基于Flash ActionScript技術(shù)的齒輪范成虛擬實驗

郭德偉，柯建宏，江 潔，蘇艷萍

GUO De-wei1,2, KE Jian-hong2, JIANG Jie1, SU Yan-ping1

（1. 紅河學(xué)院 工學(xué)院，蒙自 661100；2. 昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650093）

0 引言

齒輪范成實驗是學(xué)習(xí)機(jī)械原理或機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)中齒輪部分的重要實驗，而范成原理又是該內(nèi)容的重點與難點[1]。通過實驗學(xué)生可以更好地理解、掌握范成法加工漸開線齒廓的切削機(jī)理，并對齒廓形成過程有一個清晰的認(rèn)識。目前該實驗主要是用機(jī)械式范成儀來完成，但存在如下問題：生源增加，實驗設(shè)備不足；長期使用磨損嚴(yán)重，影響精度；不能客觀反映齒輪設(shè)計參數(shù)對齒廓的影響等等。于是利用計算機(jī)圖形技術(shù)改造范成實驗十分必要，通過虛擬實驗可以滿足以上要求[2,3]。目前有利用VB、C或結(jié)合CAXA、AutoCAD、UG、Pro/e、CATIA等專業(yè)制圖軟件通過編程或二次開發(fā)來實現(xiàn)[4-11]，但相對不夠完善和直觀，且有些不能脫離基體軟件使用，使其應(yīng)用價值難以充分發(fā)揮?，F(xiàn)結(jié)合現(xiàn)代教育技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，使用Flash Actionscript技術(shù)開發(fā)了齒輪范成的虛擬實驗，充分體現(xiàn)了該類虛擬實驗在現(xiàn)代教育技術(shù)中的優(yōu)越性。

1 虛擬實驗系統(tǒng)

1.1 界面及其結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)實驗教學(xué)大綱，從實驗?zāi)康暮鸵蟪霭l(fā)，將齒輪范成虛擬實驗系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計成如圖1所示的四個部分：新手導(dǎo)航部分，主要展示系統(tǒng)軟件的操作環(huán)境及使用方法，各界面展示及相關(guān)按鈕的意義等；實驗指導(dǎo)部分，主要介紹實驗的基本原理、方法、操作步驟、實驗意義等，并提供實驗報告單下載；進(jìn)行實驗部分，主要反映齒輪范成實驗的過程，輸入或選擇相關(guān)齒輪設(shè)計參數(shù)，通過計算顯示齒輪的相關(guān)幾何尺寸，并自動繪制匹配齒條型刀具及各元件，逐步或一次性繪出齒條型刀具展開的軌跡，從而形成漸開線齒輪；齒廓比較部分，學(xué)生可以根據(jù)需要來了解不同設(shè)計參數(shù)對齒廓形狀及齒輪幾何尺寸的影響。

圖1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

整個實驗系統(tǒng)界面采用類金屬面板風(fēng)格，具有一定的機(jī)械專業(yè)特色。界面原大小為1024×768像素，通過其Flash Player播放可實現(xiàn)全屏，也可局部縮放，視口也可通過鼠標(biāo)拖移或滾輪實現(xiàn)適時平移和縮放，操作方便，清晰度高。由于篇幅所限，本文僅對實驗軟件中核心部分內(nèi)容進(jìn)行闡述。

1.2 齒輪坯和齒條型刀具的設(shè)計

在主界面上點擊“進(jìn)行實驗”按鈕將進(jìn)入?yún)?shù)輸入界面，一般標(biāo)準(zhǔn)漸開線圓柱齒輪的設(shè)計參數(shù)主要有模數(shù)m、齒數(shù)z、壓力角a、齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)c*、變位系數(shù)x等6項，其中模數(shù)還可以點擊輸入框邊上的小三角形按鈕打開標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列框進(jìn)行選擇，默認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)化值＝1和c*＝0.25[1]，也可進(jìn)行修改。點擊“確定”按鈕系統(tǒng)將按照輸入的設(shè)計參數(shù)計算并顯示齒輪常用的幾何尺寸數(shù)據(jù)，并按最大化顯示整個齒輪的最佳顯示比例生成齒輪坯，包括分度圓、齒頂圓、齒根圓和基圓及相互垂直的中心對稱軸，并用不同的顏色區(qū)別顯示。實驗過程中齒輪坯的旋轉(zhuǎn)主要通過其中心對稱軸的旋轉(zhuǎn)來體現(xiàn)。

齒條型刀具的設(shè)計根據(jù)GB/T1356-2001而建立，如圖2所示，刀具的實際刀頂線比普通齒條頂線高出一個高度為c*m的圓角部分，以便切出傳動時的頂隙部分，其中圓角半徑取r＝0.38m。設(shè)計中確定好最左端點A的坐標(biāo)及其它各點與點A間相對應(yīng)關(guān)系，利用ActionScript中的“l(fā)ine”直線命令和“curve”曲線命令繪出一個齒距間的完整齒形，再通過復(fù)制形成齒條型刀具，并將其放到一個影片剪輯中以方便控制。

圖2 齒條型刀具齒形

1.3 仿真范成過程設(shè)計

點擊“展成”按鈕界面右下方出現(xiàn)“逐步運(yùn)行”和“自動完成”按鈕，“逐步運(yùn)行”同機(jī)械范成儀的工作原理一樣，每單擊一次按鈕讓齒輪坯順時針轉(zhuǎn)動q個角度形成步進(jìn)，相應(yīng)自動生成的齒條型刀具向左移動qpd/2距離，同時將齒條型刀具左移前的軌跡（透明度為20%的復(fù)制齒條型刀具）留在齒輪坯上并隨齒輪坯步進(jìn)旋轉(zhuǎn)，如同范成儀的畫線過程，如圖3(a)所示；圖3(b) 顯示一次性“自動完成”整個齒輪的范成結(jié)果。其中步進(jìn)角度的取值決定了齒輪范成最終獲得的漸開線齒廓的精度，取值越小則精度越高，但運(yùn)算量的增大會減緩計算機(jī)的運(yùn)行速度，經(jīng)過多次測試取q＝2°完全能滿足實驗要求。

圖3 齒輪范成展開界面

1.4 齒廓比較設(shè)計

為了能讓使用者更直觀地比較不同設(shè)計參數(shù)下齒輪范成對齒廓及齒輪幾何尺寸的影響，設(shè)計了齒廓比較部分，進(jìn)入后可同時實現(xiàn)四種不同參數(shù)下范成的結(jié)果。和進(jìn)行實驗中“自動完成”齒輪范成的設(shè)計原理一樣，只是在同一個頁面上來實現(xiàn)比較，考慮到相互之間可能發(fā)生干涉，設(shè)計過程中使用了多層遮罩功能保證了各自的獨立性，又考慮到為比較的需要，各齒輪都采用一個共同的縮放比例以保證它們的聯(lián)動性，這樣在經(jīng)過視口的縮放操作后仍能直觀地比較各齒的形態(tài)。當(dāng)鼠標(biāo)移動至相應(yīng)齒輪上，系統(tǒng)將顯示該齒輪的相關(guān)幾何尺寸，這可從具體數(shù)據(jù)上作進(jìn)一步比較。圖4顯示在分度圓直徑都相同時幾種不同設(shè)計參數(shù)情況下齒輪及其齒廓的異同。圖4(a)為齒輪整體形態(tài)，其中參數(shù)2中齒輪設(shè)計齒數(shù)少則單齒顯得更大。圖4(b)為放大形態(tài)，其中參數(shù)3和參數(shù)4中齒輪分別為存在正負(fù)徑向變位的情形，和參數(shù)1中齒輪比較，正變位齒輪的齒厚明顯增加，齒頂更尖，而負(fù)變位齒輪齒厚則明顯減小，且出現(xiàn)明顯的根切現(xiàn)象；參數(shù)2為無變位的少齒齒輪，由于設(shè)計齒數(shù)少于17齒也出現(xiàn)了明顯的根切現(xiàn)象。

1.5 視口適時觀察設(shè)計

圖4 齒廓比較界面

圖5 齒廓放大形狀

不論是在進(jìn)行實驗的過程中還是在齒廓的比較過程中，本實驗系統(tǒng)可以通過點擊鼠標(biāo)左鍵、并配合鼠標(biāo)中鍵滾輪實現(xiàn)齒輪的平移和縮放，輕松實現(xiàn)對視口內(nèi)容的適時觀察，較為清晰地展現(xiàn)各部分齒廓形狀。若點擊“最佳顯示”按鈕，界面將返回顯示整體齒輪的最佳比例狀態(tài)。有了這項適時觀察功能，對于設(shè)計人員所關(guān)心的齒輪是否存在根切這樣的問題就會迎刃而解。圖5顯示在進(jìn)行實驗界面中通過視口適時縮放觀察范成后齒形的放大形態(tài)，圖5(a)中 ，其他參數(shù)為默認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)值，可以看到由于設(shè)計齒數(shù)少于17齒，在基圓以下齒廓明顯向內(nèi)凸起，齒根厚度減小，存在明顯的根切現(xiàn)象。根切不僅消弱了齒輪根部的抗彎強(qiáng)度，還可能影響傳動的平穩(wěn)性，所以設(shè)計中的應(yīng)設(shè)法避免的。若采用正變位修正法使變位系數(shù)，其他參數(shù)保持不變，則根切現(xiàn)象得到明顯改善，如圖5(b)所示，但齒廓的形狀發(fā)生了變化。對比界面上顯示的齒輪幾何尺寸數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在保持齒高不變的情況下，正變位齒輪齒頂高增加齒根高減小，分度圓齒厚和基圓齒厚都有所增加，而齒頂圓齒厚則明顯減小。實驗過程中學(xué)生可將這些相關(guān)幾何尺寸數(shù)據(jù)記錄在實驗報告中以便分析總結(jié)各齒輪設(shè)計參數(shù)對齒廓的影響，進(jìn)一步分析變位齒輪的一些特征。

可見，對于一個好的虛擬實驗平臺，視口適時觀察的設(shè)計是非常有必要的。

2 結(jié)束語

基于Flash ActionScript的齒輪范成實驗軟件體積?。s300k）、質(zhì)量高、運(yùn)行速度快，操作簡單方便，具有較強(qiáng)的實用性、交互性及仿真性。而且可以將軟件置于網(wǎng)頁之中，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)布，用戶只需打開瀏覽器就能使用，具有較強(qiáng)的可移植性，非常適用于在線教學(xué)以及構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室。通過使用該類虛擬實驗，可增強(qiáng)學(xué)生實驗興趣，降低實驗成本，在實驗條件不足時，可部分代替實際實驗過程。

[1]孫桓, 陳作模, 葛文杰. 機(jī)械原理(第七版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

[2]張繼平, 呂紅, 宋巖, 等. 基于網(wǎng)絡(luò)條件的機(jī)械工程虛擬實驗室建設(shè)[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2011, 28(6): 208-210.

[3]王麗娟, 胡青泥, 舒宏張. 機(jī)械加工虛擬實驗技術(shù)的研究[J]. 東華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2011, 37(4): 462-466.

[4]譚偉明, 唐東煒, 吳楷. 齒輪范成實驗的一種圖形仿真系統(tǒng)[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2011, 28(8): 73-75.

[5]穆立茂, 黃海英, 王克印. 基于CAXA電子圖板的齒輪范成虛擬實驗[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2011, 28(1): 77-79.

[6]周太平, 葉愛雪, 張蓬. AutoLISP環(huán)境下模擬范成法切削生成齒輪模型及齒厚控制與測量[J]. 機(jī)械傳動, 2010,33(7): 87-89.

[7]于曈, 沈兆奎. 基于AutoCAD的齒輪范成法仿真[J]. 天津理工大學(xué)學(xué)報, 2010, 26(5): 53-56.

[8]李書平, 侯振林. 基于UG二次開發(fā)的齒輪參數(shù)化精確建模方法研究[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造, 2011(9): 190-192.

[9]馬進(jìn)中. 用計算機(jī)實現(xiàn)漸開線齒輪范成實驗的方法[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備, 2007(9): 68-69.

[10]張釗, 王向垟, 童森. 基于Pro/E齒輪范成原理的模擬[J].實驗技術(shù)與管理, 2007, 24(6): 32-33.

[11]陳華, 孫書民. 基于范成法虛擬加工技術(shù)的漸開線齒輪建模研究[J]. 西華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2010, 29(5): 7-8.