（机械工程专业论文）齿轮设计专家系统的研究.pdf

摘要 为了实现齿轮的标准化、系列化、通用化，提高设计质量，我们引入了计算 机辅助设计方法及人工智能技术，研制了齿轮精度c a d 系统，因为传统的齿轮精 度分析及设计既浪费时间又难以保证设计的精度和质量。 我们研制齿轮精度c a d 系统，根据齿轮精度要求的初始条件，运用专家系统 中的专家知识，一方面对齿轮的传动误差、回转轴位置误差、刀具误差等进行判 别，找出齿轮加工中产生各种误差的原因，然后反馈于生产中去，从而进一步提 高齿轮的各种精度。另一方面自动确定齿轮各公差组的精度等级、齿轮及齿轮副 检验项目的选定及公差值的查找、齿厚上、下偏差代号及侧隙检测项目的确定， 最后自动选取各个公差组的检验指标、按照最新国家标准设计的形位公差、尺寸 公差、表面粗糙度标注等。我们研制齿轮精度c a d 系统，仍然具备a u t o c a d 2 0 0 0 平台自身的特点，也就是对于设计出的齿轮工作图进行实时编辑和修改。最后， 用户可根据自己的需要，在对话框中填入适当的内容，系统可自动生成满足用户 要求的图形。 系统的人机界面友好，操作简单方便。该系统的研究为齿轮精度等级分析提 供一种高效可靠的方法。该系统采用模块化技术，取得良好的效果，可以根据用 户的要求进行扩充，而且结构合理，功能较完善，智能化程度较高，具有一定的 独创性，并具有一定的实用价值。它对计算机辅助设计的进一步发展及应用起到 一定的作用。 关键词：精度等级；智能；计算机辅助设计；质量；模块化 i or c a l i z eg e 越s l a n d a r d ，s e r i e s ，c n 麒e n c ya n di 越o r o v ed e s i g nq u a h t y ，w ed e s i g n 趣g e 盯 p f e c i s 主。矗。涤s y s t c m w i 氇绦ec c 瞬p h t c f 懋d 翻强臻i g e 巍搬c l h 磁瑟d 觚溅e i a l l l i g 黼t t ec ：h n o l o 缈b e u s et h et f a d i t i o n a lg e a rp r 嘶s i o na n a l y s i s 姐dd e s i 鲈w o r ki sn o t0 n l y t i m e c o s t ，b u ta l s oi sh a r dt 0a c q u i r et h ep 艘i s i o n 锄dq u a l i t y g 至v e 纛攮e 崩蠢c 。鑫簸如隧i o 噩so f9 0 a f 鑫o 砖主羲g 酶氆e 积p 嗽妇蝴l e 鑫擎磷氆e c x p e r 毫s y s t e mi nac a ds y s 懒【，o nt h co n eh 蛆d ，t 锄龇n i s s i o ne r f o f ，r o t a t i o 积l e1 0 c a t i o n e 肿r ，c u te 黼a r ci q u j r e da n dt h e ya f em a d ea sf e e db a c ki n f 0 皿a t i o n ，j no r d c rt 0i m p 加v e g c a rp f o c e s s 撅gp f c c i s i o n ，濑也eo l h e n 黼畦粒p r e c i s i 髓辨d 髂o fg c a fl 砖e f a l l c ei t e m s 题d g e a re x a m 璩嬲o ni t e mc a nk 曲l 酝n e d 薹堇她l l j g c n l l y ，斑i a 差l yt h ec he c _ 醢n gt a l l g c to fe h t o l e r a n c ei t e m sc a b ec h o s e na u t 锄a t i c a l l y ，g m e 蛹c a lt o l e r a n o e ，s i z o t o l c r a c ea n ds u r f a c c r o u g h n e s st o l e f 卸c c 缸ei n q u i r e d 粕dd r e 眦v 沌d e s i 乒a 辨a r p r i s i o nd 啦s y s t e m t h a tj s p l 姆瓣e d 藤g i 橱钿c 耄i 8 拄y e l ，i 。e 遣ew o 簸鑫g 擎鑫疼d e s i g 穗e dc 强b e 瓣o d 壤e d 鞠d e a u t o o 气d 2 0 0 0 f i n a l l y ，a o 训i n gt ot h er c q u 打c m e n t0 ft h cu s e 岱，s n i a b l ed e t a i l sa r c 丘u e d i l li t ld i d i o g n of m m e t h es a “s f a c t o r yp r 。c i s i o nd e s i g nr e 8 u l t s 强dt h cw o r h n gg r a p hc a i ib e o 玟西e d 鞠l 蝴a 蛀e 醴l y w i t ha 黼e 栅yi n t e 嘲c e 卸di n d e p e 拍d e n c e ，h cs y s 蛔丑i se a s yt 0b eo p 啪t c d t h e s y s t e mp r o v i d c s 锄c 伍c i e n ta n d r c l i a b l ew a yf o rg c a fp r c c i s i o n i ta d o p t su n i t st c c h n o l i g y a n da o q u i f e 扬v o n f a b l ee 臻；c t s ，泌a d d 矗i o n 壤es y s t e mi se n 】a 毽e da c c o r d i n gt o 出ef e q 试l e m e n l o f 醅牲s e f s ，重括c 。珏s 溉d 至。狂i s 溯曲l 嚣，缸i o ni sp e 妊色c | 矗砬d 妇磁l i g c n c cd 键弦。主s h i g l i ，姐dt h es y s t e mh a si l l d e p e n d e n td e a t i o n 卸dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n i th a sc e n a i nf i i n c t i o n i i lt h ed c v e l o p i n ga l l da p p l j c a t i o no fc o m p u t e r 加d e dd e s i g e n 强w o 薹t d s ： p 托c i s i o ng 均d e ；i n t e i i i g e n c e ；c 0 黼p u t e r 加d e dd e s i 学e n ；训t s 1 1 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所星交的论义是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 戆磷究残鬃。除了文孛蒋鬟纛羧弦法弓l 霜靛蠹褰终，本论文不毽含饪嚣蕊撬令久 或集体已缀发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要灏献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律聪果由本人承担。 作者签名：马恩风 日期：0 6 年r 月弓。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者巍全了解学校有关傈瞽、使用学位论文的裁定，阐意学校 保留并向国家有关部门溅机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被畿阅和借 疑。本人授投兰州理工大学可以将零学位论文的全部或部分炎容编入有关数据摩 进行检索，可以采用影印、缩印或搦描等复铡手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保蜜日，磊年艇密嚣适爰零授权甚。 2 、不保密团。 ( 请在以上相成方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：0 6 年月弓b 日 日期：0 6 年6 月f 日 第 1 章绪论 1 1 课题提出的意义 齿轮精度设计采用人工设计方法，即以原始数据为依据，经过设计、数据检 索与选取、分析计算、绘图来完成，随着现代工业发展的要求，面临的问题是： 1 开发周期短，从立项到交货时间紧迫； 2 产品质量的要求高，对振动、噪声等控制因素的要求也提高了； 3 在满足质量水平及使用要求的前提下控制成本，节约资金； 4 设计过程中应用的公式、图表复杂且多，查阅非常麻烦，且优化设计需反 复进行计算，容易出错。 计算机辅助设计是二十世纪五十年代发展起来的一门新型技术科学，它可以 大大提高设计效率和水平，以成为世界新技术革命的标志之一，这一新技术的应 用将科技人员的智慧和能力得以延伸，使工程师和设计师从繁琐重复的计算和艰 辛的绘图工作中解放出来，因此计算机辅助设计已广泛应用于机械设计等各个领 域。在机械设计领域中齿轮精度设计和分析是一项经常性的工作，这是因为齿轮 是机械传动中量大面广的基础零部件，在汽车、拖拉机、农机、机床、电力、冶 金、矿山、工程、起重运输、石油、化工、船舶、机车、轻工、仪表、建工、建 材以及军工等领域有着广泛的应用。在齿轮传动中除了齿轮结构设计以外，齿轮 精度设计直接关系到传动质量，而机械传动质量、性能和寿命直接影响着机器的 性能和可靠性，齿轮精度分析帮助找出影响机械传动质量、性能和寿命的因素。 因而，运用计算机辅助齿轮的精度设计和分析，对于提高齿轮精度设计质量 和设计效率设非常重要的。 在齿轮精度设计中采用智能计算机辅助设计具有非常重要的意义。这主要表 现在以下几点： 1 提高企业的经济效益。在齿轮精度设计阶段引入齿轮精度智能系统可大 大提高设计人员的工作效率，降低设计成本；在齿轮加工阶段，借助齿轮精度智 能系统合理确定齿轮加工方法，有效的分析影响加工误差的各因素，减小废品 率，保证提高产品质量，直接获得经济效益。 2 增强企业的产品开发和设计能力。以前发计人员在齿轮精度设计中只能 用些由传统数学逐次逼近方法得到的经验公式柬进行工作。因而设计出来的齿 齿轮精度c a d 系统的研究 轮存在着精度不合格，加工成本过高等弊病。采用齿轮精度智能系统后设计师就 可借助专家的知识来进行设计，从而提高齿轮精度设计的质量 3 有利于实现齿轮的标准化、系列化、通用化。许多工厂反映，齿轮精度 设计的国家标准由于向国际标准靠拢，如不采用智能系统则很难贯彻。如有了相 应的软件，只要根据屏幕提示输入有关信息，就能获得符合标准要求的齿轮精度 设计结果，推广起来就比较容易。 4 提高产品设计质量，缩短产品研制周期。过去在精度设计后还要用手工 绘制工作图，且在精度设计过程中要查大量的表格，浪费了设计人员大量时间。 采用齿轮精度智能系统不但可以提高设计质量，而且大大缩短了产品的设计周 期，加快了齿轮的交货周期，提高了产品的竞争能力。 1 2 本课题的。研究状况及发展趋势 在齿轮精度设计中采用传统的设计模式，使技术人员难于进行合理的精度设 计及分析。由于精度评定的指标多，有大量的表格查找、数值计算及工作图的绘 制等，造成设计效果差、效率低下。另外，由于齿轮精度设计中牵涉到检验指标 的选择等问题，广大技术人员迫切需要一套齿轮精度分析与设计的智能系统。 应用c a d 技术实现设计自动化是研究人员、设计人员追求的目标，而智能设 计技术将在更高的创造性思维活动层次上给予设计人员有效的辅助，是真正意义 上的计算机辅助设计，一智能c a d 技术是c a d 技术与人工智能技术结合的产物，它 运用专家系统技术、实例推理技术、约束满足技术、神经网络技术等。因此，智 能c a d 技术以及数据库软件、a u t o c a d 系统的完善，专家知识的不断充实，为齿 轮精度分析与设计智能系统的建立提供了必要的技术支持。目前齿轮精度计算机 辅助设计已有报道，但实用的齿轮精度设计智能系统尚不多见，而齿轮精度分析 计算机辅助系统更不多见。 1 3 本课题的主要任务 本课题的主要研究工作是针对目前齿轮精度设计存在的问题，本着实用化的 原则，在w i n d o w s 2 0 0 0 环境下采用d e l p h i 3 0 可视化编程语言，运用人工智能技 术开发了一套人机界面友好、功能实用的齿轮精度c a d 系统的开发。系统运用基 于知识推理的专家系统来完成齿轮精度分析与设计，同时还在a u t o c a d 2 0 0 0 平台 上研究了齿轮工作图的绘制，提出了参数化绘图方法。 第2 耄专家系统理论及人工智箍技术 2 。i 专家系统理论知识 2 1 1 新一代机械设计专家系统的发展 众所周知，人类专窳之所以能解决许多错综复杂豹实际阔题，是因必他假具 有渊骛豹专驻知识和奁实践孛积累豹丰富经验，德销戆鬏撵实舔情况灵滔建综合 运用知识和经验来作出判断和决策。如果人们事先把某些专家的知识和经验加以 总结和条理化，形成事实和规则，以适当的形式存入计算机，建立起专门的知识 疼蠢撵理撬辛冬，箨么诗箨艇系统裁霹瑷对赣入( 一般逶蓬入辍慰话寒透露) 戆蘸 始数据进杼推理( 特剐怒不精确推理) ，在很火程度上可代替专家作出判断和决 策。总而言之，专家系统是计算机的一个程序系统，它对某一领域的问题提供专 家拳乎的熬决方法。专家系统具有瓷运功能一一睡答用户提爨鳃某今特定领域熬 阏题、学习功能一- 在孺户的教授帮调练下，系统能不断增添或修改所搁有的知 识。 耳前机械设计专家系统由于技术的局限性还存在着许多严重问题和不足，人 织麓待瑟一代软藏霰诗专家系统瓣滋现。羲一代撬藏设诗专家系统痘具餐下述特 征： 1 多层知识表达与满级知识表示语言 2 分蠢袋缝稳及莠簿技寒 3 多专家系统协同含作 4 多级知识获取与举习功能 5 耨蛇擦理机制 6 自动淑锘和自然究善功能 7 先进的智能人机接口 专家系统作为一种实用工具，沟人类保存、使用、传播和评价知识掇供了一 条有效懿途径。出丁- 专家系统戆实强毪，菠臻究蜀望产生重大瓣经济效簸。弱 时，专家系统的高效性及其对专家的能力的延伸使其具有无比广阔的前景 2 1 。2 专家系统的优点和功能 专家系统又称知毛袋簿专家系统，它是一个餐艉诗算爨程序系统，箕内部台有 某个领域专家级水平的大量知识与缀验，并能利用这些知识与经验解决该领域中 的实际问题。专家系统的应用，为解决生产实践中大量存存的、难于用严格数学 3 齿轮精麓系统静研究 模型解决的闯题，提供了有效的解决谂径“1 。这种程序具有程专家级水平上工作 瓣知识、经验和麓力，一般醚求解那悠需要人类专家才能求缪瓣毫难度阉题或不 鼹结构闯遨为特征。专家系统之所激能不断褥到磷究和发展，是因为专豢系统有 如下优点： 1 为专家知识特别是启发式知识提供了存贮手段和传授途径，易予继承； 2 。避免了久类专家凑予生理、心理因素造簸静不是： 3 比培养人类专家容易且省钱； 4 专家水平工作： 专家系统强调弱弱镁域专家的专门知识窥经骏寒隶解郡黧零要专家考戆奏效 解决的现实闯题。所以，一个专家系统的核心问磁是知识的获取、存放专门知识 的知识库和利用知识库解决实际问题的推理机。 二十世鳃孛麓，d a n d 姓l 系统的阔世标志羞人工智能研究躲一个崭毅的应用 领域一一专家系统8 3 的诞生。7 0 年代中期出现了一批卓有残效沟专家系统，它们 涉及到医疗、自然语言她理、数学、化学、教学、地质等多个领域，与第一代专 家系统相比，这时期出现的系统除了爆持专门知识的组织，以实现系统的离性能 棼，还在激下豆令方覆瀵霉亍了疆究穰液迸： i 系统的解释机制 2 系统的人机接口 3 。知识组织形式熊羧拳 4 。对新知识的获取 5 不精确推理技术 6 构造专家系统橼架 结穆较为完整麴专家系统应包含戳下功筢： 1 人机接口上含宵用于系统同人( 专家、用户) 交换信息的自然语吉处理 模块或图形、表格处理模块，使得专家与用户能够以尽可能自然、易于实现的方 式实理信纛耱羧彝缝粟及镄： 2 知识库的组织和维护，有一个专门的知识库维护模敬或知识库管理模 块，实现对知识库中知识的矛盾、冗余、检查和新知识的补充对已有知识的影响 调节以及知识瓣存贮、共事等。图2 。l 绘凄了专褰系统毂一个绫构示意图。 扶圈中研以看出，专家系统与鏊予计算机设计的传统程序的一些主袋医裘： 1 专家系统中知识的获取模块和相应的知识库维护模块能够在非编程状态 下不断改进知识库，进耐改进系统的性能。 2 专家系统粒鼹释瓿制戆够给滋蠲题求簿绪论浆求磐避疆，其有透明洼。 3 专家系统中知议库级知识运用和知识库知识的控制级知识( 推理机) 是 相互独立的。 4 专家系统强调符号推理和启发式知识的使用，这是人工智能问题求解与 基本算法的传统程序的区别。 图2 1 专家系统结构示意图 5 专家系统主要面向非计算机专业的用户，它追求自然、易于接受的人机 接口。 目前，专家系统的开发、应用已遍及各个领域，然而它在模拟人类问题求解 的过程中仍存在着若干难以解决的理论和技术问题，因此，必须努力研究探讨有 关新技术，以促使专家系统的进一步发展，当前对专家系统的研究是多方位的， 主要是在以下几个方面： 1 专家系统的理论与方法不断丰富 2 模糊技术应用于专家系统 3 实时专家系统 4 专家系统开发工具日趋完善 5 专家系统和神经网络的有机结合 2 2c a d 的应用以及人工智能 2 2 1c 加在机械设计中的应用 齿轮精度c a d 系统鼓研究 随着科学技术和生产的发展，企业对机械产晶的要求越来越高，主要袭现 在： l 。辩枫械产品豹综会技术往熊骚求越来越巍，表现为要求高参数、离效 率、低消耗、高耐久性、高可靠性、成套性和自动化。 2 大批蹙生产产品比例有所减少，而中批量绶小批量生产产品有所增加。 要求产品系翔绽，实瑷短期换钱，浚逶瘦枣绣豹嚣要。 3 降低产品成本，提高经济效虢。 设计工作是机械产品嫩产过程中的重要一环。据统计，设计过程中所花费用 哭占墓残本夔5 甏左玄，毽在产晶成本审终毒7 5 楚在设诗除段巍设诗者豹设圣 蹶 决定的。因此降低产品成本，关键在予改善设计，丽产品代换踊期，很大稷度上 取决于新产晶的设计速度。要确保新产品的高技术性能指标，就要求在新产品设 计中跌理论设诗代替经验设计，以精确计算代替避似计算，以动态分析代耱静态 分析。这样，设诗过程中扮分褥算王豫薰与复杂程度就大大增貊。要求用入力完 成全过程不仪费时，甚至怒不可能的。因此传统的机械设计方戒已成为科学技术 和生产发展的障碍，必须对它进行彻底改革。 c 纽鼓零是一矮综会毪瓣，鬃谤彝撬銎彩学、数舞疼、瓣络逶谖等诗葵辊 及其他领域知识一体的茼新技术；是先进制造技术的重要组成部分；也是提高设 计水平、缩短产品开发周期、增强行业竞争能力的一项关键技术。c a d 技术的特 点是涉及瑟广嚣复杂、鼓零交讫抉、嶷争激烈，聪曩授姿大、风险蹇、产爨褰。 当前e 蝴系统的硬件环境主要是工程工作站及个人计算税。工作始是鼹有高 速的科学计算、丰富的图形处理及灵活的窗口与网络管理功能的交互式计算机系 绫，它一般其3 2 位或6 4 位譬长的中央处理器( c p u ) ，广泛采用糖简指令( r l s c ) ， 怒标量、超流隶线及趣妖据令技术，瑟有u n i x 搽作系统x 鬻翔管理系统， 猩一个分布式的网络环境下运行【”。 计算机辅助设计是指技术人员以谢高速计算能力和显示图形的计算机为工 瑟，弱各豹专娆懿识瓣产麓遴嚣绘蓬、分撬、诗冀窝壤写鼓拳文箨等设诗添动戆 总称。计算机辅助设计的方法是建立在计算机技术基础上的，同时它吸收和运用 r 与设计技术相关联的科举技术和理论，如数学、物理学、力学以及优化设计、 霹靠性设计、有限元、遗器元分辑，价篷分橱秘焱绞工程等，霞熊，它完全有别 予传统静辊械设计方法，现代纯设诗方法的综合与运用。 2 2 2 人正智熊的发展 人工餐熬熬骚究鼹蒙建模按人类餐戆。那么究蠢嚣么是人类智麓噬? 这是一 个很难确切回答的问题，僚大体上可阱说它是人类所具有的知讽和能力的总和。 人类智能中的能力是智能中最富有创造性的部分，目前在人i 二智能的研究中，它 工程硕士学位论文 主要表现在如何通过学羽来获取知识，如何对各种知识进行加工处理，以及如何 运尾各种知识来解决实麟阀题。 西蓊入工智能礴究豹主要内容稳括：翔 爻表达技术。知识获取技术，知识箍 理技术，知识运用技术，以及人工智能语言等方面它涉及问题求解，定理机械 证明，公式自动推导，搏弈，模式识别，机器翻译。自然语蠢处理等方方谣面 特爱在专家系统，鑫然诺言理解嚣臻器天等毒分广泛豹癍掰。 当前，电子计算机怒模拟人类错能的主要工具。研究人工智能的主骠目的之 一，也是为了使现有的计算机提高效能，通过探讨智能的基本原理，研制出更高 缓懿智能撬。 入工麓熊与其袍其体的科学，诸如数学、物理、化学等，有一个显著的不同 点，即人工智能的重点不在于研究菜些具体学科的知识，而是着重研究如何表示 秘使用这些疑体知识，也就是在更麓层次上去研究那些具有方法论意义嬲知识。 入工智毙扶诞生瑷来，宅鹣理论和技术e 蓝成熟，应焉领域邈不颧扩大，显示窭 强大的生命力。 随着计霹机应用越味越普及，人们对计算机的期望也越来越高，希爨计算机 不仅要善予数蕹娃理，瞧要爨久类一撵善手籍学处理。 人工智能发展的初期，科学家们主要致力于探索智能科举的基本原理租基本 策略，寻找人类思维的蒋遍规律，研究推理方法和问题求解的模型，他们试图发 现通雳的阏惩求解方法，但这些努力没有获得巍众成功。于爨，辩学家 f 】怒注意 力投向各个专门的领域，扶丙使人工智能这门学科发展成诲多分支，主黉有：机 器人学、自然语言理解、对图象和语言理解、认识制模、定理证明、专寐系统 等。由于专家系统将人工智能从实验室弓l 入到现实世界，取褥了令人瞩目的成绩 因瑟荛社会掰高瘦重磁，著成菇当今人工智憝镞域串熬一个熬要分支。 7 第3 牵齿轮精度e a d 系统 3 ，1 齿轮误差的知识 齿轮的作用是传递运动、传递动力等。炎保证齿轮传动的质量，满怒一定韵 使用要求，实现齿轮传动的互换性，需要对齿轮传递运动的凇确性、齿轮传动的 平稳性、齿轮载荷分布的均匀性和齿轮副工作的侧踩进行控制，提出楣廒的要 求，由魏筏滋齿轮籍瘦豹强念。齿轮耪痉喇豹羧念可表示为实际齿轮与联怨设计 齿轮相一致的程度，分为几何精度和传动精度。齿轮几何精度是与齿轮的几何误 差相对应的，即针对齿轮零件几何体，通过齿轮工作齿面的形状和相对能置的宏 鼹死德量浚差丈零来攒述遴轮弱壤发，擒或遴耱尼您耩度熬蔡本疆絮，戏为裁定 齿轮精度标准的基础。齿轮空间曲灏的组合，实际曲面上点的位置与理论位置的 差异既为齿轮的几何误激。并按齿繇问距、齿廓形状、方向、厚度把齿轮的几何 误差分为题类单项误差。在生产实鼯孛，述单壤误差与工艺过程辐联系，对这些 误差进行潮辍，并迸露工艺分析，可找出产生谈差的鞭源，从丽迸行工慧调整， 采取措旅降低误差，提简齿轮制造的精度。 随着人们对齿轮单项误差的深入碜 究，发现诸单项误差之闻并非完众独立， 悉是存在麓宥税豹联系，秘翔：蠢鞭偏差豹大小黉受嚣齿轮穗、塑、编繇及齿蠢 误差的影响。齿轮传动的质量是齿轮上各种单项误差的综合反映，这种综合反映 可以表现为厦相叠加互相抵消。大小相同的单项误差，表现副齿轮传动质最上， 缝茬褥窭不阂豹综合缀聚，嚣毙，滚轮精度援慕矮尼 霉精度戆攘念是不突整戆。 为充分反映齿轮传动质量，体现各单项误麓的综合结果，对齿轮传动效果进 行控制，提出了齿轮综含运动精度的概念，即将齿轮作为传幼件来看待，通过啮 合传动中转焦的变化来撼述齿趁精发。将影响泼耱健动耩魔的误差分为双面囔合 运动误差和单面啮合运渤误差，函藏构残齿轮传动精度的基本框架。把泼轮精度 构筑在几何精度和传动精度的框架下，具有其台理性和实际意义。前者，用来反 映齿轮的制造精度，进行工艺分析和质量控制，后者用来表镊齿轮传动蛉质量， 送行验羧。 3 ，2 齿轮误差的分类方法 按趣王过程孛刀其与工磐之霹豹噻合特注及其变翼援露，可鞋终弓| 怒塞轮鸯瑟 工误差的工艺因素分为传动误差、主轴回转位鬣、误差、刀具误差等。如图3 1 所表示。 鸯轮耪发c d 系统嚣磺究 图3 1 齿轮加工误豢按齿轮啮含性质分类 齿轮禳王误差莹怠卡分丰塞，分类方法较多。菝照误差熬表瑷形式蝴， 可以按图3 2 进行分类。 图3 2 梭齿轮加工误麓的表现形式分类 工程硕士学位论文 引起大周期误差的工艺因素可以包括： 1 工件孔与夹具心轴的间隙误差； 2 夹具心轴的径向跳动； 3 工件端面与孔轴线的垂直度误差； 4 工作台下顶尖径向跳动； 5 工作台分度蜗轮的制造与安装误差； 6 工作台上顶尖偏移等。 引起被加工齿轮产生小周期误差的因素很多，其中包括： 1 轴回转误差，其中包括刀具主轴回转误差和工作台主轴回转误差的高次分量： 2 传动链误差，即传动链中间齿轮误差及分度蜗轮误差的高次分量； 3 刀具误差，其中包括刀具齿形角误差、螺旋线误差、齿距误差等。 3 3 齿轮精度c a d 系统 3 3 1 齿轮精度知识库 知识库是数据在知识处理领域的拓宽和衍生，用于存放专家的知识和经验， 它的组织和结构形式，知识的数量和质量对专家系统的质量和效率至关重要。 1 齿轮精度知识的表示 知识表示是知识处理的一个最基本的问题，齿轮精度设计与分析中的知识能 否在计算机中合理表达，直接影响着齿轮精度设计与分析的质量和效率。 齿轮精度设计中的知识可分为静态数据和规则两大类。静态数据反映的是陈 述性知识，用以表述齿轮精度设计中的各种决策逻辑，它包括选择决策逻辑。对 于这些知识的表示可采用专家系统中常用的知识表示方法，如框架表示法，产生 式规则表示法等，从实质上讲，所有的知识表示却是等价的，但其方便程度却不 一样，选择知识表示形式的原则是所选方法最易于表示问题且易于实现。 本课题研究的智能系统属于设计型专家系统。它所涉及的知识是大量齿轮精 度设计人员长期实践积累下来的经验，这些经验有些已被收集整理，散见于一些 有关的书本、杂志以及设计手册中，有些则比较“隐藏”，须经过一番分析归纳 方可得到。在搜集、整理本系统的领域专家知识的过程中，我们发现这些知识大 多可以用产生式规则表示法方便地表达。产生规则表示法与人的思维方式很相 似，为人们所熟悉，也比较直观，容易收集和组织齿轮精度专家的知识：而且这 种规则彼此之间是完全独的，很容易适用于各种情况也方便用户的检验、修改 和扩充；另外，它还有描述不确定知识的能力，也很容易连接解释功能，从而使 知识库更适用于解决实际问题。因此本系统选用产生式规则表示法来表示知识。 在知识表达形式上将齿轮精度知识分为两种：内部表达形式和外部表达形 齿轮精度c a d 系统的研究 式。知识的外部表达形式：面向邻域专家，知识工程师和用户，是一种显示表达 方法。外部形式着重于知识的可理解性和表达能力。如下所示为本系统中第二公 差组精度等级确定及齿轮公差组检验项目选择的两项规则的外部表示： 齿轮第二公差组精度等级确定规则l ： 如果( 渐开线圆柱齿轮应用于拖拉机上) 且( 该齿轮未淬火) 则( 该齿轮第二公差精度等级推荐采用6 级) 齿轮第一公差组检验项目选择规则1 ； 如果( 渐开线圆柱齿轮为成批大量生产) 且( 第一公差组精度等级在5 9 级之间) 则( 齿轮第一公差组检验项目推荐采用f ；与f 。) 知识的内部表达式面向知识的存储，管理以及推理决策，是一种隐 式表达方式。内部形式力求数据格式的简单和统一、存储、查询方便，存储空间 小，尽可能多地体现知识之间的内部联系，便于知识的矛盾、语法结构和冗余检 查。上述规则的内部表达形式如下： g 2 r u l e li f ( y y = 6 ) a n d ( s h = o ) t h e n ( g 2 = 6 ) g l j y r u l e l i f ( p l = 3 ) a n d ( g 1 = 5 ) a n d( g l ) 一书为依据，提取各个公差组中的公差及极限偏差的各种数据，进行规 范化，把它规范为一个基本的关系。因此，可先建立公差组查询模块所需的各个 公差组所对应的公差及极限偏差的数据库模型，然后再利用d e l p h i 强大的数据库 来调用它们，实现搜索、奇询等功能 。 3 4 4 数据库建模的过程 现在以渐开线圆柱齿轮为例，说明整个数据库建模的过程，圆柱蜗杆蜗 齿轮待发c a b 系统的研究 轮、锥齿轮茅口准双面齿轮的建模过程与其类似，不再赘述了。 标准对搬轮及齿轮副的精度翘定了1 2 个精发镶缓，第l 缀戆精度最瘀，第 1 2 级的精度最低。齿轮副中两个齿轮稳精度等级一般取成相间，也可取成不相 同。按齿轮备误差项目对传动性能的主要影响，齿轮的各项公藏和极限偏麓分成 三个组，根搬不同的使用要求，对三个公差组可以选用相同的精度等级，搬可以 选矮不霾懿精褒等缓。懿在弱一公差缀内，各矮公蓑与稷限绱嫠瘟豢持稳鬻静精 度等级齿轮精度等级的选择，应根据传动的用途，使用条件，传递功率和圆周 速度及它技术要求来确定。编制标准的基础为5 级，每个精度等级规定三个公差 缀，如表3 。l 获示： 表3 1 公差组的分类 第1 公差组 ，” f ；，f ，f i ，f ，f 女，f ， 第1 l 袋差组 l 气， f ， 。， 。 。 第公差组f9 ，f 。，f ， 现在分别对每个公麓组里的各个公差和极限偏差建立数据席模型。酋先建立 三个数据库g c z l d b c ，g c z 2 d b c ，g c z 3 d b c 来分别识别第1 公差组、第 1 i 公差组 秘第1 i i 公熬维，在建立鞠应的其钵数据疼螽霹建立冬数据黪掰包含懿表。 ( 1 ) 第1 公差组的数据库建横 在g c z l d b c 中，创建了f p l d b f ，r p k l d b f ，f r l d b f 、d f i l p l d b f 来分别表示 # 确定f ，、砖、f ，帮f ；壤戆表懿结糖。在详缨分辑 齿耱猿疫国家搽壤应廷 指南) ) 中的相关内容后，确定了各液的字段名，然后再把相应的标准数据填入 桷关的表里。形成一系列完整的表，供以后使用。由于d e l p h i 的b d e 在使用 x p r 0 2 。6 瓣表对，著字段名为孛文，鄹萎毽错，敬囊舂表黪字菠名均采躅英文 袭示。表3 2 给出了g c z l d b c 的各表的字段名。 表3 ，2 第1 公差组的数据库建模 袭褒字段惑 f d l 曲f j d d j ，f d y l m a x ，f d y lt l i n ，f p f d k l d b f j d d j ，f d y l m a x ，f d y l m i n ，f p k f r l d b f j d d j ，f d y d m a x ，f d y d m in ，m n m a x ，m n m n ，f r d f i l p l 曲f j d d j ，f d y d 珑a x ，f d y d m i n ，搦n 疆a x ，m n 秘i n ，f i l p l 工程硕士学位论文 其中，j d d j 表示精度等级，f d y l m a x 表示分度圆圆弧长度的最大值， f d y l i n 表示分度圆圆弧长度的最小值，f p 表示齿距累积公差值，f p k 表示k 个 周节累积公值，f d y d l i i a x 表示分度圆直径的最大值，f d y d i n 表示分度圆直径的 最小值，岫x 表示法向模数的最大值，m 姗i n 表示法向模数的最小值，f d 表 示齿距累积公差，f p k 表示k 个齿距累积公差值，f r 表示齿圈径向跳动公差 值，f i l p l 表示径向综合公差值。 ( 2 ) 第1 i 公差组的数据库建模 在g c z 2 d b c 中，创建了x f l p 2 d b f 、f f 2 d b f 、f p t 2 d b f 和f p b 2 d b f 来分 别表示确定 ，、f 、，和r 值的表的结构。表5 3 给出了g c z 2 d b c 中的 j i j fj 群j 曲 各表的字段名。 其中，j d d j 表示精度等级，f d y l m a x 表示分度圆圆弧长度的最大值， f d y l m i n 表示分度圆圆弧长度的最小值，f p 表示齿距累积公差值，f p k 表示k 个 周节累积公差值，f d y d m a x 表示分度圆直径的最大值，f d y d m i n 表示分度圆直径 的最小值，i 咖a x 表示法向模数的最大值，m n m i n 表示法向模数的最小值，f p t 表示齿距极限偏差，f p b 表示基节极限偏差，f f 表示齿形公差，x f l p 表示一齿径 向综合公差值。 表3 3 第1 i 公差组的数据库建模 表名字段名 x f l p 2 d b fj d d j ，f d y d 眦x ，f d y d m i n ，i i 哪a x ，m 姗i n ，x f l p f f 2 d b f j d d j ，f d y d m a x ，f d y d in ，咖a x ，肿m i n ，f f f p t 2 d b fj d d j ，f d y d m a x ，f d y d m i n ，m n m a x ，m n m i n ，f p t f p b 2 d b f j d d j ，f d y d m a x ，f d y d m i n ，哪m a x ，m n m i n ，f p b ( 3 ) 第1 i i 公差组的数据库建模 在g c z 3 d b c 中，刨建了d f b 3 d b f 来表示确定 f 。值的表的结构。表5 4 给 出了g c z 3 d b c 中的d f b 3 d b f 表的字段名。 表3 4 第1 i i 公差组的数据库建模 表名字段名 d f b 3 d b f j d d j ，w id e m a x ，w i d e m i n ，d f b 其中，j d d j 表示精度等级，w i d e m a x 表示有效齿宽的最大值，w i d w m i n 表示有效 齿宽的最大值，d f b 表示齿向公差的公差值。 第4 章齿轮精度c a d 系统关键模块分析 4 1 齿轮精度c a d 系统的结构 齿轮精度分析系统结构层次如图4 1 所示，它主要由三部分组成：文件管 理、精度分析、使用帮助。 本系统在齿轮精度分析上采用机械设计专家8 9 ，1 0 1 的经验来实现，详细 内容可参见精度分析模块。 齿轮精度o m 系统 i 精度分析 文 倩 滚插剃磨 其 件 齿齿齿齿 他 助 t 加加加加加 工工工工工 厂 i 工艺因素分析 关帮 存另删退于助 目 盘 存除出 误差源分析与判断 求 查 询 原结 因 果 查打 询 印 图4 1 齿轮精度c a d 系统结构图 齿轮精旋c a d 系统豹研究 4 1 1 齿轮精度分析模块 终秀零系统熬莰心模浃，穰度分撰戆内窖毯戆： 1 选择择齿轮的加工方法； 2 工慧因素分析； 3 。误麓源分析与判凝。 其漉程翻翔4 。2 所示： 确定齿轮加工方法 l 工麓因素分析 输入各项误差 误差深分摄与粪瑟 l i根据专家缀验确定超麓原因 i 打印 ， 、 i 结 束 图4 2 齿轮精度分析流程图 4 。1 2 齿轮辏凌误差鞠素爱彩晌 由于滚毒崎加工具有生产效率高、精度高等特点，在齿轮实际加工中作为最常 用的一种加工方法。滚齿过程中主要工艺误差因索“”及它们埘齿轮误差的主要影 响如表4 1 所示： 表4 1滚齿工艺的工艺误差因素及影响 类别工艺误差因素齿距基节齿形齿向齿厚 机床分度蜗轮的运动偏心+ f 分度蜗杆周期误差+ - - l 分度链中间齿轮偏心+ 机床工作台周期性游动+ 进给丝杠的周期误差+ 机 差动链中间齿轮偏心+ 床 立柱导轨的倾斜 - l 机床工作台的轴向跳动+ 机床工作台心轴的径向跳动+ 滚刀刀杆跳动+ 滚刀刀杆轴向间隙+ 滚刀轴向齿距误差+ 三个齿距内累积误差+ 刀齿的径向误差+ 容屑沟的相邻轴节误差+ 容屑沟的周节累积误差+ 滚 刀齿前面与孔轴线的不平行度+ 刀 齿形角误差+ 刀齿前面的非径向性+ 近似造型的固有误差+ 轴台径向或端面跳动+ 轮坯安装在工作台上径向或端面跳动+ 安 滚刀安装在刀轴上的径向或轴向跳动+ 滚刀安装角误差+ 装 滚刀切削径向深度不精确+ 27 齿轮精度c a d 系统的研究 4 2 齿轮精度设计 4 2 1 齿轮精度设计结构 齿轮精度设计系统结构层次如图4 3 所示，它主要由五部分组成：文件管 理、精度设计、结果查询、齿轮标注及联机帮助。 本系统在齿轮精度等级的确定及检验1 。1 3 ，1 4 1 5 1 6 - 1 7 1 指标的选择上采用机械设 计专家的经验来实现，详细内容可参见精度设计模块。 图4 3 齿轮精度设计系统结构图 4 2 2 精度设计模块 作为本系统的核心模块，精度设计内容包括： ( 1 ) 齿轮各公差组精度等级的确定： ( 2 ) 齿轮及齿轮副检验项目的选定及公差值的查找 ( 3 ) 齿厚上下偏差代号及侧隙检验项目的确定。 其流程图如4 4 所示： 齿轮精度c a d 系统的研究 图4 4齿轮精度设计流程图 工程硕士学位论文 4 2 3 确定齿轮精度设计中的参数 1 各公差组精度等级的确定 我们知道，齿轮精度的选择直接关系到传动质量和生产成本。按各项误差对 传动的影响，将齿轮公差分成三个公差组，首先确定主要公差组的精度要求，然 后再确定其他两个组的精度等级。根据使用要求对各组可选相同也可选不同的， 但一般不要超过一级。所以选择齿轮精度等级时，必须考虑齿轮的工作速度、传 递功率、工作的持续时间，机械振动、噪声和使用寿命等方面的要求“”1 ” 。 在研制本软件系统时，事先建立了齿轮精度及其工作速度、应用场合及传递功 率，选择出合适的齿轮精度等级。 2 齿轮及齿轮副检验项目的选定及公差值的查找 ( 1 ) 齿轮及齿轮副检验项目的选定 齿轮的各项精度必须靠相应的检验参数来保证，所以，在进行齿轮精度设计 时也必须同时选定齿轮与齿轮副的检验项目。 各类齿轮的检验项目不尽相同，下面分类阐述齿轮及齿轮副检验项目选定。 渐开线圆柱齿轮 对于渐开线圆柱齿轮评定指标的选择可根据齿轮的精度等级、生产批量等确 定。本系统主要利用表4 2 来确定。“1 。 表4 2渐开线圆柱齿轮精度等级 公差齿轮精度等级 组3 8 级3 6 级 7 8 级 5 8 级5 9 级9 级1 0 1 2 级 f ；f 。f 。 f r f 。f rf 。 if 。kf -f t f - f f ff f 与f m 或ff 。 f 。或 i if d 。 f f 与f 。 与k f “ f 。 侧隙 e 皿 e 。或e 。 简要高精度或大批高精度小批生产、磨齿成批大多齿数滚 说明生产，成本较小批生等齿轮，有助于量产、齿齿轮，便于 呙 产磨齿 齿轮机床调整、 经济性 工 艺分析 齿轮工艺分析好 即在系统研制时建立了评定指标与齿轮精度等级、生产批量之间关系的规则 齿轮精度( ：a d 系统的研究 库文件。这样系统就能根据齿轮的精度等级、生产批量来选择合适的评定指标。 蜗轮、蜗杆与锥齿轮 本标准对蜗杆、蜗轮和蜗杆传动规定1 2 个精度等级：第1 级的精度最高， 第1 2 级的精度最低。 ( 1 ) 本标准适用于较交角为9 0 。，模数m 1 唧的圆柱蜗杆、蜗轮及传 动“1 。其蜗杆分度圆直径d 。4 0 0 哪，蜗轮分度圆直径d ：4 0 0 0 唧。基本蜗杆 可为阿基米德蜗杆( z a 蜗杆) 、渐开线蜗杆( z i 蜗杆) 、法向直廓蜗杆( z n 蜗 杆) 、锥面包络圆柱杆( z a 蜗杆) 和圆弧柱蜗杆( z c 蜗杆) 。 ( 2 ) 精度等级：按照公差的特性对传动性能的主要保证作用，将蜗杆、蜗 轮和蜗杆传动的公差( 或极限偏差) 分成三个公差组。不同，允许各公差组选用 不同的精度等级组合，但在同一公差组中，各项公差与极限偏差应保持相同的精 度等级。蜗杆和配对的精度等级一般取成相同，也允许取成不相同。对有特殊要 求的蜗杆传动，除f r ，f i ”，f i ”，f r 项目外，其蜗杆、蜗轮左右齿面的精度等 级也可取成不相同。 ( 3 ) 蜗杆、蜗轮的检验与公差：根据蜗杆传动的工作要求和生产规模，在 各公差组中，选定一个检验组来评定和验收蜗杆、蜗轮的精度。当检验组中有两 项或两项以上的误差时，应以检验组中最低的一项精度来评定蜗杆、蜗轮的精度 等级。 ( 4 ) 传动的检验与公差：蜗杆传动的精度主要以传动切向综合误差 d f i c 、传动一齿切向综合误差d fi c 。和传动接触斑点的形状分布位置与面积大 小来评定。 ( 5 ) 蜗杆传动的侧隙规定：本标准按蜗杆传动的最小法向侧隙大小，将侧 隙种类分为八种：a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 和h 。最小法向侧隙值以a 为最 在，h 为零，其它依次减少。 侧隙种类与精度等级无关。蜗杆传动的侧隙要求，应根据条件和使用要求用 侧隙种类的代号( 字母) 表示。各种侧隙的最小法向侧隙jn l f i i n 值按“蜗杆、蜗 轮各项误差的公差数值表”中规定。对可调中心距传动或蜗杆、蜗轮不要求互换 的传动，允许传动的侧隙规范用最小侧隙j n m i n ( 或j n m i n ) 和最大侧隙j t m a x ( 或 j n a x ) 来规定，具体由设计确定。传动的最小法向侧隙由蜗杆齿厚的减薄量来保 证，即取蜗杆齿厚上偏差e s s l ：( j n m i n c o s a n + e s d ) ，齿厚下偏差e s i l = e s s l t s l ， e s d 为制造误差的补偿部分。最大法向侧隙由蜗杆、蜗轮齿厚公差t s l 、t s 2 确 定。蜗轮齿厚上偏差e s s 2 = o ，下偏差e s l 2 = t s 2 。对各精度等级