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。

摘 要：为方便高等院校机械设计专业在机械传动方面的教学及课程设计需求，更好的提高机械设计教学和其相关课程设计，以windows系统为平台，应用VB6.0作为机械设计教学和其相关设计的开发工具，高效、精确的实现一级或多级机械传动设计计算和轴承的选用计算。事实证明，采用该系统可靠、正确、稳定，用户界面精简，同时，应用该系统能提升传动机械设计的精准度以及设计效率，并且在一般工业及机械设计制造领域可以广泛应用。

关键词：机械传动系统；方案设计；CAD专家系统；多级传动设计

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

0 引言

在本系统中，针对机械传动中常用齿轮传动、涡轮蜗杆传动、链传动、带传动的设计计算和轴承选用计算进行了科学的分析，同时在此基础上制定了最优设计方案，最终为了实现质量高、自动化强的机械传动设计，将相关计算过程进行参数化，相关数表及线图程序化。

1 系统构成

本系统的构成分为三个层次 ：

（1）功能选择，即“传动计算”或“轴承选用”；

（2）参数设定及定义；

（3）计算及结果生成。

本系统主要由设计和校核为核心功能模块，为其较好的实现相应的功能，该功能模块设置了设计参数确定、设计参数校验和结果计算等子模块。整个系统除此模块之外还设定了文件管理模块、参数设定及定义模块作为辅助模块。该系统最突出的特点是在设计时能够将计算结果和设计参数同屏显示，在多级传动设计时可以完全实现连续设计。

在本文中，为了介绍核心模块，列举多级传动设计、圆柱形齿轮传动设计和一般V带传动设计。

2 系统的主要内容

2.1 建立数学模型

本系统应用的机械传动设计计算公式、选取的参数和采用的数据来源于文献和机械设计手册。

2.2 系统算法设计

算法设计作为该系统的重点和关键，其能影响到机械传动设计的精确性、可靠性、稳定性和效率。在此通过对不同类型机械传动设计计算过程和步骤的深入分析，确定最优算法，构建机械传动设计计算程序框架。为了将線图准确的程序化，文中采用插值法和多种拟合对线图进行误差比较，而后根据实际分析情况，对适用多种拟合的线图则采用拟合公式，对适用插值法的线图则采用插值法，如此可以极好的提高传动设计计算的精准度。同样，为实现数表的程序化，对其运用分段二次插值（lagrange插值）子函数。再者，让传动设计计算值更加规范、标准，在对计算值进行圆整、取标准值等情况下，应当应用合适的函数对计算值进行处理。

2.3 多级传动设计的实现

多级机械传动连续设计本质上等同于按照设计者定义的传动顺序有序调用相应传动设计模块计算而得，不同类型的传动均具有4个主要的设计参数，即输入功率、输入转速、传动比和传动效率。为保证连续传动，前一级传动的转速和效率必须作为下一级的设计参数进行设定，而多级传动设计精度取决于每一个一级传动设计模块的精度。因此，在多级传动设计界面中只需在参数设计模块中将输入功率、输入转速、传动比和传动效率进行设定，同时调用一级传动模块就能完成机械传动连续设计。

2.4 源程序编程

本文所研究的系统在Windows平台上，利用VB6.0程序编程完成传动设计源程序编程。由于能够在同屏显示各个传动设计的参数和设计计算结果，因此，对设计者而言，对修改设计参数更加便利，对设计结果校核更直观。为降低设计者的工作量和节省时间，在源程序中采用了多框组合模块（com bom box控件）直接进行选择，减少输入工作量。除此之外，在计算过程中，程序对设计参数值进行判定，如果出现错误的或者是不合理的设计参数值，系统会弹出提示对话框（message box控件），同时，在该对话框中给出了对应的准确设计参数值，直至全部传动设计参数值合理无误后方可进行计算。

在Windows平台上利用VB6.0程序编程的重点是如何按照已知定义的机械传动顺序按序调用对应的传动设计子模块。如下所示主控程序源代码为实现上述功能的源程序编码。

3 结语

本文所研究的系统设计思路独特清晰，机械传动设计功能实现模块化强化了该系统的处理功能，能够正确的实现计算过程参数化，相关数表及线图程序化，提升了机械传动设计的自动化程度，使传动设计更加规范和标准。针对多级传动实现了连续设计，提高了设计效率，减少了工作量，在同类设计系统中，该系统可靠稳定，用户界面精简便捷，颇具独创性，同时在传动机械设计的精准度以及设计效率方面，该系统更具优越性，并且在一般工业及机械传动设计制造领域可以广泛应用。

参考文献：

[1]张伟社.机械传动方案设计专家系统的关键技术[J].机械制造与自动化，2013（04）.

[2]范顺成，张骁.关于机械传动方案设计专家系统（DES）开发中建立知识库问题的探讨[J].机械设计，2011（02）.

[3]刘怀兰，舒宜强.传动方案设计专家系统的智能模型与关键技术[J].华中理工大学学报，2010（S1）.

作者简介：周洋（1991-），男，土家族，本科，研究方向：机械设计制造及其自动化。