一、引言

    齿轮加工动画仿真是齿轮设计中的重要环节，已有数篇关于该课题的文献。郭晓东采用基于autocad环境的objectarx软件包，用c++语言在autocad环境下实现了对锥齿轮切齿过程的仿真；罗庆生在3dsmax环境中开发了齿轮机构工作动画；冯涓在cad环境下，用autolisp语言建立了范成法加工齿轮的仿真演示程序。

    以上各种方法都有自己的特点，本文用vb对autocad进行二次开发来实现齿轮加工的三维动画仿真，这是因为vb是目前最简捷的windows软件开发工具兼程序设计语言，能对autocad进行二次开发，可将autocad当成自己程序中的一个图形窗口对其进行打开、绘图等操作，能十分方便地实现齿轮加工的动画仿真。

二、仿真程序流程图与窗体设计

    常见的齿轮加工方法有仿形法和范成法，范成法又包括齿轮插刀加工法、齿条插刀和齿轮滚刀加工法等。加工直齿圆柱齿轮的仿真程序流程，如图1所示。

图1 仿真程序流程图

    本程序只用一个窗体，用四个文本框接收输入参数：齿数z、模数m、压力角α和变位系数x，用4个命令框控制子程序，1个命令框取消运行程序。该窗体运行结果如图2所示。

图2 仿真窗体

三、 仿真方法

1. 在vb中连接autocad

    用vb控制autocad，是通过vb的object技术来控制autocad的对象及其方法和属性的。vb6.0在调用autocad 2000对象时，首先必须在vb中引用该对象库，方法是在vb的“projects/preferences”菜单中选择“autocadobjectlibrary”。

    程序设计伊始，需定义一个autocad对象变量gearcad，通过该变量可以访问autocad的下级对象，定义方法为：dim gearcad as acadapplication。然后在vb的窗体代码中添加如下代码，即可在程序运行时启动autocad：

private sub form-load()
on error resume next
set gearcad=creatobject（“autocadapplication”）
gearcad.visible=true（显示autocad窗体）
end sub
在运行时要确保硬盘中已安装了autocad 2000。

2. 设置视点和着色方式

    三维动画演示需设置三维视点，用如下语句实现：

gearcad.activedocument. activeviewport.direction=newdirection gearcad.activedocument.activeviewport = gearcad.activedocument.active viewport
其中，newdirection（0 to 2）为双精度型一维数组变量，存放视点的三维坐标。
用sendcommand方法实现图形着色，本程序中使用gouraud着色方式，可使三维模型表面光滑，富有逼真的质感。其代码如下：
gearcad.activedocument.send command“_shademode”+vbcr+“_g”+vbcr。

3. 齿轮毛坯的生成

    在程序中先根据输入的参数计算出齿轮的齿根圆半径rf、齿顶圆半径ra、分度圆半径r、基圆半径rb、轮坯厚度height和轴孔半径r等。再利用addcylinder方法分别生成一个以ra为半径的一个圆柱体gear3d和一个以r为半径的圆柱体hole，再用布尔减（boolean acsubtraction）方法生成齿轮中间的轴孔。

4.刀具的生成

    以齿条刀具为例，刀具模型形状和刀具实体创建完毕时，分别如图3和图4所示。

图3 齿条刀具模型

图4 仿真轮坯和齿条刀具

具体创建步骤如下：

(1)过0~5点，用addlight weightpolyline方法创建轻便多义线curve(0)；
(2)镜像(mirror)刀具左部多义线curve(0)，得到右部线段curve(1)；
(3)用addregion方法得到刀具截面面域tool；
(4)用addextrudedsolid方法将刀具面域拉伸得到三维刀具实体tool3d；
(5)将单齿刀具实体tool3d进行单行阵列(arrayrectangular)，得到多个齿tools；再将多个齿tools进行布尔加运算(boolean acunion)得到齿条刀具tool3d；
(6)将齿条刀具tool3d一端平移至与轮坯刚好相遇，准备切齿。平移尺寸根据变位系数x、模数m等参数算出。

5. 齿轮加工三维动画制作

仍以齿条插刀为例，动画制作主要步骤及代码如下：

(1)复制刀具tool3d得到tool3dcopy，用轮坯gear3d与复制所得刀具tool3dcopy的布尔减（boolean acsubtraction），完成刀具对齿轮毛坯的切削；

(2)刀具向前水平移动，每次移动距离（πm/n）mm，n为正整数；刀具沿齿轮毛坯上下移动（用move方法实现）切制出齿轮厚度方向齿形；

(3)轮坯gear3d绕自身轴线旋转，每次转动[2π/（nz）]弧度。
图5和图6分别为齿条插刀和仿形铣齿的动画仿真情形。

图5 齿条插刀动画仿真

图6 仿形铣齿动画仿真

四、应用实例

    运行本程序时，只要输入齿数z等参数，就可以模拟各种齿轮加工过程。例如，改变齿数z或变位系数x可以观察根切过程及变位齿轮的加工。表1是仿真所得的标准齿轮、发生了根切的齿轮及正变位齿轮的对比。

五、结论

    通过vb对autocad进行二次开发，实现了vb界面对autocad中对象的控制，既发挥了vb在科学计算、数据处理及界面友好和事件驱动方面的优势，又利用了autocad的精确绘图功能。我们借此方便地实现了齿轮加工的三维动画仿真，这在科研和教学方面有较大的实用性。