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)程逢渔，欲能夠?qū)崿F(xiàn)圖1-l 及圖1-2-1 肋坚、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(jì)專家系統(tǒng)任務(wù)將是更加艱巨肃廓，如何組織智厌、構(gòu)成系統(tǒng)，必須進(jìn)行分析官澳。正確尔兆、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澈渠。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)程蜈坛，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)階段分層次坞鲁，在各個(gè)層次有不同的分目標(biāo)啦铣，并以各個(gè)層次的分目標(biāo)锻碎，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)形式圈烘，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竖拢，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)合缕兄，導(dǎo)致系統(tǒng)輸出為最優(yōu)颅挟。
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)重要因素弓洒。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)用而芥，如果構(gòu)成系統(tǒng)的傳遞鏈及傳遞路徑過(guò)長(zhǎng)，那么膀值，各功能團(tuán)出入的次數(shù)增多棍丐，系統(tǒng)的效率將降低，周期變長(zhǎng)沧踏，費(fèi)用隨之增加歌逢。從另一角度講，如果階層幅面太寬翘狱，不僅實(shí)現(xiàn)功能不利秘案，難于控制，計(jì)算機(jī)資源也將耗費(fèi)貽盡潦匈，使系統(tǒng)根本就無(wú)法運(yùn)行阱高。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)而言茬缩，有些功能團(tuán)之間相互交叉赤惊，互為補(bǔ)充。有些功能團(tuán)之間的聯(lián)系則要松弛的多凰锡。因此未舟，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忿脉。
總之少烙，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳布局，最大利用計(jì)算機(jī)資源稻悟，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)梁捉，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)举库。
系統(tǒng)總體構(gòu)造如圖6-l 所示。
從圖6-1 中可以看出短硼，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)和減速器繪圖翩性。本章論述圓柱齒輪減速器參數(shù)設(shè)計(jì)公上。
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)稽徙、計(jì)算以在數(shù)輸出幌扁，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“開場(chǎng)條件”很鸥，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（以口頭或書面形式）憎茂，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”锤岸，以便使專家系統(tǒng)了解原始的已知條件竖幔。事實(shí)上，由于受人工智能和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的限制是偷，還不能同計(jì)算機(jī)形成視拳氢、聽對(duì)話，因而蛋铆，圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)CAD所采用的方法馋评，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)格刺啦，轉(zhuǎn)速留特，功率（或扭矩），允許短時(shí)過(guò)載能力玛瘸，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量蜕青，起動(dòng)扭矩；
（2）工作機(jī)械的型號(hào)規(guī)格捧韵，用途景姓，頗定功率（或工作扭矩），變載荷的負(fù)載圖社衰，起制動(dòng)瘫盹、短時(shí)過(guò)載扭矩和次數(shù)，工作制度和負(fù)載持續(xù)率桃旷，工作轉(zhuǎn)速也较，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）薯舆；
（4）要求壽命晚乙，安全系數(shù)，可靠性累冠；
（5）安裝型式（與原動(dòng)機(jī)缘违，工作機(jī)的相對(duì)位置），尺寸蝇罐，重量要求岸腥；
（6）環(huán)境條件：溫度矢勉，散熱冷卻條件，潤(rùn)滑條件（是否有集中潤(rùn)滑站）濕度茉唉，酸城度固蛾，灰塵濃度；
（7）操作度陆，控制要求艾凯；
（8）批量（制造臺(tái)數(shù)）；
（9）制造廠的設(shè)備條件（加工能力）懂傀；
（10）材料趾诗，毛坯，標(biāo)準(zhǔn)件來(lái)源鸿竖，庫(kù)存倩況沧竟；
（11）交貨期限；
（12）成本和價(jià)格要求等缚忧。
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悟泵。其余條件用戶如果未提，由設(shè)計(jì)人員按此三條確定闪水。對(duì)于一個(gè)實(shí)用型的系統(tǒng)糕非，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)嬉哥，直接關(guān)系到系統(tǒng)的可用性进登。CGREST采用的方法是對(duì)輸入進(jìn)行分類后，對(duì)不同類型采用不同屏幕的表格輸入技術(shù)津咒。具體如表6-1另碍、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)行缺省輸入哩拔，以“N”為標(biāo)志自烛；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)影焙。
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)行戈秕，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）和“C”（指冷軋機(jī)）襟笋，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）
一般情況下嫡贷，工作機(jī)械確定后，其工況條件便有可能隨之確定抵肌。這就是說(shuō)朴埂，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（如均勻默蚌、中等沖擊還是強(qiáng)沖擊）框冀，一般負(fù)載情況流椒，一般要求效率等等。為了適應(yīng)特殊情況明也，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)惯裕，通過(guò)詢問(wèn)進(jìn)一步確定温数。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蜻势。
電動(dòng)機(jī)是已經(jīng)系列化的產(chǎn)品撑刺。在機(jī)械設(shè)計(jì)中纯命，關(guān)于電動(dòng)機(jī)的選擇吝沃，主要是根據(jù)所需電動(dòng)機(jī)的輸出功率、工作機(jī)構(gòu)的要求仔粥、工作條件挠铲、工作環(huán)境冕屯、經(jīng)濟(jì)性等因素，確定電動(dòng)機(jī)的類型网孕、功率及轉(zhuǎn)速蒿庙，亦即確定電動(dòng)機(jī)的型號(hào)÷荩可歸納出如下的規(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)確定后砖蕾，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)書選擇電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速贮秤；并進(jìn)行一系列的校核廷共。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)的零件種類很多巴俺；同時(shí)诸鲸，每一種零件可供選擇的材料也有許多種。如綱材祷鼎，鑄鐵以及特殊情況下使用的有色金屬世雄，粉末冶金及塑料等。但在重型機(jī)城減速器中映僚，以鋼為主寞竭。零件材料中，以齒輪材料的選擇較為典型酣难，現(xiàn)討論如下：
6.4.1齒輪材料
選擇齒輪材料谍夭，除考慮圓柱齒輪減速器的工作條件、結(jié)構(gòu)憨募、尺寸紧索、精度袁辈、壽命、經(jīng)濟(jì)性等方面的要求外珠漂，還要考慮制造廠的生產(chǎn)技術(shù)條件晚缩。可以通過(guò)推理選擇一種材料媳危，但這在實(shí)用的系統(tǒng)中并不實(shí)際荞彼，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)。通常滿足某類條件的是一材料系列待笑，例如鸣皂，
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暮蹂？（Y or N）
默認(rèn)時(shí)選擇材料系列的前項(xiàng)维瑰，否則依次向后。
當(dāng)材料確定后鼻发，系統(tǒng)從材料庫(kù)（如表6-5）中選取相應(yīng)的材料茶窍。
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同于齒輪材料忠辛，在此不詳細(xì)討論蜀契。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哎闻，并按相應(yīng)的格式加入到材料數(shù)據(jù)庫(kù)敏卦，以便不斷地完善系統(tǒng)的材料庫(kù)。
6.4.3 材料熱處理
材料確定后枚林，根據(jù)選擇材料的種類米鹏，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)郭菜，有表6-6（框架方法）表示之栗哥，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)由齒輪齒形勘伺，傳動(dòng)級(jí)數(shù)和傳動(dòng)型式等組成部分跪腹。
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)效率飞醉、傳動(dòng)平穩(wěn)性冲茸、承載能力、振動(dòng)缅帘、沖擊轴术、噪音等。圓柱齒輪有三種齒輪齒形可供選擇：直齒、斜齒逗栽、人字齒形盖袭。可歸納如下的規(guī)則形式（齒輪齒形選取規(guī)則）：
其中彼宠，規(guī)則六實(shí)際上是一條缺省規(guī)則鳄虱。
規(guī)則l的條件項(xiàng)，初次使用時(shí)兵志，由于中心距尚未確定醇蝴，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)算萝轰，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)生沖突好阎，撤銷原假設(shè)并以新事實(shí)重新進(jìn)行計(jì)算疹咕。
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)环胸，則總傳動(dòng)比
i=i1×i2×i3×…×ig
式中铲恃，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) |
| 滲碳进裹、淬火四雏、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)比范圍選取锥萧，表中括弧內(nèi)的值是可能的最大值百擒。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）。但是寄旋，對(duì)于傳動(dòng)比集相交的仍桌，例如圖6-2所示的，則評(píng)價(jià)準(zhǔn)則相當(dāng)復(fù)雜导而。到目前為止忱叭，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)今艺，便展開不同方案的進(jìn)行設(shè)計(jì)韵丑，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)虚缎，選擇最優(yōu)方案撵彻。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)比外遥巴，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)比千康，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拾弃。
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)比分配原則值桩，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)滑豪椿，減速器尺寸小奔坟，重量較小，各級(jí)齒輪圓周速度低祸弥，對(duì)于系列減速器還要根據(jù)所采用的材質(zhì)工藝方案偎旱，充分考慮零、部件的通用性問(wèn)題迁拂。
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地捂，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掸校，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)值靠滤重，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)涮巩，主要視傳動(dòng)誤差及用戶要求鲫庆。
（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)矩沥，i3為小于i2一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)比掏榜。
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咪干、i络兜、i＇分別為總傳動(dòng)誤差、理論傳動(dòng)比和實(shí)際傳動(dòng)比皆疹。
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)比的確定疏橄，由于情況千差萬(wàn)別，無(wú)明確規(guī)則可以遵循略就，系統(tǒng)暫時(shí)采用輸入的方法決定捎迫。
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)型式表牢。如按專家建議窄绒，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)崔兴，系統(tǒng)暫時(shí)未能考慮彰导。
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