本发明涉及齿轮设计加工，尤其涉及一种基于包络原理的端曲面齿轮设计方法。
背景技术：
1、端曲面齿轮传动是一种新型的相交轴间变传动比非圆齿轮机构，承载能力高、互换性能好、重合度高且寿命长，广泛应用于多种机械，如往复柱塞泵、复合冲击钻、管道清洗机器人等机械部件。由于端曲面齿轮的节曲线为三维空间曲线，设计端曲面齿轮的三维模型相比普通齿轮较为复杂，给端曲面齿轮在工业化生产及推广带来一定的困难。目前对于端曲面齿轮设计方法较少，未能有专利文献详细公开端曲面齿轮的设计方法，专利文献201510315089.5所公开的新型复合冲击钻，将端曲面齿轮应用于冲击钻中，并未对端曲面齿轮复合传动机构的设计方法进行公开，无法获得端曲面齿轮精确数学模型。因此，目前基于包络原理的端曲面齿轮设计方法较少且未能得到详细公开，导致这种齿轮设计困难，大量推广应用受到阻碍。
技术实现思路
1、为解决背景技术中所提出的技术问题，本发明提供一种基于包络原理的端曲面齿轮设计方法。
2、本发明采用以下技术方案实现：一种基于包络原理的端曲面齿轮设计方法，包括如下步骤：
3、步骤1、求解端曲面齿轮的节曲线；
4、步骤2、绘制端曲面齿轮毛坯；
5、步骤3、生成产形刀具并设置位置；
6、步骤4、运动仿真进行包络；
7、步骤5、整体优化。
8、作为上述方案的进一步改进，在所述步骤1中，根据端曲面齿轮空间啮合原理，两齿轮节曲线做纯滚动，结合空间旋转坐标变换，利用两点重合及相切点速度大小相同，计算出端曲面齿轮节曲线参数方程。
9、作为上述方案的进一步改进，在所述步骤2中，根据已计算得出的节曲线参数方程，在matlab中绘制出端曲面齿轮节曲线图像，将组成节曲线离散点导出txt文件，导入三维软件ug中并进行拟合曲线，得到端曲面齿轮节曲线三维模型，建立草图绘制齿宽并沿节曲线扫掠，得到端曲面齿轮毛坯，并将整体毛坯向上拉伸齿顶高长度得到齿顶高毛坯，利用偏置3d曲线将节曲线向上偏移至产形刀具圆心处得到轨迹曲线，此轨迹曲线即为产形刀具滚动轨迹。
10、作为上述方案的进一步改进，在所述步骤3中，在matlab中建立与端曲面齿轮相同参数的产形刀具，导入ug中拟合曲线得到产形刀具三维模型，利用三维笛卡尔坐标将产形刀具放置于端曲面齿轮毛坯上，设置刀具齿轮节圆与端曲面齿轮节曲始终相切，并在坐标中心绘制驱动线条，用于添加驱动使产形刀具沿端曲面齿轮节曲线滚动。
11、作为上述方案的进一步改进，在所述步骤4中，进入三维软件ug的运动仿真界面，添加动力学环境和结算方案，进行运动仿真，得到多个片体，具体地：
12、将轨迹曲线、齿顶高毛坯以及端曲面齿轮毛坯设置为连杆l001，将驱动线条设置为连杆l002，将产形刀具设置为连杆l003，对连杆l002添加运动副为柱面副，并给予恒定初速度，对连杆l003添加柱面副并使其啮合连杆l002，添加相应恒定驱动；后利用点在线上副设置产形刀具圆心点在驱动线条上，并将刀具进行追踪设置，求解后刀具沿端曲面齿轮毛坯开始包络。
13、作为上述方案的进一步改进，在所述步骤5中，将包络出的多个片体进行合并，利用布尔运算得到端曲面齿轮三维模型。
14、作为上述方案的进一步改进，利用三维软件对经布尔运算得到的端曲面齿轮三维模型的齿面进行分层、放样处理后，得到光滑齿面。
15、本发明还提出了一种基于包络原理的端曲面齿轮节曲线设计方法，包括如下步骤：
16、利用一已知节曲线的非圆形齿轮，且该非圆齿轮和端曲面齿轮啮合，根据端曲面齿轮空间啮合原理，两齿轮节曲线做纯滚动，结合空间旋转坐标变换，利用两点重合及相切点速度大小相同，计算出端曲面齿轮节曲线参数方程，然后根据端曲面齿轮参数化方程求得端曲面齿轮节曲线参数方程。
17、在上述步骤中，具体地：
18、根据齿轮啮合原理及空间坐标转换原理，非圆齿轮动坐标系b'到非圆齿轮静坐标系b的齐次转换矩阵为：
19、
20、非圆齿轮静坐标系b到端曲面齿轮静坐标系c的齐次转换矩阵为:
21、
22、端曲面齿轮静坐标系c到端曲面齿轮动坐标系c'的齐次转换矩阵为：
23、
24、因此非圆齿轮的动坐标系b'到端曲面齿轮动坐标系c'的齐次转换矩阵为：
25、
26、由于m、n点重合，则n在c'坐标系下的坐标可以表示为:
27、
28、式中r为端曲面齿轮节曲线半径
29、从而得到端曲面齿轮参数化方程为：
30、
31、由上式可以看出，端曲面齿轮的节曲线是以r为半径的圆柱面曲线，下面对r进行求解；
32、端曲面齿轮的节曲线是封闭的，在0～2π变化n2个周期，且两节曲线做纯滚动，相切点的速度大小相同，则应满足条件如下：
33、
34、从而可得：
35、
36、将上式带入公式6中可得端曲面齿轮节曲线参数方程为：
37、
38、式中n1为非圆齿轮阶数，n2为端曲面齿轮阶数，r(θ1)非圆齿轮极径。
39、相比现有技术，本发明的有益效果在于：
40、本发明提出的一种基于包络原理的端曲面齿轮节曲线设计方法和端曲面齿轮设计方法，是基于齿轮啮合原理和范成原理，结合matlab、ug等相应的三维建模软件能够建立端曲面齿轮数学模型，本方案能够大大提高端曲面齿轮的设计效率，且方法易操作推广。
1.一种基于包络原理的端曲面齿轮设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的一种基于包络原理的端曲面齿轮设计方法，其特征在于，在所述步骤1中，根据端曲面齿轮空间啮合原理，两齿轮节曲线做纯滚动，结合空间旋转坐标变换，再利用两点重合及相切点速度大小相同，计算出端曲面齿轮节曲线参数方程。
3.如权利要求1所述的一种基于包络原理的端曲面齿轮设计方法，其特征在于，在所述步骤2中，根据所述节曲线参数方程，在matlab中绘制出端曲面齿轮节曲线图像，将组成节曲线离散点导出txt文件，导入三维软件ug中并进行拟合曲线，得到端曲面齿轮节曲线三维模型，建立草图绘制齿宽并沿节曲线扫掠，得到端曲面齿轮毛坯，并将整体毛坯向上拉伸齿顶高长度得到齿顶高毛坯，利用偏置3d曲线将节曲线向上偏移至产形刀具圆心处得到轨迹曲线，此轨迹曲线即为产形刀具滚动轨迹。
4.如权利要求1所述的一种基于包络原理的端曲面齿轮设计方法，其特征在于，在所述步骤3中，在matlab中建立与端曲面齿轮相同参数的产形刀具，导入ug中拟合曲线得到产形刀具三维模型，利用三维笛卡尔坐标将产形刀具放置于端曲面齿轮毛坯上，设置刀具齿轮节圆与端曲面齿轮节曲始终相切，并在坐标中心绘制驱动线条，用于添加驱动使产形刀具沿端曲面齿轮节曲线滚动。
5.如权利要求1所述的，其特征在于，在所述步骤4中，进入三维软件ug的运动仿真界面，添加动力学环境和结算方案，进行运动仿真，得到多个片体。
6.如权利要求1所述的一种基于包络原理的端曲面齿轮设计方法，其特征在于，在所述步骤5中，将包络出的多个片体进行合并，利用布尔运算得到端曲面齿轮三维模型。
7.如权利要求6所述的一种基于包络原理的端曲面齿轮设计方法，其特征在于，包括进一步对齿轮三维模型进行优化，具体地：利用三维软件对经布尔运算得到的端曲面齿轮三维模型的齿面进行分层、放样处理后，得到光滑齿面。
8.一种基于包络原理的端曲面齿轮节曲线设计方法，其应用于权利要求1-7任一所述的齿轮设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
9.如权利要求8所述的一种基于包络原理的端曲面齿轮节曲线设计方法，其特征在于；在上述步骤中，具体地：
