基于专家系统的减速器三维参数化CAD系统的研究与开发

基于专家系统的减速器三维参数化CAD系统的研究与开发*朱长顺,杨德勇,孙建荣(江苏大学机械工程学院,江苏镇江 212013)摘要:在分析减速器三维参数化CA D专家系统的结构模型基础上,采用面向对象的技术,建立系统的知识库及推理机,采用自上而下的设计思想,建立了可视化的减速器结构设计系统,分析了Soild Edge零件参数化设计方法,建立减速器参数化设计中的模型库,从而构建了基于专家系统的减速器三维参数化CA D系统。

关键词:专家系统;减速器;三维参数化设计;模型库中图分类号:T H132;T P391.76 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2005)12-0047-04减速器是工程中普遍使用的机械传动装置,是工科院校通常使用的机械课程设计题目。

减速器的设计要综合应用多门学科的知识和经验,对相关问题进行分析、推理、判断,从而获得最优的决策[1,2]。

为缩短设计时间,提高设计质量,开发了减速器三维参数化CA D专家系统。

1 减速器三维参数化CA D专家系统的结构模型[3,4]在现代CA D技术的特性中,三维化、参数化、智能化即三维参数化的智能CA D系统,是现代CA D技术的发展趋势。

智能CAD(智能工程或智能设计,ICA D)就是采用系统集成的方法,将人工智能(专家系统)与传统的CA D技术有机的结合起来,形成集成化、智能化CAD系统,为复杂的工程及产品设计提供支持。

在专家系统中,虽然每个专家系统所需完成的任务不同,因此,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最基本的模块。

知识表示的方法不同,知识库的结构也不同。

推理机是对知识库中的知识进行操作的,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。

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。

根据专家系统的有关知识,分析减速器的结构,提出了减速器三维参数化CA D专家系统的结构模型,如图1所示。

2 面向对象的知识库及推理机2.1 面向对象的知识库近几年来,人们开始探讨把面向对象的思想、方法用于智能系统的世界与改造,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一定的进展。

本系统主要采用面向对象的知识表示方法,将产生式表示法融入到其中,并在此基础上,建造减速器三维参数化CA D专家系统的知识库。

系统的外壳及推理机采用面向对象的程序语言V isual Basic6.0来编写[5,6]。

图1 减速器三维参数化CAD专家系统模型在面向对象的知识库中,知识类型包括事实、规则和过程三种。

在建立知识库时,统筹考虑知识库与推理机之间的关系,针对第22卷第12期2005年12月机 械 设 计JO U RN A L O F M ACH IN E D ESIG NV ol.22 N o.12Dec. 2005*收稿日期:2005-04-20;修订日期:2005-07-12作者简介:朱长顺(1968-),男,江苏扬中人,江苏大学讲师,硕士,主要从事机械设计及CAD、人工智能的教学与研究工作。

不同的知识类型,采用不同的方法建立相应的子知识库,各个子知识库最终构成总的知识库。

系统主要有以下几种类型的知识库形式:(1)数据库形式的知识库。

在系统中利用M icro so ft Ac cess建立数据库,将设计手册中已规范的设计参数、设计数据用数据库的形式表示出来,在系统运行中被连接和调用。

系统建立了两个数据库:一个是设计参数数据库,其中有电机参数表、齿轮材料表、轴材料表、齿轮材料配对弹性系数表等;另一个是标准件数据库,包括螺纹联接件表、键表、轴承表、销表等。

(2)产生式形式的知识库。

在系统中对设计规则、参数选择原则等规则性知识的表示采用 对象+ 规则组的表示方法。

例如传动比的分配,工作情况系数的选择,齿间载荷分配系数K h a/K f a等采用这种方法。

(3)程序源代码形式的知识库。

对于设计中所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Command控件。

(4)混合形式的知识库。

在系统中建立知识库的第二种方法与第三种方法并不是严格区分的,而是相互交融的。

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,也可将判断规则与之相结合,从而形成一种混合式的知识库建立方法。

系统的知识库由于采用上述的建库方法,其维护简单、可扩展性强,可以方便地移植到其它相关的系统中,进一步丰富和完善减速器三维参数化CA D专家系统的内容。

2.2 面向对象的分层次的多级推理机专家系统中的推理机的形式与知识的表示方式有关。

根据对减速器设计过程[1]的分析,以及减速器三维参数化CA D 专家系统模型,不难看出,减速器设计中的推理过程,实际上是一个分层次的多级推理过程,每个层次有着各自的特殊性,但各个层次之间又有着相互的联系。

分层次的多级推理过程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,每个模块又由各自的子模块组成,模块或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,即:(1)控件级推理;(2)模块级推理;(3)系统级的推理。

分层次的多级推理机如图2所示。

减速器三维参数化CA D专家系统推理过程为:(1)系统级推理是通过设置菜单来进行的。

(2)模块级推理按照该模块的组成不同分为两类:有子模块和无子模块。

对于有子模块,则按照子模块的组成方式及顺序进行;对于无子模块,则按照模块上控件的设置顺序进行。

(3)控件级推理按照控件所对应的操作方法(程序)进行,是整个推理过程中最基本的组成单位。

在上述分析的基础上,构建了设计计算专家系统模块,其界面图如图3所示,其中任务管理模块输入设计任务,方案选择模块选择设计方案(选择减速器的类型),设计计算模块计算设计参数。

设计计算时其设计(推理)过程按操作界面所设置的步骤逐步进行,所需的知识封装在对应控件的程序及数据库所构成的知识库中。

图3所示为二级展开式圆柱齿轮减速器公共参数计算模块部分。

图2 多级推理机示意图图3 设计计算专家系统模块的界面2.3 自上而下的可视化减速器结构设计机械产品设计有两种方式[1,2]:一是按自上而下设计的顺序;二是按自下而上的设计顺序。

自上而下的方式就是从装配图入手,综合考虑各个相约束的因素,最后逐层分解到每一个零件设计。

按照机械设计的要求与一般步骤,自上而下的设计顺序更符合人的思维习惯。

结构设计就是从装配图入手,对减速器的各个零件相互之间装配约束关系进行综合分析,并在此基础上进行综合设计,结构设计是减速器设计的主要内容,结构设计专家系统是设计计算模块与三维参数化CA D设计模块间的桥梁。

根据自上而下设计的设计思想,通过分析减速器的设计过程及各个零件之间的相互约束关系,在系统中将整个结构设计划分为5个模块(图1),即有关轴系结构设计的结构设计计算!;有关箱体结构设计的结构设计计算∀;轴系结构设计(轴系!、∀、#,以及其轴、齿轮、键、轴承、挡油板(套筒)、端盖等零件);箱体的结构设计(上箱体、下箱体、箱体附件);标准件模块(主要是螺纹联接件、销,而轴承、键归在轴系结构设计中)。

在上述分析的基础上,应用V isual Basic的图形技术及Window s A PI技术[5],采用适当的画图方法画出结构设计图,实现结构设计的图形化、可视化、实时化及动态化,如图4所示,在轴#的结构设计中,可以选择键型号、轴承型号,改变轴段的直径和长度,按更新按钮后,自动更改轴系零件的结构尺寸,并且能将结构参数保存,以及进行校核计算,按三维图生成按钮,就可以生成轴系零件的三维图。

48机 械 设 计第22卷第12期图4 ∃轴#的结构设计%窗体3 减速器三维参数化CA D二次开发3.1 零件参数化设计方法[6,7]参数化技术是机械CAD的主要技术之一。

减速器参数化CA D系统以现有的三维CAD软件&&&Solid Edge为二次开发平台。

So lid Edge具有良好的开放性和集成性,提供了完整的应用程序开发接口(A PI),可以使用Visual Basic,V isual C++等编程语言进行二次开发。

其参数化开发的方法主要有三种:(1)设计变量法;(2)程序设计法;(3)设计变量与程序设计相结合法。

设计变量法通过设计变量实现零部件的参数化设计,简单实用,但操作较复杂,效率不高。

程序设计法是通过程序驱动建立三维模型,但编程工作量大,一般用于结构较简单的零件。

采用设计变量与编程技术相结合的设计方法可综合前两种方法的优点,克服其缺点。

其实现是以三维参数化特征造型为基础,用设计变量作为参数化程序与三维模型的联系纽带。

考虑减速器结构,在减速器三维参数化CA D模块中,采用第3种方法进行参数化设计,其设计过程如图5所示。

对于减速器中轴、挡油板(套筒)、螺纹联接件、键、轴承等一些简单的零件,直接将计算出来的数据替换变量表中的所有变量值;对于齿轮等复杂零件,先利用变量之间的函数关系对变量表进行编辑,获得主要变量。

参数化设计时,仅替换主要变量值,其它变量则通过函数公式自动计算出来。

图5 设计变量与编程技术相结合方式的参数化设计3.2 减速器参数化设计的模型库采用设计变量与编程技术相结合的方式进行零部件参数化设计时,需建立零部件模型模板。

这些零部件模板构成减速器参数化设计专家系统模型库,它包括轴系零件、箱体零件及其附件、标准件等零部件模型。

机械产品的设计有两种方式:一是按自上而下设计的顺序;二是按自下而上的设计顺序。

相对应,零部件模板的建立可采用的方法也有两种:一是自下而上的设计方法;二是自上而下的设计方法。

在系统中,综合采用了这两种方法,来搭建减速器专家系统模型库。

建立轴系零部件及标准件模板时,由于在结构设计阶段中,已确立各零件之间的约束关系,故采用自下而上的设计方法,即根据轴系结构设计所得出的结果,在Solid Edg e零件环境中,建立各轴系零件(轴、轴承、挡油板(套筒)、齿轮、端盖等)及标准件模板,然后在装配环境中将这些零件按照装配顺序组装为部件,如图6中所示的3个轴系。

自上而下的设计方法就是在总装设计中利用So lid Edg e 装配环境提供的布局功能,在装配环境中完成复杂零件的设计,并与已有的部件一起构成最终的总装配图。

即在上述3个轴系部件的基础上,以3个轴系部件装配作为基本装配,并进行上下箱体零件的设计,从而快速有效地设计出上下箱体的零件图及总装图,且所设计出的上下箱体的三维实体零件图,又可作为其相对应的零件模板加以进一步的应用,具有事半功倍的效果。