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四川火学硕十学位论文 基于知识的齿轮传动参数化设计 机械设计及理论专业 研究生：郭春华指导教师：侯力 2 l 世纪是知识经济时代，随着计算机和网络的普及，知识的传播、创新和 运用已成为经济增长的重要推动力量。 面对竞争日益激烈的市场，企业必须及时开发出具有知识含量的创新型产 品，才能避免被淘汰的危险。为了提高产品设计质量，缩短产品开发周期，节 约生产成本，提高产品的附加值，增强企业的市场竞争力，一个非常重要的手 段就是总结和复用知识，提高产品的知识含量。以先进的设计理念为前导发展 形成了基于知识的工程( k b e ，k n o w l e d g e b a s e de n g i n e e r i n g ) 的设计方法， 对推动新产品的研发具有十分重要的意义。 在这样的背景下，从提高产品的设计质量和设计效率出发，本文做了以下 工作： ( 1 ) 分析了k b e 的内涵，研究了k b e 系统的基本构成，系统的体系架构，系 统的功能模型，对k b e 的关健技术数据、信息、知识的表示、推理结合齿轮传动 设计做了重点研究。 ( 2 ) 对知识的表示、知识库的组织策略等智能技术进行了探讨，将机械设 计型问题的特点加以归纳，并对机械设计中常涉及的知识进行归类，同时针对 上述分类分别设计了相应的知识表示模式并应用于模块开发中。采用向导式模 式对计算界面作了简单设计。 ( 3 ) 将知识工程的技术融合至i j c a d 技术之中，以现有的c a d 技术以及人工 智能技术为基础，采用p t c 公司的p r o e 软件作为平台以齿轮零件为研究对象， 讨论了从p r o e 下齿轮特征图库的建立方法。 ( 4 ) 以齿轮零件为研究对象，从应用角度出发，对齿轮传动c a d 系统在智 四川人学硕士学位论文 能化基础上实现柔性化的技术方法进行了研究，并应用p r o t o o l k i t 对p r o e 进 行二次开发的相关技术，实现了常用齿轮零件模型的参数化驱动： ( 5 ) 基于上述参数化设计技术、基于知识工程技术等研究结果，开发了基 于知识的齿轮参数化设计系统，并以实例介绍了系统的实施与运行结果。 关键词：基于知识工程c a d 齿轮参数化设计 l i 四川人学硕士学位论文 g e a rt r a n s m i s s i o np a r a m e t r i cd e s i g nb a s e do n k n o w l e d g e b a s e de n g i n e e n i n g m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y p o s t g r a d u a t e ：g u oc h u n h u a a d v i s o r ：h o ul i 21 c e n t u r yi sae c o n o m y - b a s e dk n o w l e d g ep e r i o d ，w i t hr a p i dp o p u l a r i t yo f c o m p u t e r a nn e t w o r k ，t h et r a n s m i s s i o n ， i n n o v a t i o na n dt h e m a n a g e m e n to f k n o w l e d g e ，h a v eb e e na ni m p o r t a n ti m p e t u st od e v e l o pe c o n o m y f a c i n gt h ed r a s t i cc o m p e t i t i o n ，t h ee n t e r p r i s e sa r ef o r c e dt oq u i c k l yr e s p o n s e w i t ht h ei n n o v a t i v ep r o d u c to re l s ew i l lb ep u s h e do u t i no r d e rt op o r m o t et h e q u a l i t yo fp r o d u c t ，r e d u c et h el i f e c y c l eo fp r o d u c t ，s a v et h ec o s t ，a n de n f o r c et h e c o m p e t i t i o n ，a ne f f e c t i v em e t h o di st os u m m a r i z ea n dr e u s et h ek n o w l e d h ew h i c hi s a c c u m u l a t e db e f o r e t h e r e f o r e ，k b eb a s e dt h el a t e s tc o n c e p t i o no nm o d e m d e s i g ni s v e r yu s e f u lt op r o m o t et h en e wp r o d u c t b e i n gb a s e do nt h eb a c k g r o u n d ，t h em a i nw o r ka n dt h er e l e v a n ta c h i e v e m e n t s i nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep a p e ra n a l y z e dt h ee s s e n c eo fk b e ，s t u d i e dt h ec o n s t r u c t i o na n d f u n c t i o no ft h ek b es y s t e m ，a n dt h e nc o n s t r u c t e dt h ei n f r a s t r u c t u r e o fk b e s p e c i a l l yp a ya t t e n t i o nt ot h el i n kb e t w e e nt h eg e a rt r a n s m i s s i o nd e s i g na n dt h e k e y - d a t a , i n f o r m a t i o n , a n dt h ei l l a t i o no ft h ek b e ( 2 ) d i s c u s s e dt h ee x p r e s s i o nm e t h o do ft h ek n o w l e d g ea n dt h es t r u c t u r eo ft h e k n o w l e d g ed a t a b a s e ，c o n c l u d e dt h ef e a t u r eo ft h ed e s i g nk n o w l e d g ea b o u tt h e m a c h i n e ，a n dt h e nd e s i g n e dt h ek n o w l e d g ee x p r e s s i o np a t t e r nf o ra p p l i c a t i o n ，a n d m a k ea s i m p l ec a l c u l a t i o ni n t e r f a c e ( 3 ) t h i sp a p e ri n o s c u l a t e dt h ek b ei n t oc a dt e c h n o l o g y , d i s c u s s e dh o wt o u n t i l i z et h ep r o eo ft h ep c t c o m p a n yt oc r e a tt h eg e a r s f i g u r e ss t o r e r o o mb a s e do n 四川火学硕士学位论文 f e a t u r ea c c o r d i n gt oc a dt e c h n o l o g y , a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e f r o mt h ep o i n to fa p p l i e dd i r e c t i o n ，t h ep a p e rs t u i d e dh o wt or e a l i z et h e f l e x i b i l i t yo ft h eg e a rt r a n s m i s s i o nc a ds y s t e m ，r e s e a r c h e dt h ek e yt e c h n i q u e so f s e c o n d a r yd e v e l o p m e n ti np r o eu s i n gp r o t o o l k i t o nt h eb a s i co ft h e s et e c h n i q u e s ， t h ef u n c t i o no fp a r a m e t r i c a ld r i v em o d e l sw e r er e a l i z e d ( 4 ) b a s e do na b o v er e s e a r c h e s ，t h ep a p e rd e v e l o p e dt h eg e a rt r a n s m i s s i o n p a r a m e t r i cd e s i g nb a s e do nk b e i nt h ec a s eo fs t r a i g h t t o o t hc y l i n d e rg e a r , t h ep a p e r i n t r o d u c e dt h er e s u l t so ft h i ss y s t e r n k e y w o r d s ：k n o w l e d g e b a s e de n g i n e e r i n g ；c a d ；g e a r ；p a r a m e t r i cd e s i g n 四川人学硕十学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归四川大学所有，特此声明。 夕7 导师签名：j 三：2日期呈! z ：名 学生签名： 6 5 四川入学硕士学位论文 1 绪论 1 1 c a d 技术概述 1 1 1c a d 简介 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 是用计算机软、硬件 辅助人们对产品工程进行设计、计算、修改及显示输出的一种设计方法，同时 它也是一门多学科的综合应用新技术。它将计算机高速而精确的运算功能、大 容量存储和处理数据的能力、灵活的图形及文字处理功能与工程技术人员的创 造性思维能力及分析判断能力结合起来，形成人机对话的交互式设计系统，从 而大大改善设计质量，缩短设计周期，并使人们从繁重的设计计算和绘图工作 中解放出来，更多地从事创造性的研究开发工作。 c a d 技术是随着电子技术和计算机技术的发展而逐步发展起来的1 ，它具有 工程及产品的分析计算、几何建模、仿真与实验、绘制图形、工程数据库的管 理、生成设计文件等功能。经过三十多年的努力，c a d 技术的广泛应用已经引起 了一场工程设计领域的技术革命，特别是近二十年来，由于计算机硬件性能的 不断提高，c a d 技术有了大规模的发展。目前，c a d 技术已经应用于机械、电子、 建筑等许多领域。c a d 技术应用有机械类产品设计的比例最大，机械c a d 在整个 工程c a d 中占有比较重要的地位。 随着计算机硬、软件技术及相关技术的发展，现在的c a d 已经成为一门综 合性应用新技术，它涉及以下基础技术： ( 1 ) 图形处理技术。如二维交互图形技术、三维几何造型及其他图形输 入输出技术。 ( 2 )i 程分析技术。如有限元分析、优化设计方法、物理特性计算、模 拟仿真及各行业中的工程分析等。 ( 1 )数据管理与数据交换技术。如数据管理、不同c a d 系统间的数据交 换和接口等。 可以认为，c a d 技术及其应用水平己成为衡量一个国家，一个行业或一个企 业工业生产技术现代化水平的重要标志，对于提高我国机械行业的产品自主开 发能力，提高企业竞争能力，缩短与国外先进水平的差距，有巨大的作用。 3 四川人学硕士学位论文 1 1 2c a d 的发展 c a d 技术起始于2 0 世纪5 0 年代后期，它的发展与工业实际应用和需求密切 相关，至今已有5 0 多年的历史。随着全球经济一体化步伐的加快和知识经济时 代的到来，市场竞争同益激烈，为此企业必须依靠创新思维、先进的设计制造 技术等有利因素，增强企业开发新产品的能力、缩短设计周期，才可以适应多 品种、小批量的新的生产模式。传统的设计方法已无法满足这些要求。 近十多年来，由于集成电路制作技术和计算机硬件技术的突飞猛进，以及 数据库系统、图形生成和显示技术、人工智能技术等方面的长足进展，使得c a d 技术能够普及应用与中小企业，成为工程设计不可缺少的组成部分。 2 0 世纪9 0 年代以来，二维c a d 技术全面普及，三维特征造型技术和参数化 技术以及并行工程、协同设计等技术获得了巨大的发展。c a d 系统主要向集成化、 智能化方向发展。 c a d 系统的发展主要表现在以下几方面： ( 1 ) c a d 技术智能化 c a d 技术不再是传统的设计流程和方法的简单映像，而是将计算机科学与工 程领域的专业技术以及人的智慧和经验结合起来堙1 ，在产品设计过程中，应用工 程设计知识，实现优化设计和智能设计。基于知识( k b e k n o w l e d g eb a s e d e n g i n e e r i n g ) 的c a d 系统正是面向现代设计要求而产生、发展的新型智能设计 方法和设计决策自动化系统3 。它将专家系统( e s ) 、知识库( k b ) 与c a d 相结 合，引导用户完成特定任务，获得最佳设计效果。 ( 2 ) c a d 技术网络化 对于产品设计，网络化的设计环境便于设计者形象、高效地研究和交流设 计思想，使更多的设计人员可以在同一平台下，通过网络针对同一项设计任务 进行实时的双向交互通信与合作。基于建立虚拟技术、企业局域网和分布式客 户机朋艮务器式基础上的c a d c a p p c a m 协同开发环境，可以满足制造业信息化 进程中实现数据共享的迫切需要。 ( 3 ) c a d 技术集成化 从制造业信息化应用角度看，c a d 的广义概念包括了 。c a d c a e c a p p c a m p d m e p r ( 4 c p e ) 技术的集合。随着c a d 技术及相关技术的 发展成熟，可利用智能化、基于网络的4 c p e 集成技术，实现真正的全数字化设 4 四川人学硕十学位论文 计与制造。 另外，虚拟产品开发在产品概念设计、装配设计等方面突出的优势与企业 间的协同设计，也将使其成为c a d 技术发展的一种重要趋势。而随着信息技术 的发展，c a d 技术面临数据传输、交换和互用性等问题。为此，遵循标准、采用 相同平台技术的c a d 系统，还将更方便地实现数据的交换和网络化共享。 1 2k b e 与国内外研究现状 1 2 1 知识工程k b e ( k n o w l e d g e - b a s e de n g i n e e r i n g ) “c a d 技术是工程技术人员与计算机相结合、应用多学科的技术方法综合有 效地进行问题求解的先进信息处理技术。但是，以几何模型为主的c a d 系统无 法将工程领域的设计原理、工程知识、同类设计及专家经验等融入几何模型中 去协1 。因此，无法实现领域知识的重复利用，设计工程师仍需进行大量的重复性 设计工作，无法集中精力和时间进行创新工作。 新一代c a d 应尽可能地实现设计过程的自动化，即对知识的自动化处理。 通过集成人工智能( a i ) 和工程领域知识构成k b e 系统可以实现这一目标懈。 产品描述与信息模型生成模块 产品 信息 辨识 模块 信息输入及 启发式信息 窗口的生成 模块 产品造型 及工程分 析的生成 模块 知识化信 息模型的 生成与提 取模块 知识化信息模型库系统 图i - ik b e 系统功能结构示意图 知识工程是设计和实现知识库系统及知识库应用系统的理论、方法和技术， 是研究知识获取、知识表示、知识管理和知识利用的一门学科。基于知识系统 作为人工智能热门领域之一，通过构造领域知识库，构造具有知识推演能力的 推理机，成功地解决了一些过去只有领域专家才能解决的智能问题。今天，基于 四川人学硕士学位论文 知识系统正广泛应用于智能诊断、控制、决策等各领域，它在设计领域的应用也 越来越受到重视，k b e 的系统功能结构见图1 1 。 1 2 2 国内外研究现状 随着各类技术尤其是信息技术的高速发展，知识与信息跃升到与传统经济 杠杆( 如人力、财力和物力) 同等重要，甚至更为重要的地位。目前，不少发达 国家的国内生产总值中知识产品已占了一半以上1 。国外著名专家指出，典型企 业内有9 0 的交换过程都涉及数据的交换，而这其中又有大约7 5 可以归类为 知识或信息。知识正成为最重要的资本和生产力。对知识与信息开发、获取、 扩散和运用程度的高低将直接决定一个企业的整体实力和水准。新经济的到来， 新一代的制造方式要求企业不仅能快速响应市场，而且能够快速生产出高知识 含量的产品，使企业在激烈竞争的市场中赢得生存和可持续发展的空间。 国外基于知识的工程( k b e ) 在工业领域的应用研究在2 0 世纪8 0 年代就已 经开始了，主要应用于飞机制造业、汽车制造业、工业设备和建筑业。该研究以 欧盟为先导，如k b e 的旗舰产品k t i 公司的i c a d 和k b o 已应用于世界发达国 家的工业领域，如欧洲的空中客车公司，德国的宝马汽车公司，美国的福特汽 车公司、波音飞机公司、通用汽车公司，日本本田汽车公司、三菱公司等。 目前国外研究动态如下： m o k a ( k b e 应用的方法与工具) 计划1 9 9 8 年由英国、法国和德国的几家公司与 院校合作启动。该项目由欧盟信息技术战略计划e s p ri t 资助。 目前欧盟在k b e 领域的一些主要研究工作如下：k b e 的应用研究：支持k b e 应 用开发方法和工具研究：工程知识的管理：网络联盟企业k b e 。 美国国防部高级研究计划局( d a r p a ) 于1 9 9 7 年启动了一个为期4 年的开发研 究计划高性能知识库( h i g h - p e r f o r m a n c ek n o w l e d g eb a s ep r o g r a m ，h p k b ) 姐1 ，其目的是使开发者能够快速建立一个能容纳l o o k 1 m 条公理、规则框架的知 识库。随后的另一个4 年计划快速知识生成( r a p i dk n o w l e d g ef o r m a t i o n ， r k f ) 也即将展开，主要目的是使主题专家不需要任何对知识的表述方式、获取 方式和操纵方式的培训学习，就可以直接方便地访问和修改知识。 可以看出，国外对k b e 的研究正向通用化、标准化和网络化方向发展( 图 卜- 2 ) 。 6 四川大学硕士学位论文 图l - 2 基于w e b 的客户驱动模式产品开发知识工程系统 国内的一些大学、研究所也有一批科技人员长期从事知识工程基础的研究， 如中国科学院计算所、南京大学、吉林大学、清华大学计算机系知识工程组、 长城战略研究所，以及台湾交通大学知识工程研究所等。 相对国外，国内对知识工程( k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g ，i ( e ) 在机械制造领域 应用方面的比较系统的研究很少，有较系统研究的有上海交通大学阮雪瑜教授 和严隽琪教授等，如基于实例的工艺知识获取模型、冷挤压工艺规划知识基系 统功能设计、基于事例推理的同构模具工艺设计模型。 由海尔集团的模具公司提出的与上海交通大学国家模具c a d i 程研究中心 共同合作开发的注塑模具k b e 系统是1 9 9 9 年青岛市重点技术创新项目。该系统的 目的是建立k b e 知识库、推理机和原型系统，要求典型模具的k b e 系统可以实现 工业应用。 目前对k b e 在机械工程领域的应用研究主要有以下方面嗍：产品的集成设 计：工艺过程规划( 创成式工艺过程规划、基于特征的专家制造工艺规划) ： 公差设计：制造系统研究：产品造型技术：协同产品开发：夹具设计与分 析：基于专家系统的复合式设计。随着i n t e r n e t 技术与人工智能技术、数据挖 掘与知识发现技术的发展，传统的智能设计已难以适应知识经济环境下新一代 制造系统的要求。浙江大学的陈洪军等研究了基于知识的工程的研究现状，指 7 四川1 人学硕十学位论文 出了其发展方向；探讨了新一代基于w e b 的知识工程的关键技术，提出了一个基 于w e b 的产品开发知识工程系统( 如图1 - 3 所示) ： 图1 - 3 系统方案结构图 综上所述，基于知识的研究国外启动较早，国内相对起步晚一些。本课题 研究是对传统齿轮传动设计的一次技术革新，将以往机械设计人员的经验，计 算，推理，验证，化为基于知识的计算机专家系统设计，大大简化设计流程， 缩短设计时间，提高设计精度。该项技术的成熟，在齿轮传动设计方面具有较 高的生产推广价值。 8 四川大学硕士学位论文 1 3 知识的计算机表示方法 1 3 1 知识表示的概念 表示是为描述世界所作的一组约定，是知识的符号化过程，即表示是将知识 编码成一种适当的数据结构。知识表示则是将关于世界的事实、关系、过程等 编码成为一种合适的数据结构，即知识表示是将数据结构和解释过程结合起来。 如果在程序中以适当方式使用将使得程序产生智能行为n 们。同一知识可以采用 不同的表示方法，但在解决某一问题时不同的表示方法可能产生完全不同的效果， 因此，为了有效解决问题，我们必须选择一种合适的表示方法。知识表示主要是选 择合适的形式表示知识，即寻找知识与表示之间的映射。它研究的问题是设计各 种数据结构，即知识的形式表示方法；研究表示与控制的关系；表示与推理的关系 以及知识表示与其他领域的关系m 1 。 通常专家系统的知识库中包含不同的各类知识，例如关于对象、过程、常识 性的知识、以及关于目标、动机、原因、时间、动作等知识，因此，专家系统又常 称为基于知识的系统或知识基系统。图1 4 给出了知识系统知识库中可能存储的 各类知识n 羽。 图1 - 4 知识库可能存储的各类知识 1 3 2 知识的表示方法 迄今，已经提出了许多表示知识的方法n 射。 1 ) 命题逻辑表示 现实世界中的许多事实可容易地表示成命题逻辑，而命题逻辑的表示方法 不仅处理简单，且存在有效的判定原则。 9 四川人学硕十学位论文 一个命题逻辑定义为由如下四元组构成的语言 l = ( ，g ，s ，j r ) 其中一一为字母表 g 一一为语法规则 s 一一为公理集 尺一一为推理规则集 字母表包括如下一些符号： 。 命题符号，如a ，b ，c ，； 联接符号，如a ，v ，一，卜，； 元符号，如( ，) ，。 语法规则g 用以规定三的合成公式： 命题( 符号) 是合式公式： 如果a 和b 是合式公式，则a vb ，a ab ，a b 也是合式公式； 其余的都不是合式公式； 假定，任何命题都是取真值( 用t 表示) 或假值( 用f 表示) 的断言。推理 规则用于从已知前提公式推导结论公式。 设a 和b 都是公式，如果a 为真，且公式a + b 亦为真，则b 为真。推理过程 图示如下： 已知：aa j b 结论：b t 上述推理规则称为假言推理规则或分离规则。由公理和推理规则推导出的 公式是真公式。但是，使用这种方法证明一个公式为真的过程是比较繁琐的， 而采用真值表则比较直观和方便。 使用命题逻辑固然有它的直观简洁性，但也有很大的局限性，如表达能力 很低。其主要原因在于命题逻辑表示法忽略了领域中的隐含知识，因此对同一 知识体内的不同方面，不仅要分别定义命题，而且要定义形式类似但语义不同 的推理规则。 2 ) 谓词逻辑表示 在各种知识表达方法中，谓词逻辑方法是用得比较广泛的一种，尤其是一阶 谓词逻辑表示。其知识库可看成是一组逻辑公式的集合，知识库的修改是增加和 1 0 四川人学硕士学位论文 删除逻辑公式。形式逻辑根据为真的事实进行推理演算，从而得到新的事实。用 逻辑方法求一个问题的全过程是：用谓词演算将问题形式化；在这种逻辑表示的 形式上建立控制系统；证明从初始状态可以到达终点状态。例如，要表示小王是 男生，小李是女生，我们可以用简单的原子公式表示为： s ( w a n g ，m a l e ) s ( l i ，f e m a l e ) 其中w a n g ，m a l e ，l i ，f e m a l e 均为常量符号，s 为谓词符号。一般，原子公 式由一个谓词符号和项组成。在谓词逻辑中，把已知公式由推理规则导出的公 式称为定理，而把所使用的规则的序列称为该定理的一个证明。一般来说，专 家系统中的问题求解任务就是寻找一个给定定理得证明。 使用谓词逻辑能够表示一大类知识，这种表示方法不仅具有十分自然的描 述形式，而且能够相当精确地表达现实世界的知识；同时知识表示可以独立于 推理过程，又使得这种表示模式变得灵活和具有良好的模块性，易于知识库的 维护。但是谓词逻辑的表达能力相对来说比较弱，难以描述有关领域中的复杂 结构。 3 ) 语义网络表示 语义网络由于其自然性而被广泛使用。采用语义网络表示的知识库的特征 是利用带标记的有向图描述可能世界。结点表示客体的性质、概念、状况或动 作，带标记的边描述客体间的关系。知识库的修改是通过插入和删除客体极其相 关的关系实现的。采用语义网络表示法比较合适的领域大多是根据非常复杂的 分类进行推理的领域以及需表示事件状况，性质以及动作之间关系的领域。 语义网络中的两个基本概念是终点和连线。终点表示概念，节点间的有向 弧表示概念间的一种关系。这样的结构非常类似于日常生活中由一事物联想到 其他事物的思维方式。因此，语义网络又称为联想网络，语义网络中的有向弧 称为联想弧。语义网络中推导概念之间的关系，就是搜索它们之间由有向弧和 结点组成的通路，亦即联系它们的概念和关系。因此，网络上的推理可通过建 立有向弧的推理体系来实现。建立弧的推理体系的一般方法是，设计一组规则， 每一规则对应特殊弧，用规则的推理代替弧的推理。 从本质上来讲，语义网络是知识的图解表示，因此表达方法简单直观。但 它没有形式语义，也就是说和谓词逻辑不同，对所给定的表达结构没有统一的 四川人学硕十学位论文 语义表示方法。 4 ) 框架表示 框架是把某一特殊事件或对象的所有知识存储在一起的种复杂的数据结 构。它包含过去定义的内在关系的说明信息和过程信息及未来情况，依靠它们可 以利用以前的知识解释新的数据，这种知识组织方式有利于“期望制导”的处理， 即人们所在的特定环境寻找期望的事情。使这种推理成为可能的是框架中的槽 ( s l o t ) ，利用槽的概念人们能为框架创建的环境填加知识。槽值既可以是固定的 数值和符号，也可以是描述其他对象的框架。因为属性值也可以看作是待描述 的事物，槽值还可以附上过程描述，如i f - a d d e d 过程、i f - n e e d e d 过程等，因此可 以方便地描述属性的某些动态特性。最后，槽值还可以缺省，由上层框架或其 他槽说明。 框架结构适用于描述公共事实群，因为同类事物具有共同的框架。 5 ) 产生式系统表示 客观世界中各种事物或知识之间常常存在着各种各样的复杂关系，因果关系 是其中最常见又较简单的一种。所谓“产生式”表示是一种很适合来表示这种 关系的表示形式。在语义上，它表示“i f a t h e nb ”的因果或推理关系。产生式系 统由知识库、全局数据库和推理机构成。知识库由描述问题求解域的一般知识 规则构成。全局数据库包含描述系统状态的事实和断言。推理( 即规则解释器) 选 择执行的规则，完成问题的求解。 产生式系统中规则的i 郁分称做左部( l h s ) ，它说明应用该条件式规则必 须具备的条件；t h e n 部分称作右部( r h s ) ，表示在条件满足时由产生式规则决 定的适当动作。 构造产生式系统的第一步是如何把问题中的知识表示为产生式规则。他同 问题表示本身一样具有一定难度，而且并不是任何问题均可以用产生式系统求 解。对于给出的一句话、一个事实或一段知识，我们总是设法把它表示成两个 部分：i 部分和t h e n 部分：例如对于语句：， 如果a 具有圆柱形状或a 的圆柱表面均匀分布渐开线形状的凹槽和凸起，那 么a 就是渐开线圆柱齿轮。 我们马上将其转换成下列产生式规n - i fa 具有圆柱形状或a 的圆柱表面均匀分布渐开线形状的凹槽和凸起， 1 2 四川大学硕十学位论文 t h e na 就是渐开线圆柱齿轮。 实际碰到的问题，其知识的最初叙述并不会恰好与i f t h e n 有这样的对应关 系，这时有必要先作适当的转换。例如对于这样一个事实： 齿轮传动设计首要进行模数选择。 便可先转换为： 如果进行齿轮传动设计，则首要进行模数选择。 因而马上可得到产生式规则： i f 进行齿轮传动设计，t h e n 首要进行模数选择引。 6 ) 过程表示 过程是用来描述“如何做一件事情的，是一个动态的描述。过程表示就是 将知识包含在若干过程中。计算机中过程是用一段子程序或模块来描述的，对知 识的运用就是对描述它的过程的调用。采用过程表示知识库的特征为知识库是 一组过程集合，知识库的修改是增加删除子程序，或修改子程序及访问条件。 7 ) 脚本表示 脚本表示是采用一个专门结构的框架，用来表示特定领域的知识，它通过一 些原语作为槽名来表达要表示的对象的基本行为，就象电影剧本，有场景、角色、 道具、台词等。 8 ) 面向对象的知识表示 这是近几年来人们讨论得比较多的一种方式，它的基本要点是：客观世界是 由各种“对象 ( o b j e c t ) 组成的，任何事物都是对象，复杂事物是由若干个简单对 象组成的；所有对象都被分成各种对象“类”( c l a s s ) ，对该类中的对象操作都被定 义为“方法”( m e t h o d ) ，这种操作在面向对象的方法学中被称为“送一个消息 ( m e s s a g e ) 给某个对象”；对象之间除了传递消息之外，不再有其它联系，一切局部 于对象的信息和实现方法都被“封装”起来，对外是不可见的；对象类将按“类 、 “子类( s u b c l a s s ) ”、“超类( s u p e r c l a s s ) 的概念构成一种层次关系( 或树形结构) ， 称为属性继承关系。 上面介绍了多种知识表示方法及各自的特点，一般认为“在计算机科学中， 一个好的解决办法往往依赖于一种好的表示”。而对大多数人工智能的应用而言， 要选择一种合适的表示甚至更加重要，也更困难，因此至今尚缺乏一些普遍适用 而且有效的评判准则。普遍认为要选择或设计一种表示模式，至少要考虑以下问 1 3 四川人学硕士学位论文 题引： 知识表示模式的表示能力是否足够? 知识的表示模式是否便于应用中对知识的各种运用( 例如推理、求解等操 作) ? 知识表示的模块化程度如何? 是否便于知识的扩充和修改? 是否支持自顶向下，逐步求精的设计原则? 从知识的思维或自然语言形式到 具体表示的转换是否容易? 表示是否足够简单? 等等。 总之，知识表示是能够推动知识处理不断进步的一个中心问题，是智能计算 机研制的一项关键技术。 1 4 齿轮传动的知识表示 齿轮是各种机械传动设备中无处不在的零件之一，由于渐开线齿轮比较容 易制造，而在现代机械设计中被广泛采用。因渐开线齿轮轮廓线不是标准曲线， 所以其绘制过程有一定的特殊性，在一般的c a d 软件中难以实现精确造型，在 p r o e 环境下虽可实现，但也相当复杂，受此因素的限制，渐开线齿轮三维参数 化设计的步伐始终滞后于三维标准件库的设计和开发。这种状况使齿轮设计制 造与今天高速发展的计算机辅助设计制造技术无法合拍，所以建立一套基于参 数化、包括各种类型的渐开线齿轮的三维图库显得尤为迫切。 现有的基于知识的设计系统普遍采用产生式规则，随着面向对象技术的发 展，越来越多的基于知识的系统将其与框架范式结合起来。本文采用框架范式 和产生式规则相结合来表示齿轮传动相关的知识。 对于常用件，各行业没有完全统一的设计标准，要创建三维图形库就必须 结合国标行标、企标及工程人员丰富的设计经验等来进行非定性的设计，因此 在常用件三维图库的创建中知识占有非常重要的地位n 引。一方面要不断地将专 家和设计者的经验知识按某种机制进行归纳和处理，并建立起某种推理机制， 对实际情况进行有效分析，从而推导出设计方案。另一方面，又要建立某种驱 动或集成机制，使知识能直接驱动c a d 系统进行图形和数据处理，从而将设计 者的经验和思想直接体现在产品模型上n7 1 ，来实现产品基于知识的智能化设计。 本文将k b e 的技术和思想融入，先建立齿轮的参数化模型。 1 4 四川大学硕士学位论文 要实现齿轮的参数化数字建模，首先需规划设计知识，完成以下3 个步骤引： 1 ) 制定设计标准：进行调研、作需求分析，根据用户要求选用齿轮设计标准，举 例如下表1 1 ： 表1 - 1 圆柱齿轮建模设计标准( 摘录) ： 序号 名称 执行标准 1渐开线圆柱齿轮精度聊9 0 0 3 2 - 1 9 9 2 2 圆柱齿轮的结构型式及尺寸聊9 0 0 4 7 1 9 9 3 3 渐开线圆柱齿轮标准齿形 g b1 3 5 6 鹄 4 渐开线圆柱齿轮模数系列 g b1 3 5 7 研 2 ) 归纳设计人员的设计知识，依据i s o 国标等制定齿轮传动特征分类树。齿轮 传动特征分类树如下图1 5 所示： 3 ) 齿轮模板类型 图1 - 5 齿轮传动分类树 四川人学硕士学位论文 1 5 本文的意义 齿轮传动作为主要传动元件被广泛地应用于汽车、拖拉机、工程机械等产 业中。在齿轮设计和制造中，包含大量的分析和计算。过去依靠手工计算，不 但效率低，易出错，更无法采用现代设计方法进行齿坯设计、工艺系数选择以 及轮齿接触分析、应力应变分析等。随着计算机技术的飞速发展，特别是计算 机辅助设计( c a d ) 技术在理论上的发展和实际中的推广应用，使得齿轮设计和 制造从传统的方法向现代设计方法转变成为可能。国内外的许多专家学者在这 方面作了很多研究开发工作，并取得了卓有成效的成果，本文的研究也在这方 面作一些有益的工作，即将知识工程的基本思想与齿轮传动设计相结合，采用 计算机辅助设计计算作为工具，探讨了基于k b e 的齿轮设计的几个主要方面，对 改革传统齿轮设计方法作了有益的铺垫和尝试。 1 6 本文研究内容 本文的研究内容包括以下几个部分： ( 1 ) 对基于知识的齿轮传动设计知识库的探讨：提出了对齿轮传动设计模块的整 体设计，提出了该模块的功能要求；而后讨论了传动设计模块中知识的表示， 并将齿轮传动的知识进行归类； ( 2 ) 对齿轮特征图形知识库三维数字化建模技术的研究：引入k b e 的思想和技术 并将其融合于三维数字化建模过程中，对齿轮为进行特征分析，研究了pr o e 环境下的精确造型方法、数字化建模及注意事项，实现齿轮三维模型的数字化 和对设计知识的再利用； ( 3 ) 介绍了基于知识的参数化设计理论，研究了应用面向对象设计思想，实现系 统的模块化设计，使系统具有继承性、开放性，便于系统维护与升级。并且运 用面向对象程序设计语言v c + + ，开发了可视化人机交互界面。 ( 4 ) 以渐开线直齿圆柱齿轮传动设计为例，研究了p r o e 软件的两种二次开发 技术。一是通过在v c 环境中调用p r o e 二次开发工具p r o t o o l ( i t 软件包的 相关函数，实现了根据参数驱动模型库中相应齿轮零件，快速创建了三维实体： 以这种方法为基础，通过人机交互界面，对在齿轮设计过程中知识的获取及其 实体造型进行了演示，阐述了系统实施的途径，显示了本文设计的系统有效减 少了繁琐的齿轮传动设计所涉及的大量查表工作与复杂的造型工作，较好地实 1 6 四川人学硕士学位论文 现了设计过程自动化，能够极大地提高齿轮产品开发的设计效率，并为后续的 齿轮有限元分析、机构仿真和数控加工等工作奠定了基础是一个有针对性的 c a d 设计系统 1 7 四川人学硕士学位论文 2 系统方案设计 2 1 系统功能分析 一般地，机械产品c a d 软件的功能可包含四个方面的内容：建立几何模型 与数学模型，工程分析计算( 如有限元分析计算，优化设计，零件重量、体积、 转动惯量计算等) ，动态模拟( 利用程序设计技术来精确模拟一个系统的工作过 程并自动绘图) 。但目前c a d 的应用水平相对较低，多数使用通用c a d 软件在交 互方式下实现计算机绘图，即使引进国外著名软件也是以绘图为目的，没有真 正掌握现代化的设计手段，未能发挥软件的功效。设计方法仍然沿用传统的设 计办法，c a d 过程仅限于绘图。 实际上，任何一个通用的c a d 软件、甚至是面向某一类对象的专用的、商 品化的c a d 软件，都难以满足形形色色具体产品设计的需要。所以，企业要想 全面开展c a d ，推广应用c a d ，并取得积极的经济效果，应以通用c a d 软件系统 为基础，根据实情，进行程度不同的用户化、本地化的二次开发，建立应用绘 图系统和数据库，形成具有自己特色的针对某一产品设计的专用c a d 系统。通 过二次开发才能使通用c a d 软件适合于自己的产品，使软件的效能得以充分发 挥，才能彻底改变机械产品传统的设计方法。 c a d 软件的二次开发应该具有下面功能： ( 1 ) 使用方便 提供的用户界面以方便用户使用为原则，无需对用户做过多的专门训练工 作就可以自如地使用该软件。本文文采用符合w i n d o w s 标准的图形化界面( g u i ) 。 ( 2 ) 记忆少 一个好的应用软件应使用户尽量少记忆各种操作规则，专门名词和特殊符 号。在c a d 二次开发中，应尽量使用生产实践中普遍使用的专有名词和符号， 设计过程也尽量符合设计人员的习惯。 ( 3 ) 灵活的提示信息 应用软件运行时，应能给出简单易懂的提示信息，使用户的工作能顺利地 进行。在c a d 二次开发中，除了软件主体的设计外，提示菜单、帮助文件的设 计也应多下工夫，尽量做到在线帮助、实时帮助。 ( 4 ) 良好的交互方式 用户使用计算机进行设计时，应使其与计算机所进行的信息交换是十分自 1 8 四川人学硕十学位论文 然的，与人们的日常工作习惯相符合。 ( 5 ) 良好的出错处理 能及时给出出错信息并提出纠正建议。 2 2 系统的软件构成 图2 - i 系统软件框架 为了达到开发平台和运行环境之间的顺利连接以及软件的功能要求，总体 来说系统主要由三个模块构成，即接口模块、数据处理模块、建模模块等。接 口模块主要完成不同平台之间的数据、信息的传输和交换( 包括人机交互) ；数 据处理模块主要完成原始数据的输入、数据检索、优化计算、结果数据的校核 和结果数据的显示：建模模块主要完成数据的读取和模型的建立。系统的总体框 架如图2 - i 所示。 ( 1 ) 接口模块 程序接口的优劣直接影响到软件的性能。合理的解决接口问题可以使程序 运行稳定、数据传递方便、系统资源应用少、操作界面简单方便等。因此，接 口问题是软件开发过程中非常重要的环节。 目前，国内主流三维造型软件均提供了完整的应用程序接口( a p i ) ，可采用 v i s u a lb a s i c ，v i s u a lc + + ，d e l p h i 等语言工具进行二次开发。 1 9 四川大学硕十学位论文 ( 2 ) 数据处理模块 参数输入 上 初步计算 土 i 计算结果校核 上 计算结果输出 图2 - 2 数据处理模块框图 数据处理模块主要完成原始参数的输入和数据计算、校核以及计算结果的 输出。如图2 - 9 所示。 ( 3 ) 建模模块 建模模块主要完成齿轮零件的造型。通过对各零件进行分析研究，确定其 特征特性，并利用参数化设计的造型思想，建立模型模板。 2 3 系统的开发环境 2 3 1 三维建模软件方案 p r o e n g i n e e r 是美国参数技术公司( p t c ) 研制的c a d c a e 软件，具有很 强的造型功能。本系统采用p r o e 作为建模设计开发平台，因为和其他软件相 比，p r o e 的以下几个主要特点： 1 3 d 实体模型：3 d 实体模型除了可以将用户的设计思想以最真实的模型在 计算机上表现之外，借助于系统参数，用户还可以随时计算出产品的体积、面 积、重心等，使用户在产品设计过程中，可以随时掌握这些情况，减少了许多 四川人学硕士学位论文 认为计算时问。 2 单一数据库：p r o e 可以随时修改由实体模型产生的2 d 工程图，而且自 动标注工程图尺寸。不论在3 d 还是2 d 图形上作尺寸修改，其相关的2 d 图形或 3 d 实体模型均自动修改，同时相关设计关系也自动修正，这样可以确保数据的 正确性