（机械设计及理论专业论文）基于特征的齿轮传动cadcaecapp系统集成研究.pdf

太原理工大学硕士学位论文 摘要 本文在分析国内外c a d c a e c a p p 技术各自的发展 历史与现状的基础上，结合专家系统，提出了钾能集成的 研究方向。以齿轮类零件作为研究对象在分析了其特征 及约束的基础上，利用数据库技术和图形单元建模技术， 建立了基于约束的特征模型，实现了c a d c a e c a p p 之问 的数据传输和信息共享：分析了齿轮参数确定、强度校核 的一般原则，进行基于特征的齿轮强度校核的算法研究； 将专家知识融入在c a d 、c a e 、c a p p 各个过程中实现了 设计过程、强度分析和一 艺分析的智能化。在上述研究的 基础上，利用a u t o c a d 2 0 0 0 提供的a c t i v e xa u t o m a t i o n 技 术，以v b 为开发工具，开发出了齿轮的c a d c a e c a p p 集成软件，并与其它机械通用件设计系统进行了集成。软 件运行表明，该系统功能完善，具有工程应用价值。 关键词：齿轮、特征、约束、智能化、专家系统、c a d 、 c a e 、c a p p 太原理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t o nt h e h a s iso fa n a l y z i n gt h er e s p e c t i v e d e v e l o p m e n t a n d c u r r e n ts i t u a t i o na th o m ea n da b r o a do fc a d c a e c a p p t e c h n o l o g y ，t h i sp a p e rb r i n g s f o r w a r dt h er e s e a r c hd i r e c t i o n i n t e g r a t i o n a n d i n t e l l e e t u a l i z a t i o n c o m b i n i n g t h e e x p e r t s y s t e m b yt h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i ca n dr e s t r i c t i o no ft h e g e a rc o m p o n e n t s ，t h i sp a p e ru p b u i l d s t h ec h a r a c t e r i s t i cm o d e l b a s e do nt h e r e s t r i c t i o na n da c t u a l i z e $ d a t at r a n s m i s s i o na n d i n f o r m a t i o n s h a r i n ga m o n gc a d ，c a e a n dc a p p t h i s p a p e r a n a l y z e s t h e g e n e r a lp r i n c i p l e o fp a r a m e t e rd e t e r m i n a t i o na n d s t r e n g t hc h e c ka b o u tg e a ra n dr e s e a r c h e st h ea l g o r i t h m i co fg e a r s t r e n g t hc h e c kb a s e d0 nt h ec h a r a c t er i s t i c t h i sp a p e ri n t r o d u c e s e x p e r tk n o w l e d g e i n t or e s p e c t i v ep r o c e d u r eo fc a d ，c a ea n d c a p pa n d a c t u a l i z e st h ei n t e l l e c t u a l i z a t i o ni n d e s i g n p r o c e s s ，s t r e n g t ha n a l y s i sa n dp r o c e s sp l a n n i n g o nt h e b a s i so f a f or e m e n t i o n e dr e s e a r c h ，t h i sp a p e rd e v e l o p st h ec a d c a e c a p p i n t e g r a t i o n s o f t w a r eo fg e a rc o m p o n e n t sb ym e a ns o ft h e a c t i v e - a u t o m a t i o nt e c h n o l o g yp r o v i d e db ya u t o c a da n dv ba n d c o n d u c t st h e i n t e g r a t i o n w i t h g e n e r a l m e c h a n i c a la n ds h a f t c o m p o n e n t si n t e g r a t e dd e s i g n i n gs y s t e m t h ea p p l i c a t i o no ft h e s o f t w a r ei n d i c a t e st h i ss y s t e mh a sp e r f e c tf u n c t i o na n dp r o j e c t a p p l i e dc o s t k e y w o r d s ：g e a r ；c h a r a c t e r i s t i c ；r e s t r i c t i o n ；i n t e l l e c t u a l i z a t i o n ；e x p e r t s y s t e m ；c a d ；c a e ；c a p p 2 太原理工大学硕士学位论文 第一章：绪论 【本章摘要】本章从c a d 、c a e 、c a p p 各自的发展论述 了三者集成的必然性，同时结合专家系统提出了本文的研 究内容和方向。 1 1c d c e c a p p 集成的必然性 1 1 1c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 的发展概况 自1 9 4 6 年世界上第一台电子计算机在美国出现以后， 人们就不断地将计算机引入机械设计、制造领域。五十年 代初期麻省理工学院的伺服机构实验室成功地研制出a p t 程序系统，由此就产生了c a d 的最初概念。1 9 6 3 年，麻 省理工学院的研究生i e s u t h e r l a n d 发表了人机对话图 形通信系统论文，推出了s k e t c i - i p a d 系统，这标志着 c a d 系统真正在设计中使用。 7 0 年代初期，由于大规模集成电路的出现，使得电子 电路的设计越来越复杂，人们不得不求助于电子计算机的 图形显示和图形编辑功能来满足电路的设计要求。随着电 子计算机硬件技术的发展，c a d 技术广泛应用在航天工业 和汽车工业上，c a d 也就迅速发展起来。 7 0 年代末，在国际上出现了许多商品化c a d 软件。 随着世界经济的迅速发展和市场全球化，c a d 技术的发展 呈现了百花齐放、百家争鸣的大好局面。然而几乎所有的 c a d 系统都集中解决几何造型问题如体素的拼合、剖面 的计算、三维图形的消隐、真实感图形的显示等，缺乏装 配信息的描述，缺乏精度、表面粗糙度、形位公差等工艺 信息的描述。c a d 系统所形成的最终结果是产品图纸从 一定意义上讲这种图纸与以往人工绘制的图纸并没有本 太原理工大学硕士学位论文 质的区别，图纸所提供的信息主要是为人工阅读的，计算 机难以理解。因而这种图纸不能为c a e 、c a p p 所使用。 1 1 2c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r ) 的发展概况 机械强度有限寿命计算机辅助工程( c a e ) 技术是8 0 年代初从工业发达国家发展起来的现代设计技术。该技术 扬弃了以强度为指标的传统机械设计的理论、方法和手段， 它以产品的寿命设计为目标，对影响机械产品寿命的载荷、 几何尺寸及使用材料的机械特征等参数进行测试、定量分 析和优化、仿真及预测产品零件的寿命，以确定产品机械 强度的最佳设计参数，达到机械产品的有限寿命设计的目 的。c a e 技术是c a t ( 计算机辅助测试) 、c a d 等技术的 综合和高级应用形式，它是在数学、力学、图形学等学科 的基础上，随着计算机技术的发展而快速发展起来。目前 市场上 h 现了各种各样的c a e 软件，如n a s t r a n 、 a n s y s 、m a r c 等。然而这些软件主要包括有限元分析部 分，几乎没有囊括参数化强度设计、校核、优化设计等方 面，同时c a e 的数学模型与c a d 系统数学模型相互孤立， c a d 实体模型的改变也不能同时引起c a e 模型的自动改 变，使得c a d 与c a e 软件之问不断在传输和转换，从丽 增加了产品开发人员的工作量，降低了产品丌发人员的工 作效率。 1 i 3 c a p p ( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) 的发展概况 c a p p 的开发、研制是从6 0 年代末开始的，在制造自 动化领域，c a p p 的发展是最迟的部分。世界上最早研究 c a p p 的国家是挪威，始于19 6 9 年，并予l9 6 9 年正式推 出世界上第一个c a p p 系统a u t o p r o s ；1 9 7 3 年正式推出 商品化的a u t o p r o s 系统。在c a p p 发展史上具有里程碑 意义的是c a m i 于1 9 7 6 年推出的c a m i sa u t o m a t e d 6 太原理工大学硕士学位论文 p r o c e s sp l a n n i n g 系统。取其字首的第一个字母，称为c a p p 系统。目前对c a p p 这个缩写法虽然还有不同的解释，但 把c a p p 称为计算机辅助工艺过程设计已经成为公认的释 义。计算机辅助工艺规划，上与计算机辅助设计 ( c a d c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 相接，下与计算机辅助制造 ( c a m c o m p u t e ra i d e dl n l n u f a c t u r i n g ) 相连，是连接设计 与制造之间的桥梁，设计信息只能通过工艺设计才能生成 制造信息，设计只能通过工艺设计才能与制造实现功能和 信息的集成。 随着计算机在制造业中的应用，国内外相继出现了许 多优秀的c a p p 系统。国外具有代表性的是美国普渡大学 开发的t i p p s 系统英国曼切斯特大学开发的i c a p p 系统。 国内的c a p p 工作开始于8 0 年代，其中比较有代表性的是 清华大学的t h c a p p 1 系统，北京航空航天大学开发的 e x c a p p 系统，西北工业大学开发的g n c a p p 系统，华中 理工大学开发的h z r c a p 系统，南京航空航天大学开发 的n h c a p p 系统等等。但是这些系统有一个共同特点： c a p p 不能使用c a d 系统所提供的零件模型，需要另行逐 字逐句的输入零件信息，非常繁琐，费时费力。 1 1 4c a d ，c a e c a p p 集成是各自独立发展的必然 在多年的独立发展过程中，c a d 侧重于产品的设计计 算及其几何要素的组织和表达。依赖于图形支撑软件及以 计算机为工具的设计、分析方法。c a e 侧重于机械零件强 度的有限寿命计算。c a p p 侧重于工艺信息的表达、输入 和工艺规划。三门学科的独立发展必然带来以下问题： ( 1 ) c a d 、c a e 、c a p p 有各自的数学模型，三种数 学模型差别很大，彼此之间不能相互理解，信息传递困难； ( 2 ) 从c a d c a e 或从c a d c a p p 数学模型转化 太原理工大学硕士学位论文 困难一般需要另起炉灶。重新建模，资源不能共享，造 成很大的精力和财力的浪费。 这些矛盾必然造成产品的设计、制造周期过长。随着 市场的多样化，市场的竞争越来越激烈。为了增强产品的 市场竞争力，强烈要求产品不断地更新换代。因此这种孤 岛式的c a d 、c a e 、c a p p 越来越不能满足市场的需要， 集成是必然选择。 1 2 专家系统在c a d c e c p p 智能化中的应用 1 2 1 人工智能的诞生 随着计算机软、硬件的发展计算机的应用越来越普 及，人们对计算机的期望也越来越高，希望计算机不仅要 善于数据处理，也要象人类一样善于符号处理。现实世界 中大量的问题，如计划、推理、解释、证明等都是需要进 行大量的非数据判断、逻辑推理，求解过程中还需用到常 识、知识。若计算机能处理这些符号，它将会发挥更大的 作用。基于这种思想，1 9 5 6 年由j m c c a r t h y 、m l m i n s k y 和c e s h a n n o n 等人发起，数十名专家聚集在美国的 d a r t m o u t h 大学，共同研究和探讨了运用计算机模拟人类 智能的各个方面问题和特征，并第一次使用了“人工智能” ( a i ) 这一术语。它标志了新型学科一人工智能的诞生。 1 2 2 专家系统( e s ) 的诞生 1 9 6 8 年斯坦福大学成功地研制了d e n d r a l 系统，其 知识非常渊博和有效，它的闯世标志着a i 研究的一个崭 新的应用领域一专家系统的诞生。 1 9 7 2 年至1 9 7 7 年，由于结合了领域专家知识，使得 需要高水平的人类专家知识才能求解的问题有了一条希望 的辅助求解途径。同时随着基于规则的产生式系统技术的 出现，使得专家系统有了进一步的发展。 太原理工大学硬士学位论文 1 2 3c a d c a e c a p p 智能化是专家系统发展的必然 我们知道传统的c a d c a e ，c a p p 系统缺乏综合和选 择能力，用户在使用系统时，需具备较高的专业知识和较 丰富的实践经验。特别在概念设计和初步设计这两个阶段， 设计人员必须提出和选择设计方法，决定设计策略。因此 工作效率低、信息量大、用户要求高、错误难于避免。随 着专家系统的进一步研究人们就提出智能化集成系统。 c a d c a e c a p p 智能化就是把人工智能的思想、方法 和技术引入传统的c a d c a e c a p p 系统中，分析归纳设计 工艺知识，模拟人脑推理分析，提出设计工艺方案， 从而提高设计工艺水平，缩短周期，降低成本。随着以 知识和知识工程为基础的专家系统的出现，给 c a d c a e c a p p 研究带来了新的启发，为c a d c a e c a p p 的智能化提供了一条新的途径。 1 3 本文的主要工作 本文的中心议题是研究c a d c a e c a p p 的智能集成 系统，目的是实现各个模块之问数据共享和信息的自动转 换，同时融入专家系统使得本系统具有一定的智能能力， 尽量减少人的干预，使设计自动能进行。 本文分两条主线进行了研究：一是基于约束的特征模 型建立i 二是智能化信息传递机制即专家系统和智能导航 在程序中的实现。具体的工作可概括如下： 将齿轮类零件作为研究对象，在分析了其特征及约束 的基础上，利用数据库技术，建立了基于约束的特征模型， 实现了c a d ，c a e ，c a p p 之问的数据传输和信息转换；分析 了齿轮参数确定、强度校核的一般顾则。进行基于特征的 齿轮强度校核的算法研究：将专家系统融入在c a d 、c a e 、 c a p p 各个过程中实现了设计过程、强度分析和工艺分析 太原理工大学硕士学位论文 的智能化。在此基础上，开发出齿轮类零件c a d 、c a e 、 c a p p 的智能化集成软件。 0 太原理工大学硕士学位论文 第二章：基于约束的齿轮特证模型的建立 【本章摘要】从特征、约束的定义和特征与约束的关系着 手，在分析了齿轮的功能特征及制造特征的基础上，建立 了基于约束的齿轮的特征模型，从而为c a d 、c a e 、c a p p 集成系统建立了一个统一、完整的信息模型。 2 1 引言 利用计算机进行产品设计，其主要设计过程是产品模 型的建立和完善的过程。在计算机的早期阶段，由于受到 计算机本身硬件及计算机图形学理论发展的限制，早期计 算机内所表达的产品主要是产品的几何模型在计算机内的 实现。随着计算机图形学理论的不断发展，精确的产品几 何模型的计算机内表达已只趋完善。然而此时的几何模型 只能是工程技术人员应用图形学中的点、线、面通过适当 的运算在计算机内表达的设计结果。这种表达只能作为生 产制造活动中用以表达工程人员意图的工程图纸语言而 已。它没有考虑所生成的几何模型如何满足产品设计到制 造全过程的需要。 如第一章所述，c a d 、c a e 、c a p p 的独立发展必然 会带- 束三者集成的必然性。但c a d 、c a e 、c a p p 集成不 是三个部分简单的组合，如何建立完整的、统一的数学模 型是其必然遭遇的技术难题，为此人们提出了基于特征的 设计方法。这种方法是以特征作为设计载体和信息载体来 完成c a d c a e c a p p 的信息集成。特征概念的引入，由于 其符合设计人员的设计思维满足工程设计活动中对功能 需求的要求。更由于其性能在更高层次上抽象表达设计的 意图和解释工程实际意义，基于特征设计的方法被认为是 太原理下大学硬上学位论文 最适合于c a d ，c a e ，c a p p 集成系统的产品表达方法。 约束是特征与特征之间及特征元素之间联系的纽带， 为此本文提出了基于约束的特征设计方法。 2 2 特征的定义 1 9 7 8 年工程“特征”概念的提出和1 9 8 8 年s t e p 的问 世使c a d ，c a e c a p p 集成在“特征造型”上达成共识。特 征概念从其提出到现在，经过研究人员不断的努力已提出 了各种各样的定义形式。这些定义形式因从各种应用领域 对特征的要求、目的、动机不一样而千差万别。本文从自 己设计的角度认为：特征是满足产品所要求功能的最小承 受单位，换句话说，特征是产品功能的执行者为了满足 这一要求，特征必须是有形的实体，便于设计、制造、装 配并完成相应功能。从集成的角度来看：特征是不同工程 领域对同一产品零件不同理解之间传递信息的载体，是一 种沟通的桥梁和互相理解的钥匙。从内容上看，特征是一 组信息的集合；从形式上看，特征是有形几何体与工艺属 性的抽象。因此本文给出的特征定义： 特征是经过约束而形成的有序图元，在产品生命周期 中具有一定属性和拓扑结构的集合，并能实现产品功能的 最小单位。 2 3 特征与约束的关系 2 3 1 约束的定义： 约束在产品整个生命周期过程中发挥着重要作用。它 反映了设计者为了实现其意图而对零件中各个特征施加不 同的限制来满足设计和制造过程中的条件与要求为次本 文将约束定义为： 约束是在整个特征生命周期过程中，对特征的各种属 性和行为的限制。 2 太原理_ t 大学硕士学位论文 2 3 2 特征与约束的关系： 在以往对特征的研究过程中，特征与约束之间没有有 效地联系起来，形成满足产品实际工程意义的统一体，约 束对特征的作用主要表现在： ( 1 ) 约束是特征信息描述的有效组织形式。在特征设 计的过程，产品和特征的信息是通过对约束的一步步求解 而得到的，也就是说每条产品和特征的信息的形成都是以 满足一定约束条件为前提的。因此。约束不但对特征的参 数化设计起作用，而且对非几何信息的形成同样起作用。 ( 2 ) 特征和约束是特征生命周期内可变性和不变性两 个基本属性的表现。 ( 3 ) 没有约束作用的特征表达不能形成有效的特征信 息。因而无法完成特征作为产品生命周期内的信息载体的 功能。 综上所述：在特征设计过程中，特征是作为约束韵对 象而存在的，约束是建立在具体特征之上的属性和行为的 描述，是对特征有效性的认识：在特征建模的过程中，特 征的建立与约束关系的建立是同步进行的；没有特征的约 束和没有约束的特征足没有存在意义的，特征与约束是紧 密联系，密不可分的。 2 4 齿轮的特征模型的建立 本文所要解决豹关键问题之一就是要在c a d 设计阶 段建立一个能为c a e 、c a p p 所共享的信息模型。为此， 本文结合前面所述的特征、约束的定义首先从功能和制造 两个方面对齿轮迸行了基于特征的结构分析。 2 4 1 基于功能特征的齿轮的结构分析 齿轮传动是机械传动中应用最广泛的一种机械传动型 式，它主要用于传递运动和动力。因而依据功能可将齿轮分 太原理工大学硬士学位论文 为不同类型，而这种划分在传递运动时表现为齿轮传动时 两轴的相对位置不同；在力学本质上反映了不同类型的齿 轮受力形式的不同。为此我们根据齿轮两轴的相对位置， 将齿轮分为三类： 一类：圆柱齿轮传动，主要用于两轴平行的齿轮传动。 二类：圆锥齿轮传动，主要用于两轴相交的齿轮传动。 三类：螺旋齿轮传动和蜗秆传动，主要用于两轴交错 的齿轮传动。 2 4 2 基于制造特征的齿轮的结构分析 齿轮一般由轮幅、轮毂、轮齿三个主要部分组成。工 艺人员在编制工艺时主要根据齿轮的结构形式和技术要求， 而齿轮的结构形式在图形中表现为轮幅、轮毂、轮齿这三 部分的不同组合。不同的组合对应了不同的加工方式。为 此我们依据制造特征，将齿轮主要分为三种类型： 一类：整体式齿轮，如图2 1 1 所示。 二类：腹板式齿轮，如图2 1 2 所示。 三类：轮辐式齿轮，如图2 1 3 所示。 罾呻 3u l l 口口 图2 1 1图2 1 2图2 1 3 2 4 3 齿轮的特征模型的建立 太原理工大学硕士学位论文 本文综合分析了齿轮的c a d 、c a e 、c a p p 各系统所 需信息，综合了前面提出的特征和约束的定义，提出了基 于约束的齿轮的特征模型，模型结构分为三层结构来描述： i 零件层 零件层主要描述了齿轮的一般信息。在齿轮的设计中， 本文根据齿轮的功能特征、管理特征、结构特征和组合特 征来描述齿轮的一般信息。而齿轮各部分特征之间的定位 约束恰恰使零件构造有序，从而形成齿轮的特征模型。 i 功能特征 1 )用于平行轴传动的圆柱齿轮：直齿轮，斜齿轮， 圆弧齿轮。 2 )用于相交轴传动的圆锥齿轮：直锥齿轮，斜锥齿 轮。 3 )用于交错轴传动的齿轮：螺旋齿轮，蜗杆。 2 结构特征：整体式，轮辐式，腹板式。 3 管理特征：零件名称，设计者，设计时期，材料， 批量。 4 组合特征：轮毂，轮幅，轮齿的组合方式。 5 特征定位约束关系：齿宽，轮幅宽，轮毂宽。 i i 特征层 特征层是构成零件的特征。它包含了许多的信息，这 些信息包括：特征的组成元素，特征的拓扑关系信息，特 征的尺寸信息，特征的加工信息等。具体地讲，它主要指： 精度特征，形状特征，技术特征等。而精度特征中又包含 了工艺特征，形状特征中又包含了结构特征和尺寸特征。 结构特征又包含了主特征和辅特征。 1 精度特征：粗糙度，精度等级。 2 工艺特征：热处理特征：调质，淬火， 太原理工太学硕士学位论且= 形位公差特征：对称度，径向圆跳 动， 材料特征：4 5 ，3 5 ，4 0 cr ， 3 技术特征：( 1 ) 齿面热处理方式：渗碳淬火；表面淬 火；不进行 ( 2 ) 齿面探伤要求：有要求；无要求 ( 3 ) 其它要求 4 形状特征： 1 ) 轮齿：主特征：模数，齿数，齿顶高系数，齿隙系 数，螵旋角，齿宽 辅特征：圆角，倒角，各项公差值 2 ) 轮毂：主特征：孔直径，轮毂槽的尺寸，宽度 辅特征：圆角，倒角，公差 3 ) 轮幅：主特征：宽度，大直径，小直径 辅特征：倒角，圆角，公差 i i i 约束层 约束层主要包括设计约束和工艺约束，它作用在特征 层上，对特征层的特征构成零件模型起约束作用。因为在 整个零件模型的建立过程中特征约束总是在零件建模的 过程中起作用，所以本文称之为基于约束的建模。 约束和特征是相互对应的，设计约束形成了齿轮的形 状特征，工艺约束形成了齿轮的工艺特征和技术特征。 1 设计约束：它包括定形尺寸约束和结构约束。 1 ) 轮齿： 定形尺寸约束：它通过对齿轮几何特征施加一定 的约束求解形成了齿轮的形状，如分度圆直径等于模 数与齿数的乘积。同时还对它的几何尺寸施加公差约 束，如齿顶圈直径值，上偏差，下偏差。 t 6 太骧理工大学碘士学位论文 结构约束：垂直，平行。 2 ) 轮毂： 定形尺寸约束：孔直径值的约束，轮毂槽尺寸的 约束，宽度值约束 结构约束：有无倒角，圆角，平行，垂直 3 ) 轮幅：定形尺寸约束；宽度值约束，大直径值 约束，小直径值约束等 结构约束：有无倒角，圆角，平行，垂 直 2 工艺约束： 1 ) 形位公差约束： 对称度：公差值，根据国标来确定。 公差等级，根据国标来确定。 齿圈径向跳动：公差值，根据国标来确定： 精度等级；根据国标来确定。 2 ) 粗糙度约束：粗糙度值，根据国标来确定。 1 7 太蹶理工大学硕士学位论文 第三章：智能化信息传递机制的实现 【本章摘要】本章建立了集成系统的信息传递机制，并给 出了智能集成系统的专家推理知识。 3 1 集成系统的信息传递机制 能在c a d 设计阶段建立一个能为c a e 、c a p p 所共享 的特征模型是集成系统的关键。但如何来实现这种模型的 信息传递呢? 这就需要建立一种合理的信息传递机制，这 样才能保证整个系统正常运行。 本文建立特征模型，主要通过三种机制：人机交互式 输入信息；专家推理获得信息；检索数据库获得信息。 建立特征模型的信息传递图如图( 图3 1 ) 所示： 图3 1 c a d 、c a e 、c a p p 特征模型问的信息传递机制：c a d 系统人机交互式选择齿轮类型，输入必需参数，通过专家 推理及检索数据库信息建立零件的基于约束的特征模型。 0 太原理下大学硕士学位论文 这种特征模型能为c a e 、c a p p 系统运行提供必须的各种 信息参数，c a p p 系统通过专家系统及检索数据库，生成 工艺文件；c a e 索取特征模型中的有用信息，通过专家推 理获取参数和各种系数生成可视化校核结果。 整个系统的传递机制如图( 图3 2 ) 所示： 图3 2 3 2 专家系统的基本知识 专家系统又称知识席号家系统，它本质上是一个计算 机程序。这种程序具有在专家级水平k 工作的知识、经验 和能力，一般以求解那些需要人类专家_ 才能求解的高难度 问题或不良结构阀题为特征。 一个专家系统的核心问题是知识的获取、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。而对于 工程设计，专家系统不仅强调符号推理和启发式知识的使 用，而且它离不开数值计算，如对一些经验公式、不确定 现象和模糊现象的不精确处理，对多个方案的评价和决策 等。因此它难以单纯依靠推理完成，是集知识、推理、计 算、绘图于一体。 3 2 1 知识表示的必要性 太原理工大学硕士学位论文 专家系统是一种典型的知识处理系统，它面向现实世 界中那些通常需要由领域专家才能分析、求解的专门问题。 领域专家是处理专门问题的能手，有着非凡的分析和判断 能力。专家的能力来源于他们所具有的丰富知识，专家系 统就是把求解领域专门问题的相关知识结合到程序中，使 程序具备象专家求解问题时一样的推理、学习和解释能力。 所以专家系统的研究着重于知识处理，它包括知识的获取、 表示和利用三个核心环节。其中，知识表示是知识处理巾 最基本的一个问题。 知识表示研究各种存储知识的数据结构设计，并把问 题领域的各种知谚 通过这些数掘结构结合到计算机系统的 程序设计过程。 典型的知识表示模式是基于规则的产生式表示、框架 表示、逻辑表示、语义网络表示、过程表示、不精确知识 表示等。 3 2 2 綦于规则的产生式表示 皋于规则的产生式方法是日l ；i 专家系统中最为普遍的 种表示方法。它是由逻辑学家e p o s t 于1 9 3 4 年提出 的。它具有以下特点： 知识表示结构接近于人类思维，易于被理解。 规则表示形式一致，表示格式固定易于拧制和 操作。 知识单位之问互相独立，具有高度的模块化，便 于知u 更新。 能有效的表达层知识。 号家推理系统必须解决的关键问题是采用计算机对规 则库进行处理的描述方式，并且用人能够理解的方式将处 理结果告诉人们，规则的表示不仅要求容易理解而r 要 太原理t 大学碗士学位论文 求规则表示具有层次化和模块化的结构。产生式规则系统 的形式描述方法是： ( 规则) ：( 规则标谈) i f( 前项) t h e n( 后项) ( 规则标识) ：任意整数 ( 前项) ：( 条件状态) ( 前提) ( 前提) ：( ( 条件式) o r ( 条件式) ) a n d ( 条件 式) ( 条件式) ：( 条件】 ( 条件) ：( 项) ( 项) ( 参数) ( 参数) ：整数l i 实数0 字符 ( 后项) ：( 动作式) ( 条件状态) ( 动作式) ：( 动作) ( 动作) ( a n d 动作) ( 动作) ：( 项) 【项) ( 参数) 产生式规则是一个“如果条件成立则进行操作”形式 的语句。它们的一般描述语句形式为： r u l e ：i fc o n d i t i o nt h e na c t i o n 其中r u l e ：为规则号，表示规则在规则库中的序号。 c o n d i t i o n 称为条件部分，前项或产生式的左边。 a c t i o n 称为结论( 操作部分) ，后项，或产生式的右 边。 在产生式系统中，一个规则的条件部分通常是某些事 实的断言，而其结论部分一般是能引起数据值改变的断言 或操作。通常对于产生式系统规则部分和结论部分采用的 描述方式要使信息完整和不冗余，便于信息检索和匹配， 要便于修改和增加规则要尽可能使他们表达的简洁。 3 2 3 基于知识的推理 专家系统的最大特点是知识库同推理机的分离。推理 机利用知识库中存储的专家知识和经验，巧妙地推理，解 2 太原理t 大学碰土学位论文 决人们难以解决的复杂问题。 推理过程一般使用讵向推理、反向推理以及混合推理 作为推理方式。 3 3 齿轮专家知识库的建立 本文在c a d 、c a e 、c a p p 各个系统中以产生式推理 规赡的形式组织了专家知识，在使用知识库中通过证向链 推理将合理因素或不合理因素与规则前提匹配，实现了 c a d 、c a e 、c a p p 集成系统的智能化。 3 3 1c a d 系统中专家知识库的建立 1 齿轮传动类型获取知识 知识l ：i f齿轮两传动轴为 ，行轴 t h e n 齿轮为圆柱齿轮 知谚 2 ：l f齿轮两传动轴为相交轴 t h e n 齿轮为圆锥齿轮 知识3 ：i f齿轮两传动轴为交错轴 t h e n 齿轮为螺旋齿轮或蜗杆 l i 齿轮结构设计获取知识 知识l ：i f齿顶嘲直径小于等于1 6 0 r a m t h e n齿轮为实心结构 知识2 ：i f齿顶圆直径小于5 0 0 m ma n d 齿项 圆直径大于1 6 0 r a m t h e n齿轮为腹板式结构 知识3 ：i f齿顶圆直径小于1 0 0 0 r a ma n d 齿顶 圈直径大于4 0 0 r a m t h e n齿轮为腹板式结构 i i i 齿轮几何参数获取知识 知识1 ：i f确定的是模数i t l l t h e n应根据强度计算或结构需要而定要 太原理工大学磺士学位论文 取标准值，标准值见下表 l 第一系列 1 ，1 2 5 ，1 5 ，2 5 3 ，4 ，5 ，6 ，8 ，1 0 。12 ，1 6 ，2 0 ，2 5 ，3 2 ，4 0 ，5 0 l 第二系列 1 7 5 ，2 2 5 ，2 7 5 ，( 3 2 5 ) ，3 5 ，( 3 7 5 ) ，4 5 ，5 5 ，( 6 5 ) ，7 ， 9 ，( 11 ) ，i4 ，i8 ，2 2 ，2 8 ，( 3 0 ) ，3 6 ，4 5 知识2 ：i f根据标准选择模数i n t h e n 应优先采用第一系列，其次是第二系 列，括号内的模数尽可能不用 知识3 ：i f设计的齿轮为斜齿轮 t h e n 标准模数应为法面模数 知识4 ：i f确定的是分度圆上的压力角 t h e n 根据国标确定其为2 0 。 知识5 ：i f确定的是齿数 t h e n 齿数应大于等于17 知识6 ：i f确定的是齿项高系数虻和径向问系数f + t h e n 二者的值应根据标准规定符合下表 l 齿豹类型 齿顶高系数虻 径向闯系数c i正常齿 l 0 2 5 i短齿 o 80 3 知识7 ：i f设计的是标准直齿圆柱齿轮 t h e n 标准直齿圆柱齿轮的几何尺寸依照下表 求解 名称符号计算公式 分度圆直径d i d l2m z i 齿顶高九h o = h ；m 齿根高 h fh i = ( 虻+ c ) 卅 齿项圆直径 d 以l = d l + 2 h , 齿根圆直径 d f l d ，l = d l 一2 h i 知识8 ：i f设计的是标准斜齿圆柱齿轮 t h e n 标准斜齿蹑柱齿轮的几何尺寸依照下表 求解 太原理工太学赣士学位论文 名称符号 计算公式 螺旋角8口应取8 。2 0 。 法面模数j i n根据知识l 、2 、3 确定 端面模数 m m r = r t l h c o s 法面压力角a n取标准值，d 。= 2 0 。 端面压力角 仉 t g a t = t g a 。c o s f l 分度圆直径 盔d l = m ，z l = m 。z l c o s f l 齿顶高kk = m 。 齿根高 h i = 1 2 5 m 。 齿顶间隙 c c = ，l ，一h o = 0 2 5 m 。 齿顶圆直径 品l 以l = d l + 2 m 。 齿根圆直径 a b t l = d l 一2 5 m , 知识9 ： i f设计的是直齿圆锥齿轮 t h e n 直齿圆锥齿轮的几何尺寸依照下表求 解 名称 符号计算公式 模数 n l 大端模数为标准值 大端分度压力角为 压力角 1 7 t 标准值，取2 0 。 分度圆直径 吐矾= 聊l 齿顶高kh 。= 州 齿根高一 j l ，= 1 2 m 齿顶问隙 cc = 0 2 m 齿顶圆直径 d 以i = d i + 2 m c o s 点 齿根西直径 d f td f l = = d l 2 4 m c o s d 1 分度圆锥角 最 a = t g 一。z l 屯 知识1 0 ：i f齿轮孔为光孔 t h e n 孔的直径应根据其所配合的轴的直 径丽定 太原理工大学硬士学位论文 知识1 l ：i f齿轮孔为单键孔 t h e n 孔的直径应根据其所配合的轴的直径 丽定，丽且键槽与毂径关系符合下表 毂径d键宽b键深t 1毅径d键宽b键深t l 6 82l3 8 4 41 23 3 8 1 031 4 4 4 5 0 l43 8 l o 1 24i 85 0 5 81 64 3 1 2 1752 35 8 6 5l84 4 1 7 2 26 2 8 6 5 7 5 2 04 9 2 2 3 0 83 3 7 5 8 5 2 25 4 3 0 3 8l o3 ，3 知识1 2 ： 知识1 3 ： 知识1 4 ： 知识15 ； i f t h e n i f t h e n l f t h e n i f t h e n 倒角为键槽孔处倒角 倒角依据键槽孔直径而定 倒角为轮辐处倒角 倒角依据轮辐处的尺寸而定 倒角为轮齿处倒角 错角依据轮齿处尺寸而定 鼹角为轮辐处圆角 圆角依据轮辐处尺寸而定 公差代号与精度等级韵确定，公差值获取知识 知识1 ：i f确定的是齿轮精度 t h e n给出可选值，人机交互选择最终结果 知识2 ：i f确定的是齿轮检验项目 t h e n齿轮检验项目与精度等级关系由下表 确定 太原理工大学硬士学位论文 精度等级 项目 5 、67 、89 、l o f 。、乓或 i 组精度 f ：轰f ， 只 fr 、k 公 e 、l f 、 _ 差 组精度 ，i 或 。 。 组 崴l f 、f i 组精度日 局易 知识3 ：i f 确定的是齿厚上、下偏差 t h e n 给出可选值，人枫交互选择最终结果， ( 公差代号与等级取齿轮最常用代号与 等级) ，检索尺寸公差数据库，获得公差 值 知识4 ：i f确定的是齿轮各项检验项目公差值 t h e n 给出可选值，人机交互选择最终结果， ( 公差等级取齿轮最常用的各组精度等 级) ，检索尺寸公差数据库，获得公差值 知识5 ：i f确定的是齿轮顶圜公差 t h e n齿轮顶圆公差等级按下表确定，检索 尺寸公差数据库，获得公差值 齿轮是否测量基准是否 齿轮精度等级 56789l1 0 顶圆直径 l t 7i t 8i t 9i t l l 知识6 ：i f确定的是键槽公差 t h e n 给出可选值，人机交互选择最终结果， ( 公差代号与等级取齿轮最常用公差 代号与等级) ，检索尺寸公差数据库 获得公差值。 太原理工大学硕士学位论文 知识7 ：i f确定的是轮毂槽对轮毂中心线的对称度 t h e n 给出可选值，人机交互选择最终结果， ( 公差等级取8 级，公称尺寸指键宽) ， 检索形位公差数据库，获得公差值 3 3 2c a e 系统中专家知识库的建立 i 齿轮传动设计参数获取知识 知识1 ：i f确定的是齿数比a n d 一般减速传动 t h e n齿数比取小于等于6 8 知识2 ：i f确定的是齿数比a n d 开式传动 t h e n齿数比取小于等于8 1 2 知识3 ：i f确定的是小齿轮齿数 t h e n小齿轮的齿数应界于取18 3 0 之间， 设计时给出可选值，人机交互根据原 动机的工作特性选择最终结果 知识4 ：i f确定的是中心距 t h e n根据齿轮传动在设备上的安装、结构 要求初步定出中心距 知识5 ：i f确定的是模数m t h e n根据经验公式 l = ( 0 0 0 7 0 0 2 如初步计 算模数，然后取为标准值，标准值表 如下 i 第一系列1 ，1 2 5 ，1 5 ，2 5 ，3 ，4 ，5 ，6 ，8 ，1 0 ，12 ，1 6 ，2 0 ，2 5 ，3 2 ，4 0 ，5 0 i 第二系列 1 7 5 ，2 2 5 ，2 7 5 ，( 3 2 5 ) ，3 5 ，( 3 7 5 ) ，4 5 ，5 5 ，( 6 5 ) ，7 ， 9 ，( ii ) ，1 4 ，i8 ，2 2 ，2 8 ，( 3 0 ) ，3 6 ，4 5 知识6 ：i f确定的是螺旋角b t h e n螺旋角b 应取8 。1 2 0 ，在设计时给出 可选值，人机交互选择最终结果。 太原理1 = 大学硬士学位论文 知识7 ：i f 确定的是齿宽系数o 。a n d 两支承相 对小齿轮作对称布置 t h e n 齿宽系数o 。取0 9 1 4 ，在设计时给出 可选值，人机交互选择最终结果。 知识8 ：i f 确定的是齿宽系数中。a n d 两支承相 对小齿轮作不对称布置 t h e n 齿宽系数中。取o 7 1 1 5 ，在设计时给 出可选值，人机交互选择最终结果。 知识9 ：i f 确定的是齿宽系数m 。a n d 小齿轮作 悬臂布置 t h e n 齿宽系数中。取0 4 0 6 ，在设计时给出 可选值，人机交互选择最终结果。 i i 齿轮设计中有关数据和系数获取知识 知识1 ：i f确定的是使用系数k a t h e n 根据下表确定，设计时人机交互选择 原动机和工作机的工作特性，根据所 选结果自动给出k a 的值。 原动机工工作机工作特性 作特性 均匀平稳轻微振动中等振动强烈振动 均匀平稳 1 0 01 2 51 5 01 5 轻微振动 1 1 01 3 5 1 6 0i 8 5 中等振动 1 2 51 5 01 7 52 o 强烈振动 1 5 01 7 52 o2 2 5 知识2 ：i f确定的是齿问载荷分配系数k h 。，k f 。 t h e n 齿闯载荷分配系数k h 。，k f 。根据齿轮 l i 组精度等级由下表确定 太原理工大学硕士学位论文 精度等级i i 组 5 6 789 经表面硬化k h t 1 o1 11 2 的直齿轮 k f 经表面硬化 k n n i o1 1 1 21 4 的斜齿轮 k f - 未经表面硬 k h t 1 01 11 2 化的直齿轮 k f t 知识3 ：i f确定的是节点区域系数z h t h e n 按计算公式z 。= ，磊给出 知识4 ：i f确定的是弹性系数z e t h e n 按计算公式z e = 给 出 知识5 ：i f 确定的是接触强度计算中的重合度及螺旋 角系数z 。 t h e n 重合度及螺旋角系数 知识6 ：i f t h e n z s 8 =厚五磋 z 。b 由经验公式 v r c 0 丽 出 确定的是工作硬化系数z wa n d1 3 0 h b 4 7 0 工作硬化系数z w由公式 z w = 1 2 一h b 两- 丽1 3 0 给出，当不满足上述 条件时，取z w = 1 知识7 ：i f 确定的是最小安全系数品。，郎。 t h e ns h 。、s