程雪連 陳福德

摘? 要：文章對(duì)目前教學(xué)中機(jī)械制圖測(cè)繪和工程實(shí)際脫節(jié)的原因進(jìn)行了分析，針對(duì)復(fù)雜的教學(xué)零件測(cè)繪缺點(diǎn)，提出了融合計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量（CAI）技術(shù)，該技術(shù)是一項(xiàng)比較先進(jìn)的測(cè)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(cè)繪過(guò)程。用一種新的繪制模式和方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量方法，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性和有效性，解決了不規(guī)則曲面復(fù)雜的測(cè)量方法。

關(guān)鍵詞：CAI技術(shù);測(cè)繪;三維掃描儀

中圖分類號(hào)：TB237? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(cè)繪”，就操作過(guò)程而言，是指對(duì)現(xiàn)有的零件或機(jī)器進(jìn)行拆卸和測(cè)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(dá)方案，也就是測(cè)量零件和繪制圖紙的過(guò)程。它對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品、仿制機(jī)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(cè)繪是技術(shù)員應(yīng)該有的一項(xiàng)基本技能?，F(xiàn)代的測(cè)量技術(shù)不僅會(huì)運(yùn)用一般的測(cè)量工具，如游標(biāo)卡尺、千分尺等，還要結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，比如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、三維掃描儀設(shè)備的使用，根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果利用計(jì)算機(jī)軟件重構(gòu)出零件的三維模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)零件的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程。

CAI技術(shù)是計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)（Computer Aided Inspection）技術(shù)的簡(jiǎn)稱，是一種基于計(jì)算機(jī)測(cè)量軟件和測(cè)量硬件設(shè)備的高精度、高效率的測(cè)量技術(shù)，是現(xiàn)代先進(jìn)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。基于CAI技術(shù)的機(jī)械制圖測(cè)繪是指在沒(méi)有設(shè)計(jì)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(cè)量設(shè)備，準(zhǔn)確快速地獲得樣品或輪廓外形的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，通過(guò)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理、曲面創(chuàng)建、三維實(shí)體模型重構(gòu)等造型設(shè)計(jì)手段得到樣品三維模型的模式。

1? 課程傳統(tǒng)測(cè)繪教學(xué)與工程實(shí)際相脫節(jié)

測(cè)繪實(shí)訓(xùn)脫節(jié)于工程，沒(méi)有樹立起實(shí)踐觀念，從工程應(yīng)用的角度進(jìn)行實(shí)踐，跟不上時(shí)代的步伐，使測(cè)繪方式不能與社會(huì)實(shí)際使用的圖形方式相對(duì)接，培養(yǎng)出的人才不能適應(yīng)社會(huì)的需要。目前，機(jī)械制圖和CAD實(shí)訓(xùn)的教學(xué)過(guò)程主要分為下文所述的兩個(gè)階段。

1.1? 以手工為主傳統(tǒng)的制圖測(cè)繪

在測(cè)繪實(shí)踐教學(xué)中，通常讓學(xué)生了解和理解被測(cè)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(fèi)時(shí)費(fèi)力。

在目前的測(cè)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(jìn)行測(cè)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(guò)程中，由于主觀因素和技術(shù)水平的差異，測(cè)量誤差大，工作效率低;由于復(fù)雜曲面的特點(diǎn)，直接測(cè)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(shí)際工程需求。

1.2? 結(jié)合AutoCAD軟件繪制機(jī)械工程圖樣

結(jié)合CAD技術(shù)的制圖測(cè)繪是指應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件輔助繪制工程圖，如利用AutoCAD完善、強(qiáng)大的繪圖和編輯功能，可以方便地在一臺(tái)計(jì)算機(jī)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(gè)構(gòu)件的幾何結(jié)構(gòu)特性及其公差。在繪圖的過(guò)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(shì)。然而，二維CAD只是用計(jì)算機(jī)替代了尺規(guī)等繪圖工具，而沒(méi)有從根本上改變傳統(tǒng)的測(cè)繪思想。

2? 結(jié)合CAI技術(shù)的現(xiàn)代制圖測(cè)繪過(guò)程

對(duì)模型精確地測(cè)量是實(shí)現(xiàn)零件測(cè)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(huì)地發(fā)展，我們周邊的產(chǎn)品日益多樣化、個(gè)性化，人們對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求也日益提高，對(duì)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(cè)繪方法帶來(lái)越來(lái)越大的挑戰(zhàn)。人們急切希望通過(guò)先進(jìn)測(cè)量裝置來(lái)完成實(shí)物測(cè)量，而結(jié)合CAI技術(shù)輔助測(cè)量，是現(xiàn)代制圖測(cè)繪方式的一個(gè)發(fā)展方向。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)設(shè)備，能夠?qū)臻g任意的點(diǎn)位置進(jìn)行精確測(cè)量。探討結(jié)合三維激光掃描儀這一現(xiàn)代測(cè)量方法及傳統(tǒng)的機(jī)械測(cè)量方式進(jìn)行機(jī)械制圖繪畫的教學(xué)過(guò)程，即規(guī)則特征仍然采用了傳統(tǒng)測(cè)量手法，而非規(guī)則特征借助三維掃描器的掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)零部件表面點(diǎn)的獲得，這也是目前制圖測(cè)繪實(shí)訓(xùn)改革的一個(gè)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(jī)分別在被測(cè)對(duì)象上投影，兩個(gè)激光會(huì)隨著物體的表面形狀而變形，這是因?yàn)閮蓚€(gè)攝像機(jī)已經(jīng)事先校準(zhǔn)過(guò)，可以計(jì)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(diǎn)，確定掃描儀在掃描過(guò)程中的空間位置掃描過(guò)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(dòng)時(shí)，掃描儀的相對(duì)位置連續(xù)地獲得一個(gè)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(cè)量之前需要確定掃描模型中的一些點(diǎn)，這些點(diǎn)就是掃描粘貼定位點(diǎn)，這是掃描前要做的一項(xiàng)關(guān)鍵工作。要求反射點(diǎn)必須隨機(jī)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(dá)100 mm。這些反射點(diǎn)使系統(tǒng)能夠在空間中完成自我定位。并要求定位點(diǎn)必須貼在離邊緣12 mm以上的地方，圖1為合適點(diǎn)的分布樣例。

需要說(shuō)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(diǎn)，比如很小的表面（小工件），這時(shí)候可以把定位點(diǎn)貼在一個(gè)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：?jiǎn)螕艨焖贅?biāo)定的圖標(biāo)，然后出現(xiàn)快標(biāo)界面，如圖2所示。需要說(shuō)明的是，當(dāng)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間不使用時(shí)或者在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生過(guò)抖動(dòng)是，均需再一次快標(biāo)，一般情況下，一次快標(biāo)后可以長(zhǎng)期使用。

第二步：將標(biāo)定板放置穩(wěn)定的平面，掃描儀正對(duì)標(biāo)定板，距離30 cm，按一下掃描儀由上往下的第三個(gè)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(jìn)入下一個(gè)標(biāo)定處，這個(gè)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(diǎn)之間，使激光束與梯形陰影重合，進(jìn)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(diǎn)之間，使與陰影重合，進(jìn)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(diǎn)之間，使陰影重合，進(jìn)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(diǎn)之間，使激光束與梯形陰影重合。界面提示如圖6所示，點(diǎn)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(duì)象，不同的解析度，掃描程序越小，掃描的細(xì)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(duì)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(diǎn)擊掃描標(biāo)記點(diǎn)按鈕，然后單擊開始掃描，如圖7所示。

第二步：將掃描儀正對(duì)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(duì)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行掃描，其中軟件左下角會(huì)顯示掃描標(biāo)記點(diǎn)的數(shù)量。掃描標(biāo)記點(diǎn)完成后，可點(diǎn)擊軟件左上角的文件，進(jìn)行標(biāo)記點(diǎn)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(diǎn)，點(diǎn)擊開始掃描按鈕。將掃描儀正對(duì)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(diǎn)擊掃描軟件上的暫停掃描。

第四步：等待點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理完成，點(diǎn)擊左上角文件，進(jìn)行工程另存為，將點(diǎn)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(diǎn)，也可以不預(yù)掃描標(biāo)記點(diǎn)，直接從第三步開始操作。但是預(yù)掃描標(biāo)記點(diǎn)后再掃描精度更佳，且掃描過(guò)程中過(guò)渡方便，建議先預(yù)掃描標(biāo)記點(diǎn)。

2.2.3? 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)IGES格式文件導(dǎo)入U(xiǎn)G-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(duì)現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)的要求，測(cè)繪也需要緊跟時(shí)代新工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，改革傳統(tǒng)的測(cè)繪模式?；贑AI技術(shù)的機(jī)械制圖模式采用了新的測(cè)量思想，取代了一些傳統(tǒng)的測(cè)量方法，提高了測(cè)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(cè)量問(wèn)題。教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生能在測(cè)繪過(guò)程中學(xué)習(xí)新技術(shù)、掌握新方法、發(fā)展新觀念。同時(shí)，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生找到測(cè)繪理論與現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)應(yīng)用的結(jié)合點(diǎn)，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(shí)。

4? 結(jié)? 論

針對(duì)目前教學(xué)中機(jī)械制圖測(cè)繪和工程實(shí)際脫節(jié)的原因進(jìn)行了分析，對(duì)于機(jī)械零件中曲面部分測(cè)繪時(shí)的不足，運(yùn)用比較現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)輔助測(cè)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(cè)繪過(guò)程。從而解決了教學(xué)與工程之間的脫節(jié)現(xiàn)象，簡(jiǎn)化了曲面復(fù)雜零件的測(cè)繪。

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作者簡(jiǎn)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(jī)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。