机械传动系统方案设计CAD专家系统的研究

摘 要：具有集成化特点的计算机辅助设计是机械传动系统设计中的核心，也是完善机械制造技术的根本。本文结合机械传动方案的特点，将CAD专家系统技术应用于机械传动系统设计中，在系统内部应用Visual C++语言，提高人机交互的效率。

关键词：CAD专家系统；机械传动；方案设计

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

为了满足机械CAD的集成化特点，需要实现机械产品设计过程的自动化，同时也需要以计算机技术为重要的基础。近年来，国内外学者重点研究专家系统技术的应用，在其中进行知识推理。本研究结合机械传动系统化方案設计的特点，在机械传动系统方案设计过程中应用CAD专家系统，提出了信息模型的建立方案和系统的求解策略。

1 机械传动系统方案设计的特点

方案设计的重要任务是要满足用户的设计需求，完善系统的功能，在此基础上对系统的结构进行优化，系统方案设计的特点如下。

第一，有一定的难度。方案设计过程中一些任务没有完整的模型，在应用经验知识和设计数据的同时，对方案进行选型和评价，完善的模型和推理机制是实现方案设计自动化的根本[1]。第二，具有多层次和目标性。方案设计十分复杂，需要结合设计任务在不同层次上开发子任务，同时需要保证不同子任务之间可靠联系。第三，具有多样性特点。方案设计中的功能和结构之间是一种多对多的关系，提高了系统设计的复杂性和多样性，质量评价是系统开发过程的难点。第四，需要在方案设计的基础上进行再设计。求解设计问题时，往往涉及到再设计环节，并且由于系统设计具有较高的复杂性，再设计环节将十分困难。

结合以上特点，方案设计可以选用专家系统来开发。

2 方案设计方法

2.1 建立信息模型

结合方案设计的多任务性和多层次性，应用分级的设计方法，从上至下分配不同的子集，为了清楚地描述不同概念之间的关系，合理应用与/或树。即在设计过程中应用与/或树构成完善的概念空间，对机械传动系统结构的组成部分进行描述，明确配套部件之间的关系，描述设计任务的多层次性和多任务性，用“或”关系表明方案的多样性。

2.2 设计知识库

系统设计过程中的知识库需要保存多种知识，完善管理方案，不同的知识以相应的规则形式存储起来。在知识库设计过程中需要建立完善的知识模型，明确模型的内部表示，同时实现节点管理[2]。

用与/或树将设计问题转换为对应的规则，对概念空间进行规划和描述，将系统设计过程中的概念问题编制成为有效的概念空间，实际设计过程中，设计人员应用知识经验和假设推理，建立概念的约束推理网络，结合概念空间中的知识模型进行模拟。

为了构建科学的概念推理网络图，需要将触发后的概念节点和约束条件附加到与/或树中。针对同一个概念而言，可能是多个分支概念的前提，在推理网络上对应一个与/或图，在约束推理的过程中需要在与/或图上开展详细的搜索工作，保证满足约束条件。

以模切机传动方案设计为例，图1是推理网络子图。

其中Ei表示约束条件，Ci表示概念节点。系统知识库中的知识结合设计经验，应用Visu C++语言描述字符串，结合类继承和函数的重载优势对知识库中的信息进行完善和修改。

在管理知识模型节点的过程中，需要结合实际的约束推理网络，在概念节点层次管理的基础上，对方案的目标节点进行记录。同时需要应用相应的规则描述不同的概念节点和逻辑关系，将与节点有关的规则分为前推规则和后推规则，借助系统的知识获取模型搜索规则集。

2.3 系统的求解策略

方案设计专家系统求解的过程中，应用可靠的功能分析器、参数求解器和方案分解器，功能分析器结合系统功能库中相应的规则，借助正向推理方法按照设计需要扩展为事实。参数求解器需要结合方案结构的实际属性，完善系统的参数设计，应用相应的经验值规则进行求解。方案分解器在应用的过程中借助递归控制方案分解有效的概念空间，不同的有效空间都有可靠的方案，在方案分解过程中保证设计的多方案性[3]。另外，还需要应用符号布置设计对系统中不同零件之间的拓扑关系进行确定，例如机械系统中齿轮的排列顺序、齿轮的啮合关系等，在实际设计时需要应用面向方案的临接矩阵描述机械传动系统中的多种拓扑关系，结合拓扑关系可以自动绘制出方案的运动简图，应用专业的控制方法，调用知识库中的信息，求解相应的问题。

在机械产品传动方案的专家系统设计中也可以应用混合推理的方法，即利用启发性的知识编辑原有的概念空间，将概念空间转变为满足用户需求的有效结构空间，应用递归的混合搜索方案，在每扩展一次概念后立即进行一次优先搜索，节点验证时应用相应的规则。

3 结束语

机械产品传动系统的方案设计，应用CAD专家系统对经验知识进行科学的总结，提高推理效果，优化传动方案，实现参数优化和简图绘制的一体化。应用规则分类的方法描述知识库中的多种规则，借助开放式的设计方法，提高系统维护的便利性，以Visual C++为开发环境，应用面向对象的程序设计理念，为系统的深度开发奠定基础。

参考文献：

[1]陈义军.机械传动系统方案设计CAD专家系统的研究[J].东南大学，2014，25（12）：225.

[2]许忠信.机械传动系统的结构设计与CAD集成技术研究[J].清华大学，2015，15（01）：154.

[3]竺芳.机械设计中轴系结构主要功能元的特征属性研究[J].科技信息，2010，36（33）：124.

作者简介：胡懿夫（1991-），男，湖南娄底人，本科，研究方向：机械设计制造及其自动化。