基于事例的减速器的设计

谢伟华1 李 波2 张慧明3 吴又安3
1 武昌船舶重工集团有限公司 武汉 430060 2 武汉理工大学 武汉 430063
3 湖北科峰传动设备有限公司 武汉 430000

摘 要: 提出基于事例推理（CBR）的方法，在已有设计事例的经验基础之上，构建自顶而下的智能计算机辅助设计系统。给出了以AutoCAD for Windows 为支撑平台的减速器CAD 系统的总体结构与实现方法，对系统的设计思想进行了详细的描述，采用模块化结构对整个系统软件进行设计，使整个系统便于修改和移植。讨论了减速器装配模型的建立，分析了各部件的装配关系，提出基于信息共享生成装配图的方法。同时对系统中其他的开发问题与解决方法进行了讨论。
关键词：减速器；基于事例；计算机辅助设计
中图分类号：TH112:TP311 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2018）0111-04

0 引言
减速器在机器设备上起着十分重要的作用，正向多品种、小批量方向发展。目前已有标准系列减速器，但很多场合标准减速器不符合实际需要，须设计非标准减速器，随着这种非标设计任务越来越多，须以缩短设计周期、提高设计精度、开发减速器CAD 系统等来顺应这一形势。但目前减速器CAD 系统主要集中在设计规程的程序化与工作图绘制等方面，以固定算法模拟实际设计，通用性不强，难以利用过去成功的经验，不能很好地满足减速器的设计要求。基于事例的推理（CBR）是一种新的AI 推理方法，它直接利用相似事例的解来求解当前问题。由于它只需知道问题的求解结果，而不需要知道如何求解的知识，较容易从专家处获取，从而大大提高了设计的精度与效率。本文研究了基于事例的减速器设计框架，利用AutoCAD 提供的强有力图形编辑功能、良好的开放体系结构和二次开发环境，以及高级语言、Foxpro 数据库提供的接口功能，对减速器CAD 系统进行了应用研究。

1 设计思想
1.1 基于事例的减速器设计
工程设计师们都有这样的体会，即每一次新的设计都是建立在过去类似的设计经验基础上的，从“零”开始的设计几乎是不存在的。传统上的设计经验是以文字、图表等形式保存起来或记忆在人的大脑中，对新的设计分析、归纳后，可从过去的“设计”中提取可利用的资源，直接引用或改造后利用，而新设计完成后其本身亦成为将来设计的经验。随着计算机技术的发展，上述工作都可交给计算机完成。减速器设计主要包括两部分：一是基本参数（转速、传动比、扭矩）计算等；二是结构设计。前者依据理论和经验公式进行，是基于规则的方法来实现的；后者则主要依靠无法用规则来表示的经验知识，适宜用基于事例推理的技术解决。

基于事例的推理技术是20 世纪90 年代人工智能领域中兴起的一门新技术。它是一种类比推理，非常符合设计师正在进行设计时的思路，不仅可缓和专家系统知识获取的困难，而且可以大大提高系统推理效率，增强人工智能处理异构知识的能力，能够处理过程性知识、经验性知识和事例知识。本文将基于事例的推理技术应用到减速器CAD 系统的研究，图1 表示基于事例的推理技术的过程模式和功能模块，主要包括识别新任务、指定索引、从事例库中检索相似事例、相关设计任务回调和改写事例的解，以满足新任务、新的解反馈入事例库。

图1 基于事例的推理

减速器结构由箱体与箱盖结构、齿轮、轴、轴承、键、密封与防尘结构、透气、加排油结构等组成。设计时，首先生成减速器整体结构的框架，再对各部件进行详细设计。而在设计部件时，亦先确定部件的框架，再设计组成该部件的零件。因此，减速器结构设计需要在整体层、部件层和零件层分别应用CBR 技术。事例包括设计任务和设计结果两部分。设计任务是减速器、部件和零件的设计输入，自顶而下分三层。基于事例的减速器结构设计流程见图2。从事例库中寻找与当前任务最相似事例采用相似度识别法，可参考文献[1]。

1.2 模块化设计
为了便于修改和移植，整个系统软件采用模块化结构设计[2，3]。软件系统各模块的关系如图3 所示。

图2 基于事例的减速器结构设计流程

图3 软件系统结构图

初始化模块的作用是将系统功能的设置都还原为开始设置，初始参数输入框中的数值为默认值；菜单管理模块是对系统的功能模块 菜单进行整理维护，该模块提供了灵活的拖拽功能，在菜单管理模块中，可以添加、删除、修改、拖动菜单位置，还可以导出菜单数据, 系统各功能
模块都是点击菜单执行；文件管理模块包含了系统所有对文件的基本管理操作，实现数据文件上传、下载、维护、预览以及搜索等功能；参数输入模块即处理齿轮传动设计的初始参数输入，输入框中的数值为初始默认值，但可修改；事例库模块核心是事例库，包含大量的减速器历史数据，事例库可以随时添加新的事例 ；事例推理模块涉及的核心问题有事例的表达、存储、标识、匹配及更新，用户输入的靶事例与库中基事例进行关联比较，选出相似度最高的事例返回用户，通过对历史事例知识的挖掘，获得蕴含于过去事例中的丰富经验知识。

接口设计是执行对连接系统内各部分、系统与外部之间交换数据、信息的接口进行设计；标准件库模块核心是标准件库，标准件无需设计，把减速器常用的标准件收集在标准件库直接调用；零件绘图模块实现采用参数化方式完成减速器零件的结构图绘制；产品装配模块实现减速器的整体装配，形成装配图；在线帮助模块对用户可能遇到的一些常见问题提供解决方案。

2 系统开发中的问题与解决方法
2.1 装配图生成
对装配图进行人机交互式绘图。工程三维视图上各图元（点、线、圆、块等）按一定结构约束关系形成。

这种约束分两个方面：一是定位约束，即限制图元在图面上的位置，靠尺寸链来实现约束；二是结构约束，即将图元信息预先保存起来，根据图形的要求予以引用。本文通过生成装配图用装配尺寸链描述安装信息，将各零部件视同“图元”。

装配图生成模型包含如下信息：
1） 装配体与其组成成员（零部件）之间的关系；
2） 组成成员之间的相互关系；
3） 组成成员自身的信息。
针对装配模型的特点，具体采用如下装配图生成技术：
1）将零（部）件的图形信息处理成具有消隐能力的适合装配的特征图元，便于生成装配图时直接共享零件图中的图形信息。
2）将各零部件形成的特征图元归纳建库，便于直接调用。当装配图需修改时，可以通过零件共享装配图信息技术，快速地将零件的相关修改信息传递到相关模型中，从而实现设计的并行处理。
3）采用消隐技术，即对零（部）件图形根据层次遮挡关系进行可见性处理，而非剪裁，从而保证了零部件基本图元的完整性，当各零（部）件相互位置发生变化而致遮挡关系发生变化时能方便快捷地修改。
4）遮盖技术，利用装配模型中局部关联性特点，在生成装配图中某一零部件的图形时，只需把该零部件有关信息调入内存，进行装配消隐，这样可以降低装配图复杂程度对内存的依赖。

2.2 参数化绘图的实现
图形绘制是系统的核心部分。利用ARX 开发方法，可使采用AutoLISP语言难以完成的工作变得轻而易举，同时在绘图中大量的几何尺寸计算都由计算机完成。

2.3 命令组文件SCR 的应用
命令组文件是预先用一系列AutoCAD 命令和选择项构成的命令序列，用户可以方便地选取图形幅面，将图形设计得与之相适应，这样可以使绘图单位与图纸上标注的尺寸一致，减少了按比例折算的工作量，而且提高了AutoCAD 的运行效率。

2.4 数据库存取接口
充分利用AutoCAD SQL 接口（ASE），直接AutoCAD内部存取数据，进行实时数据库存取。这样可避免开发数据库管理软件接口程序，实现图形与数据记录的双向参照查询和动态数据显示。

2.5 图形库建设
出于提高设计效率的需要，系统建立了丰富的图形库。标准件的图形在许多零件及总成中被大量使用。鉴于标准件型号较多，同一类标准件的图形大多局部特征相同，故系统以图素为基础单元，保存标准件的图形要素，以便调用。在减速器设计中，有许多零件是通用的，如密封圈、垫片等。将这些零件直接在AutoCAD 下绘制，存放在通用件图形库中，方便查询调用。此外还有专门设计的符号库，存放表面粗糙度、形位公差等工程图固定符号，绘图时直接插入。

2.6 数据库的建立
数据库起着联系计算分析与绘图之间的通讯接口作用。本系统将数据库分成三类：1） 标准数据库，库中数据包括轴承内径、螺栓直径等几何尺寸与形位公差、精度等级等，为国家标准规定的数据；2）结果数据库，库中存放最后设计结果，如各零件外形和连接尺寸等；3）中间数据库，存储设计计算中生成的一些临时数据，保存这些数据便于对改进设计尺寸进行指导，使设计人员能够掌握修改设计的尺度。后两种数据企业对外保密，故采取了加密措施。

3 基于CBR 的行星齿轮减速器参数化设计系统
减速器数字化设计平台包括总体设计、参数化设计、通用件及标准件、自动装配、结构有限元分析和帮助功能。用户可根据需要，选择搭配多级传动系统，生成三维模型和工程图，实现一定的总传动比。可以相应地设计减速器零部件，通过修改参数，完成其他零部件的重新建模和工程图自定义属性的修改，并生成三维模型和工程图。

4 结束语
1）基于事例推理的设计系统能有效利用已有的成功经验，避免了从起点产生新问题的求解，大大缩短了寻求最终解决方案的时间，系统易于开发；
2）系统程序按功能分块，各子模块受主模块的管理与调用，各模块都归属于菜单管理，操作性强，编程与维护方便；
3）装配图和零件图的信息相互关联，使产品设计中CAD 图形信息实现共享；
4）系统有完整的设计计算程序库和绘图软件包，可单独绘制装配图或零件图，也可一次性绘出全部图纸，方便灵活；
5）相对传统的设计模式，减速器CAD 系统设计效率与设计质量都得到提高。

参考文献
[1] 欧阳渺安. 智能设计集成推理技术的研究[J]. 机械设计与研究，1999（1）.
[2] 曹永新. 基于数字化资源集成的齿轮传动机构智能CAD系统研究 [D]. 成都：四川大学，2006.
[3] 徐芹亮, 张俊华. 基于案例的汽车焊接夹具设计研究[J].机械设计与制造, 2007(8).