機械傳動系統方案設計CAD專家系統的研究

摘 要：具有集成化特點的計算機輔助設計是機械傳動系統設計中的核心，也是完善機械制造技術的根本。本文結合機械傳動方案的特點，將CAD專家系統技術應用于機械傳動系統設計中，在系統內部應用Visual C++語言，提高人機交互的效率。

關鍵詞：CAD專家系統；機械傳動；方案設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.137

為了滿足機械CAD的集成化特點，需要實現機械產品設計過程的自動化，同時也需要以計算機技術為重要的基礎。近年來，國內外學者重點研究專家系統技術的應用，在其中進行知識推理。本研究結合機械傳動系統化方案設計的特點，在機械傳動系統方案設計過程中應用CAD專家系統，提出了信息模型的建立方案和系統的求解策略。

1 機械傳動系統方案設計的特點

方案設計的重要任務是要滿足用戶的設計需求，完善系統的功能，在此基礎上對系統的結構進行優化，系統方案設計的特點如下。

第一，有一定的難度。方案設計過程中一些任務沒有完整的模型，在應用經驗知識和設計數據的同時，對方案進行選型和評價，完善的模型和推理機制是實現方案設計自動化的根本[1]。第二，具有多層次和目標性。方案設計十分復雜，需要結合設計任務在不同層次上開發子任務，同時需要保證不同子任務之間可靠聯系。第三，具有多樣性特點。方案設計中的功能和結構之間是一種多對多的關系，提高了系統設計的復雜性和多樣性，質量評價是系統開發過程的難點。第四，需要在方案設計的基礎上進行再設計。求解設計問題時，往往涉及到再設計環節，并且由于系統設計具有較高的復雜性，再設計環節將十分困難。

結合以上特點，方案設計可以選用專家系統來開發。

2 方案設計方法

2.1 建立信息模型

結合方案設計的多任務性和多層次性，應用分級的設計方法，從上至下分配不同的子集，為了清楚地描述不同概念之間的關系，合理應用與/或樹。即在設計過程中應用與/或樹構成完善的概念空間，對機械傳動系統結構的組成部分進行描述，明確配套部件之間的關系，描述設計任務的多層次性和多任務性，用“或”關系表明方案的多樣性。

2.2 設計知識庫

系統設計過程中的知識庫需要保存多種知識，完善管理方案，不同的知識以相應的規則形式存儲起來。在知識庫設計過程中需要建立完善的知識模型，明確模型的內部表示，同時實現節點管理[2]。

用與/或樹將設計問題轉換為對應的規則，對概念空間進行規劃和描述，將系統設計過程中的概念問題編制成為有效的概念空間，實際設計過程中，設計人員應用知識經驗和假設推理，建立概念的約束推理網絡，結合概念空間中的知識模型進行模擬。

為了構建科學的概念推理網絡圖，需要將觸發后的概念節點和約束條件附加到與/或樹中。針對同一個概念而言，可能是多個分支概念的前提，在推理網絡上對應一個與/或圖，在約束推理的過程中需要在與/或圖上開展詳細的搜索工作，保證滿足約束條件。

以模切機傳動方案設計為例，圖1是推理網絡子圖。

其中Ei表示約束條件，Ci表示概念節點。系統知識庫中的知識結合設計經驗，應用Visu C++語言描述字符串，結合類繼承和函數的重載優勢對知識庫中的信息進行完善和修改。

在管理知識模型節點的過程中，需要結合實際的約束推理網絡，在概念節點層次管理的基礎上，對方案的目標節點進行記錄。同時需要應用相應的規則描述不同的概念節點和邏輯關系，將與節點有關的規則分為前推規則和后推規則，借助系統的知識獲取模型搜索規則集。

2.3 系統的求解策略

方案設計專家系統求解的過程中，應用可靠的功能分析器、參數求解器和方案分解器，功能分析器結合系統功能庫中相應的規則，借助正向推理方法按照設計需要擴展為事實。參數求解器需要結合方案結構的實際屬性，完善系統的參數設計，應用相應的經驗值規則進行求解。方案分解器在應用的過程中借助遞歸控制方案分解有效的概念空間，不同的有效空間都有可靠的方案，在方案分解過程中保證設計的多方案性[3]。另外，還需要應用符號布置設計對系統中不同零件之間的拓撲關系進行確定，例如機械系統中齒輪的排列順序、齒輪的嚙合關系等，在實際設計時需要應用面向方案的臨接矩陣描述機械傳動系統中的多種拓撲關系，結合拓撲關系可以自動繪制出方案的運動簡圖，應用專業的控制方法，調用知識庫中的信息，求解相應的問題。

在機械產品傳動方案的專家系統設計中也可以應用混合推理的方法，即利用啟發性的知識編輯原有的概念空間，將概念空間轉變為滿足用戶需求的有效結構空間，應用遞歸的混合搜索方案，在每擴展一次概念后立即進行一次優先搜索，節點驗證時應用相應的規則。

3 結束語

機械產品傳動系統的方案設計，應用CAD專家系統對經驗知識進行科學的總結，提高推理效果，優化傳動方案，實現參數優化和簡圖繪制的一體化。應用規則分類的方法描述知識庫中的多種規則，借助開放式的設計方法，提高系統維護的便利性，以Visual C++為開發環境，應用面向對象的程序設計理念，為系統的深度開發奠定基礎。

參考文獻：

[1]陳義軍.機械傳動系統方案設計CAD專家系統的研究[J].東南大學，2014，25（12）：225.

[2]許忠信.機械傳動系統的結構設計與CAD集成技術研究[J].清華大學，2015，15（01）：154.

[3]竺芳.機械設計中軸系結構主要功能元的特征屬性研究[J].科技信息，2010，36（33）：124.

作者簡介：胡懿夫（1991-），男，湖南婁底人，本科，研究方向：機械設計制造及其自動化。

摘 要：為方便高等院校機械設計專業在機械傳動方面的教學及課程設計需求，更好的提高機械設計教學和其相關課程設計，以windows系統為平臺，應用VB6.0作為機械設計教學和其相關設計的開發工具，高效、精確的實現一級或多級機械傳動設計計算和軸承的選用計算。事實證明，采用該系統可靠、正確、穩定，用戶界面精簡，同時，應用該系統能提升傳動機械設計的精準度以及設計效率，并且在一般工業及機械設計制造領域可以廣泛應用。

關鍵詞：機械傳動系統；方案設計；CAD專家系統；多級傳動設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.240

0 引言

在本系統中，針對機械傳動中常用齒輪傳動、渦輪蝸桿傳動、鏈傳動、帶傳動的設計計算和軸承選用計算進行了科學的分析，同時在此基礎上制定了最優設計方案，最終為了實現質量高、自動化強的機械傳動設計，將相關計算過程進行參數化，相關數表及線圖程序化。

1 系統構成

本系統的構成分為三個層次 ：

（1）功能選擇，即“傳動計算”或“軸承選用”；

（2）參數設定及定義；

（3）計算及結果生成。

本系統主要由設計和校核為核心功能模塊，為其較好的實現相應的功能，該功能模塊設置了設計參數確定、設計參數校驗和結果計算等子模塊。整個系統除此模塊之外還設定了文件管理模塊、參數設定及定義模塊作為輔助模塊。該系統最突出的特點是在設計時能夠將計算結果和設計參數同屏顯示，在多級傳動設計時可以完全實現連續設計。

在本文中，為了介紹核心模塊，列舉多級傳動設計、圓柱形齒輪傳動設計和一般V帶傳動設計。

2 系統的主要內容

2.1 建立數學模型

本系統應用的機械傳動設計計算公式、選取的參數和采用的數據來源于文獻和機械設計手冊。

2.2 系統算法設計

算法設計作為該系統的重點和關鍵，其能影響到機械傳動設計的精確性、可靠性、穩定性和效率。在此通過對不同類型機械傳動設計計算過程和步驟的深入分析，確定最優算法，構建機械傳動設計計算程序框架。為了將線圖準確的程序化，文中采用插值法和多種擬合對線圖進行誤差比較，而后根據實際分析情況，對適用多種擬合的線圖則采用擬合公式，對適用插值法的線圖則采用插值法，如此可以極好的提高傳動設計計算的精準度。同樣，為實現數表的程序化，對其運用分段二次插值（lagrange插值）子函數。再者，讓傳動設計計算值更加規范、標準，在對計算值進行圓整、取標準值等情況下，應當應用合適的函數對計算值進行處理。

2.3 多級傳動設計的實現

多級機械傳動連續設計本質上等同于按照設計者定義的傳動順序有序調用相應傳動設計模塊計算而得，不同類型的傳動均具有4個主要的設計參數，即輸入功率、輸入轉速、傳動比和傳動效率。為保證連續傳動，前一級傳動的轉速和效率必須作為下一級的設計參數進行設定，而多級傳動設計精度取決于每一個一級傳動設計模塊的精度。因此，在多級傳動設計界面中只需在參數設計模塊中將輸入功率、輸入轉速、傳動比和傳動效率進行設定，同時調用一級傳動模塊就能完成機械傳動連續設計。

2.4 源程序編程

本文所研究的系統在Windows平臺上，利用VB6.0程序編程完成傳動設計源程序編程。由于能夠在同屏顯示各個傳動設計的參數和設計計算結果，因此，對設計者而言，對修改設計參數更加便利，對設計結果校核更直觀。為降低設計者的工作量和節省時間，在源程序中采用了多框組合模塊（com bom box控件）直接進行選擇，減少輸入工作量。除此之外，在計算過程中，程序對設計參數值進行判定，如果出現錯誤的或者是不合理的設計參數值，系統會彈出提示對話框（message box控件），同時，在該對話框中給出了對應的準確設計參數值，直至全部傳動設計參數值合理無誤后方可進行計算。

在Windows平臺上利用VB6.0程序編程的重點是如何按照已知定義的機械傳動順序按序調用對應的傳動設計子模塊。如下所示主控程序源代碼為實現上述功能的源程序編碼。

3 結語

本文所研究的系統設計思路獨特清晰，機械傳動設計功能實現模塊化強化了該系統的處理功能，能夠正確的實現計算過程參數化，相關數表及線圖程序化，提升了機械傳動設計的自動化程度，使傳動設計更加規范和標準。針對多級傳動實現了連續設計，提高了設計效率，減少了工作量，在同類設計系統中，該系統可靠穩定，用戶界面精簡便捷，頗具獨創性，同時在傳動機械設計的精準度以及設計效率方面，該系統更具優越性，并且在一般工業及機械傳動設計制造領域可以廣泛應用。

參考文獻：

[1]張偉社.機械傳動方案設計專家系統的關鍵技術[J].機械制造與自動化，2013（04）.

[2]范順成，張驍.關于機械傳動方案設計專家系統（DES）開發中建立知識庫問題的探討[J].機械設計，2011（02）.

[3]劉懷蘭，舒宜強.傳動方案設計專家系統的智能模型與關鍵技術[J].華中理工大學學報，2010（S1）.

作者簡介：周洋（1991-），男，土家族，本科，研究方向：機械設計制造及其自動化。