王虞錦

（福建理工學校 福建省福州市 350002）

1 零部件測繪與CAD成圖技術技能競賽新規(guī)程介紹

2021年全國職業(yè)院校技能大賽零部件測繪與CAD成圖技術技能競賽賽項規(guī)程發(fā)生了很大的變化，新規(guī)程以典型機械零部件實體、零部件工程圖、機械產品零件圖樣、機械產品三維裝配圖等素材為載體，通過對零部件測繪與質量檢測、工程圖審核與結構優(yōu)化、機械產品工程圖設計、機械產品三維模型設計及職業(yè)素養(yǎng)等五個模塊的考核，檢測競賽選手在零部件測繪與CAD成圖技術方面的專業(yè)知識與技能。競賽總時長為 7.5 小時，分一天半進行，其中，第一天上午為零部件測繪與質量檢測、工程圖審核與結構優(yōu)化兩個任務，用時3小時；第一天下午為機械產品工程圖設計任務，用時2.5小時；第二天上午為機械產品三維模型設計任務，用時2小時。

五個模塊考核的具體內容為：

（1）模塊一、零部件測繪與質量檢測：根據競賽任務書要求，用指定測量器具完成指定零件的質量檢測、典型零件的測繪，用賽場提供的 CAD軟件，設計各個典型零件的工藝模型及指定零件的工程圖，成績占比35%。

（2）模塊二、工程圖審核與結構優(yōu)化：根據競賽任務書要求，按國家機械制圖標準，審核零件工程圖與機械產品裝配圖中視圖表達、尺寸標注、技術要求及結構設計的不當之處，用賽場提供的軟件進行修正或合理優(yōu)化，成績占比10%。

（3）模塊三、機械產品工程圖設計：根據競賽任務書要求，按照機械制圖國家標準，用賽場提供的CAD軟件，拆分指定機械產品裝配圖電子文件，生成設計任務要求的組件二維裝配工程圖和非標零件機械工程圖，成績占比35%。

（4）模塊四、機械產品三維模型設計：根據競賽任務書要求，使用賽場提供的軟件，調用標準件模型庫，設計機械產品三維模型，包括曲面、管道、鈑金等結構，生成產品安裝與拆卸爆炸圖、虛擬仿真動畫，并進行渲染，成績占比20%。

（5）模塊五、職業(yè)素養(yǎng)：按照安全生產規(guī)范，規(guī)范操作工量具、計算機，注意現(xiàn)場安全文明、有序完成任務，合理應對賽場各類問題，尊重裁判及工作人員，保持賽位整潔，成績占-3%，倒扣分制。

賽項涉及的技術規(guī)范有：

（1）測量技術：能使用量具測量零件的長度、寬度、深度、高度、中心距、軸徑、孔徑等尺寸；能使用R規(guī)或半徑規(guī)測量圓弧尺寸；能使用各類游標卡尺或采用打表法測量軸、盤套類零件偏心距；能使用萬用角度尺或傾角儀測量角度或錐度；能使用公法線千分尺或螺紋樣規(guī)測量三角螺紋、T型螺紋；能使用公法線千分尺、齒距儀等量具測量直齒圓柱齒輪、圓錐齒輪；能使用鋼直尺、公法線千分尺、齒距儀等量具測量蝸輪蝸桿。

（2）專業(yè)基礎：圖紙幅面與格式、標題欄、比例、字體和圖線及尺寸標注；軸、套、盤、叉架及箱體類零件圖、標準件、裝配圖的表達方法；尺寸公差與配合、幾何公差、測繪技術；軸、套、盤、箱體等零件的常用機械加工工藝與技術要求；各類量具使用方法，各類尺寸、角度，常見幾何誤差的測量技術，質量檢測報告書的填寫及不同質量產品的處理措施；各類機械零件的材料、結構，各類機械機構的運動原理、結構特點；機械結構要素、鋼件、鑄件、鍛件設計的一般標準與規(guī)范。

（3）軟件操作：能熟練設置圖層、文字和標注樣式；能熟練使用繪圖與編輯命令、參數化繪圖、視圖操作與圖層控制；能根據國家機械制圖標準，正確表達工程視圖，包括基礎視圖、投影視圖、剖視圖、局部視圖、各類斷面圖等；能使用文字輸入、表格繪制、尺寸與尺寸公差以及幾何公差標注、圖塊與外部參照等工具設計工程圖；能將各種素材轉化為設計圖元并進行輔助設計；熟練掌握各類打印輸出方法并實現(xiàn)外部交互等。能熟練操作三維軟件建模工具，根據要求設置繪圖環(huán)境；能熟練操作軟件的草圖、造型與曲面等建模工具進行建模。能熟練構建軸套類、盤蓋類、叉架類、箱體類、齒輪類、蝸輪與蝸桿類典型零件；能夠創(chuàng)建各種凸緣、凹陷、百葉窗等特征；能根據要求添加和編輯結構構件，具備定制各種結構構件的能力；能分析曲面造型，搭建空間曲線，創(chuàng)建出符合功能要求的曲面；能根據構件功能要求，修補模型破損面。能熟練組合零部件，裝配成組部件或產品，并按照零件間的客觀關系賦予不同的約束條件使之協(xié)調；能利用干涉檢查反推零件設計；能熟練創(chuàng)建爆炸圖、運動仿真動畫，按照工作要求選擇合適的效果對產品進行渲染并展示設計方案。

2 標準直齒圓柱齒輪介紹

齒輪廣泛應用于機器的傳動，它不僅可以用來傳遞動力，還能改變轉速和回轉方向。齒輪三維建模也是零部件測繪與CAD成圖技術技能競賽?？己说囊豁椫匾寄?，熟練掌握齒輪的建模才能夠進一步完成整個機構的建模、裝配和運動仿真。

2.1 標準直齒圓柱齒輪三維建模涉及的幾何要素

如圖1所示，標準直齒圓柱齒輪幾何要素有很多，三維建模時涉及的幾何要素主要有以下四個：

圖1：標準直齒圓柱齒輪幾何要素

（1）齒頂圓：通過輪齒頂部的圓，用da表示。

（2）齒根圓：通過輪齒根部的圓，用df表示。

（3）分度圓：一個約定的假想圓，在該圓上，齒厚s等于齒槽寬e（s和e均指弧長），用d表示。

（4）基圓：齒輪漸開線的發(fā)生圓，用db表示。

2.2 標準直齒圓柱齒輪三維建模涉及的基本參數

由于標準直齒圓柱齒輪很多參數國標中已明確規(guī)定，所以在建模時只要有齒輪的齒數z、模數m、齒寬b三個參數就可以完成齒輪的建模。

（1）齒數z：齒輪上輪齒的個數就是該齒輪的齒數。齒輪測繪時一般直接數出來。

（2）模數m：模數是齒距p與圓周率π的比值，即m=p/π，單位為mm。齒輪測繪時一般用游標卡尺測出齒頂圓da，再根據齒頂圓計算公式：da=m(z+2），求出m的值。

（3）齒寬b：整個齒輪的寬度。

2.3 標準直齒圓柱齒輪三維建模涉及的基本公式

由于標準直齒圓柱齒輪很多參數國標中已確定，建模時掌握以下幾個計算公式即可：

（1）分度圓計算公式：d=m*z

（2）齒頂圓計算公式：da=d+2*m

（3）齒根圓計算公式df=d-2.5*m

（4）基圓計算公式db=d*cos(20)

注：分度圓直徑等于齒輪的齒數乘以模數，齒頂圓的直徑比分度圓的直徑大了兩個齒頂高，齒根圓的直徑比分度圓的直徑小了兩個齒根高，基圓的直徑等于分度圓的直徑乘以壓力角的余弦。

3 標準直齒圓柱齒輪的三維建模

下面以齒數z=20、模數m=3、齒寬b=20的齒輪為例，介紹標準直齒圓柱齒輪的建模方法。

（1）打開中望3D軟件，新建零件，命名零件名稱“標注直齒圓柱齒輪”，進入建模空間，進入草圖頁面，點擊菜單欄“插入”選項卡，選擇方程式管理器，進入方程式管理器對話框。

（2）在方程式管理器對話框中輸入6個公式：z=20、m=3、d=m*z、da=d+2*m、df=d-2.5*m、db=d*cos(20)。注意類型欄為數字、常量，表達式每完成一次點擊確認√，如圖2所示。所有公式輸完后，核對對話框中“值”那一列的數值是否正常，是否符合齒輪各參數之間的關系da>d>db>df。確認無誤后，點擊確認。

圖2：鏡像漸開線

在草圖中分別繪制基圓、分度圓、齒頂圓、齒根圓四個圓，圓心選擇(0,0,0)。

選擇方程式，在方程式對話框中選擇圓柱齒輪齒廓的漸開線，出現(xiàn)標準直齒圓柱齒輪齒廓漸開線方程式的公式：

x=10*cos(60*t)+pi*10*60*t/180*sin(60*t)

y=10*sin(60*t)-pi*10*60*t/180*cos(60*t)

由于軟件中默認基圓的半徑是10，所以我們要將公式里面的基圓半徑替換成所要建模的齒輪基圓半徑。

將方程式公式中的10替換成db/2，點擊確定后，得到漸開線。

創(chuàng)建漸開線端點與圓心的直線,連接直線段和漸開線。創(chuàng)建原點和漸開線與分度圓交點的直線段(鏡像線）。將漸開線逆時針旋轉 360/(4*z)，并根據鏡像線鏡像特征，得到兩條漸開線，如圖2所示。

（3）修剪漸開線，得到齒槽輪廓。

（4）退出草圖，根據齒頂圓尺寸建圓柱體（并倒角），拉伸齒槽輪廓，選擇切除命令，切除齒槽。選擇陣列特征命令，選擇圓形陣列，輸入齒數z和陣列角度360/z，得到齒輪三維模型。如圖3所示。

圖3：齒輪三維模型

綜上所述，中望3D建標準直齒圓柱齒輪三維模型主要用到齒數z和模數m兩個參數，建模過程可以簡單歸納為：輸入公式做四圓、選擇方程做漸開、鏡像漸開做齒槽、拉伸齒槽做齒輪。

4 標準斜齒圓柱齒輪介紹

在實際應用中，斜齒輪因傳動平穩(wěn)，沖擊、振動和噪聲小等特點，故而在高速重載場合廣泛使用。

由齒廓曲面形成原理可知，直齒圓柱齒輪在嚙合過程中，接觸線平行于軸線，因而一對直齒齒廓是同時沿整個齒寬進入嚙合、脫離嚙合，即其上的載荷也是突然加上和突然卸下，易引起沖擊，傳動平穩(wěn)性較差。而斜齒圓柱齒輪接觸線為斜直線，接觸線長度先由短到長，再由長到短，直至脫離嚙合，故傳動平穩(wěn)性好，承載能力強，適用于高速重載傳動。在傳動時會產生軸向力。

4.1 標準斜齒圓柱齒輪三維建模涉及的幾何要素

標準斜齒圓柱齒輪三維建模涉及的幾何要素，只要在標準直齒圓柱齒輪三維建?；A上增加螺旋角和旋向兩個要素即可。

4.2 標準斜齒圓柱齒輪三維建模涉及的基本參數

由于標準斜齒圓柱齒輪很多參數國標中已明確規(guī)定，所以在建模時，在直齒圓柱齒輪的基礎上增加兩個參數螺旋角β和旋向x就可以完成建模：

（1）螺旋角β：斜齒輪的螺旋線為斜直線，螺旋線與分度圓柱母線的夾角稱螺旋角，用β表示。

（2）旋向x：斜齒圓柱齒輪旋向分為左、右旋兩種。斜齒輪旋向的快速判斷方法就是把斜齒輪中心線立起來，看齒輪的輪齒哪邊高，哪邊高就是哪邊旋，左高右低就是左旋，左低右高就是右旋。

4.3 標準直齒圓柱齒輪三維建模涉及的基本公式

標準斜齒圓柱齒輪三維建模在直齒圓柱齒輪的基礎上增加螺旋角和旋向兩個公式即可：

（1）分度圓計算公式：d=m*z

（2）齒頂圓計算公式：da=d+2*m

（3）齒根圓計算公式：df=d-2.5*m

（4）基圓計算公式：db=d*cos(20)

（5）螺旋角公式：β=螺旋角

（6）斜齒輪旋向公式：x=1（左旋）或 -1（右旋）

注：左旋齒輪建模時直接輸入x=1，右旋齒輪建模時輸入x=-1。

5 標準斜齒圓柱齒輪的三維建模

下面以齒數z=20、模數m=3、齒寬b=20、螺旋角β=15°、左旋的標準斜齒圓柱齒輪為例，介紹標準斜齒圓柱齒輪的建模方法。

（1）打開軟件，新建零件，命名“標準斜齒圓柱齒輪”，進入建?？臻g，進入草圖頁面，點擊菜單欄插入選項卡，選擇方程式管理器，進入方程式管理器對話框。

（2）在方程式管理器對話框中輸入8個公式：z=20、m=3、d=m*z、da=d+2*m、df=d-2.5*m、db=d*cos(20)、β=15、x=1。

（3）按標準直齒圓柱齒輪建模過程做到齒廓。

（4）退出草圖空間，點擊插入，點擊方程式曲線、選擇“螺旋上升的橢圓線”，修改螺旋上升的橢圓線默認公式為：X= d/2*cos(x*β*t)、Y= d/2*sin(x*β*t)、Z= 20*t，點擊確定，得到螺旋線。如圖4所示。

圖4：做出螺旋線

（5）根據斜齒輪齒頂圓尺寸建圓柱體（并倒角），選擇掃掠命令，選擇齒廓作為輪廓線，選擇螺旋線作為掃掠線，參數設置中：坐標選擇在交點上、Z 軸選擇路徑切向、X軸選擇固定方向、方向選擇 Z 軸方向。掃掠出齒槽輪廓，切除齒槽。

（6）選擇陣列特征命令，選擇圓形陣列，輸入齒數z和陣列角度360/z，得到斜齒輪三維模型。如圖5所示。

圖5：切出斜齒輪

綜上所述，中望3D建標準斜齒圓柱齒輪三維模型就是在直齒圓柱齒輪的基礎上增加了螺旋角β和旋向x兩個參數。建模過程可以簡單歸納為：圓柱齒輪加兩參、齒廓做完做螺旋，余弦正弦加寬度、掃掠切除得齒輪。

6 齒輪傳動的動態(tài)仿真

齒輪傳動的動態(tài)仿真，主要用到的約束指令是：距離約束、重合共面約束、相切約束、齒輪機械約束四個。下面以兩個標準直齒圓柱齒輪的嚙合傳動為例，介紹齒輪傳動的動態(tài)仿真。

（1）新建裝配，插入齒輪1，用距離約束將齒輪1圓心約束在坐標系原點處，用重合共面約束將齒輪1的齒輪端面跟XY平面重合。

（2）插入齒輪2，用距離約束，將兩齒輪的中心距約束為a=（d1+d2）/2。

（3）用重合共面約束將齒輪1和齒輪2的端面約束成共面。

（4）用相切約束將其中一對相嚙合的齒廓約束成相切。兩齒廓相切后，兩齒輪沒有重疊部分后，將相切約束取消。因為兩齒廓在傳動過程中是要分開的，相切約束只是為了讓兩個齒輪沒有重疊。如圖6所示。

圖6：相切約束

（5）點擊機械約束，選擇兩個齒輪的端面，外嚙合齒輪選擇反轉，即完成兩齒輪的裝配。

（6）選擇拖拽指令，轉動其中一個齒輪，即可完成齒輪傳動的動態(tài)仿真。

7 結束語

新規(guī)程下零部件測繪與CAD成圖技術技能競賽對選手的建模速度有了更高的要求。本文根據實際參賽經驗，介紹了標準直齒圓柱齒輪三維建模、標準斜齒圓柱齒輪三維建模、齒輪裝配、動態(tài)仿真的方法和技巧，希望能給讀者建模時提供新的思路。