非圓齒輪的快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究?

張新伍，仲梁維，沈景鳳

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

1 非圓齒輪節(jié)曲線和齒廓設(shè)計(jì)原理

1.1 非圓齒輪節(jié)曲線設(shè)計(jì)原理

圖1是兩個(gè)外嚙合非圓齒輪的傳動(dòng)簡圖。O1x1y1是跟隨齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)坐標(biāo)系，O2x2y2是跟隨齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)坐標(biāo)系，由外嚙合傳動(dòng)可知，兩坐標(biāo)系轉(zhuǎn)向相反（規(guī)定逆時(shí)針轉(zhuǎn)向?yàn)檎?，順時(shí)針轉(zhuǎn)向?yàn)樨?fù)）。

圖1 外嚙合非圓齒輪傳動(dòng)簡圖

1.2 非圓齒輪齒廓設(shè)計(jì)原理

圖2 非圓直齒輪齒廓的生成示意圖

O1x1y1坐標(biāo)系和坐標(biāo)系Pxdyd之間的坐標(biāo)變換為：

對(duì)于單獨(dú)一個(gè)輪齒來說，將輪齒的齒頂向上，規(guī)定輪齒左側(cè)的齒廓叫做左齒廓，輪齒右側(cè)的齒廓叫做右齒廓。

2 基于SML與CBR的非圓齒輪設(shè)計(jì)流程

2.1 事物特性表技術(shù)

事物特性表（SML）是為建立零部件的數(shù)據(jù)庫而采用表格的形式，以固定的格式記錄事物特性，對(duì)零部件進(jìn)行特性描述的ASCII文件。根據(jù)GB10091和GB15049標(biāo)準(zhǔn)，它是一種把事物的特性描述出來并統(tǒng)一規(guī)定存錄和顯現(xiàn)模式的信息標(biāo)準(zhǔn)［4］。

之所以要建立非圓齒輪的SML，是為了創(chuàng)建非圓齒輪參數(shù)和尺寸關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，將非圓齒輪的設(shè)計(jì)知識(shí)、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)據(jù)，進(jìn)而有效地保證非圓齒輪實(shí)例檢索和非圓齒輪的變型設(shè)計(jì)。構(gòu)建一個(gè)合理的非圓齒輪SML標(biāo)準(zhǔn)，是產(chǎn)品主模型可以便捷地快速變型設(shè)計(jì)的重要前提，進(jìn)而才能顯著地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造等過程。

2.2 基于實(shí)例的推理原理

基于實(shí)例的推理（Case－Based Reasoning，CBR）是運(yùn)用過去在實(shí)踐中積累的解決問題的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來解決新的問題，能夠避開一般的智能系統(tǒng)知識(shí)解讀瓶頸問題［5］。

在建立非圓齒輪事物特性表的基礎(chǔ)上，將非圓齒輪設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行實(shí)例表示，為整個(gè)非圓齒輪系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)檢索和查找模型的保證［6］。實(shí)例推理原理的步驟包括非圓齒輪實(shí)例表示、實(shí)例檢索、實(shí)例修改。非圓齒輪的實(shí)例表示就是將非圓齒輪設(shè)計(jì)知識(shí)、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成可以計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即參數(shù)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。參數(shù)數(shù)據(jù)包括模數(shù)、齒數(shù)、齒頂高系數(shù)等，結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包括內(nèi)嚙合與外嚙合、節(jié)曲線的凸凹等。

2.3 非圓齒輪快速設(shè)計(jì)流程

非圓齒輪快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程包括五大步驟，即非圓齒輪模型的檢索、知識(shí)重用、實(shí)例的修改、實(shí)例輸出、判斷是否保存設(shè)計(jì)實(shí)例并輸出，如圖3所示。設(shè)計(jì)開始時(shí)，用戶設(shè)定非圓齒輪基本參數(shù)、基本實(shí)例檢索信息及其他必要信息，保證設(shè)計(jì)必要的數(shù)據(jù)信息。

圖3 基于SML和CBR的非圓齒輪快速設(shè)計(jì)流程

通過建立的SML標(biāo)準(zhǔn)，基于實(shí)例推理的檢索機(jī)制，參照實(shí)例庫進(jìn)行模型匹配和檢索。如果能夠檢索到相應(yīng)的非圓齒輪模型，系統(tǒng)會(huì)將檢索結(jié)果直接輸出［7］；否則，就要基于實(shí)例在原來相似的實(shí)例基礎(chǔ)上進(jìn)行變型設(shè)計(jì)或者直接進(jìn)行新的設(shè)計(jì)，圖4為在相似實(shí)例基礎(chǔ)上修改完成的新的橢圓直齒輪。在實(shí)例庫中沒有相似實(shí)例的情況下，系統(tǒng)將依據(jù)非圓齒輪節(jié)曲線計(jì)算規(guī)則構(gòu)建以傳動(dòng)比函數(shù)為基礎(chǔ)的非圓齒輪節(jié)曲線計(jì)算模塊，節(jié)曲線設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)而計(jì)算出齒廓方程；根據(jù)齒廓方程，利用MATLAB軟件對(duì)方程進(jìn)行數(shù)值求解計(jì)算，獲得相應(yīng)齒廓的點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，由設(shè)計(jì)系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)完成非圓齒輪的變型設(shè)計(jì)；最后，系統(tǒng)將設(shè)計(jì)獲得的新的非圓齒輪模型以數(shù)據(jù)的形式保存到庫中以便實(shí)例的積累，并豐富非圓齒輪設(shè)計(jì)庫，為今后設(shè)計(jì)提供實(shí)例參考，計(jì)算程序流程如圖5所示。

圖4 橢圓直齒輪設(shè)計(jì)結(jié)果

3 結(jié)語

本文提出的非圓齒輪的快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)與單獨(dú)使用Pro/E進(jìn)行建模相比，可顯著減少重復(fù)建模時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率，降低對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求。

圖5 計(jì)算程序的流程圖

［1］姚文席.非圓齒輪設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［2］武傳宇，金玉珍，賀磊盈.基于包絡(luò)特征的非圓齒輪齒廓計(jì)算方法研究［J］.中國機(jī)械工程，2008，19（15）：1796－1799.

［3］吳序堂，王海貴.非圓齒輪及非勻速比傳動(dòng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［4］錢曉明，王寧生，蔣平，等.一種基于事物特性表的信息編碼系統(tǒng)［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，37（1）：153－157.

［5］劉志峰，高洋，胡迪.基于TRIZ與實(shí)例推理原理的產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法［J］.中國機(jī)械工程，2012，23（9）：1105－1111.

［6］張曉麗，李鑫，郭智春.基于CBR的機(jī)械產(chǎn)品智能設(shè)計(jì)方法研究［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，48（6）：835－840.

［7］魯玉軍，祁國寧.基于MC環(huán)境的面向訂單產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法研究［J］.中國機(jī)械工程，2006（22）：2354－2359.