摘 要： 应用空间啮合的基本原理，建立了滚刀刃形和铲磨砂轮廓形的计算通式； 利用CAD/CAM技术和专家系统技术，开发出了实用的滚刀设计制造专家系统. 文中还对滚刀设计制造专家系统的特点与应用方法进行了介绍.
关键词： 滚刀； 专家系统； 计算机辅助设计/计算机辅助制造
分类号： TH 11 文献标识码： A
文章编号： 1000-565X(2000)03-0005-05
Development and Application of an Expert System for the Design and Manufacture of Hob Cutters
SHAO Ming TANG Chao-jun JIN Jun HAN Zhi-peng
（Dept. of Mechatronic Engineering, South China Univ. of Tech., Guangzhou 510640，China）
Abstract： A general formula that includes the calculation of the profile of hob tooth and relief grinding wheel is devised by applying the principle of spacial meshing. A useful expert system for the design and manufacture of gear cutting hobbing is developed by making use of the CAD/CAM technique and expert system technique. The characteristic and application of this system have been introduced.
Key words： hob; expert system; CAD/CAM▲
计算机技术在机械工业中的广泛应用引发了传统机械设计制造方式的巨大变革. 在齿轮制造领域，一些滚刀设计制造新方法的出现和计算机数控(CNC)高速滚齿机的产品化，使滚齿技术上升到一个新的水平，对滚齿刀具的设计制造提出了更高的要求. 目前生产中普遍采用的传统的近似计算方法与机械式砂轮修整器修整铲磨砂轮的技术很难满足滚刀设计制造技术进步的需要. 另一方面，随着高校教学体制改革的深入，我国工程技术人员队伍中懂计算机的人越来越多，详尽掌握复杂刀具设计制造技术的人员将会逐渐减少. 采用专家系统技术，开发实用的齿轮滚刀设计制造专家系统，成为发展齿轮滚刀设计制造技术的重要途径.
本研究在推导出齿轮滚刀刃形与铲磨砂轮廓形计算通式的基础上，综合该领域专家的经验知识，把符号推理和数值计算有机地结合起来，开发了实用的滚刀设计制造专家系统（HDMES）. 该系统用C语言编制计算程序，用AUTOCAD自动绘图并输出，用VP_Expert建造专家系统知识库及实现咨询解释功能，并用VB开发友好的系统集成界面.
1 滚刀刃形与铲磨砂轮廓形的计算通式
为了减少专家系统开发的工作量和增加系统的通用性，笔者成功地推导出了滚刀刃形与铲磨砂轮廓形的计算通式. 对于任意齿形的工件，只要将其一个完整的齿形离散化为列表曲线，便可以利用滚刀刃形计算通式计算出滚刀刃形，然后根据滚刀刃形计算出铲磨砂轮廓形. 于是系统在屏幕上绘制出滚刀刃形与铲磨砂轮廓形图（如图1所示），同时将铲磨砂轮廓形以一定格式存储于数据库中，供FGS_30N型CNC成形磨齿机自动生成铲磨砂轮修整软件，修整砂轮后铲磨滚刀.
图1 滚刀刃形与铲磨砂轮廓形图
Fig.1 Profiles of hob tooth and relief grinding wheel
滚刀刃形计算通式是结合空间媒介齿条法和齿廓法线法推导出的，只要提供用离散值表示的工件齿形点的坐标值和该点的单位切矢，便可利用计算通式计算出滚刀的轴向刃形，对于标准的直槽零前角滚刀来说就是其前刀面刃形. 计算实例表明，该通式的计算精度达0.1 μm，完全可以满足滚刀设计制造的工程要求［1］.
目前刀具设计人员通常只进行滚刀设计而不考虑滚刀制造问题，而对于任意齿形的齿轮滚刀来讲，铲磨砂轮廓形的计算是十分重要的，开发齿轮滚刀设计制造专家系统不能不解决铲磨砂轮廓形的计算问题. 本研究中笔者推导出了滚刀铲磨砂轮廓形的计算通式，直接根据系统计算出的滚刀刃形来计算铲磨砂轮廓形. 在推导计算通式时采用CNC成形铲磨法铲磨滚刀，计算出的砂轮廓形数据可直接用于CNC成形磨齿机自动编程，从而实现了齿轮滚刀CAD/CAM一体化. 日本熊本工业大学石桥彰教授、 日本佐贺大学吉野英弘教授与本文作者之一共同研究的该项技术已在日本齿轮刀具制造厂家应用［2］.
2 自动绘图的实现与数据库处理
经过对滚刀轴向刃形及其结构尺寸的设计计算，自动绘图所需要的数据已经存储在数据库和数据文件中. 绘图程序段从数据库和数据文件中读出所需数据，经过适当转换，生成面向AUTOCAD系统的屏幕命令集成绘图文件. 这个绘图文件实际上是一个文本文件，文件中汇集了用AUTOCAD系统绘制滚刀工作图的所有屏幕命令，并经过了合理的排序处理. 由系统直接启动AUTOCAD系统去自动执行该文件，自动地绘出滚刀工作图. 用户可以视具体情况直接在图上修改，并使用打印设备（打印机或绘图仪）打印出工程图纸.
进行滚刀结构尺寸的计算机辅助设计，一个主要的问题是处理大量标准化数据表格的查表问题. 要解决这个问题，可以把表格输入Foxpro数据库中，通过程序间的数据交换来实现； 也可以把表格处理成子程序（C语言中是函数），通过调用函数来实现查表［1］.
3 HDMES的结构、功能及特点
专家系统开发中主要考虑解决以下一些问题：如何将计算法和推理法有机结合起来以弥补各自的不足，在专家知识的表达方式上如何将产生式和框架式结合，确定推理机的设计采用正向、 反向、 匹配、继承推理或其他推理法，知识库的合理构成，自动图形生成功能的实现，良好人机交互界面的实现.
对上述问题进行综合考虑，可确定以下的专家系统建造方案： 专家系统的开发分子模块来进行，其子模块按功能进行划分，可以分为滚刀设计计算子模块、 铲磨砂轮设计计算子模块、 CAD绘图子模块、 CAM接口子模块、 咨询解释子模块和系统帮助子模块等，其中大部分子模块存放在系统的支持库中，它们之间存在着数据交换的关系.
使用过程中的数据流关系如图2所示.
图2 功能结构和数据流
Fig.2 Function structure and data flow
当进行滚刀的设计计算时，首先要使用滚刀设计计算子模块. 该子模块的主要功能是根据用户从用户界面输入的齿形工件参数和以数据文件存储在数据库中的设定参数，进行滚刀刃形及其结构参数的计算. 计算过程中所要查的表格以Foxpro数据库的DBF文件格式预先存储于数据库中. 计算完成后，得出的数值结果传递到图形库中，根据要求绘制出阶段图形或进行自动绘图.
铲磨砂轮廓形的计算，是紧接着滚刀的设计计算用铲磨砂轮设计计算子模块来进行的. 系统根据用户输入的参数以及滚刀设计计算的结果，调用支持库中用C语言编制的计算程序来进行铲磨砂轮廓形的设计计算. 其数据传递情况与滚刀设计计算过程的基本相同.
CAD绘图子模块与CAM接口子模块主要实现系统的CAD/CAM功能.
咨询解释子模块是利用VP_Expert工具的咨询解释功能来实现的［3］. 在建造知识库的时候，对于推理过程中的一些中间参数及结果已经加入了注释. 提问形式为：为什么是这样？为何得出当前的结论？等等. 在咨询期间，用户可以在咨询命令下的执行层菜单中选用“why”向系统提问. 当咨询结束后，用户如果觉得对某个问题的回答不满意，可在咨询命令层中选择“whatif”，系统会自动列出要更改变量的菜单供选择，然后快速响应更改后的咨询结果.
系统帮助子模块是一个相对独立的子模块，它向用户提供使用过程中的在线帮助. 该子模块是基于Windows95操作系统的，用Help Workshop专用软件开发，可以离线独立运行. 在系统的使用过程中，用户如果有操作疑问或想了解系统的有关情况，可以按F1键以获得动态在线帮助. 在操作过程中，一些重要的操作信息会出现在主窗口下方的信息栏中，用户可以根据这些提示信息去操作. 当然，用户也可以通过菜单或工具栏来获得帮助.
另外，为适应现在流行的对软件系统的要求，系统还具备了一些多媒体方面的功能，给系统增加了背景音乐、 动画和背景图. 用户可以根据自己的喜好对这些多媒体功能加以选择、 控制或更改，而且整个系统的安装也很方便.
本系统的主要特点是：
1) 采用VP_Expert专家系统开发工具开发系统. 与由零做起的专家系统相比，使用开发工具能大大缩短专家系统的建造周期，减少开发工作量，降低开发费用. 同时，VP_Expert还有其突出的特点，尤其是具有从归纳表中产生知识库的能力，使知识库的开发极为便利.
2) 改进的知识库构造. 系统采用产生式和框架式结合的复合型知识表示法，以提高运行效率，表示方法如下：
RULE n
IF SLOT NAME_1: ASPECT …
SLOT NAME_2: ASPECT …
……
SLOT NAME_n: ASPECT …
THEN
RESULT 1
RESULT 2
……
RESULT n;
3) 在集成环境下构成及运行. 系统在Windows平台上开发了主界面，通过VP_Expert专家系统开发工具进行咨询，调用C语言开发的计算支持库，以Foxpro数据库平台提供数据支持，最后用AUTOCAD自动绘图.
4) 中文化的咨询解释系统. 开发工具原有的咨询解释机制是基于英语的结构，咨询界面也是基于英语的. 为适应国内用户的实际需要，现已将其咨询解释系统汉化，使咨询解释以中文形式出现，从而有利于本专家系统的推广应用.
5) 具有通用性. 该专家系统的计算支持库中包含了设计计算程序，使用的是通用的直接计算方法，适用于渐开线、 摆线、 圆弧齿形和花键等任意齿形工件.
6) 图形功能强. 在设计计算的主要阶段均附有绘图子程序，可给出阶段图形结果，并可根据要求绘制出滚刀刃形和铲磨砂轮廓形. 用户可以配合阶段计算结果，实时判断设计的正确性，及时地发现错误，返回修改参数.
4 系统应用
整个系统已经做成安装盘形式，只要运行系统安装盘1号盘中的setup.exe 安装文件，根据提示进行操作，就可以方便地完成系统的安装［1］.
系统运行所需硬件和软件的最低配置为：
硬件环境： 486（66 MHz主频）以上微机，8 MB以上内存，不少于20 MB的硬盘空间.
软件环境： Windows95操作系统，AUTOCAD R12（For Windows）版本的工具软件.
本系统可以进行3种类型滚刀的设计计算： 渐开线滚刀、 阿基米德滚刀和花键滚刀. 系统启动后，用户可以在弹出的选择窗口中选择其中一种滚刀，按确定按钮就能开始相应的设计，接下来的具体操作按照提示进行. 由于采用了开放式的结构，本系统还可以针对其他类型的滚刀进行再开发，以便不断地扩充系统功能.
5 结 论
本研究中，笔者应用空间啮合的基本原理，建立起了通用的计算滚刀刃形和铲磨砂轮廓形的完整公式，并采用CAD/CAM技术以及人工智能专家系统技术，开发出了实用的滚刀设计制造专家系统. 计算实例表明，该专家系统所得结果能满足工程要求，可以在齿轮刀具的生产实践中推广应用.
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