[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】基于范例推理的两级齿轮减速器设计系统的研究-中文翻译

2011 届本科毕业设计 (论文 ) 外文文献翻译 学 院： 机械工程学院 专 业： 机械工程及自动化 (机械制造 ) 姓 名： 杨 尧 学 号： 070607109 外文出处： CHINESE JOURNAL OF MECHNICAL ENGINEERING Vol.22， No.5,2009 附 件： 1.外文资料翻译译文 2.外文译文 (用外文写)附件 1：外文资料翻译译文 基于范例推理的两级齿轮减速器设计系统的研究 Ji Aimin1， 2， *HUANG Quansheng1， XU Huanmin1， andCHEN Zhengming3 1 College ofMechanical and Electrical Engineering,Hohai University,Changzhou 213022， China 2 StateKeyLab ofCAD&CG,Zhiang University,Hangzhou 310058,China 3 College ofComputer and Information Engineering,Hohai University,Changzhou 213022， China Received November 18， 2008； revised May 22， 2009； accepted August 10，2009； published electronically August 14， 2009 摘要：两级齿轮减速器的设计是一个繁琐并且耗时的过程。为了提高设计过程的效率和智能化，两级齿轮减速器的设计应用了基于范例推理（ CBR）技术。首先，分析两级齿轮减速器目前的设计理论并描述 CBR的原则。第二，根据减速器的特点，研究 CBR的三项关键技术并提供如下相关理论： (a)一个面向对象的知识表示方法 （ b）一种与邻近归纳索引相结合的检索方法 （ c）一个结合基于人工修正规则修正的自适应算法案例。同样，为了提高案例检索的可信度，出现了一种新的确定特征权重的方法和一种相似的算法，即一种带有层次分析法（ AHP）的组合加权法和粗糙集理论。最后根据上面的分析结果，基于 CBR的两级齿轮减速器设计系统由 VC+， UG和 Access2003开发完成。该项研究提供了一种设计两级齿轮减速器的新方法。如果上述开发的系统应用于设计两级齿轮减速器，设计的效率将会得到提高，这使得设计者能够从齿轮减速器繁琐的设计中解脱出来，以便于将更多的努力放在创新设计上，该研究结果充分体现了在设计机械零件过程中， CBR技术的可行性和有效性。 关键词：两级齿轮减速器，基于范例推理（ CBR），特征权重，相似性 1 简介 传统的两级齿轮减速器的设计方法是一个相当耗时的过程。甚至目前 CAD都被应用于其设计过程，传统设计方法的局限至今仍没有得到消除。为了改变这种情况，许多人已经做了关于减速器设计方法的研究，主要包括减速器的参数化设计和专家系统（ ES）。这两种方法都有其各自的缺点：在参数化设计中需要考虑每个部件之间的关系，因为一个参数的变化可能使得减速器的参数或是结构发生变化，这就要求设计师来熟悉减速器，并能使用设计软件包括参数化设计的功能。此外在减速器的专家系统中知识的获取是非常困难的，这是因为一些专家的知识很难用规则来表达。基于范例推理（ CBR）可以改善这两种缺点。在 CBR中一个新的案例是在一个即存的案例的基础上完成的，所以新的案例可以通过修改某些部分或直接使用即存案例，并且由于在 CBR中基本的知识就是案例，因此案例的获取要比规则的获取容易的多 1-2。事实上，案例通常要比规则或是模型提供更多的信息 3。 SUN， et al4开发了一个基于 CBR的智能夹具设计系统。 KW0NG, et al5，介绍了一种由先进的 CBR系统来确定 适当的注塑参数的方法。 LIU, et al6，提出了一种与聚类技术相结合的检索算法来定位在基础案例中的个案，并且给出了一个基础案例来说明 CBR系统在机械设计中的可行性。 PETER7开发了一种在接触力学领域对推理预处理阶段的工程分析提供智力支持的自动化知识系统。 XIONG， et al8提供了一个基于 CBR的既实用又有创意的概念设计方法，其体现了工业设计方面的知识。这个系统缩短了概念设计的过程，帮助设计者们，并为后续开发提供了一个案例。然而上述成果更注重于 CBR的基础研究而不是与机械产品相结合的 CBR技术。因此，我们以两级齿轮减速器为例，对基于 CBR的机械零件加工工艺进行讨论。 2 CBR的关键技术 CBR是一种类似或类比的方法。当一个 CBR系统解决一个新问题，它会从先前的案例中重新获取一个或多个与新问题最相似的案例，并且在修改的情况下，使其满足新的情况。 CBR的流程被显示在 Fig.1中。根据 CBR的流程，基于案例推理（ CBR）的产品设计系统的发展需要解决一些问题，包括案例描述，案例检索，案例修正，案例研究和案例库维护，其中案例描述，案例检索以及案例修正被称作三大关键技术。 案例描述是指那些案例以一些电脑能够识别的传统标志，并按照数据结构进行编码的功能。案例可以由一些方法进行描述，其中包括帧、对象谓语、语义网络和规则等等，其中帧和对象谓语是最常用的方法。 案例检索是一个按照特征参数索引值及其相似性来发现一个相关联的案例或是更多类似的案例。 Ref9将案例检索分作三个部分：特征识别、初步匹配以及最优选择。而本文将案例检索分作四部分：关键特征的提取、特征识别、初步匹配和最优选择。数据采集的观测资料通常包括许多特征属性，而有些属性却与数据采集无关。那些不相关的属性会影响数据采集的效率。去除无关的属性可以改善数据采集的效率，使数据采集的结果更容易理解。关键特征提取的目的是为了从案例库中提取关键特性来确立有效的指标。特征识别的目的是要选出新案例的关键特征。特征识别常指关键特征的提取。由于其包含了丰富的特征属性，两级齿轮减速器的关键特征的提取便更为重要。这些典型的实例检索方法包括最邻近法，索引归纳法，信息导引法，信息神经元索引法和模板检索法。 3 基于案例推理（ CBR）的两级齿轮减速器的设计 3.1 案例库的建立 3.1.1 案例描述 本文使用的是面向对象层的一个案例表示模型 11-12，这向上一层的软件提供了一个统一的面向对象的数据模型，即，提供各式面向对象的概念、数据结构、操作维护和灵活性的扩张，并给出了具体的关系保护模型，并按照映射原理和转换机理建立一个透明的对象，并对其进行合理且有效的管理。映射原理的对象模型是上一层面向对象的数据模型和底层数据库的关系模型之间的一种转换关系。对象模型层，数据库，以及其他功能模型间的关系显示在 Fig.2上。 两级齿轮减速器是一个复杂的组合，为了案例表述的方便，我们将两级齿轮减速器分成五个组件类和两个部分组。 五个组件类是由高速齿轮组、低速齿轮组、高速轴和轴承、中速轴和轴承以及低速轴和轴承，两个部分组是箱体盖和箱体。这些组件类可以拆分成部分组。最终每个部分组将会映射到其潜在关系数据库中的位置。因此两级减速器的对象知识模型显示在 Fig.3中。 3.1.2 案例库的建立 根据 Fig.3中显示的两级减速器的案例表述模型，两级齿轮减速器的特征属性值和他们的成分都投射到数据库的底层，从而建立了案例库。在底层的数据库中，每个目录都包括了“案例序号”。这种关系在每个部分的映射表和减速器的映射表之间由“案例序号”来建立的。 Fig.4显示了在两级齿轮减速器的数据库软件的案例库储存模式是属于Access的。由于空间有限，本文并不细述部分组在 Access中的储存模式。 3.2 案例检索 本文运用的是最邻近法和索引归纳法相结合的检索方法，这是因为两级齿轮减速器设计是一个有着长时期的经验过程，而且是在两级齿轮减速器包括多种案例的情况下。因此最好使用索引归纳法来进行完整的检索，并且使用最邻近法来得到一个良好的 检索。 Fig.5显示了详细的检索过程。现在本文将依次描述基于案例推理的二级齿轮减速器设计的案例检索的子过程和方法。 3.2.1关键特性的提取 源案例库的特征是在关键特性的提取之前就得到预处理。 （ 1）数据的预处理。定量参数的离散归一化的处理过程是通过相同频率的区间转化为定性参数 13。等频率区间处理的原理是为了在每个小的区间拥有大部分相同数量的数据时，将原区间分为 N个小区间（ N是由用户提供的离散数据）。第一个和最后一个区间在本文中将会得到延长：第一个区间的上限值改到零，最后一个区间的下限改为无穷，这是为了确保一个新案例的属性值能有新的区间与之对应，因为基于案例推理（ CBR）是一个不断研究的过程（案例的数量将会不断增加），并且避免在增加一个新的案例和检索新的案例而不超过源案例库的属性值时，将小的区间再次分割。 N个区间被标识为 0,1,2,3， n-1。定性特征属性以升序或是降序被分配到区间 0,1中。例如，“精密级减速器”有三个可供用户选择的源案例库：类 7，类 8和类 9。类 7,8,9分别按照上述方法表示为 1， 0.5， 0.属性值的布尔属性也很容易确定，相同的是 1，不相同的是 0。 （ 2）关键特性的选择。这些清晰的无关的特征在数据采集中并没有被直接考虑到。然而许多特征在数据采集中的重要性却很难被认识到。这些特征是由有效的策略选择出来的。另一方面本文使用决策树技术按照信息量来选择关键特性。决定指数树是由关键特征建立的。该算法得到的信息可以用作决策属性的参考。两级减速器的关键特性选择如下。 Table.1给出了源案例库。 首先，数据采集中显著的无关特性会被直接剔除。其他由离散归一化处理的特性转化成了定性属性，然后按照上述算法的信息增益进行挑选。其次，根据上述的等频率区间，传递功率的属性大致可以非为三个小区间：（ 0,10）， 10,20，（ 20， +）。定性数值的范围分别表示为 0,1,2。传动比，寿命以及传递效率的属性被分作几个相对应的小区间（传动比：（ 0,15），和（ 15， +）；寿命：（ 0,350000），（ 350000,420000）和（ 42000， +）；传递效率：（ 0， 0.94）和（ 0.94,1）。每个数字范围区间都由0,1按照顺序进行排列。齿轮传动的布局的属性被分为两类。已成型的用 0表示，还在加工的用 1表示。离散化处理的结果见 Table.2。 排列形式的属性被看作识别属性，而其他属性被看作决策属性。按照识别属性，案例库被分为两类（ m=2）。第一类由六个案例组成，其排列形式是扩大形式（ r1=6），而第二类是由其他案例所组成，这些案例的排列形式是同轴形式（ r2=4）。根据信息增益算法，很容易获得以下信息增益的所有属性： Gp=0.29， Gt=0.12， GLh=0.29， G=0.01；这里， Gp表示的是传递功率的增益， Gi表示传动比的增益， GLh表示寿命的增益， G表示传动效率的增益。因此传递功率，传动比和寿命的属性都可以以关键特性形式从所有特征属性值中获得。 3.2.1 初步匹配 初步匹配是这么一个过程，即从案例库中选出与当前设计实例相关的一组案例。这个过程是由所有关键特征和决策信息增益计算所建立的索引表所实现的。建立的索引表在 Fig.6中显示出来。案例的初步匹配完全是在索引表的基础上建立起来的。 3.2.2 最优选择 最优选择是从初步匹配的案例中选出最佳案例的过程。最优案例是由最邻近法选择的，所以它对关键特征权重的计算和案例相似性的是不可缺少的。 （ 1） 特征权重 特征权重是被用来计算特征的重要性。它可以影响逻辑结果的准确性。根据原始信息源，确定特征权重的方法被分为两类：主观法和客观法。主观法的信息来自于专家的经验，而客观发的信息来自于原始的统计数据。两类方法中具有代表性的方法是层次分析法（ AHP） 14-15和粗糙集理论 12。层次分析法（ AHP）是一种决策问题被分为一些包括目标、规则、工程等的一些层次的决策方法，并且定性分析法和定量分析法是可以被引导的。使 ij表示特征 i与特征 j比较的重要性的度量。由层次分析法（ AHP）得到的特征 i的权重 1i可以由下面这个公式计算得到。 粗糙集理论是一种针对知识分类的数据推理方法，主要适用于分析知识简约性和特征属性之间的可靠性，并且能解决特征属性权重的相似性度量的问题。按照特定分类，它能通过既存信息来评判所有特征的重要性。关于权重计算的相关公式如下： 这里 （ C,D） 属性即 C和 D的可靠度 |POS（ C,D） |合集中要素的序号 SGF（ a， C,D） 属性 a属性集 D的重要性， a属于 C SGF(C-i,D)属性 i的重要程度 2i由粗糙集理论获得的特征 i的权重 本文运用一种层次分析法（ AHP）和粗糙集理论相结合的方法来弥补两种方法的缺点。这种联合法是根据线性叠加原理进行组合。这种物质合并方式显示在公式 (5)中。 这里 1i按照层次分析法获得的特征权重 2i按粗糙集理论获得的特征权重 系数 根据合并的方法，减速器关键特征的三个权重如传递功率的属性， 1=0.52；传动比的属性， 2=0.28；寿命属性， 3=0.20（假设 =0.5） （ 2）相似性 两级齿轮减速器的特征值是由定性参数和定量参数组成的。本文运用公式（ 6）和（ 7）来计算定量特征的相似性 16，而定性特征的相似性和布尔特性的有两个条件： 0（不同的）或者 1（相同的）。所以本文提出了一种新的关于案例相似性的算法，表示如下。 相关距离： 特征相似性： 两个案例间的相似性： 这里 dink案例 n和案例 k的第 i个属性间的相关距离， Vni案例 n的第 i个属性的特征值， Vki案例 k的第 i个属性的特征值， SDink 案例 n和案例 k第 i个属性的相似性， sim（ n， k） 案例 n和案例 k的相似性， t第 i个特征的权重， n特征序号。 假设设计其设计条件显示于 Table.3中的两级齿轮减速器，和检索显示在 Table.4中的两个案例。 每个关键特征权重分别为 0.52， 0.28， 0.20。案例的相似性可以按照下列公式（ 6） -（ 8）计算得到 。 3.3 案例修正 本文应用结合修改规则和人工修改的方法来修正案例。 Fig.7给出了案例修正的流程。规则包括经验公式，计算公式。例如，小齿轮通常是指齿宽在 5-10mm的齿轮。而且条件限制是进行设计可行性评价的主要措施，正如齿轮接触疲劳强度的检验公式，以及齿根弯曲疲劳强度等等。 4 系统开发 基于 CBR的第二类箱体减速器设计系统的流程显示在 Fig.8中。基于 CBR的两级减速器的设计系统常使用 VC+， UG和 Access2002作为工具进行开发，这包括五个模块：文件管理、案例检索、案例修正、进入 UG还有帮助模块，如 Fig.9所示。文件管理模块是用来管理与案例相关文件的。案例检索模块是用来检索案例和检查被检索到的案例的信息。案例修正模块是用来按照案例序号修改检索到的案例的。进入 UG模块是用来从案例库中调用修改的参数和通过由 ODBC技术及 UG/Open+工具开发的及系统来完成三维建模。 下面的一个实际的例子被给来诠释基于 CBR系统的运行过程。假设设计一个二级齿轮减速器，而它的设计需要有：传递功率 5.36kw，传动比为 11.06，寿命为 310 000h。该系统的运行过程如下。 （ 1）如 Fig.10的登录主界面所示，是进入该系统和输入用户名和密码。 （ 2） Fig。 11显示的是输入检索条件来检索案例，并选出最相似的案例来检查其信息。从检索结果中选择案例 3，是因为它的相似性最大。按照分析，我们很容易发现案例3和准备设计的案例的偏差小于 5%。所以案例 3可以作为新设计的结果。 如果检索结果和将要设计的案例间的偏差大于 5%，检索的结果便需要修正。案例修正包括全部修正和局部修正。当最大相似性的检索结果和将被设计的案例之间的传递功率属性的偏差大于 5%时，它表示没有最佳的相似案例，这就需要重新设计。在完成设计使，需要确定新案例的相对索引值，并且新案例将被保存在案例库中作为下一次检索的源案例。上述过程被称作案例研究。单最大相似性检索结果和将要设计的案例间传递功率的属性偏差小于 5%，其他两种属性偏差可以超过允许的偏差范围，我们通过调整齿轮传动比和相关齿轮参数来完成案例。调整原则是在保证其他部分参数不变的情况下，修改齿轮组和支撑轴的参数。并有必要检查修改后的齿轮组和轴的强度。按照合并规则，即检查齿轮疲劳强度公式，检查轴的疲劳强度公式，以及人工修改等规则检索出的案例中，这些部分将被修正。最后，修正的案例将保存在案例库中。例如，给出的设计数据是传递功率 6.50kw，传动比 11.07，寿命 310 000h。案例 3被检索到。众所周知，通过计算检索到的案例和将被设计的案例间传递功率的误差是 21.95%，这超出了误差范围 5%。这就意味着案例 3需要修正。修正的部分如 Fig.12所示。 完成修正后， UG软件是通过进入 UG模块运行的，而三位建模是通过使用 UG二次开发程序来获得修正模块的相关参数。修正齿轮的参数在 Fig.13中列出。 最后，修正的部分保存在案例库中。在 Fig.14中的对话框中输入案例的名称，其这部分的命名原则在界面的注意事项可见。 5 结束语 （ 1）两级齿轮减速器的案例由面向对象的信息模型来表示的，这使得减速器表达的信息更为便利和准确，并且有利于案例检索。 （ 2）根据二级齿轮减速器设计的实际情形，我们提倡结合层次分析法（ AHP）和粗糙集理论得到的组合加权法，这可以提高案例检索的可信度。 （ 3）基于 CBR的两级齿轮减速器设计系统已成功地开发出来。这个系统使得二级齿轮减速器设计更为容易，快速和更加的智能。这种途径可作为 CBR中其他组件开发的参考。案例库中拥有足够的案例是基于 CBR的两级减速器设计系统运行的先决条件。如果特定的两级减速器的设计要求得到满足，相关的案例必须添加到案例库中。 参考书目 1CADET Sycara K A casebased synthesis tool for engineering designJ International Journal for Expert System， 1992， 4(2)： 57-88 2YANG H， LU W FL1N A C A case-based progress planning system for machining of rotational partJ Journal of Intelligent Manufacturing,1994， 6(5)： 41l_43O 3AGNAR Aamodt， ENRIC Plaza Casebased reasoning： foundational issues， methodological variations， and system approachesJ Artificial Intelligence Communications， 1994， 7(1)： 3959 4SUN Shuhuang， CHEN Jahau Lewis A fixture design system using casebased reasoningJ Engineering Application Artificial Intelligence， 1996， 5(9)： 533-540 5KWONG C K， SMITH G E LAN W S Application of case based reasoning in injection mouldingJ Journal of Materials Processing Technology,1997， 63： 463-467 6LIU Jiali， YAN Xiangbin， QI Wei， et a1 A casebased reasoning system for mechanical designC， 2DD8 International Conference on Management Science&Engineering a5th)， Long Beach， USA， September 1 12 2008： 585590 7WR GGERS Peter,SIPLIVAYA Marina， JOUKOVA Irina， et a1 Intelligent suppoof the preprocessing stage of engineering analysis using case-based reasoningJ Engineering with Computers， 2008， 24(4)： 383_4O4 8XIONG Hongyn n， SUN Surong Design and realization of casebased reasoning product conceptual design systemC， 2fJ0 7th International Conference on Computer-Aided Industrial Design and Conceptual Design， Hangzhou， China， November 1719， 2006： 1-4 9CHEN Wenwei， HUANG Jincai Data warehouse and data miningM Beijing： Post&Telecom Press 2004 (in Chinese) 10MENG Yanni Research on design of gear on CBRD Xian： Northwestern Polytechnical University,2006 (in Chinese) 1 1OCIEPKA P， SWIDER J 0bjectoriented system for computer aiding of the machines conceptual design processJ Journal of Materials Processing Technology,2004， 15(8)： 221227 12QIAN Mei， WANG Bing， wU Genfeng， et a1 A representation of complex structured knowledge based on objectoriented modelsJ Computer Engineering Science， 2002， 3(24)： 6265 (in Chinese) 13WU Sen， GAO Xuedong， BASTIAN M Data warehouse and data miningM Beijing： Metallurgical Industry Press， 2003 (in Chinese) 14QrN Shoukang Comprehensive evaluation principle and applicationM Beijing： Publishing House of Electronics Industry, 2003 (in Chinese) 15ZHANG Z Static and dynamicfeature weighting in case-based reasoning(CBR)D Burnaby,Canada： Simon Fraser University, 1997 16GUPTA K M， MONTAZEMI A R A connectionist approach for similarity assessment in case-based reasoning systemsJ Decision Support Systems， 1997， l9(6)： 237253 17 American UGSPLM solutionCP CD Unigraphics NX4 0 Help 18 HUANG Yong， ZHANG Bolin， XUE Ytmfeng Application foundation andtypical example the secondarydevelopmentofUG and databaseM Beijing： Publishing House ofElectronics Industry,2008 (in Chinese) 19 LIANG Shubing， ZHANG Zhenfeng Mastery Access 2002 database development and applicationM Beijing： Tsinghua University Press， 2001 (in Chinese) 20 CHENG Daxian Machinery design handbook (ofprinO reduce television and electric appliancesM Beijing： Chemical Industry Press，2004 (in Chinese) 作者简介 JI Aimin born in 1965 is currently a professor and a master candidate supervisor in College of M echanical and Electnca1 Engineering Hohai University,China and State Key Lab of CAD&CG Zheiiang University,China He received his PhD degree from University of Scien