基于知識工程的滾刀設計系統開發＊

楊 晨 張巧麗 徐 敏 李西寧 劉育志

（①中國航發西安動力控制科技有限公司，陜西 西安 710000；②西北工業大學機電學院，陜西 西安 710072）

制造業一直以來都是國民經濟的重要主體，而隨著經濟的不斷提高，制造業也獲得了不斷發展。刀具已經成為現代制造業的生產利器，起著重要作用。據有關數據可知，在切削加工中，刀具費用已經超過了整個制造業的1/3，表明刀具的市場具有非常好的發展前景[1]。齒輪作為主要的機械元件，廣泛應用于飛機、汽車等諸多行業，而隨著現代科技的高速發展，在制造業中對切削加工提出了較高的技術需求。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]。齒輪滾刀設計對經驗知識要求較高，因此，滾刀設計人員需要通過長期的實踐和學習才能積累相關的設計經驗、技巧和方法。為了快速、高效地完成齒輪滾刀的設計工作，減少人為的設計失誤，本文將知識工程引入到齒輪滾刀的設計中。

知識工程的概念最早是由美國科學家費根鮑姆在1977 年的人工智能大會上提出的，這一概念被提出后眾多學者紛紛投入到對知識工程的研究中，取得了巨大的成果[3]。目前，國內學者對齒輪滾刀的研究如下：

劉海江等利用VB 編程軟件和CAD 軟件，開發了干式滾刀設計的應用軟件系統，并實現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效率的角度出發，論述了當前滾刀設計的兩種發展趨勢[5]。李威等從齒輪嚙合和滾刀設計的基本原理出發，提出了非對稱漸開線圓柱齒輪滾刀的設計方法，實現了非對稱齒輪滾刀的參數化建模[6]。石林祥等結合CAD/CAM 技術和專家系統技術，開發出了齒輪滾刀設計制造專家系統[7]。

近年來，齒輪設計加工行業蓬勃發展，滾刀的設計制造技術也不斷發展。人們對齒輪滾刀有了更高的要求，而傳統的滾刀設計制造具有設計周期較長、計算公式復雜等特點[8]。針對這一現狀，開發一套基于知識工程的現代滾刀設計系統成為解決當前問題的關鍵。滾刀設計人員可以結合滾刀的經驗公式，對系統中已經存在的原有滾刀結構進行快速的變形設計，以實現設計過程的智能化、數字化，從而大大縮短滾刀設計的時間，提高滾刀的設計精度，避免設計人員由經驗不足引起的差錯。

1 系統的需求分析

該系統的目的是使用戶可以利用滾刀設計的相關經驗快速計算出齒輪滾刀的相關參數值，并生成齒輪滾刀的三維模型和二維工程圖，供其他設計者參考。系統的需求分析是系統開發中最基本也是最重要的環節之一[9]。需求分析是指系統設計人員在系統開發前，對所要設計的系統在功能、性能、安全性以及使用等技術規格方面進行需求分析[10]。需求分析的結果是系統開發的基礎，也是開發軟件系統中至關重要的第一步[11]。具體需求如下：

（1）可以根據系統中已經存在的原型結構進行快速變形設計。

（2）各個原型結構尺寸之間的關系以規則的形式來描述，包括裝配關系、尺寸的設計關系等。

（3）具備友好的人機交互功能，工件參數輸入，滾刀參數輸入，良好的容錯性。

（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、明細表和標題欄等相關內容與標準相同。

（5）輸出參數按規定原則進行選定數值輸出顯示，計算公式得出的參數按要求輸出顯示，且備注欄中“選值”內容系統自帶，供用戶選擇。

2 系統的設計

基于數據化設計平臺Siemens NX11.0，利用二次開發工具，結合筆者公司在圓柱直齒漸開線齒輪滾刀設計方面的經驗，開發基于知識工程的齒輪滾刀設計系統。在此系統中，只需通過人機交互輸入被加工齒輪的基本參數，系統便能計算出齒輪滾刀相應的參數值，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，實現設計和建模的信息集成，從而大大提高設計效率，縮短設計周期。滾刀設計流程如圖1 所示。

圖1 滾刀設計流程

齒輪滾刀設計系統包括用戶界面模塊、參數計算模塊、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，顯示齒輪滾刀的三維模型和二維工程圖，通過鍵盤、鼠標和顯示屏等輸入輸出設備形成人機交互；參數計算模塊確定輔助參數、滾刀外形尺寸、滾刀法向齒形尺寸及其他齒形中參數的計算公式，根據設計者在用戶界面輸入的被加工齒輪參數，完成齒輪滾刀相關參數值的計算；三維建模模塊主要用于根據計算出的齒輪滾刀參數值建立刀具的三維模型；工程圖模塊主要用于根據計算出的齒輪滾刀參數值和系統中已經存在的原型結構進行快速變形生成刀具的二維工程圖。

3 滾刀齒形參數的確定

3.1 滾刀設計原始參數的確定

齒輪滾刀的齒形有多種形式，可分為加工標準齒形、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，其基本參數取決于被加工齒輪的參數[13]。在齒輪滾刀設計系統中，需要設計人員在用戶界面模塊輸入被加工齒輪的相關參數來完成齒輪滾刀參數的計算。表1列出了被加工齒輪相關參數的名稱及符號。

表1 被加工齒輪參數

3.2 滾刀尺寸參數的確定

齒輪滾刀的尺寸參數非常復雜，其設計過程涉及到幾十個尺寸參數，這些參數很多相互關聯[14]。齒輪滾刀設計過程會用到較多的知識，包括計算公式、經驗數據和設計規范等[15]。在齒輪滾刀設計系統中，結合專家總結的經驗，對滾刀設計過程中輔助參數、滾刀外形尺寸、滾刀法向齒形尺寸及其他齒形中參數的計算公式進行確定，對各參數分別予以計算。

3.2.1 輔助參數的確定

工件輔助參數的計算如表2 所示。

表2 輔助參數的計算

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，滾刀螺旋方向常采用右旋。

（2）滾刀法向齒形角αfd

在標準齒輪中，αfd=αf

在變位齒輪中，αfd=α其中：α為齒輪節圓上的法向壓力角。

在標準齒輪中，滾刀齒頂高為：

其中：f為齒頂高系數；C1為徑向間隙系數。

在變位齒輪中，滾刀齒頂高為：

在標準齒輪中，滾刀齒根高為：

在變位齒輪中，滾刀齒根高為：

（3）滾刀齒全高hd

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

精加工滾刀和標準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 系統的實現

本文的齒輪滾刀設計系統是基于數據化設計平臺Siemens NX11.0 開發的，其結合了筆者公司在圓柱直齒漸開線齒輪滾刀設計方面的經驗。齒輪滾刀設計系統的對滾刀的設計過程如下：

首先，通過帶狀工具條上或菜單相應的圖標啟動本功能的用戶界面，初始“被加工齒輪參數輸入”按鈕激活，“滾刀參數計算”“生成三維模型”兩個按鈕為灰色。

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

圖2 輸入被加工齒輪參數界面

“有齒根圓”選項激活時，則可以手工輸入齒頂圓弧半徑的值，否則輸入框為非激活狀態；“分度圓弧齒厚”的值有3 種輸入方式供選擇：直接輸入、通過公法線長度計算、通過滾棒直徑計算；“漸開線起始圓弧直徑”為顯示值，供工程師驗證用；單擊“確定”按鈕，則返回用戶界面，此時“滾刀參數計算”按鈕激活。然后，單擊“滾刀參數計算”，系統則會利用專家經驗公式進行計算，之后顯示滾刀相關參數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”按鈕，進入“被加工齒輪參數”輸入對話框進行修改；工程師可以通過自定義滾刀外徑尺寸，通過“更新”按鈕進行重新計算；單擊“確定”按鈕，則返回用戶界面，此時“生成三維模型”按鈕激活，滾刀參數計算界面如圖3 所示。

圖3 滾刀參數計算界面

最后，單擊“生成三維模型”按鈕，根據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 結語

本文結合筆者公司在圓柱直齒漸開線齒輪滾刀設計方面的經驗，開發了基于知識工程的齒輪滾刀設計系統，該系統通過輸入被加工齒輪的基本參數，利用專家經驗公式計算出齒輪滾刀的參數值，然后生成齒輪滾刀的三維模型和二維工程圖紙，該系統降低了對設計人員經驗水平的要求，提升了設計質量，從而降低了滾刀設計成本。該系統對刀具制造企業的智能制造技術提升、其他類型的復雜刀具的數字化設計與制造具有一定的參考價值。