平面盘形凸轮机构CAD系统的智能设计

李 艳

（湄洲湾职业技术学院， 福建 莆田 351254）

0 引言

平面凸轮机构通过凸轮与从动件之间的直接接触来传递运动和动力，是一种结构简单且易于实现各种复杂运动规律的高副机构，在实践生产中应用广泛［1］。平面凸轮机构的类型很多，其中平面盘形凸轮机构应用最多［2］，因此以平面盘形凸轮机构为对象来研究其CAD系统的智能设计，具有一定的代表性［3］。开发平面盘形凸轮机构CAD系统，就可直接对凸轮机构的三维模型进行设计。CAD的应用可以使整体设计过程在三维模型中进行分析研究和运动仿真［4］，还可以进一步建立起完整统一的数据库应用于设计当中，相应改善设计方法与思想，进而有效地分析产品的零部件或整体的设计，使设计方案更加理想化［5］。

1 平面盘形凸轮机构CAD系统智能设计的开发

在普通的平面盘形凸轮机构CAD系统中，往往只包含人工设计部分，即手动输入凸轮机构各个设计参数，利用数据库，显示设计结果。在此次开发的凸轮机构CAD系统中，在综合类型选择中包括人工设计、智能设计、数据库管理、知识库管理四个部分。其中智能设计部分可以根据提供的实际条件，应用知识库中推荐的从动件运动规律，来选择适合的从动件运动规律来进行设计，并能对知识库进行管理操作。

在平面盘形凸轮机构CAD系统智能设计的开发中，先根据在不同的工作情况下，归纳出从动件运动规律的选用原则，可供知识库中调用从动件运动规律设计时参考。再进行知识库的创建，根据之前总结归纳的从动件运动规律，以及所选择的载荷类型和速度类型，筛选出符合要求的运动规律，并进行选择。在知识库的管理中，可以加入、修改和删除规则。智能设计开发流程图，如图1所示。

图1 智能设计开发流程图Fig.1 The flow chart of the research on intelligent design

2 从动件运动规律的选择

只要设计出合适的凸轮轮廓曲线，就可以使从动件达到预期的运动规律。反过来说，从动件的运动规律是凸轮设计中必须重点确定的设计内容［6］。在选择凸轮机构的从动件运动规律时，除了考虑行程范围内的速度、加速度有无突变外，还需要考虑各种不同运动规律所表现出的的运动和动力的参数最大值，其会影响凸轮机构的工作性能。从动件的速度、加速度、跃度和凸轮上的转矩最大值即运动规律的特征值，分别为 VM、AM、JM、和 TM。

在实际工作中，应尽可能减小系统的最大动量，即要求运动规律的最大速度VM应尽可能小。如果设计的是平底从动件，平底的工作面长度会受到VM值的影响。而对于非平底形式的从动件，凸轮机构的压力角则会受到VM值的影响，VM值应尽可能小，以减小凸轮机构的结构尺寸。最大加速度AM则会影响机构的动态性能。从动件系统的附加惯性力随着AM的增大而增大。为了减小惯性力，应使AM的绝对值尽可能小。跃度表示的是加速度的变化率，减小从动件的最大跃度JM，尤其要尽量减小行程终点位置的跃度，从而系统的工作平稳性得到有利地提高。因此在评价和选择从动件的运动规律时，应尽量使VM、AM、JM、和TM各特征值都尽可能的小［7］。而上述各个特征值之间也会存在着相互制约的关系。通常情况下可以根据凸轮机构工作时的速度大小和受载情况来进行选择。

根据运动规律特征值，结合实际情况，可选择合适的从动件运动规律。在本系统中，是根据凸轮的速度类型和载荷类型来进行选择。表1为在不同的工作速度和工作载荷情况下，从动件运动规律的选用原则。在本系统中，智能设计部分知识库中推荐的从动件运动规律，就是根据表1设计。

表1 推荐选择的从动件运动规律Table.1 The recommended of the follower motion law

3 知识库的创建与管理

3.1 知识库的创建

本系统中，如果选择智能设计，根据输入的平面盘形凸轮机构所受的速度类型和载荷类型，利用之前归纳总结的若干条规则，调用本系统知识库，进而选择合适的从动件运动规律进行设计。

本系统中使用产生式的条件语句来表示规则,来实现选择结构，产生式规则一般可使用IF-THEN的格式来表示，IF部分是前提条件，THEN部分是结论［8］。例如有如下的规则：

规则编号 Rule 2

IF 条件1： 低速

条件2： 中载

THEN 结论：二次项修正等速运动

IF的各个条件之间是“与”的关系，其规则的含义是，如果凸轮机构的工作速度是低速，受载情况是中载，则从动件的运动规律可以选用二次项修正等速运动规律。

知识库规则主要应用于智能设计时从动件运动规律的推荐选择上。知识库的创建是以数据库系统为基础的。常见的数据库系统有Microsoft Access、Microsoft FoxPro、Excel、Paradox等，在本系统中的知识库里包含的是推荐的从动件运动规律选择的知识，知识库中规则的容量不是很大，因而选用常用的Microsoft Access来创建数据库系统。首先建立一个空的数据库系统，然后在数据库系统中添加表，定义表中的结构［9］。在智能设计中,需从知识库中提取合适的从动件运动规律进行设计。根据之前总结归纳的从动件运动规律，根据所选择的载荷类型和速度类型，筛选出符合要求的运动规律，并进行选择。在Access数据库中，创建归纳从动件运动规律表。在智能设计阶段，选择要设计的凸轮机构速度、载荷类型，如中速中载，知识库中激活归纳总结的所适用运动规律规则，选择其中一种从动件运动规律完成机构设计工作，如图2所示。

图2 激活对应规则界面Fig.2 The Activation of the interface of corresponding rule

3.2 知识库的管理

本系统中专门设计了知识库管理界面，如图3所示。涉及到知识库的查询、知识库的管理和知识库规则的显示。其中知识库管理包括加入、修改和删除规则。从而对凸轮机构从动件运动规律进行归纳管理，便于智能设计中调用［10］。

图3 知识库管理窗口Fig.3 The window of knowledge base management

知识库管理中部分代码如下:

（1）加入代码:

If ifadd=True Then

……

Adodc1.Recordset.Add New

……

（2）修改代码:

If ifedit=True Then

……

Adodc1.Recordset.Update

……

（3）删除代码:

Dim okdelt As Integer

If Adodc1.Recordset.RecordCount＜＞ 0 Then

okdelt=MsgBox（“确认是否删除?”，vbOKCancel+vbQuestion，“提示”）

……

Adodc1.Recordset.Delete

……

4 结语

本文对平面盘形凸轮机构CAD系统中的智能设计部分进行研究与开发，采用Visual Basic作为开发语言工具，通过创建系统的知识库、知识库管理系统，用户可以根据凸轮的速度类型和载荷类型，从创建的知识库中提取合适的从动件运动规律进行平面盘形凸轮机构的智能设计，从而实现平面盘形凸轮机构CAD系统的智能设计。

在本系统中，不仅可以应用人工设计方法来完成从动件运动规律的选择，也可根据由系统提供的智能设计部分来完成对从动件运动规律的选择，从而在设计方法上具有双重选择并有一定的新意。并可以对知识库进行管理。涉及到知识库的查询，加入、修改和删除规则和知识库规则的显示，进一步优化系统的智能设计。系统操作简单、用户界面友好，有利于课堂教学的展开和学生的学习应用，从而激发学生的学习兴趣，具有一定的易用性和实用性。