（机械设计及理论专业论文）减速器三维参数化cad系统的研究.pdf

江苏大学硕士研究生论文 摘要 c a d 技术是一门集信息技术、工程设计技术、制造技术等于一体的多学 科、综合性的技术，它是提高企业创新能力、产品开发能力和增强企业应变 能力，参与国际竞争的重要条件。随着发展民族工业的需要，开发具有自主 知识产权的智能化c a d 系统已越来越成为社会的需要。 本文以三维造型软件s o l i de d g ev 1 5 o 为开发平台，利用可视化语言 v i s u a lb a s i c 6 0 结合专家系统理论、参数化造型技术和数据库技术开展了 对减速器三维参数化c a d 系统研究。通过对减速器设计过程的分析，构建出 减速器三维参数化c a d 系统模型和各功能模块，并对系统构建过程中设计知 识的表示、获取及推理方法和数据库的管理、调用等关键问题进行了分析。 充分利用面向对象程序设计语言的特点设计出人性化的系统界面。 三维参数化技术代表了c a d 技术的发展趋势，文中对三维参数化设计的 实现方法进行了深入探讨，对参数化设计中的关键技术进行了分析，提出采 用设计变量与编程技术相结合的方式实现三维模型的参数化设计，进而建立 三维参数化零件模型模板和装配模板。通过对三维模型与二维工程图相关性 的分析，提出采用建立工程图模板的方法实现三维和二维的同步修改，并对 二维工程图的功能进行扩展，开发出尺寸公差自动标注、形位公差自动标注 和技术要求自动标注三个子系统。最终构建出融三维参数化设计和二维图纸 自动出图功能于一体的实用c a d 系统。 关键词：三维参数化，c a d ，专家系统，工程图，减速器 江苏大学硕士研究生论文 a b s t r a c t t h ec a di sam u l t i d i s c i p l i n a r ya n dc o m p r e h e n s i v et e c h n o l o g ys y n t h e s i z e db ym a n y s u b j e c ts u c ha si n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , e n g i n e e r i n gd e s i g nt e c h n o l o g y , m a n u f a c t u r et e c h n o l o g y a n ds oo n i ti sa ni m p o r t a n tq u a l i f i c a t i o nt oi m p r o v et h ea b i l i t yo fe n t e r p r i s ei n n o v a t i o n ， e n h a n c e m e n te n t e r p r i s es t r a i nc a p a c i t ya n dp a r t i c i p a t ei ni n t e r n a t i o n a lc o m p e t i t i o n i no r d e rt o d e v e l o pt h en a t i o n a li n d u s t r y , w en e e dt od e v e l o pt h ei n t e l l e c t u a l i z e dc a ds y s t e mi n c r e a s i n g l y w h i c hh a st h ei n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s r e g a r d i n gs o f t w a r es o l i de d g ev 1 5 0o ft h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e la st h ed e v e l o p i n g p l a t f o r m ，t h i sp a p e rh a v el a u n c h e dt h er e s e a r c ho f t h e r e d u c e rt h r e e d i m e n s i o n a lp a r a m e t e r i z e d c a ds y s t e mb yu s i n gv i s u a ll a n g u a g ev i s u a lb a s i c 6 0c o m b i n e dw i t ht h et h e o r yo fe x p e r t s y s t e m s ，p a r a m e t e r i z e d m o d e lt e c h n o l o g ya n dd a t a b a s et e c h n o l o g y t h r e e d i m e n s i o n a l p a r a m e t e r i z e dc a ds y s t e m a t i cm o d e la n ds o m ef u n c t i o nm o d u l e sh a v eb e e nc o n s t r u c t e db y a n a i y z i n go ft h er e d u c e rd e s i g np r o c e s sa n dh u m a n i z e ds y s t e m a t i ci n t e r f a c eh a sb e e nd e s i g n e d b ya n a l y z i n gs o m ek e yp r o b l e m ss u c ha sm e t h o do fk n o w l e d g ea c q u i s i t i o n ，r e p r e s e n t a t i o na n d d e d u c ea n dt h ew a y so f d a t a b a s em a n a g e m e n t t h r e e d i m e n s i o n a lp a r a m e t e r i z e dt e c h n o l o g yr e p r e s e n t st h ed e v e l o p m e n tt r e n do fc a d t e c h n o l o g y an e ww a y o fc o m b i n ed e s i g nv a r i a b l ew i t hp r o g r a mt e c h n o l o g yh a sb e e na d o p t e d t or e a l i z et h r e ed i m e n s i o n a lm o d e l sp a r a m e t e r i z e dd e s i g na n dt h e nt h r e e d i m e n s i o n a l p a r a m e t e r i z e dp a r tt e m p l a t e a n da s s e m b l et e m p l a t eh a v eb e e ns e tu pb ya n a l y z i n go f t h r e e d i m e n s i o n a lp a r a m e t e r i z e di m p l e m e n t a t i o nm e t h o da n ds o m ek e yp r o b l e m sd u r i n gt h e p r o c e s so f t h r e e d i m e n s i o n a lp a r a m e t e r i z e dd e s i g n d r a w i n gt e m p l a t eh a sb e e ns e tu pt or e a l i z e t h es y n c h r o n o u sm o d i f i c a t i o no ft w oa n dt h r e ed i m e n s i o nb ya n a l y z i n go nr e l e v a n c eo f t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e la n dt w o d i m e n s i o n a ld r a w i n g ，a n dt h r e ea u t o m a t i c - m a r ks u b s y s t e m h a sb e e nd e v e l o p e dt oe x p a n dt h ef u n c t i o no ft h et w o d i m e n t i o n a ld r a w i n g ，s u c ha s d i m e n s i o n a lt o l e r a n c e ，s h a p e l o c a t i o nt o l e r a n c ea n dt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t i nt h ee n d ，a r t i n t e g r a t e dp r a c t i c a l c a ds y s t e mh a sb e e nc r e a t e dw h i c hc o m b i n et h r e e d i m e n s i o n a l p a r a m e t e r i z e dd e s i g na n dt w o d i m e n t i o n a ld r a w i n ga u t o m a t i c p u b l i s h i n gt o g e t h e r k e yw o r d s ：t h r e e d i m e n s i o n a lp a r a m e t e r ；c a d ；e x p e r ts y s t e m s ；d r a w i n g ；r e d u c e r s i i 江苏大学硕士研究生论文 第一章绪论 1 1 齿轮减速器的现状与发展趋势 齿轮减速器是工程中普遍使用的机械传动装置，在机械设备上应用十分广泛。为了缩 短设计时间、生产周期和降低成本，我国己制定出减速器的标准系列，而在实际使用中， 标准减速器往往不能满足各种各样的功能要求，常常还要自行设计非标准减速器( 通用减 速器和专用减速器) 。 1 1 1 我国齿轮减速器的现状 我国齿轮减速器的设计与制造技术是在参照前苏联的基础上发展起来的，经过几十年 的发展，已初具规模，但设计手段和技术水平仍较落后，大多停留在国外8 0 年代水平 “。在机构性能方面，存在的主要问题是精度低、生产效率低、使用寿命短。我国传统的 减速器生产方式是按照单台套设备要求进行设计与制造，由于零部件差异大，互换性能差， 生产周期长，制造成本高，已跟不上国际同类产品发展步伐。改革开放以来，引进了一批 先进的加工装备，通过不断引进、消化和吸收国外先进技术以及科研攻关，开始掌握了各 种高速和低速重载齿轮装置的设计制造技术，设计水平和制造质量均有了一定的提高。8 0 年代至9 0 年代初，我国相继制定了一批减速器行业标准，按这些标准生产的许多产品 的主要技术指标均可达到或接近国外同类产品的水平，其中y n k 减速器较完整地吸取了德 国f l e n d e r 公司同类产品的特点，并结合国情做了许多改进与创新。这些产品的开发对推 进我国传动机械技术的进步，促进国民经济的发展具有积极的作用。“。目前，国内生产 减速器的厂家有数百家，年产通用减速器7 5 万台左右，年生产总值约2 5 0 亿元。但是， 不同企业设计和生产能力以及产品质量参差不齐，就目前现状而言，老产品不可能立即被 替代，新老产品并存过渡会经历一段较长的时间。 1 1 2 齿轮减速器的发展趋势 齿轮减速器的发展很大程度上依赖于齿轮技术水平，如齿轮材料、热处理质量以及齿 轮加工精度等。随着我国市场经济的推进，齿轮行业的专业化生产水平有了明显提高，齿 轮行业的整体结构得到了优化，行业实力增强，技术进步加快。计算机技术、信息技术、 自动化技术在机械制造中的广泛应用，改变了制造业的传统观念和生产组织方式，一些先 进的齿轮生产企业已经采用精益生产、敏捷制造、智能制造等先进技术，形成了高精度、 高效率的智能化齿轮生产线和计算机网络化管理。在产品设计阶段就同时进行工艺过程设 计及安排产品整个生产周期的各配套环节，市场的快速反应大大缩短了产品投放市场的时 间。同时，由于计算机技术与数控技术的发展，使得机械加工精度、加工效率大为提高， 江苏大学硕士研究生论文 从而推动了机械传动产品多样化，整机配套的模块化、标准化以及造型设计艺术化，使产 品更加精致、美观。为适应激烈的市场竞争要求，国外许多减速器厂家非常重视先进设计 与制造技术的应用，大量采用模块化设计，在产品系列化和质量方面不断更新和提高，生 产出高承载能力、高齿面硬度、高精度、低噪声、低成本的减速器，它们代表了减速器及 齿轮技术的发展趋势。我国齿轮减速器和国外先进技术相比还有一定差距，而减速器和 齿轮的设计与制造技术的发展，在一定程度上标志着一个国家的工业水平，因此，开拓和 发展减速器和齿轮技术在我国有广阔的前景。 1 2 齿轮减速器c a d 系统技术现状 减速器c a d 系统的研究与开发工作在国内已有一定的开展，如华中科技大学、合肥工 业大学、湖南大学等一些院校在这方面的研究工作已经取得了初步成效。但大多是基于二 维的，如在a u t o c a d 平台上开发的一些系统，而且功能上有些是侧重于设计计算，有些以 二维绘图功能为主。目前，对基于三维c a d 系统的专用减速器c a d 系统的研究还不多，特 别是三维与二维关联的减速器c a d 系统几乎没有。国内在减速器设计方面已开发出专用软 件系统并己商业化，如g e a r b o x 、r a d e s 等，机械工业研究院、合肥工业大学、西安交通 大学联合开发了机械设计手册软件，对减速器的设计也具有辅助设计功能。部分减速器厂 家已经开始采用这些专用软件进行辅助设计，但这些软件功能都不够完善，智能化程度不 高，且大多是基于二维的平面设计，需通过经验和反复试验来确定设计方案的可行性，设 计中存在以下问题。1 ： ( 1 ) 在设计过程中无法对所设计的产品进行装配干涉检验、力学分析、运动模拟等工 作； ( 2 ) 零件以二维图形展现，没有三维立体模型直观，设计者不能在设计阶段就能清楚 地见到产品的最终结果，及时发现设计问题； ( 3 ) 设计工作结束后要生产出样机，通过试验来验证设计方案的可行性，造成不必要 的财力浪费，同时也延长了产品的开发周期。 真正的计算机辅助设计应该从三维设计着手，构建出能够表达设计构思的产品数据化 模型，并以此为基础，进一步进行应力应变分析、空间运动分析、装配干涉分析、运动仿 真分析、数控加工和模拟，这才是对设计全过程的有效的辅助，才是有明确技术效益和经 济效益的c a d 。现代c a d 技术的一个重要标志就是用三维实体模型代替二维绘图来表达产品 设计的所有信息，其理想目标是实现无纸化制造，如美国的波音公司就已经实现了无纸化 制造，即从零部件的设计到制造全过程没有一张图纸。但就现阶段来看，一般的三维造型 系统表达零件的几何信息尚可，但表达零件的精度、粗糙度和各种加工特征就比较困难， 江苏大学硕士研究生论文 实现完全的无纸化制造对大多数企业还不够成熟，这就需要将基于三维实体模型的零件造 型和装配造型转化成二维工程图纸以适应当前企业的生产现状。因此，从这个角度来讲， 功能比较完善的实用减速器c a d 系统目前还很少，开发基于三维c a d 系统的具有自主知识产 权的齿轮减速器三维参数化c a d 系统具有重大意义。 1 3 课题研究的目的和意义 2 i 世纪国际竞争日趋激烈，全球制造业已由过去的“规模效益第一”、“价格竞争 第一”和“质量竞争第一”，发展到了今天的“市场速度第一”。产品开发周期缩短，上 市时间更快，这是2 1 世纪市场环境和用户消费观所要求的，也是赢得竞争的关键所在。 随着现代化工业的高速发展，产品的功能、结构日趋复杂，新产品的更新换代周期不断缩 短，设计在产品的整个生命周期中占据了越来越重要的地位。而先进设计技术离不开c a d 技术，特别是现代c a d 技术。c a d 技术是综合了信息技术和制造业工程设计等各个行业、 各个领域的技术，它是促进科技成果转化，提高产品和工程设计水平，缩短新产品开发周 期、降低成本，大幅提高劳动生产率的重要技术手段，是提高企业自主开发能力、技术创 新能力和市场应变能力，参与国际竞争的重要条件。c a d 技术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和工业现代化的重要标志。其作用和地位日益位为广大科技 界和产业界人士所认识“。 随着我国加入w t o 和改革开放的深入，要在激烈的全球经济竞争中立于不败之地，在 技术层次上首先要加强基础理论研究及创新研究，以形成具有自主知识产权的知识储备； 第二要采用先进制造技术对我国的企业进行现代化改造，以提升加工制造能力；第三要采 用先进的现代设计技术来取代传统的设计模式，以提升设计能力。为适应市场竞争全球化 的需要，企业越来越多地采用c a d c a m 技术，以降低成本、缩短产品开发周期、提高企业 对市场的快速响应能力。但目前，国内很多减速器生产厂家设计手段落后，仍然停留在二 维设计阶段，不能直观、全面地反映设计意图并通过虚拟样机对设计的结果进行验证。高 等院校也一直把齿轮减速器的设计作为机械零件课程设计内容，由于设计过程的复杂性， 迫使指导教师要花大量时间来审阅设计结果的正确性、可行性。若能将繁琐的查表计算、 结构设计等程序化，直接采用三维实体造型技术来构造设计对象模型，并使之具有参数化 设计功能，为产品的系列化设计和后续应用如运动仿真分析、数控加工编程及模拟仿真等 提供统一的产品数据模型，则可以缩短齿轮减速器的设计周期，减少不必要的人力、物力、 财力资源浪费，从而提高设计效率和企业的经济效益。因此，开发与研制减速器三维参数 化c a d 系统软件具有重要的意义。 江苏大学硕士研究生论文 1 4 课题研究的主要问题及关键技术 本课题的研究与开发主要是为减速器的设计提供一个新的辅助设计手段，一方面可 用于生产企业，作为企业设计减速器的比较实用的c a d 系统，加快产品研发进程，提高企 业经济效益：另一方面也可用于教学，作为辅助教学手段，引导学生进行减速器设计，验 证设计结果，提高设计效率。本人根据专家系统思想和特征建模技术以及数据库技术以典 型的圆柱齿轮减速器为研究对象，结合企业的生产要求开展了减速器三维参数化c a d 系统 的研究。 1 4 1 课题研究的主要问题 本课题研究的主要问题有以下几个方面： 1 根据减速器设计过程，对减速器设计进行功能分解，确立c a d 系统的总体结构和各 功能模块。在此基础上，进一步分析各功能模块的开发方法。 2 对减速器设计所需的各类知识和数据进行分类，确定知识的获取、表示、推理方法 以及数据的调用、传递方法。 3 对零件三维参数化设计的实现方法进行分析，选用合适的二次开发方法建立三维参 数化模型库，实现减速器的轴、箱盖、箱座等零件的三维参数化设计。 4 研究减速器零件二维工程图纸自动生成的方法，对二维绘图环境进行二次开发，提 高二维图形出图效率。 1 4 2 课题研究中的关键技术 1 减速器设计中用到大量的设计知识，如各种表格和线图等，如何获取这些知识、表 示知识和利用知识，根据规则判断推理得出结论是课题研究的一个关键。 2 设计中涉及到设计参数的调用和传递，不同的知识表示方法所对应的参数调用方法 也不同，设计参数的调用与传递方法以及数据库的应用与管理也是课题研究的一个难题。 3 减速器设计的最终结果要反映到图形上，因此，参数化绘图是整个设计系统的关键 环节。零件的三维参数化绘图的实现以及二维工程图纸的自动生成无疑是课题研究的重要 问题和关键技术。 课题采用专家系统思想，结合数据库技术的应用，用v i s u a lb a s i c 语言在通用c a d 平台s o l i de d g ev 1 5 0 上开发减速器三维参数化c a d 系统。课题研究中所涉及到的主要 问题和关键技术，将在以后的各章节中分别加以阐述。 江苏大学硕士研究生论文 第二章圆柱齿轮减速器三维参数化g a d 系统总体设计 2 1 齿轮减速器设计流程分析 2 1 1 齿轮减速器机械传动装置总体设计 机械传动装置总体设计主要是指传动方案的拟定和分析，电动机型号的选择，总传动 比的计算及其分配，传动装置的运动参数和动力参数计算。它为各级传动件的设计和装配 草图的绘制提供依据。下面对它们的设计方法分别进行简要分析。 1 方案选择 实现工作机预定的性能要求，可以有不同的传动方案。带式输送机通常有四种传动方 案。 方案( a ) ：第一级为带传动，第二级为一级圆柱齿轮减速器，这种方案通常得到广泛 使用。 方案( b ) ：电动机直接联接在两级圆柱齿轮减速器，此减速器宽度尺寸较大，但由于 圆柱齿轮易于加工制造而常被采用。 方案( c ) ：电动机直接联接在蜗杆减速器上，它结构紧凑，但在长期连续运转条件下， 由于蜗杆传动的效率低，功率损失大。 方案( d ) ：电动机直接联接在圆锥一圆柱齿轮减速器，它的宽度尺寸较方案( b ) 小，但 圆锥齿轮加工比圆柱齿轮困难。 以上四种传动形式各有所长，设计者应根据不同的性能要求和工作特点，选取合理的 传动方案。 2 电动机的选择 ( 1 ) 类型选择 ( 2 ) 电动机功率的确定 工作机所需功率p w 电动机轴的输出功率p o 确定电动机的额定功率p m 对于长期连续运转，载荷不变或很少变化，且在常温下工作的电动机其额定功率等于 或略大于电动机所需的输出功率p o ，电动机便不会过热。通常取p 。= ( i - i 3 ) p 0 ，功率裕 度大小可视工作机的过载情况来决定，然后选择出相应的电动机型号。 ( 3 ) 电动机转速的确定 3 传动装置总传动比的计算和分配 江苏大学硕士研究生论文 按照电动机的满载转速刀。及更工作机的转速，可确定传动装置的总传动比1 ，z ” z = 一 w 总传动比等于各级传动比的连乘积，f = i li 2 一厶。 本系统采用带传动和一级圆柱齿轮减速器方案，当带传动的传动比过大，大带轮半径 大于减速器输入轴中心高时，带轮将与底架相碰。因此在传动比分配时必须满足带 4 0 0 m m 时，齿轮常用铸造方法制成，并采用轮辐式结构嘲m 1 。 进行齿轮结构设计时，还要进行齿轮和轴的联接设计，本系统均采用单键联接。 江苏大学硕士研究生论文 3 轴的结构设计 轴的结构设计就是要合理的定出轴各部分的几何形状和尺寸，它在初步估算轴径和初 选滚动轴承类型后进行。在设计时要综合考虑轴的强度、刚度、加工工艺性和轴上零件的 安装、固定、拆卸等因素，而这些因素又常常互为条件和互为制约，需要反复验证方能确 定最终方案，因此，轴的设计是一个动态的过程，边设计计算边修改。 结构设计结束后就可进行绘图( 零件图、装配图) 和撰写设计说明书等工作。 通过上述设计流程分析可以看出，减速器的设计过程是一类面向目标的决策活动，是 一个分层次、分阶段实施韵过程，即根据事先给定的设计要求和约束条件，然后考虑各种 可能组合，分析其实现的( 设计) 方法，按照一定的设计步骤，最终求得满足要求的结果。 在设计过程中，要综合运用多门学科的知识和丰富的实践经验，对相关问题进行分析推理 判断，从而获得最优的决策。人工智能技术在机械产品中的应用，产生了机械设计专家系 统，即智能型c a d ，它可以充分发挥计算机高速运算、严格逻辑判断和推理、存储大量信 息的能力和设计人员的经验及智慧，以求得工程系统全局的最优设计。它代表了现代设计 方法的发展趋势，是各种先进技术的综合应用。因此，课题根据专家系统思想、特征建模 技术，构建智能化便于集成的减速器三维参数化c a d 系统。 2 2 减速器三维参数化c a d 系统结构 图2 1 减速器三维参数化c a d 系统模型 江苏大学硕士研究生论文 本系统的主要功能是实现减速器的智能设计、三维参数化绘图和工程图纸自动出图， 因此，从功能角度可以分为设计计算、三维参数化绘图、工程图、数据管理等几大模块， 总体结构见图2 1 。每个模块的模型和功能分述如下m 1 嘲m 1 ： 1 设计计算模块 设计计算主要包括箱体内外传动零件、轴和轴系零件设计计算，根据已知传递功率、 转速和其它工作条件，进行强度、刚度、寿命等方面计算，确定各零件的尺寸。设计过程 中每个部分均可以自动获得前述设计的有关数据，进行相应的计算，完成该部分的设计过 程，最终设计结果存入数据库。该模块的具体框架如图2 2 所示。 图2 2 设计计算模块框图 2 三维参数化绘图 该模块是本系统的一个特色，它可以完成零件的详细结构设计。设计过程中的数据可 以从数据库中获取，也可以从人机交互界面中输入来完成各零件的设计。通过改变相关参 数，可以得到系列零件模型，具体实现方法见第三章。除了一般零件设计外，还有标准件 的参数化模型库，减少了设计过程中的重复劳动，提高了设计效率。该模块框架如图2 3 所示。 3 工程图二次开发模块 该模块的主要功能是实现c a d 图形的智能输出，它包括一般零件的工程图和总装图以 及工程图功能扩展等内容。本系统根据二次开发平台s o l i de d g e v l 5 o n 特点，采用了二 维与三维之间的关联性来生成工程图，通过建立工程图模板，可以快速实现系列零件工程 图纸的自动生成。该模块还对工程图功能进行扩展开发了尺寸公差自动标注、形位公差自 动标注和技术要求注写系统：尺寸公差自动标注可以实现极限偏差、公差带代号和配合代 号三种形式的标注；形位公差自动标注可以实现单个和两个形位公差的自动标注；技术要 江苏大学硕士研究生论文 求注写可以实现技术要求的自动标注，可读可写也可以修改，并可以将新写或修改的技术 要求写入数据库保存，大大方便了工程图纸上技术要求的注写，具有很强的实用性，提高 了二维工程图的出图效率。该模块的框架如图2 4 所示。 4 数据管理模块 数据库模块负责数据收集整理和传递。这里采用a c c e s s 数据库，利用v i s u a l b a s i c 6 o 实现对数据库的创建、维护、管理与调用。该模块共分为两种类型数据库：零件设计数 据库、规范性数据库。减速器设计过程中大多数零部件参数是有联系并相互关联的，在系 统中构建一共享数据库把设计中需要查取的标准数据和得到的结论信息存储到数据库中， 便于数据的传递、获取和零部件的设计，同时也方便后续c a p p c a m 系统的开发。规范性数 据库包括标准件数据库、尺寸公差、形位公差数据库等其它数据库。将固定数据建成数据 表，方便数据的查询和读取，提高了系统的设计效率。 图2 3 三维参数化绘图模块框图 1 0 江苏大学硕士研究生论文 图2 4 工程图二次开发模块框图 2 3 减速器三维参数化c a d 专家系统构建 2 3 1 专家系统概述 1 专家系统的概念 人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，缩写为a i ) 是5 0 年代在美国首先兴起的一门综 合性很强的边缘学科，而专家系统是近年来人工智能研究走向实用化最引人注目的一项成 就。所谓专家系统是指一种问题求解的智能软件系统，在某个专业领域内，它把有关人类 专家的经验和知识表示成计算机能够接受和处理的符号形式，采用专家的推理方法和控制 策略，解决该领域内只有专家才能解决的问题，并达到专家级水平1 。 2 专家系统的基本结构 专家系统的结构是指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式，其基本结构框图如 图2 5 所示。 江苏大学硕士研究生论文 图2 5 专家系统结构图 选择什么结构最为合适要根据系统的应用环境和所执行任务的特点来确定，系统的结 构直接关系到专家系统的实用性和效率。在专家系统中，虽然每个专家系统所需完成的任 务不同，其系统结构也不尽相同，但其中知识库和推理机是专家系统中的最基本的模块。 知识库是存放以一定形式表示的专家知识、经验的集合。为有效的利用知识，便于使用时 高效存取、检索和更新知识，知识的表达应体系化、结构化。知识表示的方法不同，知识 库的结构也不同，知识库的组织和结构形式对于专家系统的效率至关重要。推理机是控制 协调整个系统工作的机构，它根据系统当前接受到的信息，利用知识库中的知识，按一定 的推理策略，去解决当前的问题。推理机程序与知识表示的方法及知识库结构是紧密相关 的，不同的知识表示有不同的推理机。因此在专家系统中知识表示的方法、知识库、推理 机是开发建造专家系统的关键。 2 3 2 知识库的建立与知识的获取 1 知识表示方法 知识表示是对知识的一种描述，或者说是一组约定，是一种计算机可以接受的、用于 描述知识的数据结构，对知识进行表示就是把知识表示成便于计算机存储和利用的某种数 据结构。知识表示方法又称知识表示技术，其表示形式称为知识表示模式。 知识表示的方法很多，主要有：一阶谓词逻辑表示法、产生式表示法、框架表示法、 语义网络表示法、面向对象表示法等，现分述如下m 8 1m 1 ： ( 1 ) 一阶谓词逻辑表示法 谓词逻辑是基于命题中谓词分析的一种逻辑。在谓词逻辑中，事实由一个关系和一些 相互有关系的个体组成。关系表示在括号的前面，个体表示在括号中。这样的结构构成了 谓词逻辑的基本句子。谓词和相互关联的个体组成的原子命题通过逻辑联接词可以组成复 合命题。逻辑联接词包括：和( a n d ) ，或( o r ) ，非( n o t ) 。 ( 2 ) 语义网络表示法 语义网络表示法是结构化的知识表示法，具有更大的灵活性，其中的各个节点代表某 些概念，实体之间的边或弧说明它们之间的相互关系。两个个体在语义网络中用两个节点 表示，谓词用连接节点的弧表示。 12 江苏大学硕士研究生论文 ( 3 ) 产生式表示法 产生式表示法又称产生式规则表示法。是当前专家系统中最常用的知识表示方法之 一。它将专家知识表示成“如果( 条件) ，则( 结论) ”的形式，其一般形式如下： i f( 条件i ) a n d ( 条件2 ) a n d a n d ( 条件n ) t h e n( 结论1 ) 或( 操作1 ) ( 结论2 ) 或( 操作2 ) ( 结论n ) 或( 操作n ) 产生式表示法除了可以独立作为一种知识表示模式外，还常与其他可表示知识结构关 系的表示法结合起来使用。 ( 4 ) 框架表示法 框架是一个表示某些节点及相互关系的网络。框架的顶层是固定的，它代表给定情况 下总是确定的事实；下层有很多槽( s l o t ) ，槽内可以填充特定的参数、文字或数据，也可 以是其它框架内的内容。框架表示法主要善于描述事物的内部结构及事物间的类属关系， 适合于表达结构固定的概念、事件和行为，不善于表示过程性知识。 ( 5 ) 面向对象表示法 面向对象的知识表达方法是一种新的知识表达方法，它将规则，框架、过程等多种知 识表达方法按面向对象的编程原则结合起来，组成一种混合的知识表示形式。该表示方法 符合专家对设计对象的认识模型，具有其它知识表达方法所无法比拟的表达能力。面向对 象方法中对象的形式定义可以描述为： ：= ( z d ，d s ，m s ，m i ) 。 其中，i d 表示对象的标识符( i d e n t i f i e r ) ； d s 表示对象的数据结构( d a t a s t r u c t u r e ) ： m s 表示对象的方法集合( m e t h o d s e t ) ； m i 表示对象的消息接口( m e s s a g e i n t e r f a c e ) 。 目前，面向对象技术的研究和应用已经深入到计算机软硬件的多个领域，人们开始探 讨把面向对象的思想、方法用于智能系统的设计和构造，并在知识表示、知识库的组成与 管理、专家系统的设计等方面取得了定的进展。本系统主要采用面向对象的知识表示方 法，并将其它表示法融入其中，在此基础上针对不同的知识类型采用不同的方法来建造减 速器三维参数化c a d 系统的知识库。系统的外壳及推理机则采用v i s u a l b a s i c 6 0 程序设计 语言来编写。 2 知识库的建立 减速器设计中涉及到各种各样的知识，如各种经验性知识，图描述性知识，表格数据 类知识，公式类知识等等，按照面向对象的知识库中知识的分类，可以分为三种：事实 江苏大学硕士研究生论文 性知识，它是指设计手册中已规范的设计参数、设计数据等，如齿轮材料参数、各种标准 件的参数。规则性知识，它是指建立在事实性知识的基础上，表现为一些经验规则和原 则。一般包括选择性知识和决策性知识两大类，如各种设计规则，参数选择原则等。过 程性知识，它是指计算程序块或者是人机交互信息输入程序块，如设计计算过程中运用的 一些设计公式或一些数学计算等程序块。不同的知识类型需要采用不同的方法建立相应的 子知识库，各个子知识库组合构成总的知识库。本系统根据设计知识的不同特点主要建立 了以下几种类型的数据库衄m ： ( 1 ) 数据库形式的知识库 将设计手册中规范性的设计参数和数据用数据库的形式表示，在运行过程中再加以调 用，这是一种效率较高的知识表示方式。系统中主要建有零件设计数据库、各种标准件数 据库、基本偏差表等知识库。 本系统采用m i c r o s o f ta c c e s s 软件来设计数据库，它是基于w i n d o w s 的数据库系统， 简单易用，且界面友好，功能强大。在m i c r o s o f ta c c e s s 环境下开发的数据库系统只需 写很少的代码，甚至不需要写任何代码就能实现。m i c r o s o f ta c c e s s 与v i s u a lb a s i c 有 着很好的兼容性，由于v b 内置了a c c e s s 的数据引擎，可以直接访问这种格式的数据库， 便于建立高效、灵活的数据接口，方便数据的连接和调用。 ( 2 ) 产生式形式的知识库 在本系统中规则性知识的表示采用( 对象) + ( 规则组 的表示方法，对象是一个子任 务，规则是完成这一子任务所要执行的一些规则。实现方法是在系统中设置一个窗体( 对 象) ，在窗体上设置一些控件( 即子对象，一般为o p t i o n 控件) ，每个控件对应不同的内部 操作，控件与控件之间通过消息传递来完成问题的求解。例如尺寸公差标注形式选择就采 用了这种方法，见图2 6 。 例：尺寸公差标注形式程序示例( 节选) i fo p t i o n 5 v a l u e = t r u et h e n o b j d i m d i s p l a y t y p e = i g d i m d i s p l a y t y p e c l a s s p l u s m i n u s e n di f i fo p t i o n 6 v a l u e = t r u et h e n o b j d i m d i s p l a y t y p e = i g d i m d i s p l a y t y p e t o l e r a n c e e n di f 1 4 垩蔓查兰堡主翌塞皇笙兰 图2 6 尺寸公差自动标注窗体 ( 3 ) 程序源代码形式的知识库 本系统对于设计中用到的设计公式及其它一些算法，采用( 控件) + ( 运算程序块) 、 子程序的方法来建立。此处的控件一般为c o m m a n d 控件，例如齿轮初步计算就采用了该方 法。 例：齿轮初步计算的程序( 节选) p r i v a t es u bc o m m a n d l _ c 1i c k0 d i mja sd o u b l e t i = 9 5 5 0 0 0 0 p n 转矩计算 f i d = t e x t l t e x t i fs u r = ”软齿面”t h e n v d 选取 i fp o = ”对称布置”t h e n i ff i d 1 4t h e n i s g s o x ”齿宽系数应在0 8 到1 4 2 _ 间” d a h i i m 3 = 0 9 d a h i i m l d a h i i m 4 = 0 9 十d a h i i m 2 d l l = a d ( t 1 半( i + 1 ) ( f i d ( d a h i i m 3 2 ) i ) ) ( 1 3 ) d 2 1 = d l l i h l = f i d d l l b 2 = f i d 女d 2 1 1 5 江苏大学硕士研究生论文 e n ds u b ( 4 ) 混合形式的知识库 很多情况下建立知识库的第二种方法与第三种方法是相互交融的，即在采用产生式形 式建立知识库时，可将计算程序的源代码融合于其中；在采用程序源代码形式建立知识库 时，也可将其与判断规则相结合，从而形成一种混合式的建立知识库的方法。这从上面的 齿轮初步计算的程序中可以看出。 3 知识的获取与维护 专家系统的专门知识和推理能力来源于人类专家的头脑，知识获取的任务是把这些知 识提取出来，转化为计算机内部表示知识的符号和数据结构，经检测后装入知识库。知识 获取系统也可以修改和扩充知识库中原有的知识。 知识获取分为交互式和自主式两类，本系统主要采取交互式的知识获取方法，通过界 面操作来获取设计所需要的知识。下面以齿轮的使用系数k a 的选取为例说明以上过程的实 现方法。 图2 7 齿轮设计参数选取界面 例：齿轮使用系数l ( a 的选取程序( 节选) p u b l i cs u bc h i o s e k a 0 k a 选取 w k l 一动力机工作特性 w k 2 一工作机工作特性 i fw k i = ”均匀平稳”t h e n i fw k 2 = ”均匀平稳”t h e n 1 6 江苏大学硕士研究生论文 k a = 1 e l s e l f i | k 2 = k a = 1 2 5 e 1 s e i fw k 2 = k a = 1 5 e 1 s e i fw k 2 = f a = 1 7 5 e n di f e n di f ”轻微冲击”t h e n ”中等冲击”t h e n ”严重冲击”t h e n i fw k l = ”轻微冲击”t h e n i fw k 2 = ”均匀平稳”t h e n e n ds u b 当用户点击齿轮设计参数选取( 见图2 7 ) 界面上“工作机工作特性”中不同选项时， 系统便会自动获得k a 的取值。 不同的建库方法，其维护的方式也不同：( 1 ) 对于采用数据库形式的知识库，其维护 主要是通过直接打开a c c e s s 数据库或从外部通过程序语言操作a c c e s s 数据库，实现对所 对应的表进行添加、删除、修改等操作。( 2 ) 在面向对象的系统中，只需对所要操作的窗 体，控件中的内容( 规则或程序源代码) 进行必要的处理、更改即可。 2 3 3 推理机的建立 推理机是在知识库的基础上，合理地选用知识进行有效的推理、判断，以获得有用结 果的工具。推理的方式主要有：正向推理、反向推理和混合推理。本系统主要采用正向推 理的方法进行推理。 面向对象的推理模型使每一个知识实体自带一个相对独立的推理算法，可以完成自身 的推理。即规则对象包括知识的存储和知识的使用，从而把推理机制同规则对象封装在一 起，推理是在知识库与数据库传递消息过程中实现的。在面向对象的程序设计中表现为组 成系统的各个不同的模块，各个模块又是由各自的子模块组成，子模块是一系列控件对象 的组合体，因此其知识的推理就表现为控件对象内部的推理、控件对象间的外部推理、模 块对象间的外部推理三种不同的形式。在v i s u a l b a s i c 程序设计中各个模块及其子模块表 现为一个个所对应的窗体对象或窗体上的一系列的控件对象。窗体与窗体间通过消息的传 递来进行推理，窗体所属的控件与控件间也是通过消息的传递来进行推理。整个系统的推 理过程就是由模块( 窗体) 、子模块( 子窗体或从窗体) 、模块或子模块所属的控件所形成的 分层次的多级推理所构成。 江苏大学硕士研究生论文 2 3 4 减速器三维参数化o a d 专家系统的界面设计 任何设计都需要经过一定的反复过程，用计算机来辅助设计也是如此，这体现在人与 计算机不断交换信息的过程，此设计过程称为交互设计。显然，交互设计需要交互界面的 支持，界面设计的好坏将直接影响到这个系统的运行效率。在系统的界面设计中，应充分 发挥v i s u a l b a s i c 可视化、图形化的优势，设计出直观的，易于操作的减速器三维参数化 c a d 系统界面。本系统共设计了5 8 个界面，界面中一般含有窗体、各种控件如t e x t b o x 、 c o m m a n d 、o p t i o n 、c h e c k b o x 、f r a m e 等内容。界面设计举例如下： 图2 8 减速器三维参数化c a d 系统总界面 图2 8 为减速器三维参数化c a d 系统总界面，由主菜单、图像等组成，主要包含设计计 算、三维参数化绘图、工程图二次开发、数据管理等模块，主菜单下有对应的子菜单，整 个c a d 系统的交互界面遵循由菜单到相应对话框，再由对话框与零件库、数据库相互协调 的原则。 图2 9 为螺栓参数化设计界面，引入了v i s u a l b a s i c 可视化、图形化技术，能直观的反 应出螺栓各部分结构与数据库的尺寸对应关系，便于用户理解和使用。 江苏大学硕士研究生论文 图2 9 螺栓设计运行界面 减速器三维参数化c a d 系统的界面设计是一个比较复杂的过程，在设计过程中还考虑 了以下一些问题。 反馈信