基于知識(shí)工程的滾刀設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)＊

楊 晨 張巧麗 徐 敏 李西寧 劉育志

（①中國航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司，陜西 西安 710000；②西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，陜西 西安 710072）

制造業(yè)一直以來都是國民經(jīng)濟(jì)的重要主體，而隨著經(jīng)濟(jì)的不斷提高，制造業(yè)也獲得了不斷發(fā)展。刀具已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)的生產(chǎn)利器，起著重要作用。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)可知，在切削加工中，刀具費(fèi)用已經(jīng)超過了整個(gè)制造業(yè)的1/3，表明刀具的市場具有非常好的發(fā)展前景[1]。齒輪作為主要的機(jī)械元件，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車等諸多行業(yè)，而隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，在制造業(yè)中對(duì)切削加工提出了較高的技術(shù)需求。其中，齒輪切削加工正在不斷朝著高效率、低能耗的方向發(fā)展，在齒輪加工的過程中，刀具占有重要的地位[2]。齒輪滾刀設(shè)計(jì)對(duì)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)要求較高，因此，滾刀設(shè)計(jì)人員需要通過長期的實(shí)踐和學(xué)習(xí)才能積累相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、技巧和方法。為了快速、高效地完成齒輪滾刀的設(shè)計(jì)工作，減少人為的設(shè)計(jì)失誤，本文將知識(shí)工程引入到齒輪滾刀的設(shè)計(jì)中。

知識(shí)工程的概念最早是由美國科學(xué)家費(fèi)根鮑姆在1977 年的人工智能大會(huì)上提出的，這一概念被提出后眾多學(xué)者紛紛投入到對(duì)知識(shí)工程的研究中，取得了巨大的成果[3]。目前，國內(nèi)學(xué)者對(duì)齒輪滾刀的研究如下：

劉海江等利用VB 編程軟件和CAD 軟件，開發(fā)了干式滾刀設(shè)計(jì)的應(yīng)用軟件系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了干式滾刀零件圖的繪制[4]。楊選文等從滾齒加工提高生產(chǎn)效率的角度出發(fā)，論述了當(dāng)前滾刀設(shè)計(jì)的兩種發(fā)展趨勢[5]。李威等從齒輪嚙合和滾刀設(shè)計(jì)的基本原理出發(fā)，提出了非對(duì)稱漸開線圓柱齒輪滾刀的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了非對(duì)稱齒輪滾刀的參數(shù)化建模[6]。石林祥等結(jié)合CAD/CAM 技術(shù)和專家系統(tǒng)技術(shù)，開發(fā)出了齒輪滾刀設(shè)計(jì)制造專家系統(tǒng)[7]。

近年來，齒輪設(shè)計(jì)加工行業(yè)蓬勃發(fā)展，滾刀的設(shè)計(jì)制造技術(shù)也不斷發(fā)展。人們對(duì)齒輪滾刀有了更高的要求，而傳統(tǒng)的滾刀設(shè)計(jì)制造具有設(shè)計(jì)周期較長、計(jì)算公式復(fù)雜等特點(diǎn)[8]。針對(duì)這一現(xiàn)狀，開發(fā)一套基于知識(shí)工程的現(xiàn)代滾刀設(shè)計(jì)系統(tǒng)成為解決當(dāng)前問題的關(guān)鍵。滾刀設(shè)計(jì)人員可以結(jié)合滾刀的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)系統(tǒng)中已經(jīng)存在的原有滾刀結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速的變形設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的智能化、數(shù)字化，從而大大縮短滾刀設(shè)計(jì)的時(shí)間，提高滾刀的設(shè)計(jì)精度，避免設(shè)計(jì)人員由經(jīng)驗(yàn)不足引起的差錯(cuò)。

1 系統(tǒng)的需求分析

該系統(tǒng)的目的是使用戶可以利用滾刀設(shè)計(jì)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)快速計(jì)算出齒輪滾刀的相關(guān)參數(shù)值，并生成齒輪滾刀的三維模型和二維工程圖，供其他設(shè)計(jì)者參考。系統(tǒng)的需求分析是系統(tǒng)開發(fā)中最基本也是最重要的環(huán)節(jié)之一[9]。需求分析是指系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在系統(tǒng)開發(fā)前，對(duì)所要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在功能、性能、安全性以及使用等技術(shù)規(guī)格方面進(jìn)行需求分析[10]。需求分析的結(jié)果是系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)，也是開發(fā)軟件系統(tǒng)中至關(guān)重要的第一步[11]。具體需求如下：

（1）可以根據(jù)系統(tǒng)中已經(jīng)存在的原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速變形設(shè)計(jì)。

（2）各個(gè)原型結(jié)構(gòu)尺寸之間的關(guān)系以規(guī)則的形式來描述，包括裝配關(guān)系、尺寸的設(shè)計(jì)關(guān)系等。

（3）具備友好的人機(jī)交互功能，工件參數(shù)輸入，滾刀參數(shù)輸入，良好的容錯(cuò)性。

（4）具備滾刀工程圖繪制功能，刀具二維工程圖的字體、圖框大小、明細(xì)表和標(biāo)題欄等相關(guān)內(nèi)容與標(biāo)準(zhǔn)相同。

（5）輸出參數(shù)按規(guī)定原則進(jìn)行選定數(shù)值輸出顯示，計(jì)算公式得出的參數(shù)按要求輸出顯示，且備注欄中“選值”內(nèi)容系統(tǒng)自帶，供用戶選擇。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于數(shù)據(jù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)Siemens NX11.0，利用二次開發(fā)工具，結(jié)合筆者公司在圓柱直齒漸開線齒輪滾刀設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)基于知識(shí)工程的齒輪滾刀設(shè)計(jì)系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，只需通過人機(jī)交互輸入被加工齒輪的基本參數(shù)，系統(tǒng)便能計(jì)算出齒輪滾刀相應(yīng)的參數(shù)值，并在三維建模模塊生成齒輪滾刀的三維模型和在工程圖模塊生成二維工程圖紙，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和建模的信息集成，從而大大提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期。滾刀設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。

圖1 滾刀設(shè)計(jì)流程

齒輪滾刀設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括用戶界面模塊、參數(shù)計(jì)算模塊、三維建模模塊和工程圖模塊。用戶界面模塊主要是用來輸入一些齒輪滾刀的參數(shù)，顯示齒輪滾刀的三維模型和二維工程圖，通過鍵盤、鼠標(biāo)和顯示屏等輸入輸出設(shè)備形成人機(jī)交互；參數(shù)計(jì)算模塊確定輔助參數(shù)、滾刀外形尺寸、滾刀法向齒形尺寸及其他齒形中參數(shù)的計(jì)算公式，根據(jù)設(shè)計(jì)者在用戶界面輸入的被加工齒輪參數(shù)，完成齒輪滾刀相關(guān)參數(shù)值的計(jì)算；三維建模模塊主要用于根據(jù)計(jì)算出的齒輪滾刀參數(shù)值建立刀具的三維模型；工程圖模塊主要用于根據(jù)計(jì)算出的齒輪滾刀參數(shù)值和系統(tǒng)中已經(jīng)存在的原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速變形生成刀具的二維工程圖。

3 滾刀齒形參數(shù)的確定

3.1 滾刀設(shè)計(jì)原始參數(shù)的確定

齒輪滾刀的齒形有多種形式，可分為加工標(biāo)準(zhǔn)齒形、含留量齒形、帶倒角齒形、帶觸角和倒角齒形[12]。滾刀作為與被加工齒輪嚙合的齒輪，其基本參數(shù)取決于被加工齒輪的參數(shù)[13]。在齒輪滾刀設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，需要設(shè)計(jì)人員在用戶界面模塊輸入被加工齒輪的相關(guān)參數(shù)來完成齒輪滾刀參數(shù)的計(jì)算。表1列出了被加工齒輪相關(guān)參數(shù)的名稱及符號(hào)。

表1 被加工齒輪參數(shù)

3.2 滾刀尺寸參數(shù)的確定

齒輪滾刀的尺寸參數(shù)非常復(fù)雜，其設(shè)計(jì)過程涉及到幾十個(gè)尺寸參數(shù)，這些參數(shù)很多相互關(guān)聯(lián)[14]。齒輪滾刀設(shè)計(jì)過程會(huì)用到較多的知識(shí)，包括計(jì)算公式、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)規(guī)范等[15]。在齒輪滾刀設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，結(jié)合專家總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)滾刀設(shè)計(jì)過程中輔助參數(shù)、滾刀外形尺寸、滾刀法向齒形尺寸及其他齒形中參數(shù)的計(jì)算公式進(jìn)行確定，對(duì)各參數(shù)分別予以計(jì)算。

3.2.1 輔助參數(shù)的確定

工件輔助參數(shù)的計(jì)算如表2 所示。

表2 輔助參數(shù)的計(jì)算

3.2.2 滾刀外形尺寸的確定

（1）滾刀螺旋方向

在加工直齒輪時(shí)，滾刀螺旋方向常采用右旋。

（2）滾刀法向齒形角αfd

在標(biāo)準(zhǔn)齒輪中，αfd=αf

在變位齒輪中，αfd=α其中：α為齒輪節(jié)圓上的法向壓力角。

在標(biāo)準(zhǔn)齒輪中，滾刀齒頂高為：

其中：f為齒頂高系數(shù)；C1為徑向間隙系數(shù)。

在變位齒輪中，滾刀齒頂高為：

在標(biāo)準(zhǔn)齒輪中，滾刀齒根高為：

在變位齒輪中，滾刀齒根高為：

（3）滾刀齒全高h(yuǎn)d

First,the crisis faced by the EU cannot be solved by strengthening protectionism.

（4）滾刀齒距tfd

（5）分度圓弧齒厚S fd

3.2.4 其他尺寸的確定

（1）滾刀的前角γ

精加工滾刀和標(biāo)準(zhǔn)滾刀為了便于制造和測量，一般都采用0°的前角。

（2）滾刀的后角αp

滾刀的后角 αp一般取8°～12°。

（3）滾刀的鏟背量k

（4）容屑槽角θ

容屑槽角 θ一般可取30°～45°。

4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本文的齒輪滾刀設(shè)計(jì)系統(tǒng)是基于數(shù)據(jù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)Siemens NX11.0 開發(fā)的，其結(jié)合了筆者公司在圓柱直齒漸開線齒輪滾刀設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)。齒輪滾刀設(shè)計(jì)系統(tǒng)的對(duì)滾刀的設(shè)計(jì)過程如下：

首先，通過帶狀工具條上或菜單相應(yīng)的圖標(biāo)啟動(dòng)本功能的用戶界面，初始“被加工齒輪參數(shù)輸入”按鈕激活，“滾刀參數(shù)計(jì)算”“生成三維模型”兩個(gè)按鈕為灰色。

其次，單擊“被加工齒輪參數(shù)輸入”，輸入被加工齒輪參數(shù)。其中被加工齒輪的“精度等級(jí)”、“模數(shù)”、“分度圓壓力角”為必填項(xiàng)，另“齒頂圓直徑和齒根圓直徑”和“齒頂高系數(shù)和間隙系數(shù)”兩組之一為必填項(xiàng)，當(dāng)“按齒頂圓直徑和齒根圓直徑輸入”、“按齒頂高系數(shù)和間隙系數(shù)輸入”其中之一按鈕激活時(shí)，另一按鈕為非激活狀態(tài)（不可輸入狀態(tài)），該界面如圖2 所示。

圖2 輸入被加工齒輪參數(shù)界面

“有齒根圓”選項(xiàng)激活時(shí)，則可以手工輸入齒頂圓弧半徑的值，否則輸入框?yàn)榉羌せ顮顟B(tài)；“分度圓弧齒厚”的值有3 種輸入方式供選擇：直接輸入、通過公法線長度計(jì)算、通過滾棒直徑計(jì)算；“漸開線起始圓弧直徑”為顯示值，供工程師驗(yàn)證用；單擊“確定”按鈕，則返回用戶界面，此時(shí)“滾刀參數(shù)計(jì)算”按鈕激活。然后，單擊“滾刀參數(shù)計(jì)算”，系統(tǒng)則會(huì)利用專家經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，之后顯示滾刀相關(guān)參數(shù)和被加工齒輪漸開線起始圓弧直徑供工程師查看，如果需要修改，可直接單擊“被加工齒輪參數(shù)”按鈕，進(jìn)入“被加工齒輪參數(shù)”輸入對(duì)話框進(jìn)行修改；工程師可以通過自定義滾刀外徑尺寸，通過“更新”按鈕進(jìn)行重新計(jì)算；單擊“確定”按鈕，則返回用戶界面，此時(shí)“生成三維模型”按鈕激活，滾刀參數(shù)計(jì)算界面如圖3 所示。

圖3 滾刀參數(shù)計(jì)算界面

最后，單擊“生成三維模型”按鈕，根據(jù)獲取的信息生成齒輪滾刀的三維模型。齒輪滾刀三維模型如圖4 所示。

圖4 齒輪滾刀三維模型

5 結(jié)語

本文結(jié)合筆者公司在圓柱直齒漸開線齒輪滾刀設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了基于知識(shí)工程的齒輪滾刀設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過輸入被加工齒輪的基本參數(shù)，利用專家經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出齒輪滾刀的參數(shù)值，然后生成齒輪滾刀的三維模型和二維工程圖紙，該系統(tǒng)降低了對(duì)設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)水平的要求，提升了設(shè)計(jì)質(zhì)量，從而降低了滾刀設(shè)計(jì)成本。該系統(tǒng)對(duì)刀具制造企業(yè)的智能制造技術(shù)提升、其他類型的復(fù)雜刀具的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造具有一定的參考價(jià)值。