齿轮构造方法和数字设备.pdf

本发明涉及一种齿轮构造方法，包括如下步骤：i）设定齿轮参数和XYZ坐标系；ii）根据所述齿轮参数在XZ平面中建立与目标齿的齿廓的渐开线相关的第一曲线（1），以及在YZ平面中建立与所述目标齿的齿廓的渐开线相关的第二曲线（2）；iii）将所述第一曲线（1）和所述第二曲线（2）结合形成第三曲线（3）并且将所述第三曲线（3）投影到XY平面以得到所述目标齿的渐开线（4）；以及iv）利用所述渐开线（4）构造所述目标齿的齿廓并形成整个齿轮的实体模型。本发明还涉及一种与上述齿轮构造方法相关的数字设备。

权利要求书1.  一种齿轮构造方法，包括如下步骤： i）设定齿轮参数和XYZ坐标系； ii）根据所述齿轮参数在XZ平面中建立与目标齿的齿廓的渐开线相关 的第一曲线（1），以及在YZ平面中建立与所述目标齿的齿廓的渐开线相 关的第二曲线（2）； iii）将所述第一曲线（1）和所述第二曲线（2）结合形成第三曲线（3） 并且将所述第三曲线（3）投影到XY平面以得到所述目标齿的渐开线（4）； 以及 iv）利用所述渐开线（4）构造所述目标齿的齿廓并形成整个齿轮的实 体模型。 2.  如权利要求1所述的齿轮构造方法，其中在所述ii）步骤中，通过 将垂直于XY平面的基准直线（L）沿X方向偏移得到所述第一曲线（1）， 其中沿X方向的偏移量是：x=rb×sin(t×π)-rb×cos(t×π)×(t×π)，并且 通过将所述基准直线（L）沿Y方向偏移得到所述第二曲线（2），其 中沿Y方向的偏移量是：y=rb×cos(t×π)+rb×sin(t×π)×(t×π)， 其中，在上述公式中，rb=(m×z/2)×cosα，其中z为齿数，m为模数， α为压力角，t为变量。 3.  如权利要求1所述的齿轮构造方法，其中在所述iii）步骤中，所 述第一曲线（1）和所述第二曲线（2）结合形成所述第三曲线（3）以使得： 假定垂直于Z轴的任意假想平面与所述第一曲线（1）的交点为第一点、 与所述第二曲线（2）的交点为第二点以及与所述第三曲线（3）的交点为 第三点，则所述第三点的X坐标等于所述第一点的X坐标且所述第三点的 Y坐标等于所述第二点的Y坐标。 4.  如权利要求1所述的齿轮构造方法，其中在所述iv）步骤中，利 用所述渐开线（4）以及齿轮的齿顶圆（rk）和齿根圆（rf）建立所述目标 齿的齿廓。 5.  如权利要求4所述的齿轮构造方法，其中在所述iv）步骤中，利 用所述目标齿的齿廓形成所述齿轮的截面轮廓，并且通过对所述齿轮的截 面轮廓沿直线或螺旋线放样而形成所述齿轮的实体模型。 6.  如权利要求1-5中任一项所述的齿轮构造方法，进一步包括步骤v）： 将形成的齿轮的实体模型输出以用于仿真分析作业或实际加工作业。 7.  如权利要求1-5中任一项所述的齿轮构造方法，其中所述齿轮构造 方法通过Pro/Engineer、UG或者CATIA来实施。 8.  如权利要求1-5中任一项所述的齿轮构造方法，其中所述齿轮构造 方法在数字设备中实施，所述数字设备包括数字计算设备、数字仿真设备 和数字加工设备中的至少一个。 9.  一种数字设备，包括： 参数输入部（100），所述参数输入部（100）用于输入齿轮参数； 第一曲线形成部（200），所述第一曲线形成部（200）根据所述齿轮参 数在XZ平面中建立与目标齿的齿廓的渐开线相关的第一曲线（1）； 第二曲线形成部（300），所述第二曲线形成部（300）根据所述齿轮参 数在YZ平面中建立与所述目标齿的齿廓的渐开线相关的第二曲线（2）； 第三曲线形成部（400），所述第三曲线形成部（400）将所述第一曲线 （1）和所述第二曲线（2）结合以形成第三曲线（3）； 渐开线形成部（500），所述渐开线形成部（500）将所述第三曲线（3） 投影到XY平面以得到所述目标齿的渐开线（4）；以及 齿轮模型构造部（1000），所述齿轮模型构造部（1000）根据所述目标 齿的渐开线（4）生成齿轮模型。 10.  如权利要求9所述的数字设备，其中在所述第一曲线形成部（200） 中，通过将垂直于XY平面的基准直线（L）沿X方向偏移得到所述第一 曲线（1），其中沿X方向的偏移量是：x=rb×sin(t×π)-rb×cos(t×π)×(t×π)， 在上述公式中，rb=(m×z/2)×cosα，其中z为齿数，m为模数，α为压力角， t为变量。 11.  如权利要求9所述的数字设备，其中在所述第二曲线形成部（300） 中，通过将垂直于XY平面的基准直线（L）沿Y方向偏移得到所述第二 曲线（2），其中沿Y方向的偏移量是：y=rb×cos(t×π)+rb×sin(t×π)×(t×π)， 在上述公式中，rb=(m×z/2)×cosα，其中z为齿数，m为模数，α为压力角， t为变量。 12.  如权利要求9所述的数字设备，其中在所述第三曲线形成部（400） 中，所述第一曲线（1）和所述第二曲线（2）结合形成所述第三曲线（3） 以使得：假定垂直于Z轴的任意假想平面与所述第一曲线（1）的交点为 第一点、与所述第二曲线（2）的交点为第二点以及与所述第三曲线（3） 的交点为第三点，则所述第三点的X坐标等于所述第一点的X坐标且所述 第三点的Y坐标等于所述第二点的Y坐标。 13.  如权利要求9所述的数字设备，其中所述齿轮模型构造部（1000） 还包括：目标齿齿廓形成部（600），所述目标齿齿廓形成部（600）利用所 述渐开线（4）以及齿轮的齿顶圆（rk）和齿根圆（rf）建立所述目标齿的 齿廓。 14.  如权利要求13所述的数字设备，其中所述齿轮模型构造部（1000） 还包括：齿轮轮廓形成部（700），所述齿轮轮廓形成部（700）利用所述目 标齿的齿廓形成所述齿轮的截面轮廓；以及齿轮实体模型形成部（800）， 所述齿轮实体模型形成部（800）通过对所述齿轮的截面轮廓沿直线或螺旋 线放样而形成所述齿轮的实体模型。 15.  如权利要求9-14中任一项所述的数字设备，进一步包括模型输出 部（900），所述模型输出部（900）将形成的齿轮的实体模型输出到仿真分 析设备或实际加工设备。 16.  如权利要求9-14中任一项所述的数字设备，其中所述数字设备包 括数字计算设备、数字仿真设备和数字加工设备中的至少一个。

说明书齿轮构造方法和数字设备
技术领域
本发明涉及一种齿轮构造方法和数字设备。
背景技术
本部分的内容仅提供了与本公开相关的背景信息，其可能并不构成 现有技术。
在现有的齿轮建模方法中，通常采用描点法来形成齿廓的渐开线。 即，根据外部计算结果在建模软件中生成一系列点，然后将这些点拟合 成一条曲线来逼近渐开线。这种建模方法生成的齿廓不够精确。当这种 不够精确的齿轮模型应用于后续的仿真分析或实际加工时，分析结果和 加工出的实际产品也不尽如人意。另外，在齿轮参数改变后需要重新生 成各个点并且重新进行曲线拟合，因此建模过程非常繁琐和耗时。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种能够准确地构造齿轮的方法。
本发明的另一个目的是提供一种能够更加高效地构造齿轮的方法。
本发明的又一个目的是提供一种与上述齿轮构造方法相关的数字 设备。
上述目的中的一个或多个可以通过一种齿轮构造方法来实现：所述 方法可以包括如下步骤：i）设定齿轮参数和XYZ坐标系；ii）根据所述 齿轮参数在XZ平面中建立与目标齿的齿廓的渐开线相关的第一曲线，以 及在YZ平面中建立与所述目标齿的齿廓的渐开线相关的第二曲线；iii） 将所述第一曲线和所述第二曲线结合形成第三曲线并且将所述第三曲线 投影到XY平面以得到所述目标齿的渐开线；以及iv）利用所述渐开线构 造所述目标齿的齿廓并形成整个齿轮的实体模型。
优选地，在所述ii）步骤中，可以通过将垂直于XY平面的基准直线 沿X方向偏移得到所述第一曲线，其中沿X方向的偏移量是： x=rb×sin(t×π)-rb×cos(t×π)×(t×π)，并且可以通过将所述基准直线沿Y方向 偏移得到所述第二曲线，其中沿Y方向的偏移量是： y=rb×cos(t×π)+rb×sin(t×π)×(t×π)，其中，在上述公式中，rb=(m×z/2)×cosα， 其中z为齿数，m为模数，α为压力角，t为变量。
优选地，在所述iii）步骤中，所述第一曲线和所述第二曲线结合形成 所述第三曲线以使得：假定垂直于Z轴的任意假想平面与所述第一曲线的 交点为第一点、与所述第二曲线的交点为第二点以及与所述第三曲线的交 点为第三点，则所述第三点的X坐标等于所述第一点的X坐标且所述第三 点的Y坐标等于所述第二点的Y坐标。
优选地，在所述iv）步骤中，可以利用所述渐开线以及齿轮的齿顶圆 和齿根圆建立所述目标齿的齿廓。
优选地，在所述iv）步骤中，可以利用所述目标齿的齿廓形成所述齿 轮的截面轮廓，并且通过对所述齿轮的截面轮廓沿直线或螺旋线放样而形 成所述齿轮的实体模型。
优选地，所述齿轮构造方法可以进一步包括步骤v）：将形成的齿轮的 实体模型输出以用于仿真分析作业或实际加工作业。
优选地，所述齿轮构造方法可以通过Pro/Engineer、UG或者CATIA 来实施。
优选地，所述齿轮构造方法可以在数字设备中实施，所述数字设备可 以包括数字计算设备、数字仿真设备和数字加工设备中的至少一个。
本发明还涉及一种数字设备，其可以包括：参数输入部，所述参数输 入部用于输入齿轮参数；第一曲线形成部，所述第一曲线形成部根据所述 齿轮参数在XZ平面中建立与目标齿的齿廓的渐开线相关的第一曲线；第 二曲线形成部，所述第二曲线形成部根据所述齿轮参数在YZ平面中建立 与所述目标齿的齿廓的渐开线相关的第二曲线；第三曲线形成部，所述第 三曲线形成部将所述第一曲线和所述第二曲线结合以形成第三曲线；渐开 线形成部，所述渐开线形成部将所述第三曲线投影到XY平面以得到所述 目标齿的渐开线；以及齿轮模型构造部，所述齿轮模型构造部根据所述目 标齿的渐开线生成齿轮模型。
优选地，在所述第一曲线形成部中，可以通过将垂直于XY平面的基 准直线沿X方向偏移得到所述第一曲线，其中沿X方向的偏移量是： x=rb×sin(t×π)-rb×cos(t×π)×(t×π)，在上述公式中，rb=(m×z/2)×cosα，其 中z为齿数，m为模数，α为压力角，t为变量。
优选地，在所述第二曲线形成部中，可以通过将垂直于XY平面的基 准直线沿Y方向偏移得到所述第二曲线，其中沿Y方向的偏移量是： y=rb×cos(t×π)+rb×sin(t×π)×(t×π)，在上述公式中，rb=(m×z/2)×cosα，其 中z为齿数，m为模数，α为压力角，t为变量。
优选地，在所述第三曲线形成部中，所述第一曲线和所述第二曲线可 以结合形成所述第三曲线以使得：假定垂直于Z轴的任意假想平面与所述 第一曲线的交点为第一点、与所述第二曲线的交点为第二点以及与所述第 三曲线的交点为第三点，则所述第三点的X坐标等于所述第一点的X坐标 且所述第三点的Y坐标等于所述第二点的Y坐标。
优选地，所述齿轮模型构造部还可以包括：目标齿齿廓形成部，所述 目标齿齿廓形成部利用所述渐开线以及齿轮的齿顶圆和齿根圆建立所述 目标齿的齿廓。
优选地，所述齿轮模型构造部还包括：齿轮轮廓形成部，所述齿轮轮 廓形成部利用所述目标齿的齿廓形成所述齿轮的截面轮廓；以及齿轮实体 模型形成部，所述齿轮实体模型形成部通过对所述齿轮的截面轮廓沿直线 或螺旋线放样而形成所述齿轮的实体模型。
优选地，所述数字设备可以进一步包括模型输出部，所述模型输出部 将形成的齿轮的实体模型输出到仿真分析设备或实际加工设备。
优选地，所述数字设备可以包括数字计算设备、数字仿真设备和数字 加工设备中的至少一个。
在根据本发明的上述齿轮构造方法以及数字设备中，通过在XZ平 面中建立与目标齿的齿廓的渐开线相关的第一曲线以及在YZ平面中建 立与目标齿的齿廓的渐开线相关的第二曲线然后将第一曲线和第二曲 线结合并投影到XY平面中，能够以简单的方法形成精确地齿廓的渐开 线从而能够精确地形成齿轮的实体模型。此外，由于第一曲线和第二曲 线的表达式均与预先设定的齿轮参数相关，因此当改变齿轮参数时能够 即时地改变和形成齿廓的渐开线，大大提高了齿轮建模的效率。
此外，由于本发明涉及的齿轮构造方法是参数驱动的，所以本发明 的齿轮构造方法能够方便地内嵌在诸如数字仿真设备或数字加工设备 的数字设备中，并且可以方便地通过这些数字设备中的专用集成电路、 单个的逻辑电路和/或计算电路等来执行。因此，能够改善数字仿真设 备的模拟结果以及改善数字加工设备的加工精度和产品精度。
附图说明
通过以下参照附图的描述，本发明的一个或几个实施方式的特征和 优点将变得更加容易理解，其中：
图1是示出根据本发明实施方式的渐开线构造方法的示意图；
图2是示出根据本发明实施方式的渐开线以及齿轮的基圆、齿顶圆 和齿根圆之间的关系；
图3示出了根据本发明实施方式的一个目标齿的齿廓；
图4示出了根据本发明实施方式的整个齿轮的截面轮廓；
图5示出了根据本发明实施方式的齿轮的部分表面模型；
图6示出了根据本发明实施方式的齿轮的实体模型；以及
图7示出了根据本发明实施方式的数字设备的一部分的构造。
具体实施方式
下面对优选实施方式的描述仅仅是示范性的，而绝不是对本发明及其 应用或用法的限制。在各个附图中采用相同的附图标记来表示相同的部 件，因此相同部件的构造将不再重复描述。
下面将参照图1-6详细描述本发明的齿轮构造方法。
第一步：设定齿轮参数。
例如，可以设定如下齿轮参数:齿数z，模数m，齿宽B，压力角α,齿 根系数C*，齿顶高系数ha*。本领域技术人员应该理解，齿轮参数不限于 上述参数，而是可以根据齿轮模型的不同构造方法而合适选择。
第二步：建立三维坐标系XYZ，其中Z轴方向设定为齿轮的轴向。
第三步：在XY平面上建立齿轮基圆、齿顶圆和齿根圆。
例如，如图2所示，齿轮基圆rb的半径可以为rb=r×cosα，齿顶圆rk 的半径可以为rk=r+m，而齿根圆rf的半径可以为rf=r-1.25×m。在上式中 r=m×z/2。
第四步：在XZ平面中建立与目标齿的齿廓的渐开线相关的第一曲线， 以及在YZ平面中建立与目标齿的齿廓的渐开线相关的第二曲线。
更具体地，如图1所示，可以垂直于XY平面建立基准直线L，然后 将该基准直线L沿X方向偏移得到第一曲线1。特别是，沿X方向的偏移 量可以是：x=rb×sin(t×π)-rb×cos(t×π)×(t×π)，在该式中，t为变量，为了 计算的简化，t的取值范围可以为[0，1]。可以本领域技术人员应该理解， 可以在诸如CATIA的建模软件中利用OFFSET命令来沿X方向偏移该基 准直线L而获得上述第一曲线1，也可以直接利用偏移量 x=rb×sin(t×π)-rb×cos(t×π)×(t×π)来在XZ平面中建立第一曲线1。例如， 可以将上式改写为函数x(z)=rb×sin(z×π)-rb×cos(z×π)×(z×π)而在XZ平面 建立第一曲线1。
同理，如图1所示，可以将上述基准直线L沿Y方向偏移得到第二曲 线2。特别是，沿Y方向的偏移量可以是：y=rb×cos(t×π)+rb×sin(t×π)×(t×π)， 在该式中，t为变量，为了计算的简化，t的取值范围可以为[0，1]。本领 域技术人员应该理解，可以在诸如CATIA的建模软件中利用OFFSET命 令来沿Y方向偏移该基准直线L而获得上述第二曲线2，也可以直接利用 偏移量y=rb×cos(t×π)+rb×sin(t×π)×(t×π)来在YZ平面中建立第二曲线2。 例如，可以将上式改写为函数y(z)=rb×cos(z×π)+rb×sin(z×π)×(z×π)而在YZ 平面建立第二曲线2。
第五步：将第一曲线和第二曲线结合形成第三曲线。
更具体地，可以在诸如CATIA的建模软件中利用COMBINE命令将 第一曲线1和第二曲线2结合而形成一条组合曲线，即第三曲线3，如图1 所示。或者换言之，可以采用任何结合的算法使得：假定垂直于Z轴的任 意假想平面与所述第一曲线1的交点为第一点、与所述第二曲线2的交点 为第二点以及与所述第三曲线3的交点为第三点，则所述第三点的X坐标 等于所述第一点的X坐标且所述第三点的Y坐标等于所述第二点的Y坐 标。
第六步：将第三曲线投影到XY平面，得到目标齿的渐开线。
更具体地，如图1中所示，可以将第三曲线3的Z坐标设置为0而得 到渐开线4。另外，在图2中示出来图1所建立的渐开线4以及齿轮的齿 轮基圆rb、齿顶圆rk和齿根圆rf之间的关系。
第七步：利用渐开线以及齿轮的齿顶圆和齿根圆建立目标齿的齿廓。
更具体地，可以根据任何目前已知的方式利用渐开线4以及齿轮的齿 顶圆rk和齿根圆rf建立目标齿的齿廓5，如图3所示。可以根据需要对 齿廓5的角部5-1、5-2等进行倒角以形成更加光滑的曲线。
第八步：利用目标齿的齿廓建立齿轮的截面轮廓。
例如，通过对目标齿的齿廓5进行环形阵列而形成整个齿轮的截面轮 廓6。
第九步：利用齿轮的截面轮廓形成整个齿轮的实体模型。
例如，可以通过对齿轮的截面轮廓6沿直线进行放样而形成空间曲面 7，此后封闭该空间曲面7的两个端面而形成整个齿轮的实体模型8（直齿 轮）。另外，本领域技术人员还应该理解，也可以通过对齿轮的截面轮廓6 沿螺旋线进行放样而形成斜齿轮的实体模型。
第十步：可以将形成的齿轮的实体模型输出以用于仿真分析作业或实 际加工作业。
本领域技术人员应该理解，上述齿轮构造方法可以通过现有的建模软 件例如Pro/Engineer、UG或者CATIA等来实施，也可以在诸如数字计算 设备、数字仿真设备和数字加工设备等的数字设备中实施。特别是，上述 齿轮构造方法可以内嵌在数字仿真设备或数字加工设备中以通过这些设 备中的处理器、专用集成电路、或者单个的逻辑电路和/或计算电路而执行。
图7示例性地示出了一种实现上述齿轮构造方法的数字设备的一部 分。更具体地，该数字设备可以包括参数输入部100，所述参数输入部100 用于输入齿轮参数。参数输入部100可以为键盘、鼠标或触摸屏，也可以 为与其他设备进行通信的接口等。
该数字设备还可以包括第一曲线形成部200，所述第一曲线形成部200 根据齿轮参数在XZ平面中建立与目标齿的齿廓的渐开线相关的第一曲线 1。该数字设备还可以包括第二曲线形成部300，所述第二曲线形成部300 根据所述齿轮参数在YZ平面中建立与所述目标齿的齿廓的渐开线相关的 第二曲线2。特别是，第一曲线形成部200和第二曲线形成部300可以通 过执行上述方法中的第四步中的对应处理来建立第一曲线1和第二曲线2。
该数字设备还可以包括第三曲线形成部400，所述第三曲线形成部400 将所述第一曲线1和所述第二曲线2结合以形成第三曲线3。特别是，第 三曲线形成部400可以通过执行上述方法中的第五步中的对应处理来形成 第三曲线3。
该数字设备还可以包括渐开线形成部500，所述渐开线形成部500将 所述第三曲线3投影到XY平面以得到所述目标齿的渐开线4。特别是， 渐开线形成部500可以通过执行上述方法中的第六步中的对应处理来形成 渐开线4。
该数字设备还可以包括齿轮模型构造部1000，所述齿轮模型构造部 1000根据所述目标齿的渐开线4生成齿轮模型。优选地，齿轮模型构造部 1000可以包括目标齿齿廓形成部600，所述目标齿齿廓形成部600利用所 述渐开线4以及齿轮的齿顶圆rk和齿根圆rf建立所述目标齿的齿廓。特 别是，目标齿齿廓形成部600可以通过执行上述方法中的第七步中的对应 处理来建立目标齿的齿廓5。齿轮模型构造部1000还可以包括：齿轮轮廓 形成部700，所述齿轮轮廓形成部700利用所述目标齿的齿廓形成所述齿 轮的截面轮廓；以及齿轮实体模型形成部800，所述齿轮实体模型形成部 800通过对所述齿轮的截面轮廓沿直线或螺旋线放样而形成所述齿轮的实 体模型。特别是，齿轮轮廓形成部700可以通过执行上述方法中的第八步 中的对应处理来建立齿轮的截面轮廓。齿轮实体模型形成部800可以通过 执行上述方法中的第九步中的对应处理来建立整个齿轮的实体模型。
所述数字设备还可以进一步包括模型输出部900，所述模型输出部900 将形成的齿轮的实体模型输出到仿真分析设备或实际加工设备。模型输出 部900可以通过执行上述方法中的第十步中的对应处理来输出齿轮的实体 模型。
值得指出的是，所述数字设备可以包括数字计算设备、数字仿真设备 和数字加工设备中的至少一个。例如，上述各个模块100-1000中的至少一 个可以通过使用数字设备中的处理器和或专用集成电路来执行一定的处 理来构造，或者这些模块100-1000中的至少一个可以通过数字设备中的单 个的逻辑电路和/或计算电路来构造。
尽管在此已详细描述本发明的各种实施方式，但是应该理解本发明并 不局限于这里详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离本发明的实质和 范围的情况下可由本领域的技术人员实现其它的变型和变体。所有这些变 型和变体都落入本发明的范围内。而且，所有在此描述的构件都可以由其 他技术性上等同的构件来代替。