基于特征信息和推理机制的齿轮类零件CAPP系统设计

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设计与研究
机械 2010 年第 11 期 总第 37 卷
本文对齿轮类零件的设计特征和制造特征进行 了分析，总结出与齿轮制造工艺有关的五大类特征 信息，这五大类特征信息具体内容为：
（1）形状特征：齿轮结构形状、外形与加工、 内形与加工、辅助加工、齿轮尺寸类型、结构复杂 程度、分度圆直径（mm）。
建立齿轮信息模型，并且采用基于知识推理和齿轮工艺模板的决策机制自动进行工艺设计，自动生成新齿轮的工艺路线，
从而使得系统的实用性进一步增强，同时还具有一定智能性以及柔性；系统的人机交互功能，进一步增强了系统的实用
性、可靠性以及柔性。
关键词：齿轮零件；特征信息；推理机制；CAPP 系统；加工工艺
中图分类号：TH132.41
3 齿轮信息建模方法研究
准确地描述零件信息是整个系统的重要点，本 齿轮类零件 CAPP 系统所需的信息主要是待加工齿 轮的制造特征信息，它是系统进行工艺决策生成工
艺文件的依据。对齿轮的结构特征、制造工艺等各 方面的研究，决定采用齿轮分类编码描述法和基于 齿轮特征描述法两种方式对齿轮信息进行描述。
3.1 齿轮分类编码描述法
开始
零件信息输入并编码 工艺规则库
零件特征 编码矩阵
标准 工艺库
标准 工序库
与标准工艺匹配
N 相似性好?
Y 调用标准工艺， 生成初始工艺方案
输入各项特征 信息并保存
创成齿轮各 加工模块内容
初步形成 工艺序列
创成式 子系统
工艺 规则库
制造 资源库
需要调整? N
Y
序列排序、组合及优化 创成失效
人机交互子系统
长期以来，齿轮生产企业的工艺规程文件都由 工艺人员手工编制，设计效率低，修改困难，且不 利于新齿轮的开发设计，这种状况严重影响了该企 业的生产效率，不适应当前日趋自动化的现代制造 环节的需要。为了能在竞争越来越激烈的制造行业 中站稳脚跟，企业必须提高产品的工艺水平，一条 可行有效的出路就是实现 CAPP，以提高工艺设计 的效率，缩短生产准备周期，降低成本。在这样的 背景下，进行实用型齿轮 CAPP 系统的研究与开发。
本系统是基于齿轮零件工艺设计的特点，实现 齿轮总体信息及各项特征信息的描述，并建立起比 较完整的齿轮标准工艺库、完善的知识库及工艺规 则库，具有完备的工艺知识库、完整的齿轮工艺模 板库及完善的基于工艺知识和齿轮工艺模板的推理 机制，实现工艺路线的自动生成，同时具有修改编
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考虑这些因素。
根据大量实践和分析总结，构造出如下相似性
系数 K 的计算公式：
K
=
a1k1 + a2k2 + " + a13k13 a1 + a2 +" + a13
3.2 基于齿轮特征描述法
本系统的基于齿轮特征描述法是为系统进行基 于工艺知识和齿轮工艺模板的工艺决策服务的，即 为系统的创成式工艺决策提供依据。本文以特征分 类为前提，以特征为基本单元，建立层次化零件特 征模型。从面向加工制造的角度出发，经过总结可 得出如图 2 所示的齿轮零件特征构成模型，用于表 示齿轮零件的形状、精度、材料、技术要求以及加 工制造等信息。
3.3 派生式子系统推理策略
相似性原理是派生式 CAPP 系统工艺决策的理 论依据，即相似零件有相似工艺。系统主要提供以 信息匹配为基础的检索机制，经过标准工艺检索、 调用、检查修改、输出结果等过程，实现工艺规程 的设计。其工艺设计流程如图 3 所示。
3.4 标准实例筛选
在进行实例筛选中，按照齿轮编码规则计算出 要设计齿轮的编码，然后按照该编码在标准齿轮零 件库中进行搜索，找出该齿轮所属的齿轮类别。
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该标准齿轮的工艺进行派生，经过编辑修改得到新 齿轮的工艺规程。
3.5 相似性系数 K 的计算
相似性系数 K 是用来衡量新齿轮与某一标准实
例相似程度的参数。K 不但与齿轮类别、加工方式、
特征类型等因素有关，还与齿轮的材料类型、热处
理方法、毛坯类型以及齿轮精度等级和形位公差等
因素有关。所以在计算相似性系数时，必须要综合
工艺 文件 编辑
工艺 字典
制造 热处理 资源 工艺
Y
需要编辑? N
保存，输出工艺
结束
图 1 工艺流程系统工作流程图
系统根据齿轮的分类规则确定齿轮类别，根据 特征信息及系统编码规则对新建齿轮进行特征编 码，并将齿轮信wenku.baidu.com与特征编码保存于数据库中；按 照上述步骤的编码与标准零件库中标准齿轮的特征 编码矩阵相比较，计算相似性系数；通过判断后， 进行范例检索，若新齿轮与标准齿轮相似性好，则 进行范例的调用与修正；若相似性太差，系统则采 用基于工艺模板和知识规则的创成式或人机交互式 进行工艺设计。
收稿日期：2010－04－19 作者简介：于明（1967－），江苏镇江人，讲师，主要研究方向为机械设计与制造。
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辑、输出工艺文件的功能，这样就增强了系统的实 用性与互动性。
2 系统工作流程
齿轮零件工艺过程设计的多样性、工艺决策知 识的多样性以及生产环境约束的多样性，要求 CAPP 系统必须寻求一种有机结合体来进行适应，并要求 系统在适应齿轮零件的基础上，采用多种决策方法、 多层次的分布式系统结构。因此，按照上述的设计 思想并结合 CAPP 系统开发流程，开发了专门针对 齿轮零件的 CAPP 工艺设计系统，工艺流程系统工 作流程如图 1 所示。
如图 4 所示，标准实例搜索的过程为：将新齿
图 4 标准实例筛选流程
当然，这样的标准齿轮可能不止一个，可以将 所有符合的标准齿轮都提取出来，计算它们的相似 性系数，用 K 来表示。若 0.75≤K≤1 则表示该标准 齿轮与新齿轮匹配情况比较好或完全匹配，则调用
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现存的这些编码系统一般都面向于通用零件， 而非专门针对齿轮零件，与齿轮制造密切相关的许 多重要特征并没有包含在内，不能满足齿轮 CAPP 系统工艺设计的需要。鉴于此，通过对齿轮设计特 征和制造特征进行分析，本文提出了一种全新的专 门针对齿轮零件的特征编码系统。
此编码系统由与齿轮制造工艺密切相关的几类 特征信息组成，是一个十进制 14 位代码的混合结构 特征编码系统，结构如表 1 所示，适合工厂的实际 情况，较好地解决了齿轮信息的描述与输入问题， 满足齿轮 CAPP 系统的需要。
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基于特征信息和推理机制的 齿轮类零件 CAPP 系统设计
于明
（镇江高等专科学校 机械工程系，江苏 镇江 212001）
摘要：结合齿轮零件的工艺特点，分析了实用型 CAPP 系统的功能要求，构建出了系统的总体结构框架，结合系统开发
功能以及齿轮类零件的工艺特点，决定采用基于齿轮特征描述法与齿轮分类编码描述法的这两种方法来描述齿轮信息，
表 1 齿轮特征编码系统结构
序号
形状特征
齿轮类别 …
齿宽
…
生产特征 （批量）
0 圆柱外齿轮 …
＜10 … 大批量
1 圆柱内齿轮 … ＞10～18 … 小批量
2
椎齿轮
… ＞18～30 … 成批
…
…
…
…
…
…
9
其他
其他 ＞200 … 其他
本系统的齿轮分类编码系统的 1～7 位为形状 特征码位，第一位表示齿轮类别，如果所设计的新 齿轮为圆柱外齿轮，则零件编码的第一位为 0，若 新齿轮为圆柱内齿轮，则零件编码的第一位为 1， 依此类推。其它码位的编码原理与此相类似。系统 为用户提供了友好的人机界面，齿轮编码各码位所 代表的内容在窗体的列表框中供用户选择，免去了 手工输入的麻烦。
轮的编码从第一位数字开始与标准齿轮零件库中的 齿轮编码进行比较，倘若第一位数字相同就说明新 齿轮属于该代码所代表的齿轮类别，在第一位数字 代码相同的条件下再比较第二位数字，依此类推， 直到找出所有与新齿轮的特征编码相同的数字数， 记下这个数目。
典型工艺库 典型工艺库
开始
零件信息输入并编码
零件信息库
与典型工艺匹配
齿轮零件特征
管理特征 材料特征 技术特征 形状特征 精度特征 其他特征
图 2 齿轮零件特征构成模型图
（2）精度特征：齿轮精度。 （3）材料特征：材料种类、材料牌号、热处理。 （4）技术特征：齿面硬度（HBS）、齿面热处 理、齿轮模数（mm）、齿形要求、定位面类型、定 位面精度。 （5）管理特征：零件号、零件名称、工艺路线 号、产品编号、产品名称、批量、零件编码。 这五大类特征信息包含了齿轮的 24 项特征信 息，涵盖了影响齿轮制造工艺的各主要因素，把齿 轮信息描述的比较完整准确。 将齿轮的上述特征信息按照系统提示进行输 入，系统将输入的各项特征信息存入齿轮特征信息 库，接着将输入的特征信息与基于齿轮工艺模板的 工艺规则结合起来，并通过系统的决策机制，生成 加工工艺内容。
零件特征编码矩阵
存在相似典型工艺?
Y 调用典型工艺， 生成初始工艺方案
N 系统创成式设计 生成初始工艺方案
是否要调整？ N
Y 工艺路线编辑修改
保存，打印工艺
调用典型工序， 生成初始工序方案
工艺编辑修改
保存，打印
结束
图 3 派生式 CAPP 子系统工艺设计流程
如果每位代码都完全相同，则直接提取出该标 准齿轮的工艺文件作为新齿轮的工艺规程。如果没 有一个数字相同或相同的数字很少，则跳出循环， 与下一个标准齿轮进行比较，直到找出与新齿轮的 特征编码相同的数字最多的标准齿轮。
文献标识码：A
文章编号：1006－0316 (2010) 11－0028－05
Gear parts CAPP system design based on feature information and reasoning mechanism YU Ming
(Mechanical Department, Zhenjiang College, Zhenjiang 212001, China) Abstract：Combined with the technological features of gear parts, analysis of practical CAPP system functional requirements, system structure constructed framework, combined with system development capabilities, and technological characteristics of gear parts, adopt the description method based on gear and method of classification and coding of two way to describe the gear information, established the gear information model, and using automatically process design of craft templates for making new gear based on knowledge reasoning and decision mechanism, to further enhance the practicality of the system, but also has some auto-resistance and flexibility; human-machine interactive features of the system can further enhance the system availability, reliability and flexibility. Key words：gear parts；characteristic information；reasoning mechanism；CAPP system；processing technology
1 本系统的特点
工艺设计本身比较复杂，不同工艺人员编制出
来的工艺有很大差别，而且目前使用的 CAPP 所开 发出的工艺受技术影响不能真正符合加工要求。
本系统使用“人机交互思想”进行设计，工艺 设计人员参与系统设计的各个阶段，数据处理、规 范化的知识推理由计算机来完成，这样通过人机结 合方式产生的加工工艺更加符合加工要求。