内外卡尺、钢尺等量具进行测量，从而获得具有三维数据的零件，绘制一些草图，然后用零件的草图绘制一些工程图。在这一过程中，由于主观因素和技术水平的差异，测量误差大，工作效率低;由于复杂曲面的特点，直接测量难度较大，往往采用近似方法确定其结构尺寸，工作难度较大，而且精确度很低，难以满足实际工程需求。

1.2  结合AutoCAD软件绘制机械工程图样

结合CAD技术的制图测绘是指应用计算机软件辅助绘制工程图，如利用AutoCAD完善、强大的绘图和编辑功能，可以方便地在一台计算机上直接绘制得到精确的二维结构图。二维工程图显示了各个构件的几何结构特性及其公差。在绘图的过程中，工作人员将这些几何元素及其公差信息应用到各种图纸中。与传统的手工绘图技术相比，具有“高效率、高速、高质量、高数量”的优势。然而，二维CAD只是用计算机替代了尺规等绘图工具，而没有从根本上改变传统的测绘思想。

2  结合CAI技术的现代制图测绘过程

对模型精确地测量是实现零件测绘的关键，快速而完整的获得零部件模型形貌的特征，是制图绘画的又一基础要求。随着社会地發展，我们周边的产品日益多样化、个性化，人们对产品设计的要求也日益提高，对产品造型的要求也日益流行，产品表面有大量自由曲面，这给传统测绘方法带来越来越大的挑战。人们急切希望通过先进测量装置来完成实物测量，而结合CAI技术辅助测量，是现代制图测绘方式的一个发展方向。三坐标测量机设备，能够对空间任意的点位置进行精确测量。探讨结合三维激光扫描仪这一现代测量方法及传统的机械测量方式进行机械制图绘画的教学过程，即规则特征仍然采用了传统测量手法，而非规则特征借助三维扫描器的扫描来实现零部件表面点的获得，这也是目前制图测绘实训改革的一个主要方向。手持三维激光扫描仪的工作原则：

第一步：两组仪器的相机分别在被测对象上投影，两个激光会随着物体的表面形状而变形，这是因为两个摄像机已经事先校准过，可以计算出激光线投影的三维线信息。

第二步：仪器根据物体表面固定的视觉标记点，确定扫描仪在扫描过程中的空间位置扫描过程，用于变换空间的位置。

第三步：扫描仪利用第一步获得的线性三维信息和第二步获得的扫描仪空间，当扫描仪移动时，扫描仪的相对位置连续地获得一个在激光位置上的三维信息，从而构造出连续的三维数据，具体操作如下文所述。

2.1  工件准备

测量之前需要确定扫描模型中的一些点，这些点就是扫描粘贴定位点，这是扫描前要做的一项关键工作。要求反射点必须随机粘贴在工件表面，距离至少30 mm。如果曲面曲率变化不大，则距离可达100 mm。这些反射点使系统能够在空间中完成自我定位。并要求定位点必须贴在离边缘12 mm以上的地方，图1为合适点的分布样例。

需要说明的是一些黑色、透明、发亮或反光的面，为了有更好的扫描效果，应该在其上面喷涂白色粉末。但是，不是在任何情况下都很容易找到合适的定位点，比如很小的表面（小工件），这时候可以把定位点贴在一个平板上（最好是黑色且不光滑的），然后将工件放于平板上。

2.2  手持式三维扫描仪—软件的使用

2.2.1  标定

使用标定板，能够校准扫描仪。具体操作步骤为：

第一步：单击快速标定的图标，然后出现快标界面，如图2所示。需要说明的是，当设备长时间不使用时或者在运输过程中发生过抖动是，均需再一次快标，一般情况下，一次快标后可以长期使用。

第二步：将标定板放置稳定的平面，扫描仪正对标定板，距离30 cm，按一下扫描仪由上往下的第三个按键——扫描键，发出激光束（以三条平行激光为例），如图3所示。

第三步：控制扫描器的角度，调整其与标定板之间的距离，使左边阴影圆与标定器重合，保证在扫描器所处水平面不改变角度，水平扫描器使右边的梯形阴影重合，如图4所示，然后进入下一个标定处，这个角度为10步。

第四步：右侧45度标定，将扫描仪向右倾斜45度，激光束保持处在第三行与第四行标记点之间，使激光束与梯形阴影重合，进入下一步标定，如图5所示。左侧45度标定，将扫描仪向左倾斜45度，激光束保持处在第三行与第四行标记点之间，使与阴影重合，进入下一步标定。上侧45度标定，将扫描仪向上倾斜45度，激光束保持处在第三行与第四行标记点之间，使阴影重合，进入下一步标定。下侧45度标定，将扫描仪向下倾斜45度，激光束保持处在第三行与第四行标记点之间，使激光束与梯形阴影重合。界面提示如图6所示，点击右上角关闭标定窗口，标定到此完成。

2.2.2  扫描

扫描前先设置扫描参数，其中描述解析度的设置为：根据扫描对象，不同的解析度，扫描程序越小，扫描的细节就越丰富，数据也就越大;曝光参数的设置为：根据扫描对象，设置不同的曝光参数（激光亮度），扫描物体的反光，颜色更深，适度地调高曝光参数。

扫描步骤的具体操作为：

第一步：点击扫描标记点按钮，然后单击开始扫描，如图7所示。

第二步：将扫描仪正对该扫描工件，距离300 mm左右，按一下扫描仪上的扫描键，开始对标记点进行扫描，其中软件左下角会显示扫描标记点的数量。扫描标记点完成后，可点击软件左上角的文件，进行标记点另存为。再按一下扫描仪上的扫描键，停止扫描，接着单击界面上的暂停扫描，如图8所示。

第三步：切换成扫描激光点，点击开始扫描按钮。将扫描仪正对该扫描工件，距离300 mm左右，按一下扫描仪上的扫描键，开始扫描。扫描完成后，按一下扫描仪上的扫描键，停止扫描，再点击扫描软件上的暂停扫描。

第四步：等待点云数据处理完成，点击左上角文件，进行工程另存为，将点云数据另存为IGES格式，如图9所示。此格式为通用格式，可在其他三维数据处理软件中打开编辑。

需要注意的是：第一、二步称为预扫描标记点，也可以不预扫描标记点，直接从第三步开始操作。但是预扫描标记点后再扫描精度更佳，且扫描过程中过渡方便，建议先预扫描标记点。

2.2.3  点云数据的后处理

点云数据IGES格式文件导入UG-NX软件中，应用曲面拟合功能完成三维零件特征的构建，最后导出二维工程图，得到具体的尺寸数据。

3  改革效果

面对现代工程设计的要求，测绘也需要紧跟时代新工业技术的发展，改革传统的测绘模式。基于CAI技术的机械制图模式采用了新的测量思想，取代了一些传统的测量方法，提高了测量精度和效率，解决了模型上复杂不规则曲面特征的测量问题。教学实践表明，学生能在测绘过程中学习新技术、掌握新方法、发展新观念。同时，通过引导学生找到测绘理论与现代工业技术应用的结合点，有利于激发学生的学习兴趣，培养学生的创新意识。

4  结  论

针对目前教学中机械制图测绘和工程实际脱节的原因进行了分析，对于机械零件中曲面部分测绘时的不足，运用比较现在的计算机辅助测量（CAI）技术——三维激光扫描仪设备，并详述了手持式三维激光扫描仪的测绘过程。从而解决了教学与工程之间的脱节现象，简化了曲面复杂零件的测绘。

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作者简介：程雪连（1986—），女，汉族，山东菏泽人，讲师，硕士本科生，研究方向：机械工程，高等教育;陈福德（1985—），男，汉族，山东日照人，讲师，研究硕士生，研究方向：三维扫描，高等教育。