三維機械零件快速設計方法研究

楊明亞,孫媛媛，楊穎潔

（1.安徽新聞出版職業技術學院，安徽合肥230601；2.蘇州德行電機有限公司，江蘇蘇州215122）

三維機械零件快速設計方法研究

楊明亞1,孫媛媛1，楊穎潔2

（1.安徽新聞出版職業技術學院，安徽合肥230601；2.蘇州德行電機有限公司，江蘇蘇州215122）

分析旋轉體和方形體類機械零件的幾何特點，用AutoCAD軟件設計該零件的3D圖，旋轉體類零件采用疊加法和旋轉法設計，方形體類的零件采用輔助線法和坐標法設計，結合實際零件的幾何特征，比較了每種方法的繪圖的特點，提供了三維零件圖的設計思路。

Auto CAD；三維圖；坐標；回轉體；方形體

前言

AutoCAD是計算機輔助設計軟件之一，筆者通常使用AutoCAD進行二維機械零件圖的設計，繪圖的速度既快精度又高，其功能較完善。如果遇到3D機械零件圖的設計也可以用AutoCAD軟件，而且繪圖的速度也快，方法也很簡單。在用AutoCAD設計三維的圖時，一定要熟悉作圖的三維坐標，應用轉換坐標，因為CAD軟件默認的大都在XY平面上繪圖，所以坐標轉換是繪圖的關鍵。當然坐標轉換的方式較多，比如：繞坐標軸旋轉，建立坐標原點以及建立面坐標系等等都要熟練運用。打開AutoCAD軟件的設計界面時，始終有一個用戶坐標系（UCS），它是系統默認的坐標系，在該坐標系中可以進行繪圖命令的操作，而且只有一個當前用戶坐標系。UCS系統由用戶來自己定義，它可以在任意一點上定義該坐標系，定義XY平面，并根據XY平面，拉伸出Z軸方向的幾何尺寸。AutoCAD命令操作中的許多幾何編輯命令取決于UCS的位置和方向，一般將二維圖形將繪制在UCS的XY平面上。應用UCS命令操作，定義用戶坐標系在3D空間中的方向，根據坐標系中的XYZ平面來建立實體模型。AutoCAD繪制三維圖形的命令有多個，用得較多的命令就是BOX（長方體）、CYLINDER（圓柱體）、EXTRUDE（拉伸）、REVOLVE（旋轉）、布爾運算及三維實體編輯等命令，大部分的3D零件圖都可以應用這些命令來設計。

運用AutoCAD軟件可以設計各式各樣的3D零件模型，3D零件模型的種類有三種，分別是：線框型、表面型和實體型，每種模型的應用的場合各有不同，繪圖用的命令也不一樣，比如繪制長方體的表面圖形使用AI_BOX命令創建，如果用BOX命令繪制的是長方體實體模型。

（1）線框型

AutoCAD的線框型模型是三維圖形的幾何框架，是一種較簡單的3D表達方式，由線段和曲線組成幾何結構，如圖1所示。

圖1 線框模型

圖2 表面模型

圖3 實體模型

（2）表面型

表面型模型用組成形體的不同的表面繪制3D圖形，它描繪了3D圖形的幾何表面，使其具有形體面的特點，如圖2所示。

（3）實體型

實體型模型零件不僅具有幾何線、面的特征，而且還具有幾何體的一些特征，如圖3所示。可以對3D實體模型進行并集、交集、差集等布爾運算，來設計更加復雜的3D及機械零件圖，也可以用把AutoCAD軟件設計的3D圖形輸入到3DS MAX中去進行渲染處理，使所設計的3D零件圖外觀更加逼真。

1 回轉體三維圖的繪制

回轉體的范圍很大，包括圓柱體、圓錐體、圓臺、圓球等等，這些幾何體有一個共同的特點就是有中心線，比如圖4所示的軸就是典型的回轉體零件。

圖4 軸的零件圖

首先，設計平臺的設置，它是由不同的菜單、各種工具欄、繪圖選項板等組成的繪圖環境，繪圖工作空間的設置為三維建模，視覺樣式為：真實，三維導航為：西南軸等測，圖層的設置等等。

然后用CYLINDER命令繪制圓柱體，設計的方法共有三種：

（1）從“實體”工具欄中單擊“圓柱體”按鈕。（2）選擇“繪圖”→“實體”→“圓柱體”命令。(3)從鍵盤輸入命令：cylinder。

1.1 疊加法繪制

疊加法的順序是繪制不同直徑的圓柱體，最后通過布爾加進行疊加，成為一個整體。先建立第一個圓柱體55*26，如圖5所示，再建立第二個圓柱體60*（70-26）即60*44，如圖6所示，再建立第三個圓柱體70*35，如圖7所示，等等依次從左到右建立各個圓柱體50*10，55*38，050*67等等。調整坐標系，并旋轉坐標軸至東南軸等測方向，這樣的角度好繪制圓柱體，如圖8所示。

圖5 圓柱體55＊26

圖6 圓柱體60＊44

在繪圖時，為了看圖或繪圖的方便可以隨時調整視圖的方向，也可以調整視圖方向為東北軸等測。

圖7 圓柱體50＊67

圖8 軸的整體圖

通過一個個圓柱體的三維圖的繪制，最后疊加成為了一個整體的零件圖，用這種方式和方法繪制的3D圖的步驟很清晰，也很直觀，不會出現大的錯誤，即使有錯誤也好改正，繪圖的方法較為簡單。在繪制時要把正交和對象捕捉打開，這樣在繪制下一個圓柱體時就可以捕捉前一個圓柱體的圓心，接著疊加圓柱體，繪圖的精度和準確性容易保證。

1.2 旋轉法繪制

用旋轉法繪制3D圖的方法與疊加法不一樣，這個要有旋轉軸和要旋轉的平面，先繪出旋轉的平面，就是圖9所示的軸的縱向剖切平面圖，繪圖的方法有多種，可以用“偏移”命令結合“修剪”命令繪制，也可以用“坐標點法”繪制，尺寸要準確，繪制完成后要進行“面域”操作，然后在三維建模中進行“旋轉（revolve）”命令操作，繞軸線旋轉，如圖10所示，繪制完成軸的3D圖，如圖11所示。

圖9 軸的縱向剖切平面圖

圖10 旋轉命令操作

圖11 軸的3D圖

就上述的兩種方法比較而言，旋轉法繪制軸的3D圖，繪圖方法簡單，繪圖的速度較快，容易操作，使用于任何的回轉體。

1.3 延伸到空心軸的繪制

空心軸在繪制時，如果采用第一種方法，要繪制空心的圓柱體，一個個的疊加，也可以繪制一個個的實心的圓柱體，最后采用布爾減的方法，繪制出空心的圓柱體。如果采用第二種方法，就是在繪制軸的縱向剖切平面圖，留出空心余量如圖12所示，而后繞軸線旋轉，也可以很方便的繪出空心軸，如圖13所示。

圖12 空心軸的縱向剖切平面

圖13 空心軸

2 方形體的繪制

在繪制方形體時，如果是規則的長方體，就要在三維建模中用繪制“長方體（BOX）”的命令，繪出方形體，如果是不規則的形體就先繪制出不規則體的平面圖，后采用“拉伸（EXTRUDE）”命令來拉伸一定的高度，如圖14所示。

在圖15零件的繪制過程中，要分析零件的幾何特點，該零件是由兩部分組成的，下面的規則的長方體，上部分是圓柱體，長方體的繪制很簡單，用“BOX”命令來繪制，圓柱體也可以用“CYLINDER”命令來繪制，也可以用“EXTRUDE”拉伸完成，長方體上有四個小孔，孔中心位置的定位要準確，還有倒角等結構參數，繪圖的常用方法有兩種，一種是作輔助線法，一種是坐標法。

圖14 不規則的形體

圖15 方形體零件

2.1 作輔助線法

此種方法的繪圖時要作各種所需要的輔助線，用來定位孔和圓柱體的中心點，在長方體的上表面上繪制中心線，要注意的是只有在XY平面里才可以繪制圖，如果不在XY平面內，就旋轉坐標軸，如圖16所示，中線繪制好之后可以繪制對應的圓柱體和長方體上的孔，如圖17所示，再由布爾運算，完成整個圖形的繪制，如圖18所示，最后標注尺寸，如圖19所示。

圖16 長方體及輔助線

圖17 長方體上繪制孔

圖18 繪制完成后的圖形

圖19 標注尺寸

2.2 坐標變換法

先建立長方體的模型長寬高為：120*80*20,然后重新建立坐標原點，通過移動原點建立新的坐標系，把坐標系放在長方體的一個角點上，如圖20所示，即把長方體的角點作為坐標系的原點，接下來就找到圓柱體的圓心是坐標（60,40，0），在此處建立兩個圓柱體分別是40*60和20*60，然后用布爾減命令繪制出圓柱體，如圖21所示。同樣的方法，繪制出小圓柱體，用布爾運算，繪制出長方體上的四個圓孔。

圖20 建立新坐標系

圖21 繪制出圓柱體

3 結論

在設計零件的三維圖時，可根據零件的不同形狀，采用不同的方法，如果是回轉體，用“旋轉法”設計較簡單，繪圖的速度較快，“疊加法”繪制時回轉體時，由于有時疊加的圓柱體太多就容易出現錯誤，而旋轉法繪制這樣三維圖就不易出現錯誤。如果是方形體類的零件，可以采用“輔助線”法來說繪制零件的三維圖，這樣就比較簡單，繪制的步驟也很清晰，如果用“坐標法”繪制，就要計算坐標值，一旦計算不準確，就會出現錯誤。對于復雜的方形體類的零件可以多種方法共用，只要繪圖速度快，不易出錯，繪圖準確就是好的方法。

注釋及參考文獻：

[1]李善鋒．AutoCAD2012中文版完全自學教程[M]．北京:機械工業出版社,2012．

[2]孫江宏．AutoCAD 2012實用教程[M]．北京:中國水利水電出版社,2012．

[3]陳志民．AutoCAD2012實用教程[M]．北京:機械工業出版社2011．

[4]崔文程．中文版AutoCAD 2012實用教程[M]．北京:清華大學出版社,2012．

Study on the Method of Rapid Design of 3D Mechanical Parts

YANG Ming-ya1,SUN Yuan-yuan1，YANG Ying-jie2
（1.Anhui Vocational and Technical College of News and Print,Hefei,Aanhui 230601；2.Suzhou Deshen Motor Co.,Ltd.，Suzhou,Jiangsu 215122）

Analysis of the geometric characteristics of the rotary geometries and the square geometries mechanical parts,the 3D part drawings are designed by AutoCAD software,using the add method and rotation method in the design of rotating parts,the auxiliary line method and coordinate method to design a square geometriesparts,combined with the actual geometric features of parts,compared with each method of drawing the characteristics,providing design ideas of 3D part drawing.

Auto CAD；3D part drawing；coordinate system；the rotary geometries；the square geometries

TH13；TP391.72

A

1673-1891（2015）03-0039-03

2015-05-10

楊明亞（1972-），男，安徽臨泉人，碩士研究生，講師，研究方向：計算機輔助機械設計。