第六章 圆柱齿轮减速器专家系统设计过程
6.1任务描述

完整的设计一台圆柱齿轮减速器是一个复杂的过程，欲能够实现图1-l 及图1-2-1 、图1-2 -2、图1-2-3如此众多种类的圆柱齿轮减速器的设计专家系统任务将是更加艰巨，如何组织、构成系统，必须进行分析。正确、合理地分析设计过程的同时，充分考虑计算机资源的影响制约因素将对圆柱齿轮减速器专家系统设计的成败起重要的作用。第一章曾经讨论过圆柱齿轮减速器设计的全过程，在此采用的分析方法是：在系统的目的和总目标的指导下，对各设计阶段分层次，在各个层次有不同的分目标，并以各个层次的分目标，构造出对应于系统总目标以及各个层次分目标的系统组成要素，这些要素的相互关系以及在系统阶层上的分布形式和整体的协调形式，这就保证了系统在对应于系统总目标和环境因素约束集的条件下，构成系统组成要素集，这些要素集之间相互关系集以及要素集及相关关系集在阶层分布上最优结合，导致系统输出为最优。
系统以层次形式存在时，层次得划分便成为系统构成的一个重要因素。分层次性主要有以下两个因素：一是传递设计信息的效率和费用，如果构成系统的传递链及传递路径过长，那么，各功能团出入的次数增多，系统的效率将降低，周期变长，费用随之增加。从另一角度讲，如果阶层幅面太宽，不仅实现功能不利，难于控制，计算机资源也将耗费贻尽，使系统根本就无法运行。二是功能团（或功能单元）合理的结合和归属，对于设计而言，有些功能团之间相互交叉，互为补充。有些功能团之间的联系则要松弛的多。因此，合理地解决这个问题，将会对系统的研制起到事半功倍的效果。
总之，为实现系统最佳布局，最大利用计算机资源，论文了提出圆柱齿轮减速器设计摸型：总任务控制各分任务，分任务调度各级数据库和规则库，实现圆柱齿轮减速器的专家系统设计。
系统总体构造如图6-l 所示。

从图6-1 中可以看出，圆柱齿轮减速器设计任务本身包括二部分：减速器参数设计和减速器绘图。本章论述圆柱齿轮减速器参数设计。

圆柱齿轮减速器参数设计部分包括原始数据输入，设计、计算以在数输出，是减速器专家系统设计的核心部分。
6.2系统的输入及输入处理

6.2.1系统的输入
系统的输入是专家系统的“开场条件”，人工设计的方法是由定货单位向设计人员提供任务书（以口头或书面形式），设计人员通过这些已知条件进行设计工作。专家系统则要求设计人员（或由定货人员）与计算机进行“对话”，以便使专家系统了解原始的已知条件。事实上，由于受人工智能和计算机技术发展的限制，还不能同计算机形成视、听对话，因而，圆柱齿轮减速器设计专家系统仍采用传统CAD所采用的方法，即采用精确的输入方式（或称数据输入方式而非语言物入方式）。
减速器的原始输入数据有：

1.充分条件：
（1）原动机的型号规格，转速，功率（或扭矩），允许短时过载能力，转动惯量，起动扭矩；
（2）工作机械的型号规格，用途，颇定功率（或工作扭矩），变载荷的负载图，起制动、短时过载扭矩和次数，工作制度和负载持续率，工作转速，旋转方向；
（3）传动比与允许误差（工作机械允许转速的误差）；
（4）要求寿命，安全系数，可靠性；
（5）安装型式（与原动机，工作机的相对位置），尺寸，重量要求；
（6）环境条件：温度，散热冷却条件，润滑条件（是否有集中润滑站）湿度，酸城度，灰尘浓度；
（7）操作，控制要求；
（8）批量（制造台数）；
（9）制造厂的设备条件（加工能力）；
（10）材料，毛坯，标准件来源，库存倩况；
（11）交货期限；
（12）成本和价格要求等。

2.必要条件（不可少的条件）
必要条件是充分条件中的前三条。其余条件用户如果未提，由设计人员按此三条确定。对于一个实用型的系统，人机交互口是非常重要的，它是一个软件系统的外在表现，直接关系到系统的可用性。CGREST采用的方法是对输入进行分类后，对不同类型采用不同屏幕的表格输入技术。具体如表6-1、表6-2所示：

由于输入数据的不确定性，系统允许进行缺省输入，以“N”为标志；当输入数据有错误需要修改时，在“HIT”处键入“N”修改此屏幕的输入数据。

6.2.2系统输入参数的处理
系统的输入以数据形式进行，专家系统则以知识的某种形式表达。如表6-3和表6-4的输入“K”（指金属滚轧机械类）和“C”（指冷轧机），则产生如下的转变：

METAL ROLLINE==>（KIND OF MACHINE IS METAL ROLLING MACHINE）
COOL ROLLING MACHINE==>（WORKING MACHINE IS COOL ROOLING MACHINE）
一般情况下，工作机械确定后，其工况条件便有可能随之确定。这就是说，在确定工作机械名称时，隐含确定以下内容：即这种工作机械的载荷情况（如均匀、中等冲击还是强冲击），一般负载情况，一般要求效率等等。为了适应特殊情况，系统通过逆向推理的方式对默认值的询问得到设计人员的进一步认可，即将工作机械的默认工况条件作为假设目标，通过询问进一步确定。其形式如下：
Is （middle impact load）true__？
6.3减速器原动机械的选择
它动力机械时可以用输入的方法决定。
电动机是已经系列化的产品。在机械设计中，关于电动机的选择，主要是根据所需电动机的输出功率、工作机构的要求、工作条件、工作环境、经济性等因素，确定电动机的类型、功率及转速，亦即确定电动机的型号。可归纳出如下的规则：
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)))

……）
电动机的型号确定后，根据工作机械的功率并考虑传动效率等因素选择电动机容量；根据设计任务书选择电动机转速；并进行一系列的校核。然后从电动机文件中查取标准的电动机数据。
6.4选择材料
减速器需要设计的零件种类很多；同时，每一种零件可供选择的材料也有许多种。如纲材，铸铁以及特殊情况下使用的有色金属，粉末冶金及塑料等。但在重型机城减速器中，以钢为主。零件材料中，以齿轮材料的选择较为典型，现讨论如下：
6.4.1齿轮材料
选择齿轮材料，除考虑圆柱齿轮减速器的工作条件、结构、尺寸、精度、寿命、经济性等方面的要求外，还要考虑制造厂的生产技术条件。可以通过推理选择一种材料，但这在实用的系统中并不实际，一个显而易见的原因是若生产厂家无此种材料的情况出现。通常满足某类条件的是一材料系列，例如，
渗破齿轮钢ORDERI==＞(17CrNiMo6 20CrNi4W 20Cr2MnMo……16MnCr5)

高调质钢OROBR2==＞(40GrNiMo 42CrMO4V 34GrNiMo6V 42CrMo)
以及调质炯ORDER3==＞(42CrMo4V 42CrMO 40CrNi)
等使用时选用的规则如下（产生式）:

若选用材料类确定，则计算机出现下列形式
The PRDER1 series material is （17GrNiMo6 20CrNi4W 20Cr2MnMo ……）
selecting the material ==>17CrNiMo6
satisfactory？（Y or N）
默认时选择材料系列的前项，否则依次向后。
当材料确定后，系统从材料库（如表6-5）中选取相应的材料。

6.4.2 轴及其他材料
轴、箱体以及对大型组装具轮采用的支撑部分的材料的选择方法类同于齿轮材料，在此不详细讨论。若当前材料数据库无可供选择的材料时，系统便要求用户输入指定的材料特性，并按相应的格式加入到材料数据库，以便不断地完善系统的材料库。
6.4.3 材料热处理

材料确定后，根据选择材料的种类，可以确定所采用的热处理工艺，（可从表6-5中看出）并同时确定齿轮材料与热处理特性系数，有表6-6（框架方法）表示之，特殊情况这里不予考虑。

6.4传动方案
传动方案的设计由齿轮齿形，传动级数和传动型式等组成部分。
6.5.1齿轮齿形

齿轮齿形的选择需要考虑许多因素，如传动效率、传动平稳性、承载能力、振动、冲击、噪音等。圆柱齿轮有三种齿轮齿形可供选择：直齿、斜齿、人字齿形。可归纳如下的规则形式（齿轮齿形选取规则）：

其中，规则六实际上是一条缺省规则。
规则l的条件项，初次使用时，由于中心距尚未确定，不能触发运用。系统采用的方法是先用初次选用的齿形参与传动计算，待求出中心距时再次调用该规则集进行推理。若于原来的假设发生冲突，撤销原假设并以新事实重新进行计算。
6.5.2 传动级数
1.总传动比
总传动比i（i=nl/n2 ）已在设计条件中给出。
若传动装置中各级传动串联时，则总传动比
i=i1×i2×i3×…×ig
式中，il～ig为各级传动的传动比。
表6-7传动比范围

齿轮特性	传动比范围
	单级	二级	三级	四级
渗碳、淬火、磨齿6级精度	≤5.6 （6.3）	6.3-20 （31.5）	22.5-100 （180）	112-560 （1000）
调质齿面HB286-360 滚齿精度7-8级	≤6.3 （7.1）	7.1-31.5 （40）	35.5-200 （250）	225-1000 （1600）
调质齿面HB217-286 滚齿精度8级	≤7.1 （8）	8-40 (50)	40-250 （350）	250-1600 （2500）

一般情况下，传动级数按表6-7传动比范围选取，表中括弧内的值是可能的最大值。对于最佳范围内的易于实现较优的传动设计方案（例如等强度原则）。但是，对于传动比集相交的，例如图6-2所示的，则评价准则相当复杂。到目前为止，难以找出一种较佳的判别准则，专家系统采用的方法是：当传动比在交集范围内时，便展开不同方案的进行设计，最后形成多方案，然后对不同的方案进行综合评价，选择最优方案。这个问题将在以后讨论。除按上面介绍的方法确定传动级数及传动比外，专家系统根据用户条件亦可按照下列条件确定传动级数及传动比，其依据为：
①用户要求减速器矮而长；
②负载不大，但要求输入轴和物出轴的距离大。

2.各级传动比
二级以上圆柱齿轮减速器的各级传动比分配原则，最优先是各级传动承载能力大致相等，其次是使各级大齿轮能够浸油润滑，减速器尺寸小，重量较小，各级齿轮圆周速度低，对于系列减速器还要根据所采用的材质工艺方案，充分考虑零、部件的通用性问题。
传动比分配采用以经验方法求出基本可行的分配方案，到下一步优化设计（精确设计计算或校核计算）时进一步肯定或做微小调整，经验公式为：
（1）二级传动减速器

在满足用户需要的前题下，ig取邻近的标准传动比（标准传动比系列可见附表l),il向较大标准值靠，12向较小标准值靠，i1和i2之间也可问跳一级或取相邻的二级，主要视传动误差及用户要求。
（2）三级传动减速器

优先采用的方案为：取i2为ig相邻的标准传动比，i1为大于i2一级，i3为小于i2一级的标准传动比。
也可实现下式的方案：
i1≤i2≈ig≤i3
（3）四级传动减速器

优先采用：i1>i2≈ig≈i3>i4
对各级减速器，总传动误差分析如下：
△i=￤（i-i＇）÷i￤×1000%
式中：△i、i、i＇分别为总传动误差、理论传动比和实际传动比。
对传动误差的要求：
△i≤（g+2)*100% g=1,2,3,4为传动级数
对于特殊情况下传动比的确定，由于情况千差万别，无明确规则可以遵循，系统暂时采用输入的方法决定。
6.5.3传动结构型式
传动结构型式是指齿轮及其轴线的布置和相对位置。系统采用默认方式（如齿轮材料中介绍的方法）在图l-2中选择传动结构型式。如按专家建议，对一级传动优先采用序号1等。对于其它传动型式或特殊设计，系统暂时未能考虑。

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