AutoCAD繪制機(jī)械零件三維圖的操作和技巧

何兵+陸文勝

摘要：Auto CAD廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)之中，利用Auto CAD可以高效、準(zhǔn)確畫出機(jī)械零件的平面、三維的設(shè)計(jì)圖紙，方便零件的加工制造。本文從實(shí)物出發(fā)，通過測量機(jī)械零件的相關(guān)尺寸，利用Auto CAD三維設(shè)計(jì)功能，繪制零件的三維圖形，提高Auto CAD的實(shí)踐技能。

關(guān)鍵詞：CAD；機(jī)械零件；齒輪

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）13-0174-04

一、引言

CAD是世界性的通用專業(yè)名詞，是“Computer Aided Design”（計(jì)算機(jī)輔助繪圖）的縮寫，是計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域之一。Auto是美國Autodesk公司的簡稱，AutoCAD是美國Autodesk公司推出的通用計(jì)算機(jī)輔助繪圖和設(shè)計(jì)軟件。它在計(jì)算機(jī)繪圖和設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)潮流多年，是迄今為止流行最廣、普及最多的計(jì)算機(jī)繪圖軟件之一，具有豐富而強(qiáng)大的繪圖、圖形編輯、顯示控制、圖形輸出等功能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、建筑、汽車制造、航天、造船、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。[1]

二、繪制組合齒輪實(shí)例

齒輪是減速機(jī)的重要組成零件。如圖1是型號(hào)JZQ200圓柱齒輪減速機(jī)的內(nèi)部齒輪分布。

下面以繪制該減速機(jī)的內(nèi)部齒輪為實(shí)例，介紹繪制CAD機(jī)械三維圖的操作和技巧。

首先，利用測量工具（如游標(biāo)卡尺、量角器等）分別測得如表1的數(shù)據(jù)：

測量出嚙合齒輪的中心距a13、a24，法面齒距Pn1、Pn2、端面齒距Pt1、Pt2：

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)斜齒輪的相關(guān)公式a=m（Z1+Z2）/（2cosβ）和cosβ=Pn/Pt，和標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒輪的嚙合條件：（1）m1=m2=m；（2）a1=a2=a（標(biāo)準(zhǔn)齒輪的壓力角為20°）；（3）兩齒輪截面的分度圓相切；（4）分度圓直徑d=mz/cosβ；（5）齒厚s=1.5708m。準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，齒頂高系數(shù)是1，頂隙系數(shù)是0.25，將數(shù)據(jù)帶入相關(guān)的公式計(jì)算可計(jì)算出模數(shù)m1=m3=2.25，m2=m4=1.5；分度圓螺旋角β1=14，β2=15；獲得的參數(shù)如表2所示。

1.繪制齒輪截面。為了節(jié)省齒輪截面圖的繪制，減少誤差，長期從事專業(yè)的機(jī)械CAD繪圖員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和齒輪的規(guī)律，制定了專業(yè)的CAD繪圖齒輪插件，既方便又省時(shí)。[2]

下面以繪制齒輪的齒輪參數(shù)化繪制（GEAR.VLX）插件為例介紹使用方法。這種插件的使用方法很簡單，首先將GEAR插件安裝在CAD的根目錄中，啟動(dòng)CAD后，選擇工具→載入應(yīng)用程序，選擇GEAR插件，即可為CAD添加繪制齒輪的命令——GEAR。

設(shè)置單位精度為毫米制，建立圖層如下圖所示。

輸入gear命令，系統(tǒng)將提示指定模數(shù)、齒數(shù)、壓力角、分度圓螺旋角、分度圓弧齒厚、齒頂圓直徑和齒根圓直徑參數(shù)，并確定是否繪制齒根過度圓弧和指定圓心即可獲得符合要求的齒輪截面。如圖2所示。

注意：輸入gear命令后，只需輸入法面模數(shù)2.25、齒數(shù)85和分度圓螺旋角14，其他參數(shù)系統(tǒng)已自動(dòng)計(jì)算出來，如果有較大的誤差再另行改動(dòng)。[3]

按照上述方法繪制出齒輪1和齒輪3的截面圖形，再將中心線和虛線分別歸屬到對應(yīng)的圖層。根據(jù)齒輪嚙合條件，以分度圓與中心線的交點(diǎn)為基點(diǎn)將齒輪3移動(dòng)到齒輪1的對應(yīng)位置，使兩齒輪截面嚙合，如圖3。

凍結(jié)齒輪3圖層，視圖切換至東南等軸測，接著將齒輪1沿著Z軸正向復(fù)制齒輪1，高度為30，并以圓心為基點(diǎn)在XY平面旋轉(zhuǎn)14°（螺旋角）。并繪制齒輪1的齒根圓，用直線連接上下對應(yīng)的齒條截面，如圖4。

采用修剪命令處理齒輪1，并刪除多余線條，獲得上下兩個(gè)對應(yīng)的輪齒截面如圖5。

用直線連接上下兩個(gè)齒輪截面，獲得齒輪1的齒條模樣，如圖6。

關(guān)閉中心線圖層，向右側(cè)復(fù)制齒條1模樣，采用edgesurf（邊界網(wǎng)格）命令，將復(fù)制后的齒輪1模樣上的每四條線圍成的所有封閉區(qū)域轉(zhuǎn)成邊界網(wǎng)格，如圖7。

將該邊界網(wǎng)格移動(dòng)到齒輪1模樣的對應(yīng)位置，按照該步驟將所有的封閉區(qū)域轉(zhuǎn)換的邊界網(wǎng)格移動(dòng)到對應(yīng)位置后。獲得齒條如圖8。將原齒輪1模樣的線條刪除，只留邊界網(wǎng)格圍成的封閉齒條，即為齒輪1的齒條。

注意：在轉(zhuǎn)換邊界網(wǎng)格時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)邊界網(wǎng)格的邊界與齒輪1模樣的線條曲線重合度變差太大時(shí)，可采增加網(wǎng)格數(shù)量來優(yōu)化，減小網(wǎng)格邊界與齒輪模樣的重合誤差。輸入surftab1，設(shè)置suftab1和surftab2的值為10或者更高即可。

接著按照繪制齒輪1的齒條的方法，繪制齒輪2、齒輪3的齒條。

2.繪制輪轂截面。繪制如圖9的輪轂截面，繞X軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并切換到三維隱藏視覺樣式，獲得輪轂的三維模型。

繪制長30寬33高12的長方體，并移動(dòng)至輪轂的對應(yīng)位置，如圖10。

用差集命令，用輪轂減去長方體，獲得帶鍵槽的輪廓，如圖11所示。

以輪轂的底面圓圓心為移動(dòng)基點(diǎn)，移動(dòng)至齒輪1底面截面的中心，并沿著X軸旋轉(zhuǎn)90度，打開齒輪1圖層，顯示齒條1，獲得圖12。

以底面齒輪1截面的圓心為陣列中心，對齒輪1的齒條進(jìn)行數(shù)量為85的環(huán)形陣列，獲得齒輪1的完整模型，如圖13。

關(guān)閉齒輪1圖層和齒輪3圖層，按以上方法，繪制出齒輪2的完整模型和齒條4，如圖14。

3.繪制齒輪1的軸——軸1。分別繪制半徑為28.69、高170；半徑為22.42、高30；半徑為20.1、高40.3的圓柱體，并將這三個(gè)圓柱體歸屬于軸1圖層。并對高度為170的圓柱體上下兩個(gè)圓的邊、高度為30和高度為40.3的圓柱體底圓的邊進(jìn)行半徑2的圓角，如圖15。

以圓柱體的圓心為基點(diǎn)移動(dòng)三個(gè)圓柱體，成為一個(gè)三級軸，并選擇鍵槽，以線段39.3的上端點(diǎn)為移動(dòng)基點(diǎn)，捕捉半徑為28.69的圓柱體頂面圓心為最終移動(dòng)點(diǎn)，獲得最終的軸1完整模型如圖16。endprint

將“鍵槽”置為當(dāng)前圖層，以軸1的頂部圓圓心為基點(diǎn)，90°旋轉(zhuǎn)軸1，并捕捉長度為39.3的線段的上端點(diǎn)移動(dòng)至軸1的頂部圓心，如圖17。

捕捉長度為39.3的線段的下端點(diǎn)移動(dòng)軸1至齒輪1的中心線的上端點(diǎn)，獲得完整的軸——齒輪模型，如圖18。

按繪制軸1的方法，根據(jù)軸2、軸3的尺寸分別繪制出軸2和軸3，為了方便觀察，將視覺樣式切換到真實(shí)視覺樣式，如圖19所示。

打開齒輪1、齒輪2、齒輪3、齒輪4和軸1圖層，將軸2和軸3分別移動(dòng)到合適位置，關(guān)閉多余圖層，獲得最終的減速器內(nèi)部齒輪組合模型顯示，如圖20。

如果要提高模型的真實(shí)性，可通過CAD的渲染設(shè)置后進(jìn)行渲染。CAD的渲染屬于三維的后期處理技術(shù)，相對于其他專業(yè)渲染軟件（如Vray等），CAD的渲染功能過于單薄[4]，在此不做進(jìn)一步的示范和介紹。

三、繪圖注意事項(xiàng)

1.繪圖前，根據(jù)繪制圖形的不同，設(shè)置好合適、明確的圖層，以達(dá)到繪圖過程的清晰、準(zhǔn)確。此外，配合圖層的凍結(jié)和開啟可以提高繪圖效率。

2.在實(shí)際繪制齒輪截面中，應(yīng)采用CAD插件來繪圖，提高繪圖效率和繪圖精確性。

3.在使用復(fù)制（移動(dòng)）命令時(shí)，多采用帶基點(diǎn)復(fù)制（移動(dòng)）的方法，提高復(fù)制（移動(dòng)）位置的準(zhǔn)確性。

4.圖層盡量采用隨層（bylayer），保持圖元與圖層的一致性，有利于繪圖界面的清晰。

5.CAD的三維繪圖少不了視口的切換，因此熟悉視口切換會(huì)提高繪圖效率。此外，當(dāng)CAD自帶的視口不能滿足觀察角度時(shí)，可通過shift+鼠標(biāo)中鍵來轉(zhuǎn)動(dòng)視口，從而獲得滿意的觀察角度。

6.鍵槽與鍵的位置要相對應(yīng)、吻合。

8.在幾種視覺樣式模式中，建議采用三維隱藏視覺樣式，該樣式節(jié)省了計(jì)算機(jī)計(jì)算量，提高運(yùn)行速度，而三維真實(shí)樣式需要計(jì)算機(jī)計(jì)算量大，容易出現(xiàn)卡機(jī)狀態(tài)。[5]

參考文獻(xiàn)：

[1]張強(qiáng)華，李小青.AutoCAD實(shí)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[2]王公元，胡仁喜.精通AutoCAD2011機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[3]郭建尊.機(jī)械制圖與計(jì)算機(jī)繪圖[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[4]邢玲.計(jì)算機(jī)輔助制圖與設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[5]王利華，張振軍.CAD在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，21（2）.endprint