（机械设计及理论专业论文）基于特征的蜗杆传动cadcaecapp集成系统的研究.pdf

摘要 本文在分析c a d c a e c a p p 技术在国内外应用概况的 基础上，结合专家系统，提出了智能集成的研究方向。以 蜗杆传动的各个零件作为研究对象，在分析了各自特征的 基础上，利用数据库技术和图形单元建模技术，建立了蜗 杆传动的特征模型，实现了c a d c a e c a p p 之间的数据传输 和信息共享；分析了蜗秆传动中参数确定、强度校核的一 般原则，进行了基于特征的蜗杆传动强度校核的算法研究； 将专家知识融入在c a d 、c a e 、c a p p 各个过程中实现了设计 过程、强度分析和工艺分析的智能化。在上述研究的基础 上，利用a u t o c a d 2 0 0 0 提供的a c t i v e xa u t o m a t i0 i 技术， 以v b 为开发工具，开发出了蜗杆传动的c a d c a e c a p p 集 成软件。软件运行表明，该系统功能完善，具有工程应用 价值。 关键词；蜗杆传动；特征；智能化；专家系统； c a d c a e c a p p 太原理工大学硕士论文 a b $ t r o i o nt h eb a s is0 fa n a l y z in ga p p l i c a t i0 ns i t u a t i0 n 0 fc a d c a e c a p pte c h n 0 1 0 9 y a th o m ea n da b r o a d t h is p a p e r b r i n g s f o r w a r dt h er e s e a r c hd ir e c t i0r l i n t e g r a t i 0 na n din t e l l e c t u a l iz a t i o nc o m b i l l in gt h e e x p e r ts y s te i l l b y t h ea n a l ys is0 ft h ec h a t a c t e r is t ic 0 fe a c h p o , r t 0 f7 1 0 r m g e a r t h i s p a p e ru p b u i l d s t h e c h a r a c t e r is t icm o d e l0 fw o r m g e a r b a s e d0 nt h e r es t r ic t i0 na n da c t u a l iz esd a t at r a n s m iss i0 na n d i 1 1 f o r m a t i0 n s h a r i n g8 m o n g c a d c a ea n dc a p p t h is p a p e ra n a l y z e st h e g e n e r a lp r i n c i p l eo f p a r 8 m e t e r d e t e r m ir l a t i0r l8 n d s t r e l l g t hc h e c ka b 0 u tw o r i n g e a ra n d r es e a r c h e st h ea 19 0 r i t h m ic0 fs t r e n g t hc h e c kb a se d0 n t h ec h a r a c te r i s t ica b o u tw o r m g e a r t h i s p a p e r in t r o d u ces e x p e r t k n 0 7 1 1e d g ei n t 0r e s p e c t i v e p r 0 ce d u r eo f c a d c a e 8 1 1 dc a p pa 1 3 da c t u a liz e st h e i n t e l le c t u a l iz a t i0r li nd es i g np r o c e s ss t r e r l g t h 8 n a l ys isa n dp r 0 c e s s p 1 a n n i n g o n t h eb a s is0 f a f 0 1 e m e i 3 t i o n e dr e s e a r c ht h is p a p e r d e v e l o p s t he c a d c a e c a p pir l t e g r a t io ns o f t w a r eo fg e o r c o m p o n e n t s b ym e a n so ft h ea c t iv e a u t o i n a t i o nt e c h n 0 1 0 9 yp r o v id ed b ya u t 0 c a da n dv b t h ea p p lic a ti0 e lo ft h es o f t w 8 re i 1 3 d ic a t e st h is s y s t e mh a s p e r f e c t f u n c t i0 n8 , n d - l i - 太原理工大学硕士论文 p r oje c ta p p l ie dc 0s t k e y w o r d s ：w o r m g e a r ：c h a r a c t e r is t ic in t e l lo c t u a l iz a t i o i l ；e x p e r ts y s te m ：c a d c a e c a p p 太原理工大学硕士论文 第一章绪论 1 1c a d c a e c a p p 技术在企业中的应用概况 c a d ( 计算机辅助设计技术) 产生于2 0 世纪5 0 年代后 期发达国家的航空和军事工业中，随着计算机软硬件技术 和计算机图形学的发展而迅速发展起来的。1 9 8 9 年美国国 家工程科学院将c a d 技术评为当代( 1 9 6 4 一1 9 8 9 ) 十项最杰 出的工程技术成就之一。三十几年来c a d 技术和系统 有了飞速的发展，c a d 技术的应用迅速普及。在工业发达 国家，c a d 技术的应用已迅速从军事工业向民用工业扩展， 由大型企业向中小企业推广，由高技术领域的应用向日用 家电、轻工产品的设计和制造中普及。而且这一技术正在 从发达国家“流向”发展中国家。 近十年来，在c i m s 工程和c a d 应用工程的推动下，我 国计算机辅助设计技术应用越来越普遍，越来越多的设计 单位和企业采用这一技术来提高设计效率、产品质量和改 善劳动条件。目前，我国从国外引进的软件有好几十种， 如：a u t o c a d 及m d t 、p r 0 e n g i n e e r 、 i d e a s 、c a t i a 、 u n i g r a p h i c s ( u g ) 、s o l id w o r k s 等。国内的一些科研机构、 高校和软件公司也都立足于国内，开发出了自己的c a d 软 件如：高华c a d 、开目c a d 、c a x a 等。我国的c a d 技术的 1 太腺理工大学硕士论文 用c a d 技术取得效益的实践证明，c a d 技术对加速新产品 开发、缩短设计制造周期，提高质量，节约成本，增强市 场竞争能力发挥着重要作用。c a d 手段成了企业进入市场 经济大门的一把金钥匙，是广大企业求生存、求发展的需 要。 机械强度有限寿命计算机辅助工程( c a e ) 技术是2 0 世纪8 0 年代初从工业发达国家发展起来的现代设计技术。 该技术彻底摒弃了以强度为指标的传统机械设计的理论、 方法和手段，它以产品的寿命设计为目标，对影响机械产 品寿命的载荷、几何尺寸及使用材料的机械特征等参数进 行测试、定量分析和优化、仿真及预测产品零件的寿命， 以确定产品机械强度的最佳设计参数，达到机械产品的有 限寿命设计的目的。c a e 技术是c a t ( 计算机辅助测试) 、 c a d 等技术的综合和高级应用形式，它是在数学、力学、 图形学等学科的基础上，随着计算机技术的发展而快速发 展起来。目前市场上出现了各种各样的c a e 软件，如 n a s t r a n 、a n s y s 、m a r c 等，它们被许多设计单位和企业广 泛使用。然而这些软件主要包括有限元分析部分，几乎没 有囊括参数化强度设计、校核、优化设计等方面，同时c a e 的数学模型与c a d 系统数学模型相互孤立，c a d 实体模型 的改变也不能同时引起c a e 模型的自动改变，使得c a d 与 c a e 软件之间不断在传输和转换，从而增加了产品开发人 员的工作量，降低了产品开发人员的工作效率。 c a p p ( c o m p u t e ra id e dp r 0 c e ss p 1 a n n i n g ) 的发展起 源于2 0 世纪6 0 年代后期。c a p p 上与c a d 连接，下与c a m ，2 一 太原理工大学硕士论文 源于2 0 世纪6 0 年代后期。c a p p 上与c a d 连接，下与c a m 连接，是设计和制造之间的桥梁，设计信息只有通过c a p p 才能生成制造信息，因而，随着计算机在制造业中的普遍 应用，c a p p 也成为研究的热点。随着对c a p p 研究的进展， 国内外相继出现了许多c a p p 系统。比如国内的t h c a p p 一1 系统、e x c a p p 系统，国外的t i p p s 系统、x p s e 系统等。 这些系统的出现，标志着国际、国内在c a p p 研究方面取得 了丰硕成果。随着c a p p 技术的发展，c a p p 在工业企业的 应用越来越广，它给企业带来可观的经济效益。 1 2c d c e c a p p 集成的必然性 由于企业的各个环节是不可分割的，企业的整个生产 过程实质上是信息的采集、传递和加工处理的过程。企业 将逐渐从单一的对c a d 软件的需求发展成为对c a d 、c a p p 、 c a m 、c a e 、p d m 、m i s e r p 等技术的集成软件的需求，从单 一考虑某个软件的功能发展为考虑企业级信息集成系统的 整体功能和各个子系统的信息共享。企业对c a p p 、图档管 理、p d m 等新技术、新产品的需求将会迅速增长。然而在 c a d 、c a e 、c a p p 多年的研究发展过程中，c a d 侧重于产品 的设计计算及其几何要素的组织和表达，依赖于图形支撑 软件及以计算机为工具的设计、分析方法。c a e 侧重于机 械零件强度的有限寿命计算。c a p p 侧重于工艺信息的表达、 输入和工艺规划。在c a d c a e c a p p 各自的研究过程中必 然带来许多问题，主要表现在c a d 、c a e 、c a p p 三者数 - 8 太原理工大学硕士论文 造成了冗余和浪费。这种矛盾必然导致产品设计与制造周 期过长，难以适应市场竞争的需要。因而，三者集成是必 然选择。 1 3c a d c a e c a p p 智能化的必然性 随着计算机软、硬件的发展，计算机的应用越来越普 及，人们对计算机的期望也越来越高，希望计算机不仅要 善于数据处理，也要象人类一样善于符号处理。现实世界 中大量的问题，如计划、推理、解释、证明等都是需要进 行大量的非数据判断、逻辑推理，求解过程中还需用到常 识、知识。若计算机能处理这些符号，它将会发挥更大的 作用。基于这种思想，1 9 5 6 年由j m c c a r t h y 、m l m i n s k y 和c e s h a n n o n 等人发起，数十名专家聚集在美国的 d a r t m o u t h 大学，共同研究和探讨了运用计算机模拟人类智 能的各个方面问题和特征，并第一次使用了“人工智能” ( a i ) 这一术语。它标志了新型学科一人工智能的诞生。 1 9 6 8 年斯坦福大学成功地研制了d e n d r a l 系统，其 知识非常渊博和有效，它的问世标志着a i 研究的一个崭新 的应用领域一专家系统的诞生。 1 9 7 2 年至1 9 7 7 年，由于结合了领域专家知识，使得 需要高水平的人类专家知识才能求解的问题有了一条希望 的辅助求解途径，同时随着基于规则的产生式系统技术的 出现，使得专家系统有了进一步的发展。 我们知道传统的c a d c a e c a p p 系统缺乏综合和选择 ，- 太原理工大学硕士论文 我们知道传统的c a d c a e c a p p 系统缺乏综合和选择 能力，用户在使用系统时，需具备较高的专业知识和较丰 富的实践经验。特别在概念设计和初步设计这两个阶段， 设计人员必须提出和选择设计方法，决定设计策略。因此 工作效率低、信息量大、用户要求高、错误难于避免。随 着专家系统的进一步研究，人们就提出智能化集成系统。 c a d c a e c a p p 智能化就是把人工智能的思想、方法和 技术引入传统的c a d c a e c a p p 系统中，分析归纳设计工 艺知识，模拟人脑推理分析，提出设计工艺方案，从而提 高设计工艺水平，缩短周期，降低成本。随着以知识和知 识工程为基础的专家系统的出现，给c a d c a e c a p p 研究带 来了新的启发，为c a d c a e c a p p 的智能化提供了一条新的 途径。 1 4 蜗杆传动的c a d ，c a e ，c a p p 的现状 近2 0 年来，国内外对蜗杆传动研究涉及很多方面，不 仅在啮合理论上有了很大进步，同时许多研究内容进入了 交叉学科研究阶段。由于蜗杆传动类型多，传动设计与制 造缺少系列化、标准化，所以蜗杆设计与制造非常不方便。 为了便于蜗杆传动的设计与制造，提高设计与制造效率， 国内外在c a d 设计、优化设计、传动强度计算、c a p p 系 统等方面对蜗杆传动作了深入研究，重庆大学、郑州齿轮 所等多家相继发表了许多文章阐述了他们在c a d 设计、优 化设计、强度计算等方面取得的成果。从总体上来看，国 内外在设计与制造方面的研究都是孤立进行，没有将c a d - 5o 太原理工大学硕士论文 为此本文选择蜗杆为研究对象，从理论上和技术上实现蜗 杆传动系统在c a d 、传动设计、c a p p 三方面的集成研究。 1 5 本文的主要工作 如前所述，目前市场上存在着各种各样的c a d 、c a e 、 c a p p 软件，然而由于它们三者的数学模型不同，信息难以 共享，难以满足工业企业对c a d c a e c a p p 集成化和智能 化的要求。本文在参阅了大量的国内外相关文献资料后， 研制了蜗杆传动c a d c a e c a p p 系统集成软件。具体工作 如下： 1 、详细阐述了特征模型的基本概念，并建立了蜗杆和 蜗轮的特征模型： 2 、实现了蜗杆传动c a d c a e c a p p 之间的数据传输 和信息转换； 3 、分析了蜗杆传动参数确定、强度校核的一般原则， 进行了蜗杆传动强度校核的算法研究； 4 、编制了蜗杆传动的c a d 、c a e 、c a p p 软件，在此 软件中融入了专家系统，实现了设计过程、强度分析和工 艺分析的智能化。 6 太原理工大学硕士论文 第二章蜗杆传动的特征模型的建立及智能化 信息传递机制的实现 2 1 蜗杆传动的特征模型的建立 2 1 1 问题的提出 利用计算机进行产品设计，其主要设计过程是产品模 型的建立和完善的过程。在计算机的早期阶段，由于受到 计算机本身硬件及计算机图形学理论发展的限制，早期计 算机内所表达的产品主要是产品的几何模型在计算机内的 实现。随着计算机图形学理论的不断发展，精确的产品几 何模型的计算机内表达已日趋完善。然而此时的几何模型 只能是工程技术人员应用图形学中的点、线、面通过适当 的运算在计算机内表达的设计结果，它较详细地描述了物 体的几何信息和相互之间的拓扑关系，而这些信息缺乏明 显的工程含义，从中提取和识别工程信息是相当困难的。 工程技术人员在产品设计、制造过程中，不仅关心产品的 结构形状，公称尺寸，而且关心其尺寸几何公差、形位公 差、表面粗糙度、材料性能和技术要求等一系列对实现产 品功能极为重要的非几何信息，这些非几何信息也是加工 该零件所需信息的有机组成部分。然而在几何建模的数据 结构中却难于像几何信息、拓扑信息那样，有效而充分地 7 太原理工大学硕士论文 描述非几何信息。这样就会影响计算机辅助工艺规程设计 ( c a p p ) 和机械强度有限寿命计算机辅助工程技术( c a e ) 系统直接使用c a d 系统生成的产品信息，造成后续系统需 要重新输入产品设计信息，无法实现三者的集成。 由于几何建模系统存在一定的局限性，人们开始寻求 一种新的建模方法来实现c a d 、c a e 、c a p p 三者之间的 集成。但c a d 、c a e 、c a p p 集成不是三个部分简单的组 合，如何建立完整的、统一的数学模型是其必然遭遇的技 术难题，为此人们提出了基于特征的设计方法。这种方法 是以特征作为设计载体和信息载体来完成c a d c a e c a p p 的信息集成。特征概念的引入，由于其符合设计人员的设 计思维，满足工程设计活动中对功能需求的要求。更由于 其性能在更高层次上抽象表达设计的意图和解释工程实际 意义，因此基于特征设计的方法被认为是最适合于 c a d c a e c a p p 集成系统的产品表达方法。 约束是特征与特征之间及特征元素之间联系的纽带， 为此本文提出了基于约束的特征设计方法。 2 1 2 特征概念 特征的概念体系是特征建模理论和基于特征设计方法 学的基础。一个面向c a d c a e c a p p 全过程的，统一的，信 息完备的，具有工程实际意义的特征定义是具有重要意义 的。特征概念从提出到现在，经过研究人员不断的努力己 提出了各种各样的定义形式。这些定义形式因各种应用领 域对特征的要求、目的、动机不一而千差万别。如何有效 太原理工大学硕士论文 地认识特征及其本质，乃是特征概念体系首先要求做到的 工作。 在特征的抽象与形成过程中，特征应遵循如下特征形 成原则：( 1 ) 特征是有形的实体。( 2 ) 特征是有语义的。 ( 3 ) 特征间和特征内元素间是有约束联系的。( 4 ) 特征是 一类有语义的有形实体的高度概括性，并且是这一类实体 的代表。( 5 ) 特征容易表达与描述。( 6 ) 特征是能完成功 能的单元。( 7 ) 特征应是通信的载体。 从设计的角度看，特征应是满足产品所要求功能的最 小承受单位，换句话说，特征是产品功能的执行者，为了 满足这一要求，特征必须是有形的实体，便于设计、制造、 装配并完成相应功能。有形实体与特征的非几何属性的有 机结合能体现特征的语义，并便于实现基于特征的设计操 作，更便于特征表达。所谓特征语义就是： 特征所表达的工程概念，是特征信息与所完成功能的 内在联系的描述。 从制造的角度看，特征是制造过程中对制造信息完整 描述的载体。从内容上看，特征是一组信息的集合；从形 式上看，特征是有形几何体与工艺属性的抽象；从加工角 度看，特征是一特征点、面通过布尔运算形成的正则集合。 从c a d c a e c a p p 集成的角度看，特征是不同工程领域 对同一产品零件不同理解之间传递信息的载体，是一种沟 通的桥梁和互相理解的钥匙。 从宏观分类来看，特征是千差万别描述事物的典型代 表，具有高度的概括性和抽象性。 g 太原理工大学硕士论文 从图形学的观点来看，特征是一组点、线、面通过约 束组成的有序图元系列。 综上所述，本文结合自己设计蜗杆传动的特点给出了 特征的含义： 特征是经过约束而形成的有序的图元，在产品全生命 周期中具有一定属性和拓扑结构的集合，并能实现产品功 能的最小单位。 图元则是构成特征形状并具有一定拓扑结构的几何元 素。特征约束是在特征生命周期内，对特征的各种属性和 行为的限制。 从特征定义可以看出，特征既是设计阶段形成零件或 产品的构件与设计信息的载体，又是制造阶段和其它工程 阶段信息的传递者和阶段性的工作成果。 2 1 3 特征与约束的关系 约束在产品整个生命周期过程中发挥着重要作用。它 反映了设计者为了实现其意图面对零件中各个特征施加不 同的限制来满足设计和制造过程中的条件与要求，为此本 文将约束定义为： 约束是在整个特征生命周期过程中，对特征的各种属 性和行为的限制。 特征与约束的关系： 在以往对特征的研究过程中，特征与约束之间没有有 效地联系起来，形成满足产品实际工程意义的统一体，约 束对特征的作用主要表现在： 10 太原理工大学硕士论文 ( 1 ) 约束是特征信息描述的有效组织形式。在特征设 计的过程，产品和特征的信息是通过对约束的一步步求解 丽得到的，也就是说每条产品和特征的信息的形成都是以 满足一定约束条件为前提的。因此。约束不但对特征的参 数化设计起作用，而且对非几何信息的形成同样起作用。 ( 2 ) 特征和约束是特征生命周期内可变性和不变性两 个基本属性的表现。 ( 3 ) 没有约束作用的特征表达不能形成有效的特征信 息。因而无法完成特征作为产品生命周期内的信息载体的 功能。 综上所述：在特征设计过程中，特征是作为约束的对 象而存在的，约束是建立在具体特征之上的属性和行为的 描述，是对特征有效性的认识；在特征建模的过程中，特 征的建立与约束关系的建立是同步进行的；没有特征的约 束和没有约束的特征是没有存在意义的，特征与约束是紧 密联系，密不可分的。 2 1 4 蜗杆传动的特征模型的t 立 本文所要解决的关键问题之一就是要在c a d 设计阶段 建立一个能为c a e 、c a p p 所共享的信息模型。为此，本文 结合前面所述的特征、约束的定义首先从功能和制造两个 方面对蜗杆传动进行了基于特征的结构分析。 2 1 4 1 基于功能特征的蜗杆传动的结构分析 蜗杆传动是齿轮传动的一种，是机械传动中应用最广 泛的机械传动形式之一。它主要用来传递空间互相垂直而 1 1 太原理工大学硕士论文 不相交的两轴问的运动和动力。由于它具有传动比大而结 构尺寸紧凑等优点，所以在各类机床、冶金、矿山及起重 设备等的传动系统中，得到了广泛的应用。依据蜗杆形状 的不同可将蜗杆传动分为不同类型，这种划分在传递运动 时表现为蜗杆形状的不同；在本质上反映了不同类型的蜗 杆传动其传动特点的不同。为此我们根据蜗杆的形状，将 蜗杆传动分为三类： 一类：圆柱蜗杆传动，它具有传动比大、工作乎稳、 噪声较小、结构紧凑、在一定条件下有自锁性等特点。 二类：环面蜗杆传动，接触线和相对速度夹角接近9 0 度，有利于形成油膜；同时接触齿数多，当量曲率半径大， 因而承载能力大。 三类：锥蜗杆传动，同时接触的点数较多，重迭系数 大；传动比范围大；承载能力和效率高：侧隙便于控制和 调整：制造安装简便，工艺性好。 2 1 4 2 基于制造特征的蜗杆传动的结构分析 蜗杆传动有多种类型，在此我们重点介绍普通圆柱蜗 杆传动的结构特征。我们知道，蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组 成。蜗杆加工工艺与蜗杆零件的结构、螺旋的类型、精度 等级、材料及热处理工艺、生产规模等有关。蜗杆的结构 形式表现在蜗杆齿廓形状的不同，为此我们将蜗杆分为以 下几种形式： 1 、 阿基米德圆柱蜗杆( z a 型) 2 、渐开线圆柱蜗杆( z i 型) 3 、法向直廓圆柱蜗杆( z n 型) 1 = 2 太原理工大学硕士论文 4 、锥面包络圆柱蜗杆( z k 型) 蜗轮的结构形式在图形中表现为齿圈、轮芯不同的组 合。不同的组合对应了不同的加工方式。为此我们依据制 造特征，将蜗轮主要分为四种类型： 一类：齿圈式。这种结构多由青铜齿圈及铸铁轮芯所 组成。齿圈与轮芯多用h 7 r 6 配合，并加装4 6 个紧定螺 钉，以增强联接的可靠性。 二类：螺栓联接式。齿圈和轮芯可用普通螺栓联接， 或用配合螺栓联接。 三类：整体浇注式。齿圈和轮芯做为一体。 四类：拼铸式。这时在铸铁轮芯上加铸青铜圈，然后 切齿。 2 1 4 3 蜗杆传动的特征模型的建立 本文综合分析了蜗杆传动的c a d 、c a e 、c a p p 各系统所 需信息，综合了前面提出的特征和约束的定义，提出了基 于约束的蜗杆传动的层次式特征模型，模型结构分为三层 结构来描述： i 零件层 零件层主要描述了蜗杆或蜗轮的一般信息。在蜗杆或 蜗轮的设计中，本文根据蜗杆或蜗轮的类型特征、管理特 征、结构特征和组合特征来描述蜗杆或蜗轮的一般信息。 而蜗杆或蜗轮各部分特征之间的定位约束恰恰使零件构造 有序，从而形成蜗杆或蜗轮的特征模型。 i i 特征层 特征层是构成零件的特征。它包含了许多的信息，这 】鲁 太原理工大学硕士论文 些信息包括：特征的组成元素，特征的拓扑关系信息，特 征的尺寸信息，特征的加工信息等。具体地讲，它主要指： 精度特征，形状特征，技术特征等。而精度特征中又包含 了工艺特征，形状特征中又包含了结构特征和尺寸特征。 结构特征又包含了主特征和辅特征。 i i i 约束层 约束层主要包括设计约束和工艺约束，它作用在特征 层上，对特征层的特征构成零件模型起约束作用。特征整 个表达结构的建立是以约束作为其连结纽带，特征表达的 组成单元是特征的几何元素，特征的核心则是约束，约束 作用的结果是特征。 约束和特征是相互对应的，设计约束形成了蜗杆和蜗 轮的形状特征，工艺约束形成了蜗杆和蜗轮的工艺特征和 技术特征。 下面分别介绍蜗杆和蜗轮的特征模型。 蜗杆的层次式特征模型： 1 零件层 ( 1 ) 类型特征：阿基米德圆柱蜗杆( z a 型) 、渐开线圆 柱蜗杆( z i 型) 、法向直廓圆柱蜗杆( z n 型) 、锥面包络 圆柱蜗杆( z k 型) ( 2 ) 管理特征：零件名称，设计者，设计时期，材料， 批量。 2 特征层 ( 1 ) 精度特征：粗糙度，精度等级。 ( 2 ) 工艺特征：热处理特征：调质，淬火， 1 矗。- 太原理工大学硕士论文 形位公差特征：径向圆跳动， 材料特征：4 5 ，35 ，4 0 c r ， ( 3 ) 技术特征： 齿面热处理方式：渗碳淬火：表面淬火；不进行 齿面探伤要求：有要求：无要求 其它要求 ( 4 ) 形状特征： 主特征：蜗杆头数，轴截面齿形角；蜗杆轴面模数， 蜗杆分度圆螺旋角，蜗杆直径系数，齿顶高系 数，项隙 辅特征：圆角，倒角，各项公差值 3 约束层 ( 1 ) 设计约束：它包括定形尺寸约束和结构约束。 定形尺寸约束：它通过对蜗杆几何特征施加一定的约 束求解形成了蜗杆的形状。如分度圆直径等于模数与蜗杆 直径系数的乘积。同时还对它的几何尺寸施加公差约束。 如齿顶圆直径值，上偏差，下偏差。 结构约束：垂直，平行，同心。 ( 2 ) 工艺约束： 1 ) 形位公差约束： 公差名：径向跳动；公差值，国标约束，精度等级， 国标约束 2 ) 粗糙度约束：粗糙度值，根据国标来确定。 蜗轮的层次式特征模型： 1 零件层 15 太原理工大学硕士论文 ( 1 ) 类型特征：齿圈式，螺栓联接式，整体浇注式，拼 铸式。 ( 2 ) 管理特征：零件名称，设计者，设计时期，材料， 批量。 ( 3 ) 组合特征：蜗轮轮芯和轮缘的组合方式。 ( 4 ) 特征定位约束关系：轮芯宽、轮缘宽。 2 特征层 ( 1 ) 精度特征：粗糙度，精度等级。 ( 2 ) 工艺特征：热处理特征：调质，淬火， 形位公差特征：端面跳动，径向圆跳动， 材料特征：铸锡青铜、铸铝青铜、铸铝黄铜、灰铸 铁 ( 3 ) 技术特征： 齿面热处理方式：渗碳淬火；表面淬火；不进行 齿面探伤要求：有要求；无要求 其它要求 ( 4 ) 形状特征： 轮缘： 主特征：蜗轮端面模数，齿数，齿顶高系数，齿隙系 数，蜗轮的轮缘宽度，包角，蜗轮齿顶圆直径，蜗轮 齿根圆直径，齿根圆弧面半径，齿顶圆弧面半径 辅特征：圆角，倒角，各项公差值 轮芯： 主特征：孔直径，键槽的尺寸，宽度 辅特征：圆角，倒角，公差 1 墨一 太原理工大学硕士论文 3 约束层 轮缘： 定形尺寸约束：宽度值约束，直径值约束 结构约束：有无倒角，圆角，平行，垂直 工艺约束： 1 ) 形位公差约束： 公差名：端面跳动；公差值，国标约束，精 度等级，国标约束 2 ) 粗糙度约束：粗糙度值，根据国标来确定。 轮芯： 定形尺寸约束：宽度值约束，孔直径值约束 结构约束：有无倒角，圆角，平行，垂直 工艺约束：粗糙度值，根据国标来确定。 2 2 智能化信息传递机制的实现 2 2 1 专家系统的基本知识 专家系统又称知识库专家系统，它本质上是一个计算 机程序，这种程序具有在专家级水平上工作的知识、经验 和能力，一般以求解那些需要人类专家才能求解的高难度 问题或不良结构问题为特征。 一个专家系统的核心问题是知识的获取、存放专门知 识的知识库和利用知识库解决实际问题的推理机。而对于 工程设计，专家系统不仅强调符号推理和启发式知识的使 用，而且它离不开数值计算，如对一些经验公式、不确定 1 薯 太原理工大学硕士论文 现象和模糊现象的不精确处理，对多个方案的评价和决策 等。因此它难以单纯依靠推理完成，是集知识、推理、计 算、绘图于一体。 2 2 1 1 知识表示的必要性 专家系统是一种典型的知识处理系统，它面向现实世 界中那些通常需要由领域专家才能分析、求解的专门问题。 领域专家是处理专门问题的能手，有着非凡的分析和判断 能力。专家的能力来源于他们所具有的丰富知识，专家系 统就是把求解领域专门问题的相关知识结合到程序中，使 程序具备象专家求解问题时一样的推理、学习和解释能力。 所以专家系统的研究着重于知识处理，它包括知识的获取、 表示和利用三个核心环节。其中，知识表示是知识处理中 最基本的一个问题。 知识表示研究各种存储知识的数据结构设计，并把问 题领域的各种知识通过这些数据结构结合到计算机系统的 程序设计过程。 典型的知识表示模式是基于规则的产生式表示、框架 表示、逻辑表示、语义网络表示、过程表示、不精确知识 表示等。 2 2 1 2 基于规则的产生式表示 基于规则的产生式方法是目前专家系统中最为普遍的 一种表示方法。它是由逻辑学家e p o s t 于1 9 3 4 年提出的。 它具有以下特点： 知识表示结构接近于人类思维，易于被理解。 规则表示形式一致，表示格式固定，易于控制和 譬s 一 太原理工大学硕士论文 操作。 知识单位之间互相独立，具有高度的模块化，便 于知识更新。 能有效的表达层知识。 专家推理系统必须解决的关键问题是采用计算机对规 则库进行处理的描述方式，并且用人能够理解的方式将处 理结果告诉人们，规则的表示不仅要求容易理解，而且要 求规则表示具有层次化和模块化的结构。产生式规则系统 的形式描述方法是： ( 规则) ：( 规则标识) i f( 前项) t h e n( 后项) ( 规则标识) ：任意整数 ( 前项) ：( 条件状态 ( 前提) ( 前提) ：( ( 条件式 o r ( 条件式) ) a n d ( 条件 式) ( 条件式) ：( 条件) ( 条件) ：( 项) i i ( 项) ( 参数) ( 参数) ：整数 j 实数| | 字符 ( 后项) ：( 动作式) ( 条件状态) ( 动作式) ：( 动作) 0 ( 动作) ( a n d 动作) ( 动作】：( 项) 0 ( 项) ( 参数) 产生式规则是一个“如果条件成立则进行操作”形式 的语句。它们的一般描述语句形式为： r u le ：i fc 0 n d i t i o nt h e nh c t i o n 其中r u lo ：为规则号，表示规则在规则库中的序号。 c o n d i t i o n 称为条件部分，前项或产生式的左边。 1 謦 太原理工大学硕士论文 a c t i0 n 称为结论( 操作部分) ，后项，或产生式的右 边。 在产生式系统中，一个规则的条件部分通常是某些事 实的断言，而其结论部分一般是能引起数据值改变的断言 或操作。通常对于产生式系统规则部分和结论部分采用的 描述方式要使信息完整和不冗余，便于信息检索和匹配， 要便于修改和增加规则，要尽可能使他们表达的简洁。 2 2 1 3 基于知识的推理 专家系统的最大特点是知识库同推理机的分离。推理 机利用知识库中存储的专家知识和经验，巧妙地推理，解 决人们难以解决的复杂问题。 推理过程一般使用正向推理、反向推理以及混合推理 作为推理方式。 2 2 2 数据库技术 c a d c a e c a p p 集成系统，就是要按照产品的设计、 制造的实际进程，在计算机内组织起连续、协调、科学的 信息流，也就是要实现系统中各应用程序所需要的及产生 的信息的存贮、交流和操作使用。因此，集成主要是信息 的集成问题，最终反映出、表现出的是数据的交换和共享。 因此数据库技术是集成系统的关键技术之一。 2 2 2 1m sa c c e s s 的功能特点及蜗杆传动各项公差及精 度表的建立 人们在选择数据库开发环境时，总是需要考虑环境的 功能情况，如果待开发的应用系统各项功能都尽可能得到 2o ， 太原理工大学硕士论文 环境的支持，则可以缩短开发周期，提高开发效率。a c c e s s 为开发者提供了功能强大、易于开发的数据库工作环境， 在这个环境下开发的数据库系统只需写很少的代码，甚至 可以不需写代码实现。它将应用数据库中各功能成份进行 分离、抽象，然后将其对象化，把一些数据管理的常用功 能封装在各类对象的方法或属性之中，通过对象的方法或 属性来完成对数据库的设计与管理，充分利用对象化的概 念来简化开发者的工作。 如何在逻辑上组织数据? 它将直接影响到数据库的一 切管理工作，根据组织数据的方式，可将数据库分为三类： 层次型、网型、关系型。这三种类型的数据库都先后出现 过。大量的理论和实践表明：关系型数据库是具有逻辑简 单、管理效率高、易于维护等优点，a c c e s s 是关系型数据 库，它是用关系来组织、管理数据的，一个关系实质上就 是一张二维表，它由一组记录组成，每个记录是表中的一 行，用于标识一个实体及实体的：若干属性。一个记录所包 含数据个数由实体的属性个数决定。有n 个属性的关系称 为n 元关系。n 元关系又称为n 字段的表，由若干个表组 成的一个数据库就是关系数据库，表中的数据满足以下几 个条件： ( 1 ) 属于同一个属性的数据要有相同的类型； ( 2 ) 不能有两个所有属性值都相同的记录； ( 3 ) 每个属性都定义了唯一的名称。 在各种关系数据库中，表的概念都很重要，它是系统 的“仓库”，开发者的第一步工作就是分析应用系统的数据 卫1 太原理工大学硕士论文 需求，然后根据分析的结果建立适应于系统需求的表。 a c c e s s 中有关表的操作是通过t a b l e ( 表) 对象来实现的， 用来管理表的字段结构属性以及表的实际记录数据，一个 表对象中的数据分为两部分，一部分反映字段的，一部分 反映记录的。这两部分数据不适于在同一个窗口中显示， a c c e s s 为表对象安排了两种显示窗口，用户不能同时打开 同一个表对象的两种显示窗口，但可以在两个窗口之间来 回切换。用于显示和设计表对象的结构和属性的窗口称为 设计窗口，用于显示和录入表对象的数据的窗口称为数据 窗口，显然用户的设计工作应在设计窗口完成，而数据录 入工作应在数据窗口完成，举例来说，我们要建立蜗杆齿 槽径向跳动公差表，那么各个字段的属性及精度就应当在 设计窗体中定义，而具体各个字段的数值则应当在数据窗 口中输入，数据库投入运行后，将依赖于这些数据的存在。 为表建立索引，可以进行快速查询检索，索引是一个 内部表，它包括两部分：一部分是建立在索引中的字段值， 一部分是包含该值的记录在表中的位置，具体做法如下： 表的设计窗口中，单击工具条上的i n d e x s 按钮，a c c es s 弹出i n d e x s 窗口，在窗口中分别输入索引的名称及选择作 为索引的字段( 一个或多个) ，并决定各个字段为升序或降 序以及是否主索引或唯一索引等选项。 在设计中本文将蜗杆传动设计资料库的各个精度公差 表分储于不同的数据表，这样使数据便于维护和修改。 下面以蜗杆为例给出了蜗杆齿槽径向跳动公差表的设 计窗口和数据窗口。 - 22 ， 太原理工大学硕士论文 蜗杆齿槽径向跳动公差表设计窗口 28 太原理工大学硕士论文 蜗杆齿槽径向跳动公差表数据窗口 2 2 2 2 集成系统的数据管理结构 本文建立如图2 1 所示的数据管理结构： r 嘻雪匡匐 图2 1数据管理结构 由图我们可以看出，集成系统的数据管理结构主要由 静态库和动态库组成。静态库包括了标准公差数据以及 c a p p 需要的工艺知识等内容：动态库主要存贮 c a d c a e c a p p 集成系统中特征建模子系统的特征数据、零 件数据，这些数据可为集成系统中各予系统所共享。 2 2 3 蜗杆传动专家知识库的建立 本文在c a d 、c a e 、c a p p 各个系统中以产生式推理规则 的形式组织了专家知识，在使用知识库中通过正向链推理 将合理因素或不合理因素与规则前提匹配，实现了c a d 、 c a e 、c a p p 集成系统的智能化。 2 2 3 1c a d 系统中专家知识库的建立 i 蜗杆结构设计获取知识 - 霉4 ； 太原理工大学硕士论文 知识1 ：i fd f l d 1 7 t h e n蜗杆与轴做成一体即蜗杆轴 知识2 ：i fd f l d 1 7 t h e n蜗杆齿圈配合于轴上 i i 蜗轮结构设计获取知识 知识1 ：i f蜗轮直径小于1 0 0 m m t h e n蜗轮结构设计为整体式 知识2 ：i f蜗轮直径大于等于6 0 0 m t h e n蜗轮结构设计为螺栓联接式 知识3 ：i f蜗轮直径大于等于1 0 0 m ma n d 蜗轮 直径小于6 0 0 m m t h e n蜗轮结构设计为齿圈式 知识4 ：i f蜗轮成批生产 t h e n蜗轮结构设计为拼铸式 蜗杆传动几何参数获取知识 知识1 ： i f确定的是模数m t h e n应根据强度计算或结构需要而定， 要取标准值，标准值见下表 l ，1 2 5 ，1 6 ，2 ，2 5 ，3 15 ，4 ，5 ，6 3 ，8 ，1 0 ， 第一系列 1 2 5 ，16 ，2 0 ，2 5 ，3 1 5 ，4 0 第二系列1 5 ，3 ，3 5 ，4 5 ，5 5 ，6 ，7 ，1 2 ，1 4 知识2 ：i f根据标准选择模数m t h e n应优先采用第一系列，其次是第二系列 知识3 ： i f确定的是齿形角或产形角 t h e n根据国标确定其为2 0 。 - 25 太原理工大学硕士论文 知识4 ： i f确定的是蜗杆头数z 1 t h e n 蜗杆头数常取为1 ，2 ，4 ，6 知识5 ：i f 确定的是齿顶高系数h ：和径向间系数c + t h e n二者的值应根据标准规定符合下表， 设计时给出可选值，人机交互选择 最终结果 齿的类型齿顶高系数h ：径向间系数c + 正常齿10 2 5 短齿 0 8 o 3 知识6 ：i f确定的是蜗轮齿数z 2 t h e n一般取z 2 = 2 7 8 0 。同时z 1 和z 2 根据 传动比取推荐值。推荐值如下表 l7 89 131 4 2 7 2 8 4 0 4 0 z 1 4 3 、42 、31 、21 z 22 8 3 22 7 5 22 8 8 1 2 8 8 04 0 知识7 ：i f 确定的是蜗杆直径系数q t h e n 根据设计确定的模数选用q 值，模数与 直径系数对应值见下表 l1 522 53 ( 3 5 ) 4 ( 4 5 ) 56 q 1 41 4l31 21 2l21 1 1 l1 09 m ( 7 ) 8 ( 9 ) 1 01 21 416182 02 5 q 9888899888 知识8 ： i f确定的是螺旋线升角 t h e n 根据公式科：丑求解 q - 2 田 太原理工大学硕士论文 知识9 ：i f确定的是蜗杆直径d 1 t h e n 根据公式d = q m 求解 知识1 0 ：i f确定的是蜗杆传动其它几何尺寸 t h e n按下表计算确定 名称符号蜗杆蜗轮 中间平面模端面模数为标 模数m 数为标准值准值 中心距a a = ( d l + d 2 + 2 x 2 m ) 2 分度圆直径 d d l = m f q d 2 = m r z 2 齿顶高 h 口 h 口1 = h a m 齿根高 h ，b = 以+ c + ) m 齿顶间隙 c c = c 柳 齿顶圆直径 d md 口l = d 1 十2 m fz 以= 如+ 2 ，珥( 1 + 力 齿根圆直径 d ，l勤= 碣一撕勃= 畦一( z 4 2 咖 蜗轮齿根圆 = 争一m 弧半径 r f 2 蜗轮齿顶圆 r 。2 一_ 了d t 一 尺d 2 弧半径 蜗杆分度圆 y f g y = z 1 q 上螺旋导角 分度圆上 j fs 1 = 0 4 5 p f5 r = o 5 5 p f 齿厚 知识1 1 ：i f确定的是蜗轮宽度b t h e n 当2 l 3 时，根据公式b 0 7 5 d 。l 确定； 当z 1 = 4 6 时，根据公式b s 0 6 7 d 训确定 - 2 7 - 太原理工大学硕士论文 知识1 2 ：i f确定的是蜗轮外圆直径d 。， t h e n 当z 1 = 1 时，根据公式d 。2 = d 。2 + 2 m f 计算； 当z l = 2 3 时，根据公式d 。2 = d 。2 + 1 5 m f 计算；当z = 4 6 时，根据公式 d 。2 = d 。2 + ，计算或按结构设计； 知识l3 ：i f确定的是蜗杆螺纹部分长度l t h e n 根据下表计算确定 z 1xl o 0 1 +