一、引言

    齒輪加工動畫仿真是齒輪設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，已有數(shù)篇關(guān)于該課題的文獻(xiàn)。郭曉東采用基于AutoCAD環(huán)境的ObjectARX軟件包，用C++語言在AutoCAD環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了對錐齒輪切齒過程的仿真；羅慶生在3DSMAX環(huán)境中開發(fā)了齒輪機(jī)構(gòu)工作動畫；馮涓在CAD環(huán)境下，用AutoLisp語言建立了范成法加工齒輪的仿真演示程序。

    以上各種方法都有自己的特點(diǎn)，本文用VB對AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)來實(shí)現(xiàn)齒輪加工的三維動畫仿真，這是因?yàn)閂B是目前最簡捷的Windows軟件開發(fā)工具兼程序設(shè)計(jì)語言，能對AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)，可將AutoCAD當(dāng)成自己程序中的一個圖形窗口對其進(jìn)行打開、繪圖等操作，能十分方便地實(shí)現(xiàn)齒輪加工的動畫仿真。

二、仿真程序流程圖與窗體設(shè)計(jì)

    常見的齒輪加工方法有仿形法和范成法，范成法又包括齒輪插刀加工法、齒條插刀和齒輪滾刀加工法等。加工直齒圓柱齒輪的仿真程序流程，如圖1所示。

圖1 仿真程序流程圖

    本程序只用一個窗體，用四個文本框接收輸入?yún)��?shù)：齒數(shù)Z、模數(shù)m、壓力角α和變位系數(shù)x，用4個命令框控制子程序，1個命令框取消運(yùn)行程序。該窗體運(yùn)行結(jié)果如圖2所示。

圖2 仿真窗體

三、 仿真方法

1. 在VB中連接AutoCAD

    用VB控制AutoCAD，是通過VB的Object技術(shù)來控制AutoCAD的對象及其方法和屬性的。VB6.0在調(diào)用AutoCAD 2000對象時，首先必須在VB中引用該對象庫，方法是在VB的“Projects/Preferences”菜單中選擇“AutoCADObjectLibrary”。

    程序設(shè)計(jì)伊始，需定義一個AutoCAD對象變量GearCAD，通過該變量可以訪問AutoCAD的下級對象，定義方法為：Dim GearCAD As AcadApplication。然后在VB的窗體代碼中添加如下代碼，即可在程序運(yùn)行時啟動AutoCAD：

Private Sub Form-Load()
On Error Resume Next
Set GearCAD=CreatObject（“AutoCADApplication”）
GearCAD.Visible=True（顯示AutoCAD窗體）
End Sub
在運(yùn)行時要確保硬盤中已安裝了AutoCAD 2000。

2. 設(shè)置視點(diǎn)和著色方式

    三維動畫演示需設(shè)置三維視點(diǎn)，用如下語句實(shí)現(xiàn)：

GearCAD.ActiveDocument. ActiveViewport.Direction=NewDirection GearCAD.ActiveDocument.ActiveViewport = GearCAD.ActiveDocument.Active Viewport
其中，NewDirection（0 To 2）為雙精度型一維數(shù)組變量，存放視點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
用SendCommand方法實(shí)現(xiàn)圖形著色，本程序中使用Gouraud著色方式，可使三維模型表面光滑，富有逼真的質(zhì)感。其代碼如下：
GearCAD.ActiveDocument.Send Command“_Shademode”+vbCr+“_G”+vbCr。

3. 齒輪毛坯的生成

    在程序中先根據(jù)輸入的參數(shù)計(jì)算出齒輪的齒根圓半徑Rf、齒頂圓半徑Ra、分度圓半徑R、基圓半徑Rb、輪坯厚度Height和軸孔半徑r等。再利用AddCylinder方法分別生成一個以Ra為半徑的一個圓柱體Gear3d和一個以r為半徑的圓柱體Hole，再用布爾減（Boolean acSubtraction）方法生成齒輪中間的軸孔。

4.刀具的生成

    以齒條刀具為例，刀具模型形狀和刀具實(shí)體創(chuàng)建完畢時，分別如圖3和圖4所示。

圖3 齒條刀具模型

圖4 仿真輪坯和齒條刀具

具體創(chuàng)建步驟如下：

(1)過0~5點(diǎn)，用Addlight weightpolyline方法創(chuàng)建輕便多義線Curve(0)；
(2)鏡像(Mirror)刀具左部多義線Curve(0)，得到右部線段Curve(1)；
(3)用Addregion方法得到刀具截面面域Tool；
(4)用Addextrudedsolid方法將刀具面域拉伸得到三維刀具實(shí)體Tool3d；
(5)將單齒刀具實(shí)體Tool3d進(jìn)行單行陣列(Arrayrectangular)，得到多個齒Tools；再將多個齒Tools進(jìn)行布爾加運(yùn)算(Boolean Acunion)得到齒條刀具Tool3d；
(6)將齒條刀具Tool3d一端平移至與輪坯剛好相遇，準(zhǔn)備切齒。平移尺寸根據(jù)變位系數(shù)x、模數(shù)m等參數(shù)算出。

5. 齒輪加工三維動畫制作

仍以齒條插刀為例，動畫制作主要步驟及代碼如下：

(1)復(fù)制刀具Tool3d得到Tool3dcopy，用輪坯Gear3d與復(fù)制所得刀具Tool3dcopy的布爾減（Boolean acSubtraction），完成刀具對齒輪毛坯的切削；

(2)刀具向前水平移動，每次移動距離（πm/n）mm，n為正整數(shù)；刀具沿齒輪毛坯上下移動（用Move方法實(shí)現(xiàn)）切制出齒輪厚度方向齒形；

(3)輪坯Gear3d繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，每次轉(zhuǎn)動[2π/（nz）]弧度。
圖5和圖6分別為齒條插刀和仿形銑齒的動畫仿真情形。

圖5 齒條插刀動畫仿真

圖6 仿形銑齒動畫仿真

四、應(yīng)用實(shí)例

    運(yùn)行本程序時，只要輸入齒數(shù)Z等參數(shù)，就可以模擬各種齒輪加工過程。例如，改變齒數(shù)Z或變位系數(shù)x可以觀察根切過程及變位齒輪的加工。表1是仿真所得的標(biāo)準(zhǔn)齒輪、發(fā)生了根切的齒輪及正變位齒輪的對比。

五、結(jié)論

    通過VB對AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了VB界面對AutoCAD中對象的控制，既發(fā)揮了VB在科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理及界面友好和事件驅(qū)動方面的優(yōu)勢，又利用了AutoCAD的精確繪圖功能。我們借此方便地實(shí)現(xiàn)了齒輪加工的三維動畫仿真，這在科研和教學(xué)方面有較大的實(shí)用性。