（机械制造及其自动化专业论文）钻削类多轴箱专家系统的研究.pdf

摘要 随着c a d 技术在其它机械行业中的广泛应用，组合机床多轴箱c a d 的设计软 件也相继出炉，为设计人员提供了方便快捷的多轴箱设计工具。但在多轴箱设计过程 中，不仅需要用到自然科学的基础知识，而且更重要的是需要吸取领域专家在设计实 践中积累起来的大量宝贵经验，才能在较短的时间里设计出较优的多轴箱。所以，当 多轴箱c a d 涉及到重要参数选择、评价分析、方案决策等方面的内容时，往往需要 人为地进行较多的干预。如今，专家系统作为种最具代表性的智能应用分支，在机 械设计和制造领域已经得到比较成功的应用，它能够模拟专家的设计过程来帮助设计 师进行推理、评判和决策，大大推进了设计质量和效率的提高。因此，将专家系统技 术应用于组合机床多轴箱的设计是一种趋势 本文对组合机床中最常用的钻削类多轴箱进行了专家系统( b o r i n gs p i n d l eb o x e x p e r ts y s t e m ，简称b s b e s ) 的研究。根据钻削类多轴箱设计的特点及目前c a d 技 术在多轴箱设计中的应用情况，提出了联合面向对象语言v i s u a lb a s i c ，a c c e s s 数据 库和a u t o c a d 的二次开发工具v b a ，进行钻削类多轴箱专家系统开发的新方法。根 据多轴箱多轴、多齿轮、多排次的特点，针对传动系统设计过程较为复杂的状况，提 出了“逐层设计逐层优化”的设计思想，对每层设计采用了“传动模型的优化设 计方案寻优”的设计路线，并对多个总体方案进行模糊评价，最终得出多轴箱传 动系统的较优方案。 本文对钻削类多轴箱专家系统的整体框架进行了规划，包括传动方案的设计和图 形处理两大部分主要研究了钻削类多轴箱专家系统的知识库设计、推理机制和控制 策略，详细描述了两大部分的构造机理和设计过程，并能通过友好的人机交互界面， 实现了从传动方案的优化设计、零件图的参数化到主轴和传动轴截面图绘制。运行实 例表明，该系统研究环境配置合理，而且计算精确，设计方案较优，图形符合设计要 求。这对今后进行多轴箱的深入研究及开发应用，打下了一定的基础，对相近工作的 研究将具有一定指导意义和参考价值。 关键词：钻削类多轴箱；o m ；专家系统；传动方案；参数化绘图 t h es t u d yo nb o d n g s p i n d l eb o xe x p e r ts y s t e m a u t h o r ： t u t o r ： s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r e & a u t o m a t i o n a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o no fc a dt e c h n o l o g yi no t h e rm e c h a n i c a l p r o f e s s i o n ，m o d u l a rm a c h i n et o o ls p i n d l eb o xc a d s o f t w a r ea l s ob r i n g so n ea f t e r a n o t h e r , h a sp r o v i d e dt h ec o n v e n i e n c eq u i c ks p i n d l eb o xd e s i g nt o o lf o rd e s i g n e r b u ti n t h ep r o c e s so fd e s i g n i n gs p i n d l eb o x ，i tn o to n l yn e e d st ou s et h ee l e m e n t a r yk n o w l e d g eo f t h en a t u r a ls c i e n c e s ，b u ta l s on e e d st oa b s o r bt h em o r ei m p o r t a n t l ym a s s i v ev a l u a b l e e x p e r i e n c ef r o mt h ed o m a i ne x p e r t ，w h i c ha c c u m u l a t e si nt h ed e s i g np r a c t i c e ，w ec a r l d e s i g nt h es u p e r i o rs p i n d l eb o xi nt h e s h o r tt i m e t h e r e f o r e ，w h e ni n v o l v i n gi m p o r t a n t p a r a m e t e rc h o i c e ，a p p r a i s a l ，a n a l y s i sa n dm a k i n gs c h e m ec h o i c ea n ds oo n , t h ec a d t e c h n o l o g yo f t e nn e e d sh u m a n sh e l p n o w , e x p e r ts y s t e mh a sa p p l i e dt ot h em a c h i n e d e s i g na n dm a n u f a c t u r ef i e l d s m o r es u c c e s s f u la so n ek i n do fm o s tr e p r e s e n t a t i v e i n t e l l i g e n ta p p l i c a t i o nb r a n c h i tc o u l ds i m u l a t ee x p e r t sd e s i g np r o c e s st oh e l pt h ed e s i g n e r t oc a r r yo nt h ei n f e r e n c e ，t h ej u d g m e n ta n dt h ed e c i s i o n m a k i n g ，a d v a n c e dt h ed e s i g n q u a l i t ya n dt h ee f f i c i e n c ye n h a n c e m e n tg r e a t l y t h e r e f o r e ，i ti so n et e n d e n c yt oa p p l yt h e e x p e r ts y s t e mt e c h n o l o g yt ot h em o d u l a rm a c h i n et o o ls p i n d l eb o xd e s i g n t h i sa r t i c l es t u d i e so ne x p e r ts y s t e mo fb o r i n gs p i n d l eb o x w h i c hi sm o s tc o m m o n l y u s e di nm o d u l a rm a c h i n et o o l ( f o rs h o t ：b s b e s ) i nv i e wo fb o r i n gs p i n d l eb o xd e s i g n c h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o ns i t u a t i o no fc a dt e c h n o l o g yi nt h ef i e l da tp r e s e n t , i t p r o p o s e st h en e wm e t h o do fu n i t i n go b j e c t - o r i e n t e dl a n g u a g ev i s u a lb a s i c ，a c c e s s d a t a b a s ea n dv b ab e i n ga na u t o c a ds e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt o o lt od e v e l o pb s b e s a c c o r d i n gt os p i n d l eb o xo w n i n gc h a r a c t e r i s t i cm u l t i s h a f t s ，m u l t i g e a r s ，m u l t i p l a t o o nt h e s i t u a t i o no fc o m p l e xd e s i g np r o c e s so fe n t i r et r a n s m i s s i o ns y s t e m ，i tp r o p o s e st h ed e s i g n c o n c e p to f t h ec a s c a d ed e s i g nt 0c a s c a d eo p t i m i z e s ”i tn g e st h ed e s i g nr o u t eo f “t h e t r a n s m i s s i o nm o d e lo p t i m i z e dd e s i g nt op l a n n i n go p t i m i z a t i o n i ne a c hl a y e rd e s i g n ，a l s o c a r r i e so nt h ef u z z ya p p r a i s a lo nm a n yt h eo v e r a l ls c h e m e sa g a i n ，a n df m a l l yo b t a i n st h e s u p e r i o rs c h e m et ob o r i n gs p i n d l eb o xt r a n s m i s s i o ns y s t e m t 1 1 i sp a p e rp l a n st h eo v e r a l lf r a l n et ob s b e st h a tc o n t a i n sd e s i g no ft r a n s m i s s i o n s c h e m ea n dd r a w i n gp r o c e s s i tm a i n l ys t u d i e st h ed e s i g no fk n o w l e d g e d a t a b a s e ，t h e i l l a t i o nm e c h a n i s ma n dt h ec o n t r o ls t r a t e g y , d e s c r i b e dt h es t r u c t u r ep r i n c i p l ea n dd e s i g n p r o c e s so ft w op a r t si nd e t a i l ，a n dr e a l i z e st h ep r o c e s sf r o mt h et r a n s m i s s i o ns c h e m e o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，p a r a m e t e r i z e dd r a w i n gf o rp a r t st om a i ns h a f ta n dd r i v i n gs h a f t d r a w i n gt h r o u g ht h ef r i e n d l ym a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o ni n t e r f a c e t h eo p e r a t i o no fe x a m p l e i n d i c a t e dt h a t ，t h i sd i s p o s i t i o no fs y s t e mr e s e a r c he n v i r o n m e n ti sr e a s o n a b l e ，m o r e o v e r , i t c a l c u l a t e sp r e c i s e l y , d e s i g ns c h e m ei s s u p e r i o r , a n di t sg r a p hc o n f o r m st ot h ed e s i g n r e q u i r e m e n t ，a l lo f t h ew o r k b u i l d sa w f a i nf o u n d a t i o n0 1 1m a k i n gt h ef u r t h e rr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n ta p p l i c a t i o na b o u ts p i n d l eb o xf i o mn o wo n , a n dh a v e c e r t a i ng i l i d i i l gs e n a n dt h er e f e r e n c ev a l u et or e s e a r c h i n gt h es i m i l a rw o r k k e yw o r d s b o r i n gs p i n d l eb o x ；c a d ；e x p e r ts y s t e m ；缸锄1 s m i s s i o ns c h e m e ；p a r a m e t e r i z e d d f a w i n g 独创性声明 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，也不包含为获得塑i 垦盛些盘堂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。 学位论文作者签名恕| 碳签字日期砷年，月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑a 垦盘些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塑皇垦壅 些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：但；z 差l 导师签名 签字日期：乒册7 年6 月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 签字日期：毋卯7 年月日 电话： 邮编： 钻削类多轴箱专家系统的研究 1 1 研究背景 1 1 1 机械c a d 1 绪论 随着计算机技术不断提高，c a d 技术已在全世界范围内蓬勃发展。c a d 技术 是设计人员在c a d 系统的辅助下，根据生产的设计程序进行设计的一项新技术， 是人的智慧和创造力与计算机系统功能的组合，而机械c a d 即是c a d 技术在机械 设计中具体运用的产物。机械c a d 技术是一项综合高新技术，它的发展及c a d 系 统所具有的高质量、高效率以及人工所不能及的优点，使c a d 的应用产生了巨大 的经济效益和社会效益。 c a d 技术在机械工业中的应用主要有如下三个方面【l 】= ( 1 ) 工程设计与分析：即有限元分析，优化设计，运动学分析，模拟或数字 仿真等： ( 2 ) 图形处理：即参数化绘图，二维绘图，三维几何造型及图形的输入输出 等； ( 3 ) 数据管理及设计文档、生成报表等。 机械c a d 技术应用的如此广泛，原因有以下几点1 2 】： ( 1 ) 使设计者可以用现代设计方法，如有限元、优化设计、可靠性设计等方 法进行产品的设计，并能提高分析计算速度，解决复杂计算问题，增加企业的产品 开发和设计能力： ( 2 ) 进行计算机辅助绘图，可节省手工绘图时间，提高绘图效率，从而大大 缩短了产品的设计周期，使产品能更好地适应市场变化，提高产品的竞争能力，有 利于实现产品的标准化、系列化、通用化，有利于加强现代化管理。 但由于机械设计过程具有多目标性、多约束性、相关性、不确定性、多解性、 经验性，这些特性是非数据计算性的，且难以建立数学模型进行优化，必须依靠基 于知识与经验上的思考、推理和判断来解决，所以当c a d 技术涉及到方案决策、 评价分析、重要参数选择等方面的内容时，往往需要人为地进行干预。这样，设计 人员的素质就对设计结果起着决定性的作用 3 1 所以，如何利用c a d 技术快捷方 便的设计、绘图，同时又使设计的产品具有专家水平，是机械工程界人士不断追求 的目标 1 1 2 专家系统在机械设计中的应用 ( 1 ) 专家系统概述 人工智能自1 9 5 6 年作为一门新兴的前沿学科问世以来，已经取得了许多令人 1 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 瞩目的成就，逐渐形成了诸如专家系统、机器学习、模式识别、自然语言识别等多 个研究领域。专家系统是人工智能科学中应用最广泛的分支领域之一【4 1 。 专家系统早期先驱者之一，斯坦福大学的e a f e i g e n b a u m 教授，把专家系统定 义为“一种智能的计算机程序，它运用知识和推理来解决只有专家才能解决的复杂 问题”。专家系统是基于知识的智能系统，具有启发性、透明性、灵活性和高性能 等特征，能利用专家的知识进行启发式推理，能够解释其推理过程，对用户的询问 作出回答，并且能够不断地、灵活地增加新的知识。自1 9 6 8 年e a f e i g e n b a u m 等 人研制成功第一个专家系统d e n d r a l 以来，专家系统技术已经获得了迅速发展， 广泛应用子化学分析、医疗诊断、图像处理、地质勘测、过程控制、土木建筑、工 程设计、农业、军事等诸多领域中，产生了巨大的社会效益和经济效益，同时也促 进了人工智能基本理论和基本技术的研究与发展i s - 9 1 。 ( 2 ) 专家系统在机械设计中的应用 专家系统在机械设计中的应用，是从2 0 世纪8 0 年代开始的。专家系统所具有 的非数值知识，其中包括大量人类专家的经验知识的处理能力，当c a d 技术遇到 一些模糊评判等环节，可以将专家系统技术引入到设计过程中来指导设计者完成设 计任务，成功地解决机械c a d 技术所遇到的困难。自1 9 8 4 年j rd i x o n 的标准带 传动设计专家系统，被认为是第一个机械设计类型专家系统出台以来，专家系统在 机械领域已有许多成功的应用。比如，国外较著名的有美国d e c 公司研制的x c o n 系统，用以设计v a x 计算机的外形与结构，设计正确率达9 9 ，为该公司每年创 利达数千万元；国内在机械设计中也开展了专家系统的研究，如武汉水运工程学院 的带传动设计专家系统，上海交大模具设计方面的专家系统，华中理工大学开发的 滚子链传动设计专家系统以及西安交大与西安重型机械研究所共同合作研制的圆 柱齿轮减速器专家系统。另外，在理论研究方面，国外的专家提出了一些设计模型， 例如：k g e r o 的基于原型设计方法，d c o y n e 的基于神经网络的设计方法【l o - 1 3 1 。 随着专家系统技术研究的不断深入，国内外机械工程界学者及专家们已经在机 械系统故障诊断、模拟仿真、自动控制、工艺编程、生产管理、产品设计等方面进 行了引进专家系统技术的实践探索，并取得了良好的效果。计算机技术和人工智能 的不断发展和完善，专家系统在机械领域中的应用将更加广泛、更加成熟，这种应 用经验知识的人工智能为解决机械设计和制造中有关的问题提供了一个新的、有效 的手段【排阍。 1 2 多轴箱c a d 研究现状 1 2 1 国外现状 国外组合机床c a d 技术的研究开展的比较早，上世纪7 0 年代初，一些工业发 达国家首先在多轴箱c a d 方面开展研究。尤其是进入9 0 年代以来，随着计算机技 术，交互式绘图和数据库管理系统等发展和应用，组合机床c a d 技术使用范围不 2 钻削类多轴箱专家系统的研究 断扩大，如美国的机床厂家：i n g e r s o l l 、k i n g s b u r y 、b u r g m a s t 、 c 玳c d 矾a n 、m i l a c r o n 、l a m b 、c r o s s 等公司，德国赫勒许勒( h u l l e r - h i l l e ) 公司，英国克劳斯( c r o s s ) 公司，组合机床已经向c a d c a m 集成系统发展，其 中多轴箱模块化设计已趋于成熟【切。 1 2 2 国内现状 国内对组合机床设计采用c a d 的认识也比较早，2 0 世纪7 0 年代初，大连组合 机床研究所就已经开始了这方面的研究工作。1 9 7 8 年，把组合机床c a d 技术列为 国家机械工业重点项目，从此开始了我国组合机床c a d 技术的研究。目前，大连 机床厂、常州机床总厂、武汉机床集团公司、安阳第二机床厂、保定第二机床厂、 济宁机床厂和大连组合机床研究所等，在组合机床设计中普遍应用c a d 技术旧。 近年来，p m e 、u g 、s o l i de d g e 、a u t o c a d 等多种c a d 技术已广泛地应用于组合 机床的设计。其中，多轴箱c a d 的研究工作也取得了很大成就。 ( 1 ) 大连组合机床厂研制的多轴箱c a d 系统通过数学模型模拟多轴箱运转情 况，检验出多轴箱的所有几何干涉、转速及转向错误，并能自动生成多轴箱的装配 表、零件明细表、装配图和零件加工图等，此软件的设计结果较科学、严谨。 ( 2 ) 河南科技大学根据组合机床的设计特点，结合先进设计技术，在三维设 计软件u o 的平台上进行了二次开发，建立了组合机床c a d 系统，实现了多轴箱 的模块化。另外，此软件采用三维形式来表达多轴箱的传动系统，方便干涉检验以 及参数的更改i 吲。 ( 3 ) 广西工学院利用三维c a d 软件s o l i d e d g e 9 0 开发了多轴箱的三维变量化 c a d 系统所谓变量化设计是一种基于用户设计层次的设计方法它将图形的尺寸 关系和几何关系以变量的形式表示，通过对图形变量的赋值，实现图形的生成或修 改，从而得到所需的设计图形。按这种方法设计多轴箱，不仅大大减少了设计人员 的设计、计算和绘图工作量，而且设计出的多轴箱三维模型直观、可视性强，检查 各种干涉方便快捷。如发现问题可再次修改变量，以满足设计要求此外，还可利 用s o l i de d g e 的机构运动模拟功能对装配好的多轴箱进行模拟旋转运动，更好地观 察多轴箱的运动状态，使得设计出的多轴箱更趋于合理【1 9 1 。 ( 4 ) 扬州大学开发的多轴箱c a d 系统( b c a d ) 能够辅助完成从多轴箱设计 到绘图出图的全过程，在扬州柴油机有限责任公司得到了很好的应用，为企业取得 了良好的技术经济效果网。 1 3 课题的提出 组合机床是专用高效自动化技术装备，是大批量机械产品实现高效、高质量和 经济性生产的关键设备。随着市场经济的发展，组合机床的主要应用领域如汽车、 拖拉机、发动机、摩托车等制造行业有了更深刻的变化，产品寿命不断缩短，品种 3 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 日益增多，这些因素要求工程技术人员不断地提高产品的开发能力，快速响应市场 的需求【堋。 多轴箱是组合机床的重要组成部件之一，也是设计工作量最大的部件。多轴箱 设计质量的好坏、设计周期的长短，直接影响组合机床的设计质量、更新速度因 此，如何高效、高质量地设计多轴箱已经成为组合机床设计专家们致力研究的课题。 目前，c a d 技术已经成功地应用于多轴箱设计，为设计人员提供了较为方便快 捷、高效的设计工具。由于多轴箱设计过程中，不仅需要用到自然科学的基础知识， 而且更重要的是需要吸取领域专家在设计实践中积累起来的大量宝贵经验，因此， 在较短的时间里设计出较优的多轴箱1 2 n ，这是多轴箱c a d 软件所不能及的，迫切 需要多轴箱c a d 软件向智能型方向发展。无数事实证明，富有经验的优秀设计师 往往能比刚出校门、同样富有才华的设计师以较快的速度设计出较好的产品来阎。 如今专家系统作为一种最具代表性的智能应用系统已开始应用在机械设计和制造 领域，它将领域专家的设计经验集于一体，模拟专家的设计过程来帮助设计师进行 评判决策，大大推进了设计质量和效率的提高。本课题把专家系统引入到组合机床 多轴箱的设计中，将c a d 技术与专家系统技术相结合，实现对多轴箱的智能辅助 设计。就目前的资料来看，专家系统技术在组合机床多轴箱设计中的应用，国内尚 未有成熟实例，仍处于模块化设计阶段。因此，对组合机床多轴箱专家系统的研究 是一个探索性的课题。 多轴箱由许多零部件组成，结构方案多解性、不确定性和经验性更为突出，需 要大量的领域专家的知识与经验，这也是本课题的关键所在。 1 4 研究内容 本文研究组合机床钻削类多轴箱专家系统，采用面向对象编程语言i r , q u a lb a s i c 6 0 作为基本开发平台，利用微软公司的a c c | 髑数据库管理工具，选用a u t o c a d 作为多轴箱系统的图形处理支撑软件。本课题的主要研究内容： ( 1 ) 搜集大量组合机床多轴箱设计方面的相关资料及领域专家经验，并转化 成计算机可以识别的形式，为多轴箱专家系统的知识库的构建做准备。 ( 2 ) 建立钻削类多轴箱专家知识库，包括传动方案的设计知识库和图形处理 知识库两大部分。 ( 3 ) 研究推理方法，建立适于多轴箱专家系统的推理机制。 ( 4 ) 传动方案的设计：引入专家系统技术，进行传动模型的优化设计、传动 方案的评估决策，输出较优方案解，然后整理数据存入综合数据库，为图形处理做 准备。 ( 5 ) 图形处理：采用参数化绘图方法建立零件图，然后自动提取综合数据库 中的数据绘制主轴和传动轴的截面图。 ( 6 ) 运用v b 6 0 开发多轴箱专家系统，借助于a u t o c a d 的二次开发工具v b a 实现参数化绘图。 4 钻削类多轴箱家系统的研究 2 钻削类多轴箱设计的简要介绍 2 。1 组合机床多轴箱的种类和结构 多轴箱是组合机床重要组成部件。它是选用通用零件，按专用要求进行设计的。 多轴箱用于御置机床工作主轴及其传动零件和相应的附加机构，它通过按一定速比 排布传动齿轮，把动力从动力部件动力头、动力箱、电动机等，传递给备工作 主轴，使之获得所要求的转速和转向等。 组合机床多轴箱，按其组成和用途分为：大型标准多轴箱、小型标准多轴箱和 专用多轴箱三大类，其中，最常用的是大型标准多轴箱。大型标准多轴箱是由通用 零件和部件( 通用的箱体类零件、主轴、传动轴、齿轮和通用或专用的附加机构等) 组成的“标准结构”多轴箱。其主轴刚性不是很高，又称为非刚性多轴箱。按加工 性质，它可分为下列三种：钻削类多轴箱。般用于完成镗孔、钻孔、扩孔、铰 孔等单一的或混合工序的多轴箱：攻丝多轴箱：钻攻复合多轴箱【矧。 本文以大型标准钻削类多轴箱作为研究对象。 2 。2 多轴箱设计的原始依据 多轴箱设计的原始依据即多轴箱设计的原始要求和已知条件，来源于机床总体 设计的“三图一卡”一| 受加工零件的工序图、机床总图、加工示意图和生产率计 算卡。主要包括下述内容1 2 3 】： ( 1 ) 多轴箱外形尺寸及其它相关部件的联系尺寸； ( 2 ) 所有主轴的位置关系尺寸； ( 3 ) 各主轴的转速； ( 4 ) 工件材料，加工表面要求： ( 5 ) 主轴的工序内容和主轴外伸部分尺寸； ( 6 ) 动力部件型号，功率p ( k w ) ，转速疗( r r a i n ) 和其它主要参数。 2 3 多轴箱传动系统的设计要求 传动系统的设计是多轴箱设计中最关键的一环。所谓传动系统的设计就是通过 一定的传动链把多轴箱驱动轴的动力和转速按要求分配到各主轴。主要的设计要求 为1 2 3 】： ( 1 ) 在保证主轴强度、刚度、转速和转向的前提下，力求使传动轴和齿轮数 量、品种最少。应尽量用一根传动轴带动多根主轴，当齿轮啮合中心不符合标准时， 采用齿轮变位的方法来凑中心距离； ( 2 ) 通常应避免通过主轴带动主轴，否则将增加主动主轴的负荷； 5 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 6 ( 3 ) 最佳传动比为1 1 5 ，但允许采用到3 3 5 ； ( 4 ) 所有主轴的转向一致； ( 5 ) 主轴的转速误差在+ l o r m i n 之内。 钻削类多轴箱专家系统的研究 3 钻削类多轴箱专家系统的整体结构 3 1 专家系统的基本理论 3 1 1 专家系统的概念及组成 专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术 和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断， 模拟人类专家的决策过程，来解决该领域的复杂问题，简而言之，专家系统是一种 模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。 专家系统主要由人机接口( 知识通讯) 部分、推理机、知识库、综合数据库、 解释机构、知识获取机构等六个基本部分组成。其原理结构如图1 所示，其中核心 部分是知识库和推理机 7 4 - 2 6 1 。 人机接口 解释机构推理机知识获取机构 f l； p 据库je 知谐刁 田1 专家系统的基本结构 f i g 1 t h e b a s i c 或m d t l f o r a 咧町咖 ( 1 ) 人机接口 人机接口是专家系统与领域专家或知识工程师及一般用户的界面，是维护用户 与领域专家的纽带。领域专家或知识工程师通过它输入知识、更新、完善知识库： 一般用户通过它输入欲求解的问题、已知事实以及向系统提出的询问；系统通过它 输出运行结果、回答用户的询问或者向用户索取进一步的事实。 ( 2 ) 知识库 知识库是知识的存储机构，用来存储该领域专家经验、领域基础知识以及有关 事实其基本任务是为推理机提供问题求解及解释机构解释问题所需的知识知识 库中知识质量的优劣、层次的高低、数量的多寡将直接影响到问题求解结果的科学 性、合理性和求解问题的覆盖范围。 ( 3 ) 推理机 推理机是专家的“思维机构”，它的任务是模拟领域专家求解的思维过程，控 7 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 制知识库、数据库对问题求解的执行它能根据当前已知的事实，利用知识库中的 事实，按一定的推理方法和控制策略进行推理，求得问题的答案。 ( 4 ) 综合数据库 综合数据库它是用于存放用户提供的初始事实、问题描述以及系统运行过程中 得到的中间结果、最终结果、运行信息( 如推出结果的知识链) 等的工作存储器。 数据库的内容是不断交化的，又称“动态”数据库在求解问题的开始时，它存放 的是用户提供的初始事实；在推理过程中它存放每一步推理所得到的结果。推理机 根据数据库的内容从知识库选择合适的知识进行推理，然后又把推理的结果存入数 据库。 ( 5 ) 解释机构 解释机构是负责向用户解释专家系统的行为，包括解释推理结论的正确性及系 统输出其它候选解的原因。解释机构功能的强弱反映了该专家系统的透明度和可信 度。 ( 6 ) 知识获取机构 知识获取机构是专家系统将领域专家的经验知识和事实性知识预处理而转化 成推理机所适宜的形式后存入知识库的功能模块。同时也负责知识库的修改、删除 和更新等知识库的维护管理任务。 3 1 2 专家系统的构建步骤 和传统的程序设计不同，专家系统的开发是一个不断重复的过程，是从一个比 较小的系统开始，逐步扩充为一个具有相当规模和日臻完善的试验系统。 建立专家系统的一般步骤如下1 2 7 茹1 ： ( 1 ) 设计初始知识库。知识库的设计是建立专家系统最重要和最艰巨的任务 初始知识库的设计包括： 问题知识化：即辨别所研究问题的实质，如要解决的任务是什么，它是如何定 义的，可否把它分解为子问题或子任务，它包括哪些典型数据等。 知识概念化：即概括知识表示所需要的关键概念及其关系，如数据类型、已知 条件( 状态) 和目标( 状态) 、提出的假设以及控制策略等。 概念形式化：即确定用来组织知识的数据结构形式，应用人工智能中各种知识 表示方法把与概念化过程有关的关键概念、子问题及信息流特性等变换为比较正式 的表达，它包括假设空间、过程模型和数据特性等。 形式规则化：即编制规则把形式化了的知识变换为由编程语言表示的可供计算 机执行的语句和程序 规则合法化：即确认规则化了的知识的合理性，检验规则的有效性。 ( 2 ) 原型机( p r o t o t y p e ) 的开发与试验。在选定知识表示方法之后，即可着手 建立整个系统所需要的实验子集，它包括整个模型的典型知识，而其只涉及与试验 有关的足够简单的任务和推理过程。 8 钻削类多轴箱专家系统的研究 ( 3 ) 知识库的改进与归纳。反复对知识库及推理规则进行改进试验，归纳出 更完善的结果。经过相当长时间的努力，使系统在定范围内达到人类专家的水平。 这种设计与建立步骤，如图2 所示。 再设计 图2 建立专家系统的步骤 f i g 2 s t e p s o f c o n s t r u c t i n ge x p e r ts y s t e m 3 2 钻削类多轴箱专家系统的功能目标和总体结构 3 2 1 钻削类多轴箱专家系统的功能目标 钻削类多轴箱专家系统的功能目标是为设计人员提供一套简捷的设计工具，提 高设计效率、准确性和方案优化性，并具有简单图形处理功能。主要有以下功能： ( 1 ) 系统能够辅助设计人员完成传动方案的优化设计，在传动模型选择、传 动模型设计、方案寻优等关键环节模仿领域专家给设计者正确的指导，以提高设计 质量和设计效率。 ( 2 ) 系统能够实现多轴箱总图及零什图的参数化绘制，建立通用零仲图形库 等功能。 除上述主要功能外，系统还应具有以下性能特点p j ： 合理性和准确性：采用本系统辅助设计完成的传动方案设计应该是正确、合 理的，对于各种设计计算要确保计算结果的准确性或精度。 可维护性和可扩展性：系统的体系结构应具有良好的开放性，易于进行功能 上的扩展。 3 2 2 钻削类多轴箱专家系统具体设计思想的提出 如何将专家系统技术引入到传动方案设计过程中将是钻削类多轴箱专家系统 所要解决的核心问题。本文主要从两个方面来探讨这个问题。并提出了解决方案。 一方面，从被加工零件的角度来分析，被加工零件是多种多样的，每个零件孔 的分布及数量不同，那么传动路线也不同，即使加工同一零件不同人或同一人在不 同时间设计的传动路线也不同，多轴箱的结构、传动效率也不同。这样看来，针对 9 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 同一个被加工零件可以设计出多种传动方案，所以就必须对各种传动方案进行具体 分析比较，选择一种最佳方案，从而设计出较优的传动系统。 另一方面，从目前的计算机水平来看，虽然计算机智能化程度逐步提高，但对 于多轴箱这样一个多轴、多齿轮、多排次的复杂齿轮传动系统来说，是很难建立一 种数学模型来描述它 因此，本文从全局出发，提出了。逐层设计”的设计思想，所谓“逐层设计” 就是在考虑整体设计要求的前提下，将整个传动设计分成多个层，逐步进行设计。 具体来讲，首先从布置主轴传动开始，把所有主轴作为第一层的设计对象，布置合 适的传动轴实现对主轴的直接带动，称为“第一层设计”；然后，将已经确定的传 动轴作为第二层设计对象，再布置合适的传动轴实现这一层的传动设计，称为“第 二层设计”；依此类推，直至完成驱动轴与主轴之间所有的传动设计，将驱动轴上 的动力按要求传递到各个主轴。 然而，“逐层设计”只做了基础性建设，为实现整个传动方案的优化设计，还 必须对每层设计进行优化。因此，本文又在“逐层设计”的基础上，针对每一层的 设计，提出了“逐层优化”的设计理念，采用了“传动模型的优化设计方案寻 优”这一技术路线，将领域专家的设计经验应用到每一层设计，尽力模拟专家的设 计过程，褥出较优方案，劳将其作为下一层设计的基础，这样层层优化，最终得到 一个总体传动方案。然后，再设计出几套传动方案并评价比较，得出较优的多轴箱 的传动方案。 多轴箱传动方案总体设计的核心思想可以用图3 来诠释： 圈3 设计思想 e 驴a 砸韶i d c n 3 2 3 钻削类多轴箱专家系统的总体结构 根据功能目标的要求，并在设计思想的指导下建立了钻削类多轴箱专家系统的 总体结构，如图4 所示，其主要由传动方案的设计主体部分和图形处理辅 钻削类多轴箱专家系统的研究 助部分，知识库、推理机、综合数据库和知识获取部分基础部分组成。传动方 案的设计引入了专家系统技术，指导设计者从“逐层传动方案的优化设计”到“总 体评价”的设计过程，最终输出多轴箱传动系统的较优传动方案。图形处理部分采 用c a d 技术，根据传动方案的设计部分所生成的数据，完成多轴箱总图的绘制。 下面将主要介绍知识库的构建和推理机制的建立。 田4 钻削类多轴箱专家系统的总体结构 f i & 4 1 j ，t a ls 咖帆o f b s b e s 1 1 综 a 口 数 据 库 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 3 3 钻削类多轴箱专家系统知识库的构建 要建立起完善的专家系统，首先就要建立起完善的知识库。对领域知识的合理 总结和分类是建立和完善知识库的先决条件。选择合理的知识表达方式，可以增加 知识库的准确度，并使调用知识变得简单，这是建立优秀知识库系统的关键。 3 3 1 知识与知识表示 3 3 1 1 知识与知识表示的概念 从认识论的角度来看，知识是人类认识自然界的精神产物，是人类进行智能活 动的基础。一般地，知识是经过削减、塑造、解释、选择和转换的信息，是由特定 领域的描述、关系和过程组成的。计算机所处理的知识，按其作用可大致分为说明 性知识、问题求解知识和元知识三类刚。 知识表示可看成是描述事物的一组约定，以把人类知识表示成机器能处理的数 据结构，是知识的符号化过程 9 1 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主要问题是设计各种知识的形式表示方法，研 究表示与控制的关系，表示和推理的关系以及知识表示和其它领域的关系。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，为了有效地解决问 题，必须选择一个合适的表示方法【3 。 3 3 1 2 选择知识表示方法 对钻削类多轴箱专家系统来说，只有全面客观地掌握专家系统中知识的相关内 容，才能有效地搜集钻削类多轴箱设计知识并选择合适的知识表示方法。在钻削类 多轴箱设计知识库中，知识表示依据一定的原则，对搜集到的不同类型的知识采用 不同的知识表示方法，以方便设计时使用。 该系统在选择钻肖类多轴箱设计知识表示方法时，考虑以下几个方面p 习： ( 1 ) 表示能力：能够将此领域的知识正确有效地表达出来； ( 2 ) 可理解性：所表达的知识简单、明了、易于理解； ( 3 ) 可访问性：能够有效地利用所表达的知识； ( 4 ) 可扩充性：便于知识的组织、维护与管理。 3 3 1 3 钻削类多轴箱专家系统的知识表示的方法 在钻削类多轴箱设计知识库中，存储的领域知识分为确定性知识和不确定性知 识。确定性知识主要有钻削类多轴箱设计中的各种图表、公式、标准和传动设计的 原则等。不确定性知识是设计人员的判断，是模糊的。本系统选择的知识表示方法 主要有【3 3 州： ( 1 ) 产生式规则表示法 在钻削类多轴箱设计知识中，为了兼顾事实推理与公式计算的需要，产生式规 钻削类多轴箱专家系统的研究 则又可具体地分为以下几种形式( 此时是可信度为1 的产生式规则) ： 事实规则：设规则的前提p 和结论4 均是事实描述的集合，形为 p a 1 。 这类规则常用来表示设计原则、经验和一些启发性知识片段，特点是前件p 与设计 信息库匹配成功后，后件按一定的冲突解决策略行动。例如：选择坐标计算模块里 的一条规则是： i fc d _ r n x = 2t h e nz h j s = 2 表示：如果选择一轴带两轴传动模型，则应选择与两 轴定距传动轴坐标计算模块。 计算规则：设参数集合： 计算规则表示为： x 一( 毛，屯，) ( ) p x - f - ，( 工) ) 此式含义是当前提事实集合p 成立并且参数集合石中的所有元素已知时，则按 荆的关系式计算参数。这类规则主要用于描述设计中需要作一些计算以帮助决 策的情况，计算公式都比较简单。 判断规则：这类规则在设计型专家系统中经常涉及，体现了判断推理与数值 运算交织在一起的特点。 例如：选择传动模型类型的规则之是： i f g y z s f f i 3 t h e ne d m x = 3 表示：如果共圆从动轴数目大于等于三根，则应选择 轴带三轴传动模型。 在钻削类多轴箱设计专家系统中，上述几类规则形式是交替出现的。推理利用 这些规则的特点是：事实规则是一个符号匹配问题，而后几类规则不仅有符号匹配， 还需检验计算中涉及的参数是否已赋值或不等式判断，并把计算结果传递到后续规 则中去。 ( 2 ) 框架表示法 框架这种知识表示方法是1 9 7 5 年明斯基( m i n s k y ) 在计算机视觉领域的研究 中，从认识和理解视觉景象的问题中得到启示提出的【2 1 l 。 框架表示法是一种描述某种状态的数据结构，是知识的结构化表示。框架是表 示定型状态的数据结构，一个框架由若干个槽组成，每个槽有它自己的名字，槽内 的值描述框架所表示的实体各个组成部分的属性，每个槽又可以有一个或多个侧 面，槽也可以是一个子框架，相互关联的框架可以连接起来组成框架网络。框架的 结构如下： 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 f r a m e s i 力呵1 框架名 侧面1