第六章 圓柱齒輪減速器專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程
6.1任務(wù)描述
完整的設(shè)計(jì)一臺(tái)圓柱齒輪減速器是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，欲能夠?qū)崿F(xiàn)圖1-l 及圖1-2-1 、圖1-2 -2、圖1-2-3如此眾多種類(lèi)的圓柱齒輪減速器的設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)任務(wù)將是更加艱巨，如何組織、構(gòu)成系統(tǒng)，必須進(jìn)行分析。正確、合理地分析設(shè)計(jì)過(guò)程的同時(shí)，充分考慮計(jì)算機(jī)資源的影響制約因素將對(duì)圓柱齒輪減速器專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗起重要的作用。第一章曾經(jīng)討論過(guò)圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)的全過(guò)程，在此采用的分析方法是：在系統(tǒng)的目的和總目標(biāo)的指導(dǎo)下，對(duì)各設(shè)計(jì)階段分層次，在各個(gè)層次有不同的分目標(biāo)，并以各個(gè)層次的分目標(biāo)，構(gòu)造出對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)總目標(biāo)以及各個(gè)層次分目標(biāo)的系統(tǒng)組成要素，這些要素的相互關(guān)系以及在系統(tǒng)階層上的分布形式和整體的協(xié)調(diào)形式，這就保證了系統(tǒng)在對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)總目標(biāo)和環(huán)境因素約束集的條件下，構(gòu)成系統(tǒng)組成要素集，這些要素集之間相互關(guān)系集以及要素集及相關(guān)關(guān)系集在階層分布上最優(yōu)結(jié)合，導(dǎo)致系統(tǒng)輸出為最優(yōu)。
系統(tǒng)以層次形式存在時(shí)，層次得劃分便成為系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)重要因素。分層次性主要有以下兩個(gè)因素：一是傳遞設(shè)計(jì)信息的效率和費(fèi)用，如果構(gòu)成系統(tǒng)的傳遞鏈及傳遞路徑過(guò)長(zhǎng)，那么，各功能團(tuán)出入的次數(shù)增多，系統(tǒng)的效率將降低，周期變長(zhǎng)，費(fèi)用隨之增加。從另一角度講，如果階層幅面太寬，不僅實(shí)現(xiàn)功能不利，難于控制，計(jì)算機(jī)資源也將耗費(fèi)貽盡，使系統(tǒng)根本就無(wú)法運(yùn)行。二是功能團(tuán)（或功能單元）合理的結(jié)合和歸屬，對(duì)于設(shè)計(jì)而言，有些功能團(tuán)之間相互交叉，互為補(bǔ)充。有些功能團(tuán)之間的聯(lián)系則要松弛的多。因此，合理地解決這個(gè)問(wèn)題，將會(huì)對(duì)系統(tǒng)的研制起到事半功倍的效果。
總之，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳布局，最大利用計(jì)算機(jī)資源，論文了提出圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)摸型：總?cè)蝿?wù)控制各分任務(wù)，分任務(wù)調(diào)度各級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)，實(shí)現(xiàn)圓柱齒輪減速器的專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)總體構(gòu)造如圖6-l 所示。
從圖6-1 中可以看出，圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)任務(wù)本身包括二部分：減速器參數(shù)設(shè)計(jì)和減速器繪圖。本章論述圓柱齒輪減速器參數(shù)設(shè)計(jì)。
圓柱齒輪減速器參數(shù)設(shè)計(jì)部分包括原始數(shù)據(jù)輸入，設(shè)計(jì)、計(jì)算以在數(shù)輸出，是減速器專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分。
6.2系統(tǒng)的輸入及輸入處理
6.2.1系統(tǒng)的輸入
系統(tǒng)的輸入是專家系統(tǒng)的“開(kāi)場(chǎng)條件”，人工設(shè)計(jì)的方法是由定貨單位向設(shè)計(jì)人員提供任務(wù)書(shū)（以口頭或書(shū)面形式），設(shè)計(jì)人員通過(guò)這些已知條件進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。專家系統(tǒng)則要求設(shè)計(jì)人員（或由定貨人員）與計(jì)算機(jī)進(jìn)行“對(duì)話”，以便使專家系統(tǒng)了解原始的已知條件。事實(shí)上，由于受人工智能和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的限制，還不能同計(jì)算機(jī)形成視、聽(tīng)對(duì)話，因而，圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)CAD所采用的方法，即采用精確的輸入方式（或稱數(shù)據(jù)輸入方式而非語(yǔ)言物入方式）。
減速器的原始輸入數(shù)據(jù)有：
1.充分條件：
（1）原動(dòng)機(jī)的型號(hào)規(guī)格，轉(zhuǎn)速，功率（或扭矩），允許短時(shí)過(guò)載能力，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，起動(dòng)扭矩；
（2）工作機(jī)械的型號(hào)規(guī)格，用途，頗定功率（或工作扭矩），變載荷的負(fù)載圖，起制動(dòng)、短時(shí)過(guò)載扭矩和次數(shù)，工作制度和負(fù)載持續(xù)率，工作轉(zhuǎn)速，旋轉(zhuǎn)方向；
（3）傳動(dòng)比與允許誤差（工作機(jī)械允許轉(zhuǎn)速的誤差）；
（4）要求壽命，安全系數(shù)，可靠性；
（5）安裝型式（與原動(dòng)機(jī)，工作機(jī)的相對(duì)位置），尺寸，重量要求；
（6）環(huán)境條件：溫度，散熱冷卻條件，潤(rùn)滑條件（是否有集中潤(rùn)滑站）濕度，酸城度，灰塵濃度；
（7）操作，控制要求；
（8）批量（制造臺(tái)數(shù)）；
（9）制造廠的設(shè)備條件（加工能力）；
（10）材料，毛坯，標(biāo)準(zhǔn)件來(lái)源，庫(kù)存倩況；
（11）交貨期限；
（12）成本和價(jià)格要求等。
2.必要條件（不可少的條件）
必要條件是充分條件中的前三條。其余條件用戶如果未提，由設(shè)計(jì)人員按此三條確定。對(duì)于一個(gè)實(shí)用型的系統(tǒng)，人機(jī)交互口是非常重要的，它是一個(gè)軟件系統(tǒng)的外在表現(xiàn)，直接關(guān)系到系統(tǒng)的可用性。CGREST采用的方法是對(duì)輸入進(jìn)行分類(lèi)后，對(duì)不同類(lèi)型采用不同屏幕的表格輸入技術(shù)。具體如表6-1、表6-2所示：
由于輸入數(shù)據(jù)的不確定性，系統(tǒng)允許進(jìn)行缺省輸入，以“N”為標(biāo)志；當(dāng)輸入數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤需要修改時(shí)，在“HIT”處鍵入“N”修改此屏幕的輸入數(shù)據(jù)。
6.2.2系統(tǒng)輸入?yún)?shù)的處理
系統(tǒng)的輸入以數(shù)據(jù)形式進(jìn)行，專家系統(tǒng)則以知識(shí)的某種形式表達(dá)。如表6-3和表6-4的輸入“K”（指金屬滾軋機(jī)械類(lèi)）和“C”（指冷軋機(jī)），則產(chǎn)生如下的轉(zhuǎn)變：
METAL ROLLINE==>（KIND OF MACHINE IS METAL ROLLING MACHINE）
COOL ROLLING MACHINE==>（WORKING MACHINE IS COOL ROOLING MACHINE）
一般情況下，工作機(jī)械確定后，其工況條件便有可能隨之確定。這就是說(shuō)，在確定工作機(jī)械名稱時(shí)，隱含確定以下內(nèi)容：即這種工作機(jī)械的載荷情況（如均勻、中等沖擊還是強(qiáng)沖擊），一般負(fù)載情況，一般要求效率等等。為了適應(yīng)特殊情況，系統(tǒng)通過(guò)逆向推理的方式對(duì)默認(rèn)值的詢問(wèn)得到設(shè)計(jì)人員的進(jìn)一步認(rèn)可，即將工作機(jī)械的默認(rèn)工況條件作為假設(shè)目標(biāo)，通過(guò)詢問(wèn)進(jìn)一步確定。其形式如下：
Is （middle impact load）true__？
6.3減速器原動(dòng)機(jī)械的選擇
它動(dòng)力機(jī)械時(shí)可以用輸入的方法決定。
電動(dòng)機(jī)是已經(jīng)系列化的產(chǎn)品。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，關(guān)于電動(dòng)機(jī)的選擇，主要是根據(jù)所需電動(dòng)機(jī)的輸出功率、工作機(jī)構(gòu)的要求、工作條件、工作環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性等因素，確定電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型、功率及轉(zhuǎn)速，亦即確定電動(dòng)機(jī)的型號(hào)�？蓺w納出如下的規(guī)則：
rules==＞((rule motor-l
(if(working mechine is elevator))
(then（motor type is JZ series)))
((rule motor-5
(if (working mechine has standard as IEC)
(then ( motor type is Y series)))
……）
電動(dòng)機(jī)的型號(hào)確定后，根據(jù)工作機(jī)械的功率并考慮傳動(dòng)效率等因素選擇電動(dòng)機(jī)容量；根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)選擇電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；并進(jìn)行一系列的校核。然后從電動(dòng)機(jī)文件中查取標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)。
6.4選擇材料
減速器需要設(shè)計(jì)的零件種類(lèi)很多；同時(shí)，每一種零件可供選擇的材料也有許多種。如綱材，鑄鐵以及特殊情況下使用的有色金屬，粉末冶金及塑料等。但在重型機(jī)城減速器中，以鋼為主。零件材料中，以齒輪材料的選擇較為典型，現(xiàn)討論如下：
6.4.1齒輪材料
選擇齒輪材料，除考慮圓柱齒輪減速器的工作條件、結(jié)構(gòu)、尺寸、精度、壽命、經(jīng)濟(jì)性等方面的要求外，還要考慮制造廠的生產(chǎn)技術(shù)條件�？梢酝ㄟ^(guò)推理選擇一種材料，但這在實(shí)用的系統(tǒng)中并不實(shí)際，一個(gè)顯而易見(jiàn)的原因是若生產(chǎn)廠家無(wú)此種材料的情況出現(xiàn)。通常滿足某類(lèi)條件的是一材料系列，例如，
滲破齒輪鋼ORDERI==＞(17CrNiMo6 20CrNi4W 20Cr2MnMo……16MnCr5)
高調(diào)質(zhì)鋼OROBR2==＞(40GrNiMo 42CrMO4V 34GrNiMo6V 42CrMo)
以及調(diào)質(zhì)炯ORDER3==＞(42CrMo4V 42CrMO 40CrNi)
等使用時(shí)選用的規(guī)則如下（產(chǎn)生式）:
若選用材料類(lèi)確定，則計(jì)算機(jī)出現(xiàn)下列形式
The PRDER1 series material is （17GrNiMo6 20CrNi4W 20Cr2MnMo ……）
selecting the material ==>17CrNiMo6
satisfactory？（Y or N）
默認(rèn)時(shí)選擇材料系列的前項(xiàng)，否則依次向后。
當(dāng)材料確定后，系統(tǒng)從材料庫(kù)（如表6-5）中選取相應(yīng)的材料。
6.4.2 軸及其他材料
軸、箱體以及對(duì)大型組裝具輪采用的支撐部分的材料的選擇方法類(lèi)同于齒輪材料，在此不詳細(xì)討論。若當(dāng)前材料數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)可供選擇的材料時(shí)，系統(tǒng)便要求用戶輸入指定的材料特性，并按相應(yīng)的格式加入到材料數(shù)據(jù)庫(kù)，以便不斷地完善系統(tǒng)的材料庫(kù)。
6.4.3 材料熱處理
材料確定后，根據(jù)選擇材料的種類(lèi)，可以確定所采用的熱處理工藝，（可從表6-5中看出）并同時(shí)確定齒輪材料與熱處理特性系數(shù)，有表6-6（框架方法）表示之，特殊情況這里不予考慮。
6.4傳動(dòng)方案
傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)由齒輪齒形，傳動(dòng)級(jí)數(shù)和傳動(dòng)型式等組成部分。
6.5.1齒輪齒形
齒輪齒形的選擇需要考慮許多因素，如傳動(dòng)效率、傳動(dòng)平穩(wěn)性、承載能力、振動(dòng)、沖擊、噪音等。圓柱齒輪有三種齒輪齒形可供選擇：直齒、斜齒、人字齒形�？蓺w納如下的規(guī)則形式（齒輪齒形選取規(guī)則）：
其中，規(guī)則六實(shí)際上是一條缺省規(guī)則。
規(guī)則l的條件項(xiàng)，初次使用時(shí)，由于中心距尚未確定，不能觸發(fā)運(yùn)用。系統(tǒng)采用的方法是先用初次選用的齒形參與傳動(dòng)計(jì)算，待求出中心距時(shí)再次調(diào)用該規(guī)則集進(jìn)行推理。若于原來(lái)的假設(shè)發(fā)生沖突，撤銷(xiāo)原假設(shè)并以新事實(shí)重新進(jìn)行計(jì)算。
6.5.2 傳動(dòng)級(jí)數(shù)
1.總傳動(dòng)比
總傳動(dòng)比i（i=nl/n2 ）已在設(shè)計(jì)條件中給出。
若傳動(dòng)裝置中各級(jí)傳動(dòng)串聯(lián)時(shí)，則總傳動(dòng)比
i=i1×i2×i3×…×ig
式中，il～ig為各級(jí)傳動(dòng)的傳動(dòng)比。
表6-7傳動(dòng)比范圍
| 齒輪特性 |
傳動(dòng)比范圍 |
| 單級(jí) |
二級(jí) |
三級(jí) |
四級(jí) |
| 滲碳、淬火、磨齒6級(jí)精度 |
≤5.6
（6.3） |
6.3-20
（31.5） |
22.5-100
（180） |
112-560
（1000） |
調(diào)質(zhì)齒面HB286-360
滾齒精度7-8級(jí) |
≤6.3
（7.1） |
7.1-31.5
（40） |
35.5-200
（250） |
225-1000
（1600） |
調(diào)質(zhì)齒面HB217-286
滾齒精度8級(jí) |
≤7.1
（8） |
8-40
(50) |
40-250
（350） |
250-1600
（2500） |
一般情況下，傳動(dòng)級(jí)數(shù)按表6-7傳動(dòng)比范圍選取，表中括弧內(nèi)的值是可能的最大值。對(duì)于最佳范圍內(nèi)的易于實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案（例如等強(qiáng)度原則）。但是，對(duì)于傳動(dòng)比集相交的，例如圖6-2所示的，則評(píng)價(jià)準(zhǔn)則相當(dāng)復(fù)雜。到目前為止，難以找出一種較佳的判別準(zhǔn)則，專家系統(tǒng)采用的方法是：當(dāng)傳動(dòng)比在交集范圍內(nèi)時(shí)，便展開(kāi)不同方案的進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后形成多方案，然后對(duì)不同的方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，選擇最優(yōu)方案。這個(gè)問(wèn)題將在以后討論。除按上面介紹的方法確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)及傳動(dòng)比外，專家系統(tǒng)根據(jù)用戶條件亦可按照下列條件確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)及傳動(dòng)比，其依據(jù)為：
①用戶要求減速器矮而長(zhǎng)；
②負(fù)載不大，但要求輸入軸和物出軸的距離大。
2.各級(jí)傳動(dòng)比
二級(jí)以上圓柱齒輪減速器的各級(jí)傳動(dòng)比分配原則，最優(yōu)先是各級(jí)傳動(dòng)承載能力大致相等，其次是使各級(jí)大齒輪能夠浸油潤(rùn)滑，減速器尺寸小，重量較小，各級(jí)齒輪圓周速度低，對(duì)于系列減速器還要根據(jù)所采用的材質(zhì)工藝方案，充分考慮零、部件的通用性問(wèn)題。
傳動(dòng)比分配采用以經(jīng)驗(yàn)方法求出基本可行的分配方案，到下一步優(yōu)化設(shè)計(jì)（精確設(shè)計(jì)計(jì)算或校核計(jì)算）時(shí)進(jìn)一步肯定或做微小調(diào)整，經(jīng)驗(yàn)公式為：
（1）二級(jí)傳動(dòng)減速器
在滿足用戶需要的前題下，ig取鄰近的標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)比（標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)比系列可見(jiàn)附表l),il向較大標(biāo)準(zhǔn)值靠，12向較小標(biāo)準(zhǔn)值靠，i1和i2之間也可問(wèn)跳一級(jí)或取相鄰的二級(jí)，主要視傳動(dòng)誤差及用戶要求。
（2）三級(jí)傳動(dòng)減速器
優(yōu)先采用的方案為：取i2為ig相鄰的標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)比，i1為大于i2一級(jí)，i3為小于i2一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)比。
也可實(shí)現(xiàn)下式的方案：
i1≤i2≈ig≤i3
（3）四級(jí)傳動(dòng)減速器
優(yōu)先采用：i1>i2≈ig≈i3>i4
對(duì)各級(jí)減速器，總傳動(dòng)誤差分析如下：
△i=￤（i-i＇）÷i￤×1000%
式中：△i、i、i＇分別為總傳動(dòng)誤差、理論傳動(dòng)比和實(shí)際傳動(dòng)比。
對(duì)傳動(dòng)誤差的要求：
△i≤（g+2)*100% g=1,2,3,4為傳動(dòng)級(jí)數(shù)
對(duì)于特殊情況下傳動(dòng)比的確定，由于情況千差萬(wàn)別，無(wú)明確規(guī)則可以遵循，系統(tǒng)暫時(shí)采用輸入的方法決定。
6.5.3傳動(dòng)結(jié)構(gòu)型式
傳動(dòng)結(jié)構(gòu)型式是指齒輪及其軸線的布置和相對(duì)位置。系統(tǒng)采用默認(rèn)方式（如齒輪材料中介紹的方法）在圖l-2中選擇傳動(dòng)結(jié)構(gòu)型式。如按專家建議，對(duì)一級(jí)傳動(dòng)優(yōu)先采用序號(hào)1等。對(duì)于其它傳動(dòng)型式或特殊設(shè)計(jì)，系統(tǒng)暫時(shí)未能考慮。
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