何兵+陸文勝

摘要：Auto CAD廣泛應用于機械設計之中，利用Auto CAD可以高效、準確畫出機械零件的平面、三維的設計圖紙，方便零件的加工制造。本文從實物出發(fā)，通過測量機械零件的相關尺寸，利用Auto CAD三維設計功能，繪制零件的三維圖形，提高Auto CAD的實踐技能。

關鍵詞：CAD；機械零件；齒輪

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：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”（計算機輔助繪圖）的縮寫，是計算機技術的應用領域之一。Auto是美國Autodesk公司的簡稱，AutoCAD是美國Autodesk公司推出的通用計算機輔助繪圖和設計軟件。它在計算機繪圖和設計領域已經(jīng)領導潮流多年，是迄今為止流行最廣、普及最多的計算機繪圖軟件之一，具有豐富而強大的繪圖、圖形編輯、顯示控制、圖形輸出等功能，現(xiàn)已廣泛應用于機械、電子、建筑、汽車制造、航天、造船、醫(yī)學等領域。[1]

二、繪制組合齒輪實例

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

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

首先，利用測量工具（如游標卡尺、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)標準斜齒輪的相關公式a=m（Z1+Z2）/（2cosβ）和cosβ=Pn/Pt，和標準漸開線齒輪的嚙合條件：（1）m1=m2=m；（2）a1=a2=a（標準齒輪的壓力角為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)帶入相關的公式計算可計算出模數(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)的機械CAD繪圖員根據(jù)經(jīng)驗和齒輪的規(guī)律，制定了專業(yè)的CAD繪圖齒輪插件，既方便又省時。[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CAD后，選擇工具→載入應用程序，選擇GEAR插件，即可為CAD添加繪制齒輪的命令——GEAR。

設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)已自動計算出來，如果有較大的誤差再另行改動。[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的圖層。根據(jù)齒輪嚙合條件，以分度圓與中心線的交點為基點將齒輪3移動到齒輪1的對應位置，使兩齒輪截面嚙合，如圖3。

凍結齒輪3圖層，視圖切換至東南等軸測，接著將齒輪1沿著Z軸正向復制齒輪1，高度為30，并以圓心為基點在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，獲得上下兩個對應的輪齒截面如圖5。

用直線連接上下兩個齒輪截面，獲得齒輪1的齒條模樣，如圖6。

關閉中心線圖層，向右側(cè)復制齒條1模樣，采用edgesurf（邊界網(wǎng)格）命令，將復制后的齒輪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)格移動到齒輪1模樣的對應位置，按照該步驟將所有的封閉區(qū)域轉(zhuǎn)換的邊界網(wǎng)格移動到對應位置后。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，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，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，并移動至輪轂的對應位置，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基點，移動至齒輪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，并將這三個圓柱體歸屬于軸1圖層。并對高度為170的圓柱體上下兩個圓的邊、高度為30和高度為40.3的圓柱體底圓的邊進行半徑2的圓角，如圖15。

以圓柱體的圓心為基點移動三個圓柱體，成為一個三級軸，并選擇鍵槽，以線段39.3的上端點為移動基點，捕捉半徑為28.69的圓柱體頂面圓心為最終移動點，獲得最終的軸1完整模型如圖16。endprint

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

捕捉長度為39.3的線段的下端點移動軸1至齒輪1的中心線的上端點，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分別移動到合適位置，關閉多余圖層，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性，可通過CAD的渲染設置后進行渲染。CAD的渲染屬于三維的后期處理技術，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]，在此不做進一步的示范和介紹。

三、繪圖注意事項

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

2.在實際繪制齒輪截面中，應采用CAD插件來繪圖，提高繪圖效率和繪圖精確性。

3.在使用復制（移動）命令時，多采用帶基點復制（移動）的方法，提高復制（移動）位置的準確性。

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提高繪圖效率。此外，當CAD自帶的視口不能滿足觀察角度時，可通過shift+鼠標中鍵來轉(zhuǎn)動視口，從而獲得滿意的觀察角度。

6.鍵槽與鍵的位置要相對應、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)省了計算機計算量，提高運行速度，而三維真實樣式需要計算機計算量大，容易出現(xiàn)卡機狀態(tài)。[5]

參考文獻：

[1]張強華，李小青.AutoCAD實用教程[M].北京：清華大學出版社，2006.

[2]王公元，胡仁喜.精通AutoCAD2011機械設計[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011.

[3]郭建尊.機械制圖與計算機繪圖[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[4]邢玲.計算機輔助制圖與設計[M].北京：清華大學出版社，1999.

[5]王利華，張振軍.CAD在機械設計中的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].內(nèi)蒙古民族大學學報（自然科學版），2006，21（2）.endprint