第六章 圓柱齒輪減速器專家系統(tǒng)設(shè)計過程
6.1任務(wù)描述
完整的設(shè)計一臺圓柱齒輪減速器是一個復(fù)雜的過程，欲能夠?qū)崿F(xiàn)圖1-l 及圖1-2-1 、圖1-2 -2、圖1-2-3如此眾多種類的圓柱齒輪減速器的設(shè)計專家系統(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)計過程的同時，充分考慮計算機(jī)資源的影響制約因素將對圓柱齒輪減速器專家系統(tǒng)設(shè)計的成敗起重要的作用。第一章曾經(jīng)討論過圓柱齒輪減速器設(shè)計的全過程，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，對各設(shè)計階段分層次，在各個層次有不同的分目標(biāo)，并以各個層次的分目標(biāo)，構(gòu)造出對應(yīng)于系統(tǒng)總目標(biāo)以及各個層次分目標(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，層次得劃分便成為系統(tǒng)構(gòu)成的一個重要因素。分層次性主要有以下兩個因素：一是傳遞設(shè)計信息的效率和費(fèi)用，如果構(gòu)成系統(tǒng)的傳遞鏈及傳遞路徑過長，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，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，計算機(jī)資源也將耗費(fèi)貽盡，使系統(tǒng)根本就無法運(yùn)行。二是功能團(tuán)（或功能單元）合理的結(jié)合和歸屬，對于設(shè)計而言，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，合理地解決這個問題，將會對系統(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，最大利用計算機(jī)資源，論文了提出圓柱齒輪減速器設(shè)計摸型：總?cè)蝿?wù)控制各分任務(wù)，分任務(wù)調(diào)度各級數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫，實(shí)現(xiàn)圓柱齒輪減速器的專家系統(tǒng)設(shè)計。
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)計任務(wù)本身包括二部分：減速器參數(shù)設(shè)計和減速器繪圖。本章論述圓柱齒輪減速器參數(shù)設(shè)計。
圓柱齒輪減速器參數(shù)設(shè)計部分包括原始數(shù)據(jù)輸入，設(shè)計、計算以在數(shù)輸出，是減速器專家系統(tǒng)設(shè)計的核心部分。
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“開場條件”，人工設(shè)計的方法是由定貨單位向設(shè)計人員提供任務(wù)書（以口頭或書面形式），設(shè)計人員通過這些已知條件進(jìn)行設(shè)計工作。專家系統(tǒng)則要求設(shè)計人員（或由定貨人員）與計算機(jī)進(jìn)行“對話”，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算機(jī)技術(shù)發(fā)展的限制，還不能同計算機(jī)形成視、聽對話，因而，圓柱齒輪減速器設(shè)計專家系統(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）原動機(jī)的型號規(guī)格，轉(zhuǎn)速，功率（或扭矩），允許短時過載能力，轉(zhuǎn)動慣量，起動扭矩；
（2）工作機(jī)械的型號規(guī)格，用途，頗定功率（或工作扭矩），變載荷的負(fù)載圖，起制動、短時過載扭矩和次數(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（與原動機(jī)，工作機(jī)的相對位置），尺寸，重量要求；
（6）環(huán)境條件：溫度，散熱冷卻條件，潤滑條件（是否有集中潤滑站）濕度，酸城度，灰塵濃度；
（7）操作，控制要求；
（8）批量（制造臺數(shù)）；
（9）制造廠的設(shè)備條件（加工能力）；
（10）材料，毛坯，標(biāo)準(zhǔn)件來源，庫存倩況；
（11）交貨期限；
（12）成本和價格要求等。
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)計人員按此三條確定。對于一個實(shí)用型的系統(tǒng)，人機(jī)交互口是非常重要的，它是一個軟件系統(tǒng)的外在表現(xiàn)，直接關(guān)系到系統(tǒng)的可用性。CGREST采用的方法是對輸入進(jìn)行分類后，對不同類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)有錯誤需要修改時，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）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，在確定工作機(jī)械名稱時，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)通過逆向推理的方式對默認(rèn)值的詢問得到設(shè)計人員的進(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)，通過詢問進(jìn)一步確定。其形式如下：
Is （middle impact load）true__？
6.3減速器原動機(jī)械的選擇
它動力機(jī)械時可以用輸入的方法決定。
電動機(jī)是已經(jīng)系列化的產(chǎn)品。在機(jī)械設(shè)計中，關(guān)于電動機(jī)的選擇，主要是根據(jù)所需電動機(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，確定電動機(jī)的類型、功率及轉(zhuǎn)速，亦即確定電動機(jī)的型號�？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)))
……）
電動機(jī)的型號確定后，根據(jù)工作機(jī)械的功率并考慮傳動效率等因素選擇電動機(jī)容量；根據(jù)設(shè)計任務(wù)書選擇電動機(jī)轉(zhuǎn)速；并進(jìn)行一系列的校核。然后從電動機(jī)文件中查取標(biāo)準(zhǔn)的電動機(jī)數(shù)據(jù)。
6.4選擇材料
減速器需要設(shè)計的零件種類很多；同時，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。可以通過推理選擇一種材料，但這在實(shí)用的系統(tǒng)中并不實(shí)際，一個顯而易見的原因是若生產(chǎn)廠家無此種材料的情況出現(xiàn)。通常滿足某類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)
等使用時選用的規(guī)則如下（產(chǎn)生式）:
若選用材料類確定，則計算機(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)時選擇材料系列的前項，否則依次向后。
當(dāng)材料確定后，系統(tǒng)從材料庫（如表6-5）中選取相應(yīng)的材料。
6.4.2 軸及其他材料
軸、箱體以及對大型組裝具輪采用的支撐部分的材料的選擇方法類同于齒輪材料，在此不詳細(xì)討論。若當(dāng)前材料數(shù)據(jù)庫無可供選擇的材料時，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，以便不斷地完善系統(tǒng)的材料庫。
6.4.3 材料熱處理
材料確定后，根據(jù)選擇材料的種類，可以確定所采用的熱處理工藝，（可從表6-5中看出）并同時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傳動方案
傳動方案的設(shè)計由齒輪齒形，傳動級數(shù)和傳動型式等組成部分。
6.5.1齒輪齒形
齒輪齒形的選擇需要考慮許多因素，如傳動效率、傳動平穩(wěn)性、承載能力、振動、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。可歸納如下的規(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，初次使用時，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計算，待求出中心距時再次調(diào)用該規(guī)則集進(jìn)行推理。若于原來的假設(shè)發(fā)生沖突，撤銷原假設(shè)并以新事實(shí)重新進(jìn)行計算。
6.5.2 傳動級數(shù)
1.總傳動比
總傳動比i（i=nl/n2 ）已在設(shè)計條件中給出。
若傳動裝置中各級傳動串聯(lián)時，則總傳動比
i=i1×i2×i3×…×ig
式中，il～ig為各級傳動的傳動比。
表6-7傳動比范圍
| 齒輪特性 |
傳動比范圍 |
| 單級 |
二級 |
三級 |
四級 |
| 滲碳、淬火、磨齒6級精度 |
≤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 |
≤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 |
≤7.1
（8） |
8-40
(50) |
40-250
（350） |
250-1600
（2500） |
一般情況下，傳動級數(shù)按表6-7傳動比范圍選取，表中括弧內(nèi)的值是可能的最大值。對于最佳范圍內(nèi)的易于實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的傳動設(shè)計方案（例如等強(qiáng)度原則）。但是，對于傳動比集相交的，例如圖6-2所示的，則評價準(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)傳動比在交集范圍內(nèi)時，便展開不同方案的進(jìn)行設(shè)計，最后形成多方案，然后對不同的方案進(jìn)行綜合評價，選擇最優(yōu)方案。這個問題將在以后討論。除按上面介紹的方法確定傳動級數(shù)及傳動比外，專家系統(tǒng)根據(jù)用戶條件亦可按照下列條件確定傳動級數(shù)及傳動比，其依據(jù)為：
①用戶要求減速器矮而長；
②負(fù)載不大，但要求輸入軸和物出軸的距離大。
2.各級傳動比
二級以上圓柱齒輪減速器的各級傳動比分配原則，最優(yōu)先是各級傳動承載能力大致相等，其次是使各級大齒輪能夠浸油潤滑，減速器尺寸小，重量較小，各級齒輪圓周速度低，對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、部件的通用性問題。
傳動比分配采用以經(jīng)驗方法求出基本可行的分配方案，到下一步優(yōu)化設(shè)計（精確設(shè)計計算或校核計算）時進(jìn)一步肯定或做微小調(diào)整，經(jīng)驗公式為：
（1）二級傳動減速器
在滿足用戶需要的前題下，ig取鄰近的標(biāo)準(zhǔn)傳動比（標(biāo)準(zhǔn)傳動比系列可見附表l),il向較大標(biāo)準(zhǔn)值靠，12向較小標(biāo)準(zhǔn)值靠，i1和i2之間也可問跳一級或取相鄰的二級，主要視傳動誤差及用戶要求。
（2）三級傳動減速器
優(yōu)先采用的方案為：取i2為ig相鄰的標(biāo)準(zhǔn)傳動比，i1為大于i2一級，i3為小于i2一級的標(biāo)準(zhǔn)傳動比。
也可實(shí)現(xiàn)下式的方案：
i1≤i2≈ig≤i3
（3）四級傳動減速器
優(yōu)先采用：i1>i2≈ig≈i3>i4
對各級減速器，總傳動誤差分析如下：
△i=￤（i-i＇）÷i￤×1000%
式中：△i、i、i＇分別為總傳動誤差、理論傳動比和實(shí)際傳動比。
對傳動誤差的要求：
△i≤（g+2)*100% g=1,2,3,4為傳動級數(shù)
對于特殊情況下傳動比的確定，由于情況千差萬別，無明確規(guī)則可以遵循，系統(tǒng)暫時采用輸入的方法決定。
6.5.3傳動結(jié)構(gòu)型式
傳動結(jié)構(gòu)型式是指齒輪及其軸線的布置和相對位置。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中選擇傳動結(jié)構(gòu)型式。如按專家建議，對一級傳動優(yōu)先采用序號1等。對于其它傳動型式或特殊設(shè)計，系統(tǒng)暫時未能考慮。
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