（机械设计及理论专业论文）蜗形凸轮转位机构cad系统的研究(1).pdf

蜗形凸轮转位机构c a d 系统的研究 东南人学电光源研究中心刘锡祥指导老师李健康 摘要“蜗形凸轮转位机构c a d 系统”是运用蜗形凸轮结构设计、计算和分析的有关理论及设 计经验，采用优化没计、专家系统、面向对象的方法建立的能够用于工程实践的计算机辅助设计系 统。 本论文第一章介纠了蜗形凸轮转位机构、机械c a d 及专家系统；第二章详细介绍了蜗形凸轮转 位机构的结构形式、分析了运动规律及使用特点、提出了具体设计方法和优化方法以及蜗形凸轮机 构的总体设计方案：第三章介绍了参数化设计、特征建模、面向对象的方法以及数据的程序化处理 等c a d 技术：第四章对蜗形凸轮转位机构c a d 进行了总体规划，提出了整体模型和框架，分析了 专家系统的结构，知识的表示，推理策略等；第五章具体介绍了在a u t o c a d 环境下建立零部件图形 库和平面图自动生成的方法。 关键词：c a d专家系统蜗形凸轮转位机构参数化绘图特征技术 r e s e a r c ho fc a ds y s t e mf o rw o r mc a mm e c h a n i s m s o u t h e a s tu n i v ：l i ux i x i a n g s u p e r v i s o r ：l ij i a n k a n g a b s t r a c tt h ec a d s y s t e mf o rw o r me a r nm e c h a n i s mi sac o m p u t e ra i d e dd e s i g ns y s t e m ，w h i c hc a n b eu s e di nt h ee n g i n e e r i n g i nt h i ss y s t e mt h et h e o r ya n de x p e r i e n c ea b o u tt h ew o r mc a mm e c h a n i s m d e s i g n i n g ，c a l c u l a t i n g a n d a n a l y z i n gk n o w l e d g e a r e u s e d ，a tt h es a m et i m et h ek n o w l e d g ea b o u t o p t i m i z a t i o n ，e x p e r ts y s t e m ，o o p ( o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) a r ea l s ou s e d t h ef i r s tp a r ti st h es u m m a r y , i nt h i sp a r tt h ew o r mc a mm e c h a n i s m t h ec a da n de x p e n s y s t e ma r e i n t r o d u c e d t h es e c o n dp a r to f t h i sp a p e rs t u d i e st h et h e o r ya b o u tt h ew o r mc a mm e c h a n i s m ，i n c l u d i n gt h e l a wa n dc h o i c eo ft h ed r i v e np a n sm o v e m e n t t h ed e t a i ld e s i g na n dt h eo p t i m i z a t i o nm e t h o d i nt h et h i r d p a r tt h ec a dt e c h n i q u e sa b o u tp a r a m e t r i cd e s i g n ，f e a t u r em o d e l ，o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n gm e t h o da n d t h em e t h o dt od e a lw i t hd a t ai nt h ep r o g r a ma r ei n t r o d u c e di nt h ef o m l p a r tt h ei n t e g r a lp r o j e c tf o rw o r m c a mm e c h a n i s mi ss t u d i e d ，a n dt h ei n t e g r a lm o d e la n df r a m ea r eg i v e n ，a n dt h es t r u c t u r eo f e x p e r ts y s t e m a n dt h ee x p r e s s i o no f k n o w l e d g ea n dt h et a c t i c st or e a s o no r ea l s os t u d i e d i nt h el a s ts e c t i o n ，t h em e t h o d s a l es t u d i e dt ob u i l dt h ef i g u r e b a s ef o ra c c e s s o r ya n dt og e n e r a t et h e2 d a s s e m b l yd r a w i n ga u t o m a t i c a l l yi n t h ee n v i r o n m e n to fa u t o c a d k e y - w o r d s ：c a de x p e r ts y s t e m w o r mc a mm e c h a n i s mp a r a m e t r i cd r a w i n gf e a t u r e t e c h n o l o g y 蜗形凸轮转位机构c a d 系统的研究 日；南人学电光源研究中心刘锡祥指导老! _ l j 李健康 摘要“蜗形凸轮转伉机构c a d 系统”足运用蜗形凸轮结构设计、计算和分析的有关理论厦设 计经验，采优化设计、专家系统、面向对象的方、往建立的能够用于工程窑践的计算机辅助设计系 统。 本论文第一章介纠了蜗形凸轮转位机构、机械c a d 厦专家系统；第二章详细介绍了蜗形凸轮转 位机构的结构形式、分析了逛动规律及使用特点、提出了具体设计方法和优化方法以及蜗形凸轮机 构的总体设计方案；第三章介绍了参数化设计、特祉建模、面向对象的方法以及数据的程序化处理 等c a d 技术，第阳章对蜗形凸轮转位机构c a d 进行了总体翔划，提 3 了整体模型菁口框架。分析了 专象系统的结构，氯1 识的表示，推弭策略锊，第五章具体介绍丁在a u t o c a d 环境p 建立零部件图形 库和平面幽白动生成的方法。 关键诃：c a d专家系统螋形凸轮转位机构参数化绘图特征技术 r e s e a r c ho fc a ds y s t e mf o rw o r mc a mm e c h a n i s m s o u t h e a s tu n i v ：l i ux i - x i a ”g s u p e r v i s o r ：l ij i a n k a n g a b s t r a c tq h ec a ds y s t e mf o rw o f f nc e t i mm e c h a n i s mi sac o m p u t e ra i d e dd e s i g ns y s t e m ，w h i c hc a n b eu s e dj nt h ee n g i n e e r i n gi nt h i ss y s t e mt h et h e o r ya n de x p e r i e n c ea b o u tt h ew o i - 1 10 a mm e c h a n i s m d e s i g n i n gc a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n gk n o w l e d g ea r eu s e d a tt h es a m et i m et h ek n o w l e d g ea h e m o p t i m i z a t i o n ，e x p er tg y m e mo o p ( o b j e c to r i e n t e dp r o 争a m m i n g ) a r ea l s ou s e d t i l ef i r s t 弘ni st h es u 巾m a 阱i nt h i sp a nt h ew 。l mm e c h m l i s m ，t h ec a da n de x p e i _ ts y s t e ma r e i n t r o d u c e d t h es e c o l l dp 3 a r lo f t l d sp a p e rs t u d i e st h et h e o r ya b o u tt h ew o r mf ；a n lm e c h a n i s m ，i n c l u d i n gt h e l a wa n dc h o i c eo ft h ed r i v e np a n sm o v e m e n t ，t h ed e t a i ld e s i g na n dt h eo p t i m i z a t i o nm e t h o di n t h et h i r d p a r tt h ec a dt e c h n i q u e sa b o u tp a r a m e t r i cd e s i g nf e a t u r em o d e l ，o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n gm e t h o da n d t h em e t h o dt od e a lw i t hd a t ai nt h ep r o g r a ma r ei n t r o d u c e di nt h ef o n hp a r tt h ei m e g r a lp r o j e c tf o rw o r i l l e a r f lm e c h a n i s mi ss t u d i e d ，a n dt h ei n t e g r a lm e d a la n df r a m e0 2 g tg i v e n ，a n dt h es t r u c t u r eo f e x p e r ts y s t e m a n dt h ee x p r e s s i o no f k n o w l e d g ea n dt h et a c t i c st or e a s o na r ca l s os t u d i e d i nt h el a s ts e c t i o n t h em e t h o d s a r es t u d i e dt ob u i l dt h ef i g u r e b a s ef o ra c c e s s o r ya n dt og e n e r a t et h e2 da s s e m b l yd r a w i n ga u t o m a t i c a l l yi l l t h ee n v i r o n m e n to f ak i l o c a d k e y - w a r d s ：c a de x p e r ts y s t e m w o r mc a mm e c h a n i s mp a r a m e t r i cd r a w i n gf e a t u r e t e c h n o l o g y 东南大学学位论文独创- 眭声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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了谢意。 贼蜷辄牲日飙型 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阌，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：童乜毕导师签名：一互鲣 日期：矿吼i ，“ 笙二主塑垄 第一章概述 1 1 蜗形凸轮转位机构概述 1 1 1 蜗形凸轮转位机构简介 在机械设计中，分度步进运动主要有直线式的传送带和旋转式的：作台两类。这两类运动都必 须满足位置精度要求。能够实现这种运动的机构很多，如棘轮机构、马氏机构、摆动机构、非完全 齿轮机构羽单向离台器等。由于这些机构本身的原因，在运动时往往产生冲击和振动，分度精度较 低。本文研究的蜗形凸轮转值机构，作为凸轮驱动的精密间歇运动机构，转位平稳、定位精度高、 适用于高速生产，并具有较高承载能力和较低维修率，并能满足用户所要求的特殊运动特性，是一 种被广泛应“j 的凸轮驱动分度机构。 1 1 2 蜗形凸轮转位机构的传动原理 蜗形凸轮转侮机构是由从动系统、蜗形凸轮、传动系统以及驱动系统组成，其分度机构与分度 运动分别如幽1 1 和1 - 2 所示。 图1 - 1 ：连续转动蜗形凸轮转位机构 1 一蜗形凸轮2 滚子3 转位盘 图1 - 2 ：分度运动 东南夫学硕士学位论文 当电动机作川丁传动系统( 一般为减速的蜗轮蜗杆和皮带轮组合系统) ，使运动按一定要求输入 到凸轮轴( 主动轴) 上时，凸轮轴便以一定的转速旋转，通过凸轮的轮廓带动与之啮合的从动轮( 滚 子) ，从而使精密间歇分度运动由输出轴输出。在啮合过程中，通过凸轮轮廓的变化来控制和引导从 动件( 输山轴) 的旋转和停顿，以完成预先要求的间歇运动。这就是分度机构输入与输出的传动比。 凸轮机构以瑚定的速度旋转、输出、停顿和分度运动，此过程周期性循环。从动件旋转3 6 0 。( 一 周) 输山和停顿的次数称为j r + 位数，在标准的分度中这种停顿次数也称为分度次数。 蜗形凸轮机构与儿种常用的间歇运动机构比较，具有如下的特点： l 、获得转侮与停歇时间的任何比例。蜗形凸轮回转一周，转位盘转位、停歇一个周期，这称为 自动循环周期。白动机转位盘的转、停时间可以根据t 艺需要，在蜗形凸轮轮廓上按不同的转位角 设计，制造山不同的转停曲线。因此，自动机就可以获得间歇运动的任何转停时间比例。 2 、从动什获得任何给定的运动规律。正确地选择运动规律，就可以保证凸轮在开始转动和终止 转动的瞬时角速度为零，保证加速度曲线连续变化无中断，使加速度和速度的最大值限制在允许的 范围内，实现平稳运转，无刚性冲击，保证j j l ：l _ 1 1 质量。 3 、在一股情况r ，蜗形凸轮的棱边已有足够的定位精度，不必附加定位装置。 4 、机构具有足够的刚度，在设计蜗形凸轮转位机构时，为了增强和延长寿命，在其它条件允许 的情况f ，一般选州较小压力角，较大的蜗形凸轮直径，因此，支撑轴、轴承尺寸也可以相应加大。 另外，与凸轮径向尺寸相比，一般蜗形凸轮的轴向尺寸较小，因此，两端轴承间距较小，故蜗形凸 轮机构都具有足够高的刚度。 5 、蜗形凸轮的迮续运动直接由电动机经皮带轮、蜗轮副输入，再经过滚子带动转位盘使自动机 获得间歇的转停逛动。网此，这种机构的传动链较短、精度高、运转可靠。 6 、蜗形凸轮箱可为、r 敞开式，由于使用圆锥滚子轴承可以调整间隙，所以这种机构装配方便。 7 、蜗形凸轮机构的缺点是自i a - f 比较困难。这主要是由于凸轮的转位曲线要求的精度较高。形状 复杂，因此必须在多坐标数控机或专用机床上制造。同时，转位盘的滚子孔等分精度也要求很高， 必须使j l j 坐标镗床，加l 中心制造。 1 1 3 蜗形凸轮转位机构研究的现状与发展 国外对蜗形凸轮机构的应用已有几十年历史，所以无论是对这种机构的理论研究方面还是生产 实践方面都已经比较成熟。前苏联、匈牙利、美国、日本等国家蜗形凸轮机构已经系列化、标准化， 并广泛应刚丁各类型的高速白动线中。国内对该类机构的研究较晚，而且由于蜗形凸轮机构的设计 理论及制造技术比较复杂，一些关键的理论分析尚在进一步的探讨之中。因此，蜗形凸轮转位机构 的研制对丁我国机械自动化的技术进步具有重要的现实意义。 一我国蜗形凸轮转位机构的研究现状 l 、儿何学方面 我国在八十年代采州旋转张量的方法，对蜗形凸轮机构的传动压力角、凸轮啮合曲面的曲率半 径、从动轮的转速、蜗形凸轮轮廓形曲面和接触线方程等进行了比较深入的研究，建立了蜗形凸轮 的几何运动学基础：讨论了分析蜗形凸轮机构精确分度的方法；对蜗形凸轮机构的预紧干涉和啮台 间隙问题进行了深入的探讨。 2 、动力学方面 传统的葭计和分析方法将复杂的凸轮机构简化为多自由度的动态模型，并考虑间隙、阻尼和油 膜挤压的影响，分析了凸轮机构的受力情况，建立了运动微分方程，采用有限差分技术求解非线性 问题，绘制了考虑各种不同影响的凸轮机构动态特性图和图谱。近些年来，考虑到蜗形凸轮体本身 及其他零什本身的变形，运用接触力学及概率分析方法的新成果，开辟蜗形凸轮研究的新领域；采 用优化后的跃度连续的通心简谐梯形组合凸轮曲线，改善了系统动态特性，降低了残余振动幅度， 为提高中高速凸轮机构动态特性提供了新途径。 2 第一章概述 3 、结构设计方面 蜗形凸轮转位机构义有圆锥滚子及圆柱滚子等滚子之分，由于圆锥滚子啮合性能好、磨损慢， 且调整转位盘滚子与凸轮的间隙较简单，因而圆锥滚子蜗形凸轮机构获得了j 泛应用。在设计方法 方面，开始采心计算机辅助设计，实现对结构参数和运动参数的优化，并开始建立蜗形凸轮转位机 构c a d c a m 系统，同时也开始对系统的运动特性进行计算机仿真，从而提高了设计质量和设计水 平。 二、蜗形凸轮机构研究展望 在啮合原理方面除了对传统的线啮合传动蜗形凸轮机构继续研究之外，通过选择不同形状的凸 轮和滚于曲面，或通过滚子或凸轮曲面的修形获得的点啮合蜗形凸轮机构。 1 、结构设计方面 1 f 线性圆柱分度凸轮结构和线性蜗轮蜗杆传动结构上的结合，将会使结构设计方面有很大突破； 结构简单、紧凑的凸轮机构也是研究的方向之一。 2 、动力学方面 在极短的循环周期内消除残余振动，实现精确定位，在动力学研究领域内引起了足够的重视。 3 、在席州方面 建立实h j 的c a d c a m 系统，以适应目前对圆柱分度凸轮机构单件小批量生产的需求，从而缩 短设计周期，降低制造成本。 1 2 机械c a d 系统概述 1 2 1 c a d 技术简介 计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，c a d ) 技术是通过计算机与c a d 软件对设计“产品” 进行分析、计算与仿真、产品结构和性能的调整与优化蛆及绘图，把设计人员所具有的晟佳特性( 创 造性思维、形象思维与经验知识、综合判断与分析能力) 同计算机的强大记忆与检索能力，大苗信 息的高速精确计算与处理能力，易于修改设计、l ：作状态稳定且不疲劳的特性结合起来，从而大人 提高了设计速度与效率，提高了设计的质量，降低了设计的成本。 c a d 技术在机械领域内应用最，、。，约i i5 0 ，在机械生产中，c a d 技术不是单独存在的，它 是与c a m 、c a p p 等技术相联系的真正意义的c a d 技术。它的发展与应用水平已成为衡量一个国 家的科学技术现代化帚li 业现代化的重要标忠之一。 1 2 2 c a d 系统的实现机理 在计算机辅助设计中，计算机的任务的实质是进行人量的信息加j 、管理和交换，也就是在设 计人员初步构想、判断和决策的基础上，由计算机对数据库中大量设计资料进行检索，并根据设计 要求进行计算分析利优化井将初步设计结果显示在图形显示器上，没计人员可用人机交互方式反 复加以修改直至满意，最j 亓经设计人员确认后，在绘图仪或打印机上输出设计结果。具体过程如图 1 - 3 所示： 从上述过稃可以看出，建立一个产品的c a d 系统，需要进行以下三个方面的j ：作： 1 建立产品设计数据j 罕：产品设计数据库是埘来存储设计某类产品所需的各种信息，如有关标 准、线图、表格、计算公式。此数据库既可供c a d 作业时检索或调用，又要便于数据的管理及数据 资源的共享。 壅堕盔兰堡! ：兰丝堡兰一 图1 - 3 ：c a d 系统作业过程 2 建立多功能交且式图形程序库：利用图形资源可以进行二维及二维图形的信息处理，能在此 基础上绘制1 群设计幽样，建立标准件和零部件图形库。同时，用户可以用“人机对话方式”进行 修改。 3 建立应h j 程序库：该程序库汇集了解决某一】一程问题的通用及专用设计f g 序，如运用数学方 法计算程序、常规机械设计程序、优化设计程序、有限元计算群序等。 1 2 3 c a d 技术的研究现状与发展方向 c a d 技术标志着机器的智能化和脑力劳动的自动化，因此各国政府在制定新技术发展规划时都 对c a d 技术及计算机集成制造系统( c i m s ) 予以极_ 人的重视，并加强对它们的研究工作。当前，机械 c a d 技术中的儿个最重要的研究领域和研究内存是：基于特征的产品信息建模技术、c a d 的智能化技 术、c a d 的参数化技术。c a d 技术及其应用水平已经成为衡量一个国家的科技发展水平和t = 业水平的 重要标忐之。 1 基于特征的产品信息建模技术 传统的儿何造型技术一直是机械c a d 中的主要研究领域，该技术中比较成熟的有线框造型、曲 面造型和实体造型。虽然这二种几何造型技术提供了物理对象在数学上的精确描述，并在图形显示、 物性计算等方面得到了很好的应用，但它们所建立的模型只产生层次较低的几何信息，如点、线、 面和基本体素，而没有高层次的信息，如尺寸、公差、材料特性及装配要求，因此在这种纯几何造 型数据库的基础上难以实现零件分类编码的白动生成，不能满足生产各阶段自动化的要求，更难以 实现c a d c a p p c a m 的集成以及产品的并行设计。进入八十年代中期，国际上开始研究基于特征的设 计，而建立基丁特征的产品信息模型则是行之有效的方法。特征是一个高层次的设计概念，内部包 含了设计a 员的设计意图及与厉继工作有关的各种信息。对于具体的机械产品而言，特征是一组与 产品描述相关的信息集合，产品特征信息模型包括管理特征模型、形状特征模型和技术特征模型。 而形状特征模型义包括j l o j 结构模型、精度特征模型、材料特征模型和装配特征模型。 产晶的形状特征建模是产品特征信息建模的主要内容，也是产品定义的核心内容，它是产生其 它信息的基础。基丁特征的产品信息建模需要考虑利崩特征可以设计复杂程度的产品模犁，要研究 基于特征设计系统提供给户设计产品的二种手段之间的相互关系。这三神手段是：形状特征库、 片j 户自定义特征、形状特征的组合与修政。其中形状特征库的建立是形状特征建模技术中比较重要 也是较难处理的问题，如何选择合适规模的形状特征库是一个需深入研究的课题。由于三种手段各 有其优缺点，要充分发挥特征造型的作用，需要在三者之间进行综合平衡，深入研究这- 三种手段的 建立过群，止确处理好三者之间的关系，是今后主要的研究方向。 2 c a d 的智能化技术 4 一一一 笙二主塑鲨 机械产品设计不但涉及到一系列的计算公式、众多的设计标准和规范以及制图技术，而且还要 用到许多1 f 数值的经验性知识，如开始的概念设t i 4 1 1 产品的初步设计则要求设计专家凭借知识和经 验来思考、推理利判断：而设计过程是一个从设计、评价、再设计直到产生最优设计结果的反复过 程，这就更需要设计专家具有一定的知识平经验，也促进了专家系统和c a d 的结合a 概念设计( 即方案改计) 是整个设计过程中最重要的一个阶段，这一阶段是设计创造性最为集中 的部分，这一部分与问题的表达和理解的止确与否所提方案的优劣以及评价和决策的适当与否等 有关，它决定了最终设计的特色、水平和效茄。 智能化是机械c a d 中极具有前途的研究领域。目前，机械c a d 的智能化正朝向专家系统、数值 计算、数据库系统和幽形系统的集成程序设计环境方向发展。 3 c a d 的参数化技术 参数化技术是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸的关系。参数与设 计对象的控制尺寸有显然的对应，设计结果的修改受到尺寸驱动，所以也称为参数化尺寸驱动，参 数化设计技术以其强有力的草剀设计、尺寸驱动修改图形的现能。成为初始设计、产品建模及修改 系列化设计、多方案比较干动态设计的有效手段。 近儿年参数化技术已有不少种方法，如变动儿何法、j l 何推理法及参数化操作法等。变动几何 法t s j l , 何约束转变为一系列以特征点为变元的非线性方程组，通过数值法解非线胜方程组确定出几 何细节，该方泫必颈h j 户输入充分且一致的儿何约束才能求出约束方程的解，对不一致的约束模型 则难以进行有效的判别与处理，也难以有效地将局部变动限制在局部范围内求解；几何推理法是建 立在专家系统的基础上，采川谓词表示儿何约束，通过推理机导出儿何细节，这种方法可以检查约 柬模弛的有效性，并具有局部修改功能，但存在着推理速度慢、系统庞人等问题；参数化操作法采 _ j 参数化操作表示1 ，处理j l f o r 约束，并通过与参数化操作对应的几何计算程序逐步确定出精确几何 模啦，此法简单、实h j ，但难以表示与处理复杂的儿何约束。 参数化技术发展很快，一 ；l ：e 程设计能以参数化方式进行，设计人员就可以不再关心设计的具 体过秽，从而集中主要精力士创意，同时计算机与具体设计的信息交换也变得更加简化，电脑得以 在更高层次上模拟人脑i ，作。广义参数化是对事物的本质性认识，而通常人们所说的参数化技术实 际上是一种约求模烈，这种模型包括图形的儿何约求和拓扑关系约束。实现这些约束可通过解约束 方程组戏通过儿何推理，当前大多数参数化设计系统并没有很好地解决这问题，对复杂的图形便 无法正确完成尺寸驱动。欲解决该问题，宜进一步从两个方面来研究。可以把设计对象分解为些 简单实体这些实体具有二种基本信息，即形状信息、定位信息和属性信息，而所有这些基本信息 都可由数学定义的变耸表示，赋予这些变量一定的：哺g 意义或工艺意义，即形成设计参数，通过改 变这些参数，便得到不同的设计结果；也可以考虑把面向对象的思想与参数化技术中的约束模型的 建立及推理求解结合起来，克服一般尺寸驱动系统的不足，从而能够准确和完整地描述复杂图形的 几何信息，快速完成推理求解。 机械c a d 技术已经向智能化、参数化及基丁特征的产品信息建模方向发展，而且这儿个研究 领域莉l 研究内容之间的界限已不再分明，而是相互融合、相互促进、协调发展。c a d 技术作为多学 科高度集台的一fj 新技术，推动了工业设计中脑力劳动的技术革命，c a d c a m 的一体化则能够更有 效地控制、管理复杂的现代化生产作业，提高产鼎的竞争能力，使生产技术得到巨大发展。 1 3 专家系统概述 1 3 1 专家系统的概念 专家系统是近年来人1 智能领域中发展最迅速、鹿片j 最广泛的重要分支，是典型的知识：【程系 东南入学坝l 。学位论文 统。具体而言专家系统是一个具有某一领域专知识的智能程序系统，它应用人工智能技术，根据 某个颁域一个或儿个专家提供的知识和经验进行推理羊| l 判断，模拟人类专家的决策过程，解决该领 域需要专家才能解决的问题。 1 3 2 专家系统的体系结构及关键技术 专家系统主要m 人机接口、知识获取、知识库、推理机、数据库、解释机构等六部分组成，其 结构如幽1 4 所示。 盥脯枷斟 喜蝌 幽l ，4 ：专家系统结构图 专家系统的关键技术主要有： 一、知识库的表示 知识表示i 要是研究刚什么样的方法将所需的知识库存储在计算机中便丁计算机处理。一般有 逻辑表示法、规则表示法、语义网络表示法、框架表示法。 1 、逻辑表示法 逻辑表示法是指各种逻辑知识表示方案，是在人工智能领域中使用较多的知识表示法，其中以 阶谓词逻辑表示法最为广泛。所谓逻辑是定义在某一集合上的取值为“真”或“假”的函数。将 谓词的变鼍代以具体值历，我们可以得到一句有真假意义的话。 2 、规则表示法 产生式规则表示是目前专家系统中使用最为，。泛的知识表示方法，使朋这种表示法的专家系统 通常称为基丁- 规则的专家系统，产生式规则表示法一般是在产生式系统中使用的。一个产生式系统 由三个基本部分组成：全局数据库、规则数据库和规则解释器，这三个部分大致对应于综合数据库、 知识库和推理机。 3 、语义网络表示法 语义网络是由1 ，点和弧组成的有向图。节点可以代表实体、概念、位置等；弧代表节点网的关 系。它是基丁- 一种占老而简单的思想一人类记忆由概念之间的联系组成的。由于语义网络能很好地 表现人类联想记忆的机能，所以许多研究者主张把语义网络称为联想网络。 4 、框架表示法 框架表示法的基本思想是：人类记忆和使用知识时，通常是把有关的一些信息组织在一起形成 一个知识单元一框架。一个框架中经常包含着一些不确定的或猜测的信息。当一个人遇到新情况耍 对他的知识进行修改时，从记忆中取出相应的框架，并根据需要改动某些细节以更好地反映现实世 界。 二、推理机 6 第一章概述 推理机是专家系统中利用知识实现推理求解问题的部件。推理机调度使用知识的方法成为控制 策略。控制策略的好坏决定系统求解问题的速度，一个控制策略由两部分组成：推理方法一按什么 方法推理及如何评论结论的可靠性；搜索策略一如何构造一条花费较少的推理路线。 l 、推理方式 f 1 ) 正向推理是按由数据推出结论的方向进行推理。其典型过程是：从初始数据库集合d 出发， 找出一些条件部分铍d 所满足的知识k ，知识k 的应_ j 可以把d 改变为d 1 ，d l 又可以使另一些知 识k l 可以使川，由此得到政变的数据集台d 2 ，由此往复直至结论。 ( 2 ) 反向推理从目标出发，逐步建立子目标，直到找到对达到目标有用的初始数据在反向推 理中推理的每个步骤都罔绕着为达到目标而进行，与目标无关的推理不予考虑，与正向推理相反， 反向推理更具有日的性。 ( 3 ) 混合推理i t - 向推理和反向推理是两种极端的推理方式，正向推理可以充分利用用户已知的 信息，但它有漫无目的进行推理的趋势；与之相反，反向推理的目的性较强，但不能充分利用用户 的已知信息。混台推理可以扬长避短，它既可充分利用用户已知信息，又能有目的地进行推理，这 种推理方式是人们处理问题时常用的推理方式。 2 、搜索策略 ( 1 ) 深度优先搜索按照深度越大优先级越高的原则，在树形中搜索终点结点。当最深层中有多 个结点时，它选择最近生成的结点优先搜索。 ( 2 ) 宽度优先搜索按照深度越小优先级越高的原则在树形中搜索，当最底层中不l r 一个节点时， 它选择最先生成的结点进行搜索。 ( 3 ) 启发性搜索井非试图穷尽地试验每一种可能性，而是在搜索时利用已知虚线和某些控制性 知识，对将要搜索f l 匀结点的搜索前途进行预先估计，从中选择一个最有希望达到这些结点的结点优 先搜索，以删避免无效搜索，提高推理速度。 ( 4 ) 利刖元知识进行搜索在推理是利刚元知识( 策略性知识) 控制推理路线的推理方法。元知识 是与应用领域有关，在处理具体问题时，可以帮助系统比较恰当地选择合适的对象级知识。 三、学习机 一个专家系统的关键是从专家那里获取知识，学习机就是专家系统中完成这一任务的关键部件。 学习有主动学习和i 被动学习之分。 1 、被动学习 采川人1 ：的方法米增加系统知识的学习方法。 ( 1 ) 知识辇方法领域专家( d e ) 和知识i ：程师( k e ) 密切联系，相互合作建立专家系统。k e 把 d e 的知识整理为机器可以识别的形式，并把它们加入系统。 ( 2 ) 智能编辑科序如果d e 对计算机有所了解，可以让其通过智能编辑程序直接与专家系统打 交道，从而免玄k e 这一中间环节。智能编辑程序实质上是一个编译程序由词法分析、语法分析、 形式转换等牲序组成。 2 、主动学习 亦称机器学习，是一种由计算机自动完成知识获取的方法。 ( 1 ) 由记忆学习 环境提供的信息和执行环节使削的信息有相同的水平，有同样的形式，学习环 节不必理解或解释收到的信息并改变信息的水平，只需把这些信息加入知识库中。 ( 2 ) 由告知学习环境提供的信息过丁抽象或一般化，它的水平高于执行环节所用信息的水平， 学习环节必须假设一些不足的细节。 ( 3 ) 由实例学习环境提供的信息过于特殊，它的水平低于执行环节所用的信息水平，学习环节 必须假设更普遍的规则。 ( 4 ) 由类比学习 系统获取的知识是用于执行另一次任务，但这项任务类似于我们要执行的任 务，只需发现二者之间的相似性，然后为当前的任务假设类似的规则，就能用这些由类似的知识得 东南大学硕l 学位论文 到的新规则改善当前任务的执行。 1 4 蜗形凸轮转位机构c a d 系统概述 蜗形凸轮转伉机构具有高速、平稳无冲击的特点，在各种电光源的制造设备、电子元器件的生 产设备以及轻j ：产品制造设备中均有广泛的戍片】。 蜗形凸轮转位机构的人l 一设计工作量火，计算复杂，设计周期长，山错率高，已不能满足科研、 生产和市场的需要。建立! 】! 呙形凸轮转位机构c a d 系统，有很高的实用价值。该系统运用蜗形凸轮的 计算原理及改计经验，采川优化发计、专家系统、面向对象的特征建模等技术，完成由蜗形凸轮虽 初设计参数，通过一系列参数计算、优化分析、图形处理到最后生成直接运用于工程图纸的整个过 程。其结构如幽i 5 所示。 幽】- 5 ：蜗形凸轮转位机构c a d 系统的体系结构 本课题c a d 部分主要以a u t o c a d 为开发：1 ：作，建立机构的全部零件图库，并在此基础上通过 机构设计和运用幽形学算法等知识自动生成机构的装配图。 系统界面采v i s u a lc + + 6 0 ，系统中的设计计算、分析优化等功能均在基于c + + 应用程序中实 现。系统的幽形处理部分采圳a u t o c a d 2 0 0 0 ，所有的零件图和装配图采用a u t o c a d 二次开发语言 a u t o l i s p 米实现，每一个l i s p 程序包含了与v c 的接口。 第二章蜗彤凸轮转位机构的设计 第二章蜗形凸轮转位机构的设计 2 1 蜗形凸轮转位机构的结构形式与组成 一蜗形凸轮机构 蜗形凸轮转何机构主要由蜗形凸轮、滚子、转何盘三个基本元件组成。如图1 1 所示。凸轮和 转位盘两轴线= ：讦随相交。当凸轮旋转时，其分度段轮廓推动滚子使转位盘分度转位。当凸轮转到其 停歇段轮廓时，转侮盘上的两个相邻滚子跨夹在凸轮的圆环面凸脊上使转位盘停止转动。 对丁：蜗形凸轮转位机构，蜗形凸轮与蜗轮均安装在同一根轴上，带轮安装在蜗杆轴上，两根轴 的两端均由轴承支持，此外还有油封、端蔫、螺钉等密封和定位的零件。所有的零件都装在箱体内， 为了观察蜗轮蝌杆、蜗形凸轮的润滑情况，箱体上还有窥视孔等辅助零什。 运动由电动机经皮带轮传至蜗杆轴，再经过蜗轮蜗杆副减速后传至蜗形凸轮轴上，蜗形凸轮轴 借助键带动蜗形凸轮保挣匿定连续的旋转，再通过滚子推动转位盘按 ：艺要求实现间歇的转位和停 顿。 二蜗形凸轮 蜗形凸轮是蜗形凸轮转位机构中的关键零件，蜗形凸轮轮廓曲线决定了分度的精度与效果。凸 轮曲线精根据相啮合的滚子的形式，可分为直槽雨i 斜槽两种。直槽与圆柱滚子配合，制造简单；斜 槽与圆锥滚子配台。当转速较高时，应尽量采用斜槽。当转速不高时，可使用直槽。 蜗形凸轮人多数采铸造毛坯进行精确切削加t 。对于有特别精度耍求的蜗形凸轮可采用数控 铣削加j ：，由丁数控铣削按中心轨迹编程，故可以直接使用设计参数。对于压力角较小的蜗形凸轮 可采用q t 6 0 球墨铸铁材料；压力角较大的蜗形凸轮常采用3 8 c r m o a l a 氮化，渗氮层一般为 0 ，2 0 4 r a m ，表面硬度达h r c 6 0 7 0 或2 0 c r 表面渗碳0 8 1 2 r a m 。淬硬h r c 5 6 6 2 。 三转位盘的结构形式 按照t 位数( 滚子数目) 的要求，滚子安装通孔均匀分布在转位盘圆周上。各通孔一般用坐标 镗床进行精加t ，以保证精度的要求。在检验时，主要以检验空间距弦长的公差，通常孔间弦长公 差精度应保证在o0 1 m m 隹4 0 0 m m 以内。 由丁转位盘的惯性力对整个分度机构的分度精度影响较火，所以应在保证强度的前提下尽量 减轻重量以减少惯性力。当转位盘尺寸较大时，应合理设置加强筋和减重孔，从而使薄壁平面的性 能得到改善。 四滚子的结构形式 滚子的形状有许多种常见的有圆柱滚子和圆锥滚子，此外还有圆弧滚子、鼓形滚子等。由于 圆锥滚子i 啮合性能蚶，磨损慢，易于调整滚子与蜗形凸轮槽面之间的间隙，并获得相应的预应力。 因而圆锥滚子在蜗形凸轮机构中获得了“泛的应用。 圆锥滚子锥度必须与蜗形凸轮的曲线槽锥度相一致，一般在1 5 1 8 。，锥角的顶点应在蜗形凸 轮轴的轴线上。 滚子的结构形式一般为滚套式，也可以为滚动轴承式。滚动轴承多采用双向自位轴承、径向滚 动轴承或径向滚针轴承。滚套式结构中的滚子材料都采用4 5 钢淬火、或用g c r l 5 、t 8 、t 1 0 钢淬 火处理。滚子与心轴f 1 勺配合多采用h 7 h 6 或h 8 h 7 的配合公差。 9 东南大学硕l ：学位论文 2 2 蜗形凸轮转位机构的运动规律及分析 2 2 1 高速传动对蜗形凸轮的要求 为了保证周蝴性、准确性地实现步进，高速传动对蜗形凸轮分度机构提出了下列要求： 1 ) 运动平稳 在尽可能短的蜗形凸轮转位时间内转位盘转位应平稳，冲击和振动应限制在所要求的最小范围 内。 从动什的运动规律，即蜗形凸轮轮廓曲线或加速度的变化规律，直接影响蜗形凸轮的轮廓形状 和t 作性能。冈而所选择的运动规律必须保证分度机构在运动过程中，不产生刚性冲击，尤其在转 位开始汞l 转传终i r 时刻，速度麻保证为零，加速度的变化虑保证不引起惯性力在数值和方向上的突 然改变。 加速度的变化和最人加速度值，直接影响惯性力的变化，同时由间隙和弹一洼变形，也将引起 机构冲市载荷系数显孚芊增加。 冲击载荷通常崩冲击系数来表示： p 磁= - 二坠( 2 - 1 ) m a m a x 式中稚负载的冲击系数： 矗。惯性力( ) ： 口。从动什的最大加速度( m s 2 ) ； m 从动系统的质鼙。 当加速度仅数值变化时，可近似取局f 2 ：当加速度的数值和方向均发生改变时，可近似取3 。 加速度的变化，不仅导致冲击载荷增大，而且也是机构激发振动的原冈。 2 ) 寿命k 从动机构的零t l 麻具有较高的耐磨性。为了满足这个要求，不仅需要选用硬度较火和耐磨性较 好的材料，同时应使l ：作中的负荷减轻，减少惯性力和惯性力矩，从而减少传动系统的振动和冲击， 改进系统的j ：作性能，提高机构寿命。 在传动过税中，影响机械动力特性的另一个冈素是轮廓曲面接触处的压力角，即凸轮作用于从 动件的压力方向币压力作川点的加速度方向之间的夹角。压力角直接影响凸轮机构的负荷。压力角 过小，当基圆、r 径干转伉角一定时，将影响凸轮升程，当升程一定时，又会降低机器的生产效率。 压力角过人，将使负荷增人，因此应综合均衡、合理选择压力角。 当选择运动规律时，麻尽量控制和减小冲击载荷的产生，冲击载荷大就会加速机件的磨损：冲 击载荷小就能减轻磨损，从而使机器的使用寿命延k 。 3 ) 分度精确 在高速运动中，转能和定位是相当重要的。对转位盘的滚子分度都有很精确的要求。自动机在 j 一作过程中，设置住每个1 伉的执行机构都要完成某种动作，这就要求每个夹头的转位非常精确， 否则对位不准，将导致无法正常l ：作。 由此可见，凸轮曲线是直接影响凸轮机构的性能和寿命的。不同运动规律曲线，其位移、速度、 加速度也是不一样的，由此也就产生了不同的冲击载荷和惯性力。只有正确地选择蜗形凸轮轮廓曲 线运动规律，才能满足高速运动要求。 2 2 2 蜗形凸轮的几种典型运动规律 第二章蜗形凸轮转位机构的设计 蜗形凸轮有主要以f 儿种典型运动规律。 一等加速和等减速运动规律 从动件的升科分为等加速和等减速两段，即从动件从静f r 先按等加速上升，速度由零变化到最 大值，然后改为等减速卜升完成全部升程，速度由最大值降y , j g ，这样的运动规律成为等加速等减 速运动规律。应州这种规律可以避免速度的突然变化。等加速度8 1 和等减速度a 2 可以相等也可以 不等。当a ，与a 1 数值相等时，等加速段凸轮转角6 】与减速段凸轮转角相等62 ( 即6 i = 62 = 6 0 2 ) 或等加速段时间t l 与等减速段时间2 相等( 即t l = t 2 - - - t 2 ) ，或等加速段的从动件升程h l 和等减速段 的升程h 2 相等( 即h 1 - h ! = h 2 ) 。 当a l = 一a 2 时，等加述等减速运动规律的位移、速度、加速度曲线方程分别表示如下： 石 等加速度段，即从6 = o 到6 = 二旦段 4 h c o ： a2 = 一 d i 4 h c o ，占 v2 _ l 6 ； l 民j 等减速度段，即从s ：拿到s ；5 。段 a ：4 h c ，j , , o i ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 。：丝