基于CAI技术的机械制图测绘实训改革初探

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摘 要： 分析了传统手工为主的机械制图测绘的缺陷，指出结合CAD技术的制图测绘没有从根本上改革制图测绘的教学手段，提出紧跟当前测量技术发展前沿的基于计算机辅助检测（cai）技术的现代机械制图测绘模式，该模式较好地借助于现代精密的测量技术能够有效地弥补传统制图测绘中的缺陷，并以一实例验证了该模式的可行。

关键词：制图测绘 计算机辅助检测 教学改革 三坐标测量机

Abstract： This paper describes the defects of traditional manual mechanical mapping and points out the combination of CAD technology for mechanical mapping not fundamentally reform the teaching means， and proposes a modern mechanical mapping mode based on the computer aided inspection （CAI） technology which is closely followed by the development of current measurement technology. The proposed model can effectively compensate for the defects in traditional mapping by using modern precision measurement technology and a test part is presented for verification.

Keywords： Mechanical mapping， Computer Aided Inspection （CAI）， educational reform， Coordinate Measuring Machine （CMM）

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2015）09-0096-02

前言

测绘就是对现有的机器或部件进行实物测量，绘出全部非标零件的草图，再根据这些草图绘制出装配图和零件图的过程。它在对现有设备的改造、维修、仿制和先进技术的引进等方面有着重要的意义[1]。因此，测绘是工程技术人员应该具备的基本技能。随着计算机绘图的普及，现代测绘训练不仅仅要求用一定的测量手段对实物或模型进行测量，而且还要根据测量数据通过三维几何建模方法重构出实物的CAD模型，从而实现产品设计与制造的过程。

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，利用接触式或非接触式的测量设备，准确快速地获得样品或轮廓外形的设计数据，加以点数据处理、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。

一、传统的机械制图测绘教学过程

1.以手工为主的传统的制图测绘

在制图测绘的实践教学当中，通常会先让学生认识、了解制图测绘部件的工作原理以及相互之间的关系；其次，在充分分析、掌握各零部件的工作原理、内外部结构、技术要求、构成材质以及制作方法后，再进行草图绘制。传统的制图测绘方法以手工草图、图板仪器绘图为主要绘制手段，图样出图费时费力[2]。

传统测绘方法中，利用游标卡尺、内外卡钳和钢尺等量具对机件进行测量，获得机件的三维尺寸数据，绘制零件草图，然后由零件草图画出零件工程图。在这个过程中，由于人的主观因素和技术水平的差异，会产生较大的测量误差，而且工作效率低；对于复杂的曲面等特征更是无法直接测量，常采用近似的方法确定其结构尺寸，工作难度大，准确度低，难以满足工程实际的需求。

2.结合CAD技术的制图测绘

结合CAD技术的制图测绘主要分为二维CAD和三维CAD两种。二维CAD是指应用计算机软件辅助绘制工程图的过程，如AutoCAD利用自身完善、强大的图形绘制、编辑功能，在电脑上轻松地绘制出精确的二维零部件工程图。二维工程图记录各零部件的几何图形特征和公差等信息，工作人员在制图测绘过程中，将这些几何图形元素和公差信息直接运用于各种图样绘制，相比手工绘制有着“高效、高速、高质、高量”的特点[3]。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。

20世纪80年代中期至今，以三维造型为基础的CAD技术得到广泛应用，使CAD迅速摆脱“图板”，引发了机械设计领域的又一次革命。三维CAD技术将零部件的外部特征转化成为三维的可视化模型，它同时还包含二维的几何特征元素，并将三维几何图形记录在软件数据库，这些接近零件实物的几何元素，使工作人员在实际工作中，可以直接运用来制作（加工）零件实物。三维CAD技术以其丰富的标准化零件库，为需要设计的产品提供了科学、合理的三维产品设计数据来源，使得设计人员在设计阶段可以运用系统已经非常成熟的模型进行零部件产品分析、设计和优化。三维CAD技术的运用极大地推动了机械行业的发展，促进了先进制造技术的提升。三维CAD技术虽然有着较多的优点，但仍然未改变传统手工绘图的设计观念，只是提高了绘图的效率，增强了图形表达的直观度。

二、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，而快速、完整地获得零件模型的形貌特征是对制图测绘的又一基本要求。随着社会的发展我们周围的产品越来越多样化、个性化，人们对产品设计的要求也越来越高，对产品造型方面的要求也趋于形体的流线型设计，产品表面拥有大量的自由曲面，这给传统的测绘手段带来了越来越大的挑战。人们迫切希望借助先进的测量设备完成实物的测量，结合CAI技术的现代制图测绘模式将成为当前制图测绘的一个发展方向。结合CAI技术的现代制图测绘中自由曲面的测量方法主要有二种：一是非接触测量法，如投影光栅法、激光三角形法、全息法、深度图像三维测量法；二是接触式测量法，如三坐标测量机（CMM）法。

基于计算机视觉的非接触式测量是当前制图测绘实训改革的主要方向，该方法具有非接触、扫描速度快（可达到10000点/秒）等特点[4]。但是该方法对物体边界的测量结果模糊，后期数据处理难度大，整体测量精度较低（多数精度只有0.01-0.03mm）。由于其测量过程是利用光学方法进行的，从而对被测物体的表面有一定要求。表面反光或全黑的物体均不适合用光学方法进行测量，或者说当遇到这样的被测物体时需要更复杂的光学技术或者需要通过一定的处理才能保证测量的顺利进行。与非接触测量方法相比，接触式测量虽然在数字化速度上比较低，但是它具有非常高的测量精度（精度达到1微米），且不受物体表面颜色及光照的限制，对物体边界也能产生准确的测量结果。该技术最典型的代表是三坐标测量机的应用。使用三坐标测量机能对空间的任意的点位置进行精确的测量。本文主要讨论结合三坐标测量机的这种现代测量方法和传统测量手段进行机械制图测绘的教学过程，即规则特征仍采用传统的测量手段，而非规则特征则借助于三坐标测量法实现零件表面点坐标的获取，其执行过程如图1所示。

1.零件模型数据获取

根据实物模型零件结构的特点，将零件特征划分为规则特征和非规则特征，所谓规则特征是指包含平面、孔等规则元素的特征，此类特征仍采用传统的测量工具如游标卡尺、卡钳等工具完成零件尺寸的测量；而非规则特征是指包含曲面（尤其是自由曲面）元素的特征，此类特征则采用三坐标测量机上完成零件尺寸的测量。

2.测量数据的后处理

采用传统的测量工具测量得到的零件尺寸是直观的尺寸，可直接用于作图；而采用三坐标测量机测量得到的空间点位置坐标（x，y，z）无法直接用于作图，需要进行二次处理运算才能得到我们想要采集的非规则表面特征。通常有两种方法，一是直接在三坐标测量机配套软件（如DMIS）上完成非规则特征的构建，然后导出IGES格式文件并输入三维造型软件即可；另一种方法是三坐标测量得到非规则特征的点云数据后，直接另存为IGES格式文件并输入三维造型软件，然后通过三维造型软件完成非规则特征的构建。

3.实例分析

为了验证结合CAI技术的制图测绘实践方法的有效性和可行性，实验中选取的零件如图2所示，该零件既有简单的规则特征如圆柱孔、平面等，也有传统测量方法无法测量或不容易测量的非规则特征，如曲面、球面的球心位置等。首先应用游标卡尺完成零件模型外形总体尺寸和规则特征的测量，得到了尺寸数据并记录下来。其次，应用三坐标测量机完成空间曲面的测量，得到一系列的空间点位置并导出IGES格式文件，如图2和图3所示。然后将空间点坐标的IGES格式文件导入Pro/ENGEER软件，应用曲面拟合功能完成曲面特征的构建，如图4所示。最后，根据传统测量方法得到的零件表面规则特征的尺寸数据并结合三坐标测量机测量得到的曲面特征构建完成零件的三维模型，如图5所示。

三、结束语

面对现代工程设计的要求，测绘环节也需要紧跟工业新技术发展时代，改革传统的测绘模式。基于CAI技术的机械制图测绘模式利用新的测量思路替代了部分传统的测量手段，提高了测量精度和效率，解决了模型上复杂的不规则曲面特征测量问题。教学实践表明：学生能够从测绘过程中学到新技术，掌握新方法，开拓新思路。同时能引导学生找到所学的制图测绘理论与现代工业技术应用的结合点，有助于激发学生的学习兴趣，培养学生的创新意识。

参考文献

[1]赵汉雨，常粉玲，唐豫桂，叶芳.“机械制图”测绘实习教学改革探讨[J].实验实践教学，2012：81-82.

[2]孙亚玲，方东阳，张爱梅.基于CAD技术的制图测绘模式研究及其教学设计[J].职业技术教育，2013，34（32）：46-48.

[3]贾雨，吴军，申凤君.工程制图测绘教学中应用三维CAD技术的方法研究[J].工程图学学报，2008（增刊）：124-126.

[4]胡寅.三维扫描仪与逆向工程关键技术[D].武汉：华中科技大学，2005.

作者简介：胡艳娥，女，广东顺德人，（1981-），工学学士，广州铁路职业技术学院机械助理实验师，主要从事机械制图教学工作及数字化设计制造与检测研究。

诸进才，通讯作者，广东东源人，（1982-），工学硕士，广州铁路职业技术学院讲师，主要从事数字化设计制造与检测方面的教学及研究工作。