| 基于人工智能的圆柱齿轮虚拟设计
俞 敏
摘 要：介绍了虚拟设计VD（Virtual Design）与基于人工智能AI（Artifical Intelligence）的设计的异同点，以及它们相结合的有关技术，并重点阐述了基于AI的设计在齿轮设计中的应用。
关键词：人工智能；专家系统；虚拟设计；CAX系统
引 言
随着现代设计方法的发展，产生了基于人工智能的虚拟设计方法，即将人工智能中的搜索技术、
推理功能及学习机制用于现代机械设计中。
基于人工智能AI的设计与虚拟设计VD的不同点
虚拟设计VD即CAX技术，采用图形学和交互系统建模和处理几何参数，它的对象是纯粹的几何体，对象之间的关系只是几何实体之间的装配关系，所有程序只是程序化的，无法做到开放性，从而使得基于产品设计的工程知识无法得到随时随地更新、补充和维护，且设计规程之间的关系无法根据用户的需求得到调整。而基于AI的设计使知识的组织、工程设计和程序具有开放性、可扩展性。
人工智能AI与虚拟设计VD的结合
1.浅层结合
CAX系统中的几何模型能被引入到人工智能AI系统中作为产品的对象，而且AI与CAX之间能相互传递参数和有关数据。
2.深层结合
人工智能AI中知识库中的产品对象能被引入到CAX系统中，且修改知识库中的产品对象能驱动CAX系统中的几何实体。
人工智能AI与虚拟设计技术VD相结合的功能图如图1。
图1
3.基于人工智能AI—专家系统ES（Expert System）的齿轮设计
本例以一对直齿圆柱齿轮啮合传动设计来说明专家系统ES与虚拟设计VD－CAD的结合。
该例的专家系统由面向对象语言VC＋＋6.0实现，采用可视化界面，并将所得的特征参数用AutoLisp语言输入CAD系统。CAD系统采用目前流行的AutoCAD R14系统。
求解问题：某齿轮传动系统中大齿轮已失，只有小齿轮，已知a=112.5 mm,z1=38,da1=100mm.求大齿轮有关参数。
齿轮设计的程序流程：
(1)知识的表示
用规则表示法，以NULL表示变量值不存在。
初态：S0(a,z1,da1,ha1′=1,α1=α2,m1=m2);
目态：St(m2,z2,d2,da2,df2,dh2);
(2)规则表示
1)if(m=NULL) then 知识库公式LIB（m）;
2)if(z=NULL) then 知识库公式LIB（z）;
3)if(ha′=NULL) then 知识库公式LIB（ha′）;
4)if(c′=NULL) then 知识库公式LIB（c′）;
5)if(α=NULL) then 知识库公式LIB（α）;
6)if(results=NULL) then 取默认值default;
7)if((results & default)=NULL) then return(error);
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图2 齿轮设计的程序流程图 |
(3)产生式系统基本工作过程，流程图如图3。
图3 产生式系统基本工作流程图
其中LIB(m)公式：m=d/z, m=p/π,m=da1/(z1+2×ha′), m=2×a/(z1+z2), m=ha/ha′, m=hf/(ha′+c′), m=h/(2×ha′+c′), m=db1/z1×cosα, m=df1/(z1-2×ha′-2×c′), m=2×s/π, m=2×e/π；
运用规则2）求z与求m一样，LIB（z）公式为：z=d/m, z=2×a/m-z1, z=db/(m×cosα), z=da/m-2×ha′, z=df/m+2×ha′+2×c′，
经过搜索得公式z2=2×a/m-z1, 即z2=2×112.5/2.5-38=52；
此时目态St(2.5,52,d2,……)；
余下依此类推，求得d2=130，……
状态最终为St(2.5, 52, 130, 135, 123.75, 122.16)；
其中注意：求α的流程图如图4。
图4
(4)计算重合度，并判断是否根切，流程图如图5。
图5
(5)AutoCAD系统作图结果如图6。
图6
结 论
本文在齿轮的设计中引入AI某些技术、方法，从而使设计智能化，并使高层次的工程设计理念渗透到CAX技术中，提高了设计效率。
参考文献：
［1］ 田盛丰，人工智能原理及运用，北京理工大学出版社；
［2］ 孙靖民、王新菜，现代机械设计方法选讲，哈尔滨工业大学出版社；
［3］ 余俊，机械CAD基本教程，华中理工大学出版社；
［4］ 童兆，知识工程，科学出版社；
［5］ 胡平、王成国、庄茁，虚拟工程与科学，气象出版社；
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