基于典型實例工藝的齒輪工藝快速設(shè)計方法研究

【摘 要】為了提高齒輪工藝設(shè)計效率，實現(xiàn)零件工藝快速生成，以盤狀齒輪為代表，在分析其結(jié)構(gòu)及工藝特點的基礎(chǔ)上，提出一種基于典型實例工藝的工藝設(shè)計方法。著重研究了基于該方法進行工藝設(shè)計時的幾個關(guān)鍵技術(shù)，包括零件實例信息建模、實例工藝檢索、實例工藝修訂。并給出了由實例工藝生成新工藝的應(yīng)用范例。

【關(guān)鍵詞】工藝設(shè)計 典型實例工藝 實例信息模型 實例工藝檢索 實例工藝修訂

齒輪是機械傳動中一種普遍應(yīng)用的元件，齒輪傳動因其效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動比恒定的特點被廣泛應(yīng)用于機械、儀器、儀表、汽車、船舶等各個行業(yè)?？梢哉f，凡是改變傳動方向和傳動速度的地方，都有齒輪傳動形式。如機床主軸變速箱、進給箱，汽車、拖拉機的變速箱、前后驅(qū)動裝置等都用到了齒輪傳動。近年來隨著現(xiàn)代化進程的發(fā)展，對齒輪的需求量在迅速增加，對齒輪的質(zhì)量要求越來越高，同時卻對供貨時間要求越來越短，因此在滿足客戶要求的前提下，短時間內(nèi)快速加工制造出合格的產(chǎn)品必將為企業(yè)搶占先機，在市場競爭中占據(jù)絕對優(yōu)勢。齒輪工藝設(shè)計作為齒輪制造環(huán)節(jié)中一個重要部分，它的周期長短在很大程度上決定了齒輪的生產(chǎn)效率和上市時間。在此形勢下，短時間內(nèi)快速設(shè)計出既規(guī)范又合理的齒輪工藝尤為重要。但目前存在的問題是：齒輪工藝設(shè)計效率偏低，工藝重用性低，重復(fù)設(shè)計較多。然而在企業(yè)實際工作中，工藝設(shè)計的重復(fù)度非常高，真正采用全新工藝的并不多見，絕大多數(shù)零件可以通過分類，制定出各種典型工藝，供工藝編制時借鑒參考。所以利用典型工藝進行新工藝的快速派生是提高工藝設(shè)計效率，縮短工藝編制周期一個行之有效的方法。針對上述想法，本文提出基于典型實例工藝的工藝設(shè)計方法。利用企業(yè)已有的大量工藝數(shù)據(jù)實例和經(jīng)驗，結(jié)合相關(guān)工藝知識，在CAPP系統(tǒng)中實現(xiàn)齒輪工藝的快速設(shè)計。

1 齒輪分類及特點

齒輪按其外形分為盤狀齒輪和齒輪軸。我公司變速箱盤狀齒輪根據(jù)裝配關(guān)系及檔位分為：一軸齒輪、二軸齒輪（包括二軸一檔～五檔、超速檔齒輪）、中間軸齒輪（包括中間軸一檔～五檔齒輪、倒檔齒輪、超速檔齒輪、傳動齒輪）、副箱齒輪（包括驅(qū)動齒輪、減速齒輪、傳動齒輪）。一軸齒輪為臺階孔（一截為光孔，一截為花鍵孔）或花鍵通孔、帶卡簧槽退刀槽、端面帶油槽、帶外花鍵。二軸齒輪與一軸齒輪結(jié)構(gòu)類似。中間軸齒輪結(jié)構(gòu)相對簡單，為光孔帶單鍵，但軸向尺寸精度要求高。副箱齒輪各具特點，副箱驅(qū)動齒輪不但軸向尺寸大，且既有花鍵通孔又有臺階孔（花鍵為倒錐齒）、帶內(nèi)退刀槽、外錐面、外帶油槽、卡簧槽，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。副箱主軸減速齒輪為臺階孔（花鍵為倒錐齒）、帶內(nèi)退刀槽、內(nèi)錐面。副箱傳動齒輪結(jié)構(gòu)簡單，為光孔焊接件。

不同的結(jié)構(gòu)使得各類齒輪的制造工藝各有特點，具體體現(xiàn)在以下幾點：

（1）內(nèi)孔為花鍵通孔的一、二軸齒輪需要拉花鍵，這就要求零件的拉前孔徑要嚴(yán)格控制。

（2）內(nèi)孔為臺階孔（一截為光孔，一截為花鍵孔）的一、二軸齒輪花鍵孔一端需插內(nèi)直齒，內(nèi)齒一端倒圓角，光孔一端的兩端面應(yīng)軸向尺寸精度和光潔度要求高，熱后需硬車兩端面。

（3）中間軸齒輪需拉單鍵，拉后單鍵一端倒角一端去毛刺，內(nèi)孔應(yīng)與中間軸過盈配合，內(nèi)孔尺寸要求嚴(yán)，熱后需靠磨削來保證。

（4）副箱驅(qū)動齒輪既要拉花鍵又要插內(nèi)倒錐齒，內(nèi)齒一端倒圓角，熱后花鍵內(nèi)孔需磨削，端面、錐面需硬車以保證其尺寸精度。

（5）副箱主軸減速齒輪的加工工藝類似于內(nèi)孔為臺階孔的一、二軸齒輪工藝，在歸納共性特點時可將其歸為一類。

（6）副箱主軸傳動齒輪工藝類似于中間軸傳動齒輪（少拉單鍵工序），可將其歸為一類。

2 基于典型實例工藝的工藝設(shè)計原理

典型實例工藝是指為結(jié)構(gòu)要素基本相似，尺寸相近、具有類似工藝特征的一組零件制訂的統(tǒng)一加工方法和過程。從企業(yè)應(yīng)用角度來說，典型實例工藝是指經(jīng)過長時間的工藝知識（工藝經(jīng)驗）積累和應(yīng)用驗證，某些已經(jīng)成熟的，規(guī)范的，具有一定特點和代表性的工藝規(guī)程或工藝操作。

基于典型實例工藝的工藝設(shè)計方法是通過整理、總結(jié)，事先將這些典型工藝作為“母板”工藝存儲在數(shù)據(jù)庫中，以后當(dāng)進行類似件的新工藝設(shè)計時，可根據(jù)具體情況，采用不同的“母板”通過特定條件的反向匹配，檢索出相似件的工藝進行調(diào)用。若檢索出的工藝不能完全滿足新工藝的要求，則可采用基于知識的局部創(chuàng)成推理，決策支持、交互輸入等多種手段，在盡可能短的時間內(nèi)快速、高效的設(shè)計出所需零件的工藝。

3 基于典型實例工藝的工藝設(shè)計

應(yīng)用典型實例工藝的工藝設(shè)計過程為：首先根據(jù)輸入的新零件信息，從對應(yīng)典型實例工藝庫中檢索得到相似工藝；通過工藝復(fù)用，生成一個工藝方案；如果該工藝完全滿足新工藝設(shè)計要求，則檢索到的實例工藝就是一個可用的實例工藝，將該工藝輸出給用戶，且當(dāng)該工藝為一個新的實例工藝時將其保存到典型實例工藝庫中，推理完成；若該工藝不完全滿足新工藝的設(shè)計要求，則進行實例工藝的修改使其滿足設(shè)計要求。實例工藝的修改主要有兩種情況需要處理：一是刪除典型實例工藝中有的，而新零件工藝中沒有的工序、工步信息，二是補充上典型實例工藝相對于新工藝而缺少的工藝信息。添加新信息時，依據(jù)不同情況可采用創(chuàng)成推理、交互輸入等多種方法。另外生成的新工藝通過優(yōu)化、評審可成為新的典型實例工藝入庫，以擴充、完善典型工藝資源庫。根據(jù)上述步驟，結(jié)合我公司變速箱齒輪的特征，以內(nèi)孔形狀為基本特征，基于典型實例工藝的齒輪工藝設(shè)計流程如圖3.1所示：在基于典型實例工藝的工藝設(shè)計過程中，零件實例信息模型的建立，實例工藝的檢索匹配，實例工藝的修訂是其關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 零件實例信息模型的建立

任何零件，都是由一系列的應(yīng)用特征組合而成，在具體生產(chǎn)環(huán)境下，往往只有其中某幾個特征決定最終生成的工藝規(guī)程。它可以是尺寸、公差，也可以是結(jié)構(gòu)說明或功能要求。因此，可根據(jù)產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)和工藝特點，抽取和定義具有明確工程語義的這些工藝特征，構(gòu)造零件實例工藝信息模型，該模型規(guī)定了表征和區(qū)分此零部件工藝的決定性特征及特征數(shù)據(jù)。我廠變速箱齒輪根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計要求，抽取其工藝特征信息為：材料、毛坯、結(jié)構(gòu)形狀及尺寸、加工精度、粗糙度要求等，具體信息細分如圖3.2所示。

圖3.1 基于典型實例工藝的齒輪工藝設(shè)計流程

圖3.2 齒輪實例信息模型

3.2 實例工藝的檢索匹配

實例工藝的檢索即根據(jù)輸入的新零件信息，從實例工藝庫中尋找與當(dāng)前零件特征相匹配的相似工藝。目前，實例工藝的檢索主要有三種策略：最近相鄰策略、歸納推理策略、知識引導(dǎo)策略或這三種策略的綜合。

本文將知識引導(dǎo)和最近相鄰策略相結(jié)合，提出采用相似度來進行實例工藝的檢索。具體檢索過程如下：

（1）根據(jù)輸入的新實例信息，應(yīng)用知識引導(dǎo)策略打開相應(yīng)的實例庫。

（2）將新的實例信息與打開的實例庫中的所有實例的信息逐個進行匹配，并進行相似度計算，從而得到個相似度值。

（3）對個相似度值進行排序，值最大的即為最佳匹配實例。

相似度是所求問題實例的屬性值與以往實例屬性值一致程度的度量值，根據(jù)軸頸類軸實例信息既有數(shù)值型，又有字符型，提出如下的相似度計算公式：

= 式中 —相似度； —實例的特征信息數(shù)目； = 1 ，2， ……，；

——分配給每個特征信息的權(quán)重，且滿足，

滿足：0 ≤ ≤1 ，計算方法如下：如果特征信息為字符型， 則完全匹配時， = 1 ，否則= 0 ，如新、舊實例的材料牌號均為1Cr11Ni2W2MoV ，則 = 1；如果特征信息為數(shù)值型，則 = ，為新實例的特征信息數(shù)值，為實例庫中實例的特征信息數(shù)值。

在相似度的計算過程中，設(shè)定一個閾值，如果相似度小于該值，則該實例可剔除。同時，如果實例庫比較小，可放寬相似度的計算條件；如果實例庫比較大，則要限制相似度的計算條件。

3.3 實例工藝的修訂

一般情況下，檢索出的實例工藝與新工藝的設(shè)計要求是有差異的，因此對已獲得的實例工藝需要進行修改。處理的方式有兩種，一種是刪除，一種是添加。刪除即去除典型實例工藝相對新零件工藝多出的工藝信息，有兩種情況需要對實例工藝進行刪除：一、若實例零件的特征種類和個數(shù)超過當(dāng)前零件，則在實例工藝中刪除那些多余特征對應(yīng)的工序和工步；二、若實例零件中特征的精度高于當(dāng)前零件特征的精度，則在實例工藝中保留為達到當(dāng)前零件特征的加工精度所需的工序/工步內(nèi)容，刪除該特征的其他加工內(nèi)容。

添加是在典型實例工藝中增加一個或多個新零件有的、而典型零件沒有的工藝特征信息。對于這部分信息的處理采用兩種方法：

（1）對于固定而“典型”的工序、工步特征信息，可從已有的典型工序、工步庫中快速選擇匹配，補充缺少部分的工藝內(nèi)容；

（2）對于比較復(fù)雜的的工序、工步特征信息則需要采用基于知識規(guī)則的方法來推理完成。

3.4 應(yīng)用實例

（1）典型實例工藝庫的建立

根據(jù)企業(yè)工藝分類原則，建立典型工藝分類。首先按大的零件類型分，再在每個類型下依據(jù)零件結(jié)構(gòu)特征依次樹形建立更為細致的分類，并為每個典型類總結(jié)典型工藝屬性，然后將企業(yè)已有的典型實例工藝儲存在對應(yīng)的典型類下，如圖3.3所示。

3.3 典型實例工藝庫的建立

圖3.4 由典型實例工藝生成新工藝的過程

（2）典型實例工藝的應(yīng)用

編制新工藝時，選擇以“典型工藝”方式建立新工藝，在隨后彈出的對話框中輸入查詢條件（此處僅列出部分查詢參數(shù)，未選中的查詢參數(shù)不參與典型工藝查詢），以便在典型工藝庫中檢索與之匹配的工藝，將符合條件的工藝全部列出，以供挑選。用戶在查詢出符合條件的典型工藝后，可使用文件瀏覽控件瀏覽所選的典型工藝，因為符合查詢條件的典型工藝可能有多份，故用戶可選擇“最佳”典型工藝另存在需做工藝的零件下，確定后系統(tǒng)自動將典型工藝表頭信息替換為與現(xiàn)在零件想匹配的信息，一份新的工藝規(guī)程即可快速生成，其過程如圖3.4所示。

4 結(jié)束語

基于典型實例工藝的工藝設(shè)計方法與以往簡單的檢索修訂式工藝設(shè)計不同，它是根據(jù)不同零件的結(jié)構(gòu)特征及工藝特點，有針對性的“擇優(yōu)”選用不同的典型工藝為主體，輔以局部創(chuàng)成、決策推理、交互式輸入等多種工藝設(shè)計方法，并將這些方法有機地融合在一起，使它們相互補充，充分發(fā)揮各自的長處與特點，使工藝設(shè)計工作變得靈活，快捷。這不僅大大降低工藝工作的強度和對有經(jīng)驗工藝人員的依賴，而且還提高了工藝的重用性和繼承性，促進工藝向規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。

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