基于事例的减速器的设计

谢伟华1 李 波2 张慧明3 吴又安31 武昌船舶重工集团有限公司 武汉 430060 2 武汉理工大学 武汉 4300633 湖北科峰传动设备有限公司 武汉 430000摘 要: 提出基于事例推理（CBR）的方法，在已有设计事例的经验基础之上，构建自顶而下的智能计算机辅助设计系统。给出了以AutoCAD for Windows 为支撑平台的减速器CAD 系统的总体结构与实现方法，对系统的设计思想进行了详细的描述，采用模块化结构对整个系统软件进行设计，使整个系统便于修改和移植。讨论了减速器装配模型的建立，分析了各部件的装配关系，提出基于信息共享生成装配图的方法。同时对系统中其他的开发问题与解决方法进行了讨论。关键词：减速器；基于事例；计算机辅助设计中图分类号：TH112:TP311 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2018）0111-040 引言减速器在机器设备上起着十分重要的作用，正向多品种、小批量方向发展。目前已有标准系列减速器，但很多场合标准减速器不符合实际需要，须设计非标准减速器，随着这种非标设计任务越来越多，须以缩短设计周期、提高设计精度、开发减速器CAD 系统等来顺应这一形势。但目前减速器CAD 系统主要集中在设计规程的程序化与工作图绘制等方面，以固定算法模拟实际设计，通用性不强，难以利用过去成功的经验，不能很好地满足减速器的设计要求。基于事例的推理（CBR）是一种新的AI 推理方法，它直接利用相似事例的解来求解当前问题。由于它只需知道问题的求解结果，而不需要知道如何求解的知识，较容易从专家处获取，从而大大提高了设计的精度与效率。本文研究了基于事例的减速器设计框架，利用AutoCAD 提供的强有力图形编辑功能、良好的开放体系结构和二次开发环境，以及高级语言、Foxpro 数据库提供的接口功能，对减速器CAD 系统进行了应用研究。1 设计思想1.1 基于事例的减速器设计工程设计师们都有这样的体会，即每一次新的设计都是建立在过去类似的设计经验基础上的，从“零”开始的设计几乎是不存在的。传统上的设计经验是以文字、图表等形式保存起来或记忆在人的大脑中，对新的设计分析、归纳后，可从过去的“设计”中提取可利用的资源，直接引用或改造后利用，而新设计完成后其本身亦成为将来设计的经验。随着计算机技术的发展，上述工作都可交给计算机完成。减速器设计主要包括两部分：一是基本参数（转速、传动比、扭矩）计算等；二是结构设计。前者依据理论和经验公式进行，是基于规则的方法来实现的；后者则主要依靠无法用规则来表示的经验知识，适宜用基于事例推理的技术解决。基于事例的推理技术是20 世纪90 年代人工智能领域中兴起的一门新技术。它是一种类比推理，非常符合设计师正在进行设计时的思路，不仅可缓和专家系统知识获取的困难，而且可以大大提高系统推理效率，增强人工智能处理异构知识的能力，能够处理过程性知识、经验性知识和事例知识。本文将基于事例的推理技术应用到减速器CAD 系统的研究，图1 表示基于事例的推理技术的过程模式和功能模块，主要包括识别新任务、指定索引、从事例库中检索相似事例、相关设计任务回调和改写事例的解，以满足新任务、新的解反馈入事例库。图1 基于事例的推理减速器结构由箱体与箱盖结构、齿轮、轴、轴承、键、密封与防尘结构、透气、加排油结构等组成。设计时，首先生成减速器整体结构的框架，再对各部件进行详细设计。而在设计部件时，亦先确定部件的框架，再设计组成该部件的零件。因此，减速器结构设计需要在整体层、部件层和零件层分别应用CBR 技术。事例包括设计任务和设计结果两部分。设计任务是减速器、部件和零件的设计输入，自顶而下分三层。基于事例的减速器结构设计流程见图2。从事例库中寻找与当前任务最相似事例采用相似度识别法，可参考文献[1]。1.2 模块化设计为了便于修改和移植，整个系统软件采用模块化结构设计[2，3]。软件系统各模块的关系如图3 所示。图2 基于事例的减速器结构设计流程图3 软件系统结构图初始化模块的作用是将系统功能的设置都还原为开始设置，初始参数输入框中的数值为默认值；菜单管理模块是对系统的功能模块 菜单进行整理维护，该模块提供了灵活的拖拽功能，在菜单管理模块中，可以添加、删除、修改、拖动菜单位置，还可以导出菜单数据, 系统各功能模块都是点击菜单执行；文件管理模块包含了系统所有对文件的基本管理操作，实现数据文件上传、下载、维护、预览以及搜索等功能；参数输入模块即处理齿轮传动设计的初始参数输入，输入框中的数值为初始默认值，但可修改；事例库模块核心是事例库，包含大量的减速器历史数据，事例库可以随时添加新的事例 ；事例推理模块涉及的核心问题有事例的表达、存储、标识、匹配及更新，用户输入的靶事例与库中基事例进行关联比较，选出相似度最高的事例返回用户，通过对历史事例知识的挖掘，获得蕴含于过去事例中的丰富经验知识。接口设计是执行对连接系统内各部分、系统与外部之间交换数据、信息的接口进行设计；标准件库模块核心是标准件库，标准件无需设计，把减速器常用的标准件收集在标准件库直接调用；零件绘图模块实现采用参数化方式完成减速器零件的结构图绘制；产品装配模块实现减速器的整体装配，形成装配图；在线帮助模块对用户可能遇到的一些常见问题提供解决方案。2 系统开发中的问题与解决方法2.1 装配图生成对装配图进行人机交互式绘图。工程三维视图上各图元（点、线、圆、块等）按一定结构约束关系形成。这种约束分两个方面：一是定位约束，即限制图元在图面上的位置，靠尺寸链来实现约束；二是结构约束，即将图元信息预先保存起来，根据图形的要求予以引用。本文通过生成装配图用装配尺寸链描述安装信息，将各零部件视同“图元”。装配图生成模型包含如下信息：1） 装配体与其组成成员（零部件）之间的关系；2） 组成成员之间的相互关系；3） 组成成员自身的信息。针对装配模型的特点，具体采用如下装配图生成技术：1）将零（部）件的图形信息处理成具有消隐能力的适合装配的特征图元，便于生成装配图时直接共享零件图中的图形信息。2）将各零部件形成的特征图元归纳建库，便于直接调用。当装配图需修改时，可以通过零件共享装配图信息技术，快速地将零件的相关修改信息传递到相关模型中，从而实现设计的并行处理。3）采用消隐技术，即对零（部）件图形根据层次遮挡关系进行可见性处理，而非剪裁，从而保证了零部件基本图元的完整性，当各零（部）件相互位置发生变化而致遮挡关系发生变化时能方便快捷地修改。4）遮盖技术，利用装配模型中局部关联性特点，在生成装配图中某一零部件的图形时，只需把该零部件有关信息调入内存，进行装配消隐，这样可以降低装配图复杂程度对内存的依赖。2.2 参数化绘图的实现图形绘制是系统的核心部分。利用ARX 开发方法，可使采用AutoLISP语言难以完成的工作变得轻而易举，同时在绘图中大量的几何尺寸计算都由计算机完成。2.3 命令组文件SCR 的应用命令组文件是预先用一系列AutoCAD 命令和选择项构成的命令序列，用户可以方便地选取图形幅面，将图形设计得与之相适应，这样可以使绘图单位与图纸上标注的尺寸一致，减少了按比例折算的工作量，而且提高了AutoCAD 的运行效率。2.4 数据库存取接口充分利用AutoCAD SQL 接口（ASE），直接AutoCAD内部存取数据，进行实时数据库存取。这样可避免开发数据库管理软件接口程序，实现图形与数据记录的双向参照查询和动态数据显示。2.5 图形库建设出于提高设计效率的需要，系统建立了丰富的图形库。标准件的图形在许多零件及总成中被大量使用。鉴于标准件型号较多，同一类标准件的图形大多局部特征相同，故系统以图素为基础单元，保存标准件的图形要素，以便调用。在减速器设计中，有许多零件是通用的，如密封圈、垫片等。将这些零件直接在AutoCAD 下绘制，存放在通用件图形库中，方便查询调用。此外还有专门设计的符号库，存放表面粗糙度、形位公差等工程图固定符号，绘图时直接插入。2.6 数据库的建立数据库起着联系计算分析与绘图之间的通讯接口作用。本系统将数据库分成三类：1） 标准数据库，库中数据包括轴承内径、螺栓直径等几何尺寸与形位公差、精度等级等，为国家标准规定的数据；2）结果数据库，库中存放最后设计结果，如各零件外形和连接尺寸等；3）中间数据库，存储设计计算中生成的一些临时数据，保存这些数据便于对改进设计尺寸进行指导，使设计人员能够掌握修改设计的尺度。后两种数据企业对外保密，故采取了加密措施。3 基于CBR 的行星齿轮减速器参数化设计系统减速器数字化设计平台包括总体设计、参数化设计、通用件及标准件、自动装配、结构有限元分析和帮助功能。用户可根据需要，选择搭配多级传动系统，生成三维模型和工程图，实现一定的总传动比。可以相应地设计减速器零部件，通过修改参数，完成其他零部件的重新建模和工程图自定义属性的修改，并生成三维模型和工程图。4 结束语1）基于事例推理的设计系统能有效利用已有的成功经验，避免了从起点产生新问题的求解，大大缩短了寻求最终解决方案的时间，系统易于开发；2）系统程序按功能分块，各子模块受主模块的管理与调用，各模块都归属于菜单管理，操作性强，编程与维护方便；3）装配图和零件图的信息相互关联，使产品设计中CAD 图形信息实现共享；4）系统有完整的设计计算程序库和绘图软件包，可单独绘制装配图或零件图，也可一次性绘出全部图纸，方便灵活；5）相对传统的设计模式，减速器CAD 系统设计效率与设计质量都得到提高。参考文献[1] 欧阳渺安. 智能设计集成推理技术的研究[J]. 机械设计与研究，1999（1）.[2] 曹永新. 基于数字化资源集成的齿轮传动机构智能CAD系统研究 [D]. 成都：四川大学，2006.[3] 徐芹亮, 张俊华. 基于案例的汽车焊接夹具设计研究[J].机械设计与制造, 2007(8).举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章NTN机器人用轴承的技术趋势与特点家庭教育法草案：离异不得怠于履行家庭教育责任永州四中获评“决胜脱贫 携手小康—2020年度腾讯‘99公益日’”活动优秀单位大寒｜岁寒知松柏，雪暖盼新年保定主城区部分区域供暖受影响的通告

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