как нарисовать цепь шестеренок

Question

Я хотел бы нарисовать цепочку шестеренок, вот так:

Я использую макрос, предоставленный Аленом Маттесом вСоздание шестеренок в TikZдля рисования одной шестерни с некоторыми изменениями для получения эффекта «двойной шестерни» (т.е. внутренней/внешней шестерни).

Мой реальный код такой:

\documentclass{standalone}
\usepackage{tikz}

\newcommand{\gear}[5]{%
\foreach \i in {1,...,#1} {%
  [rotate=(\i-1)*360/#1]  (0:#2)  arc (0:#4:#2) {[rounded corners=1.5pt]
             -- (#4+#5:#3)  arc (#4+#5:360/#1-#5:#3)} --  (360/#1:#2)
}}

\begin{document}
  \begin{tikzpicture}
    \matrix[column sep=-0.1cm,draw=none,fill=none,ampersand replacement=\&] {
    %%%%%%%%%%%%%%
    % First gear %
    %%%%%%%%%%%%%%
    \node[circle,minimum size=40mm,fill=gray,shade] at (0,0){};
    \node[circle,minimum size=30mm,fill=white] at (0,0){};
    \draw[thick,rotate=10,fill=gray,shade] \gear{18}{2}{2.2}{10}{2};
    \draw[thick,rotate=22,fill=white] \gear{18}{1.5}{1.7}{6}{1};\&
    %%%%%%%%%%%%%%%
    % Second gear %
    %%%%%%%%%%%%%%%
    \node[circle,minimum size=40mm,fill=gray,shade] at (0,0){};
    \node[circle,minimum size=30mm,fill=white] at (0,0){};
    \draw[thick,rotate=10,fill=gray,shade] \gear{18}{2}{2.2}{10}{2};
    \draw[thick,rotate=22,fill=white] \gear{18}{1.5}{1.7}{6}{1};\\
    };
    \end{tikzpicture}
  \end{document}

который производит:

для перемещения второй шестерни влево/вправо я поместил шестерни в так, \matrixчто мне просто нужно скопировать код из первой шестерни во вторую ячейку матрицы и указать column sepтак, чтобы шестерни находились на нужном расстоянии. Однако этот метод больше не работает, когда вы добавляете третью шестерню, для которой нужен другой column sep.

чтобы переместить вторую шестеренку вверх/вниз и получить эффект первого изображения, я пробовал использовать параметры xshiftи (именно так я получил первое изображение), но это требует большой работы и множества перекомпиляций.yshift\draw

Итак, мой вопрос:
есть ли лучший способ переместить шестеренку (где шестеренка состоит из двух \drawи двух \nodeкоманд, как показано в коде) влево-вправо-вверх-вниз относительно другой, без необходимости вручную позиционировать ее с помощью xshiftи yshift?

Более общий подход

Чтобы сделать вопрос более общим, давайте рассмотрим случай, когда каждая шестеренка состоит только из одной шестеренки, без внутренней шестерни, фона и т. д. tikzpictureВ приведенном выше коде это будет выглядеть так:

\begin{tikzpicture}
    \matrix[column sep=-0.1cm,draw=none,fill=none,ampersand replacement=\&] {
    %%%%%%%%%%%%%%
    % First gear %
    %%%%%%%%%%%%%%
    \draw[thick] \gear{18}{2}{2.2}{10}{2};\&
    %%%%%%%%%%%%%%%
    % Second gear %
    %%%%%%%%%%%%%%%
    \draw[thick] \gear{18}{2}{2.2}{10}{2};\\
    };
  \end{tikzpicture}

Как соединить две или более передач, изменив их положение, как на первом изображении?

Answer 1

Вот отправная точка и всего лишь одна из многих идей, каквходданные.

Аргументы этого next gearстиля имеют форму

[<opt>:<text>]<abs angle>:<next gear’s radius>

где

• :<text>и
• [<opt>:<text>]являются необязательными,
• <abs angle>обозначает абсолютный угол/направление следующей передачи и
• <next gear’s radius>определяет радиус следующей шестерни.

Библиотека turtleиспользуется только для своего forwardстиля и \tikz@lib@turtle@dirмакроса. Честно говоря, это можно было бы закодировать и без библиотеки, ну да ладно…

Обновлять

Ну, слушайте, это новая передача ( \ngear[<options>](<point>)) и попробуйте на выходе.

Комбинация шестерен требует немного математики, поскольку количество зубьев, ширина этих зубьев и вращение зависят от предыдущей шестерни и ее вращения.

Вы можете перехватить управление \qrr@tikz@do@nextgear@и самостоятельно вставить необходимые расчеты для следующей передачи.

(Вы даже можете переопределить его так, \ngearчтобы он действовал как интерфейс для одного из уже определенных \gearмакросов в TeX.sx.)

Код

\documentclass[tikz,convert=false]{standalone}
\usepackage{tikz}
\usetikzlibrary{backgrounds,turtle}
\makeatletter
\newcommand*{\gearset}{\pgfqkeys{/gear}}
\newcommand*{\geargetvalue}[1]{\pgfkeysgetvalue{/gear/#1}}
\gearset{
    outer radius/.initial=1cm,
    outer height/.initial=5cm,
    outer width/.initial=.5cm,
    outer number/.initial=10,
    outer rotate/.initial=0,
    inner radius/.initial=,
    inner rotate/.initial=0,
    inner height/.initial=.2cm,
    inner width/.initial=.2cm,
    inner number/.initial=18,
    height/.style={/gear/outer height={#1},/gear/inner height={#1}},
    width/.style={outer width={#1},inner width={#1}},
%   outer outer radius=.4pt, rounded corners?
%   inner outer radius=.2pt,
%   outer inner radius=.4pt,
%   inner inner radius=.2pt,
    /tikz/every gear/.style={draw,fill=none,even odd rule,rounded corners=.5pt},
%   /tikz/every outer gear/.style={top color=blue, bottom color=green},
%   /tikz/every inner gear/.style={draw=blue,fill=white},
}
\newcommand*{\ngear}[1][]{\begingroup\gearset{#1}\ngear@}
\def\ngear@(#1){%
    \geargetvalue{outer radius}\qrr@gear@outerR
    \geargetvalue{inner radius}\qrr@gear@innerR
    \geargetvalue{outer number}\qrr@gear@outerN
    \geargetvalue{inner number}\qrr@gear@innerN
    \geargetvalue{outer height}\qrr@gear@outerH
    \geargetvalue{inner height}\qrr@gear@innerH
    \geargetvalue{outer width}\qrr@gear@outerW
    \geargetvalue{inner width}\qrr@gear@innerW
    \geargetvalue{outer rotate}\qrr@gear@outerRot
    \geargetvalue{inner rotate}\qrr@gear@innerRot
    \pgfmathsetmacro\qrr@gear@ooArc{(\qrr@gear@outerW)/(\qrr@gear@outerR+\qrr@gear@outerH)/pi*180}%
    \pgfmathsetmacro\qrr@gear@ioArc{180/(\qrr@gear@outerN) - \qrr@gear@ooArc}%
    \pgfmathsetmacro\qrr@gear@oiArc{(\qrr@gear@innerW)/(\qrr@gear@innerR+\qrr@gear@innerH)/pi*180}%
    \pgfmathsetmacro\qrr@gear@iiArc{180/(\qrr@gear@innerN) - \qrr@gear@oiArc}%
    \pgfmathtruncatemacro\qrr@gear@outerN{\qrr@gear@outerN-1}%
    \pgfmathtruncatemacro\qrr@gear@innerN{\qrr@gear@innerN-1}%
    \scope[shift={(#1)}]%
    \path[every gear/.try, every outer gear/.try] ({\qrr@gear@outerRot}:{\qrr@gear@outerR+\qrr@gear@outerH})
        \foreach \@tooth in {0,...,\qrr@gear@outerN} {
            \pgfextra
                \pgfmathsetmacro\qrr@gear@sa{\qrr@gear@outerRot+2*\@tooth*(\qrr@gear@ooArc+\qrr@gear@ioArc)}%
            \endpgfextra
            arc[radius={\qrr@gear@outerR+\qrr@gear@outerH}, start angle=\qrr@gear@sa, delta angle=\qrr@gear@ooArc]
            -- (\qrr@gear@sa+\qrr@gear@ooArc:{\qrr@gear@outerR})
            arc[radius={\qrr@gear@outerR}, start angle=\qrr@gear@sa+\qrr@gear@ooArc, delta angle=2*\qrr@gear@ioArc]
            -- (\qrr@gear@sa+\qrr@gear@ooArc+2*\qrr@gear@ioArc:{\qrr@gear@outerR+\qrr@gear@outerH})
            arc[radius={\qrr@gear@outerR+\qrr@gear@outerH}, start angle=\qrr@gear@sa+\qrr@gear@ooArc+2*\qrr@gear@ioArc, delta angle=\qrr@gear@ooArc]
        }
        \ifx\qrr@gear@innerR\pgfutil@empty\else
%       ; % un-comment this and the next line to have two paths
%   \path[every gear/.try, every inner gear]
    (0:{\qrr@gear@innerR-\qrr@gear@innerH})
    \foreach \@tooth in {0,...,\qrr@gear@innerN} {
        \pgfextra
            \pgfmathsetmacro\qrr@gear@sa{\qrr@gear@innerRot+2*\@tooth*(\qrr@gear@oiArc+\qrr@gear@iiArc)}%
        \endpgfextra
        arc[radius={\qrr@gear@innerR-\qrr@gear@innerH}, start angle=\qrr@gear@sa, delta angle=\qrr@gear@oiArc]
        -- (\qrr@gear@sa+\qrr@gear@oiArc:{\qrr@gear@innerR})
        arc[radius={\qrr@gear@innerR}, start angle=\qrr@gear@sa+\qrr@gear@oiArc, delta angle=2*\qrr@gear@iiArc]
        -- (\qrr@gear@sa+\qrr@gear@oiArc+2*\qrr@gear@iiArc:{\qrr@gear@innerR-\qrr@gear@innerH})
        arc[radius={\qrr@gear@innerR-\qrr@gear@innerH}, start angle=\qrr@gear@sa+\qrr@gear@oiArc+2*\qrr@gear@iiArc, delta angle=\qrr@gear@oiArc]
    }
    \fi
    ;
    \endscope
    \endgroup
}
\def\qrr@tikz@gear@current@radius{0pt}
\def\qrr@tikz@do@nextgear{\pgfutil@ifnextchar[\qrr@tikz@do@nextgear@{\qrr@tikz@do@nextgear@[]}}
\def\qrr@tikz@do@nextgear@[#1]#2:#3\@qrr@tikz@do@nextgear{%
    \pgfmathsetmacro\qrr@tikz@gear@distance{\qrr@tikz@gear@current@radius+(#3)+\pgfkeysvalueof{/gear/outer height}}%
    \pgfmathsetmacro\qrr@tikz@gear@current@radius{abs(#3)}%
    \gdef\tikz@lib@turtle@dir{#2}%
    \pgfkeysalso{/tikz/turtle/forward/.expanded=\qrr@tikz@gear@distance pt}
    \pgfgetlastxy\pgf@gear@@x\pgf@gear@@y
    \pgfkeysalso{/tikz/gear={#1, outer radius=\qrr@tikz@gear@current@radius pt}{\pgf@gear@@x,\pgf@gear@@y}}
}
\tikzset{
    gear/.style 2 args={/tikz/insert path={\pgfextra{\ngear[#1](#2)}}},
    turtle/next gear/.code=\qrr@tikz@do@nextgear#1\@qrr@tikz@do@nextgear
}

\begin{document}
\begin{tikzpicture}[show background grid,/gear/height=.3cm,every gear/.append style=thick]
    \draw[dash pattern={on \pgflinewidth off 2\pgflinewidth},thin] (0,0) [turtle={
        next gear/.list={
            0:2cm,
            {[outer rotate=-90,outer width=.18cm,outer number=10]90:2cm},
            {[outer width=.49cm,outer number=14,outer rotate=0]30:3cm},
            {[outer width=.2cm,outer rotate=18]120:2cm}
        }}];
\end{tikzpicture}
\end{document}

Выход