圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)(CGREST）的開發(fā)
指導(dǎo)教師姓名：顧崇銜 教授 西安交通大學(xué)
趙汝嘉 教授 西安交通大學(xué)
申請學(xué)位級別：博士 專業(yè)名稱：機(jī)械制造
論文提交日期：1989.7
內(nèi)容提要
本文所論述的圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)（CYLINDRIC GEAR REDUGER DBSIGN EXPERT SYSTEM 簡稱CGREST）是利用人工智能（ARTIFIGIAL INTELLIGENCE簡稱AI）、專家系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)的一個(gè)實(shí)用型的設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，是國家“七五”規(guī)劃重型機(jī)械基礎(chǔ)件CAD的一個(gè)子項(xiàng)目。本文對專家系統(tǒng)技術(shù)在圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用理論和實(shí)用技術(shù)進(jìn)行了探入的探討和研究。在設(shè)計(jì)思想、實(shí)現(xiàn)策略、知識采集、知識描述、知識運(yùn)行等方面，在模擬人類設(shè)計(jì)專家的思維方面，在機(jī)城設(shè)計(jì)及機(jī)械繪圖方面進(jìn)行了新的嘗試，并取得了令人滿意的結(jié)果。論文共分十章。第一章扼要介紹圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的意義，四柱齒輪減速器的種類和圓柱齒輪減速器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程；第二章簡單介紹了人工智能、專家系統(tǒng)的研究范困，專家系統(tǒng)的基本袱念，機(jī)城設(shè)計(jì)方面的專家系統(tǒng)以及專家系統(tǒng)的發(fā)展撰況，第三章論述了在圓柱齒輪減速器專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中所采用的設(shè)計(jì)知識的處理方法和設(shè)計(jì)知識表達(dá)方法，主要包括產(chǎn)生式表示法、框架表示法、過程表示法和數(shù)表知識表示法等；第四章介紹了圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的上下文組織、存儲和專家系統(tǒng)上下文的智能查詢過程；第五章為圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的知識控制和推理策略，主要包括正向推理、反向推理、正反向混合推理，框架知識的推理及運(yùn)行和其它知識的運(yùn)行和處理方式；第六章描述了圓柱齒輪減速成器的專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程。其中包括：原動(dòng)機(jī)械的選擇，減速器材料的選擇，傳動(dòng)方案的選擇，齒輪、軸、箱體、軸承及其它附件的設(shè)計(jì)與選擇，圓柱齒輪減速器的方案評價(jià)及價(jià)格等，第七章論述了本文開發(fā)的專家系統(tǒng)的智能繪圖系統(tǒng)，并敘述了圓柱齒輪減速器零件圖及裝配圈的繪圖過程，第八章為專家系統(tǒng)的解釋功能、學(xué)習(xí)功能和外部接口等方面的內(nèi)容，第九章是圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)例，第十章為本論文的結(jié)論部分。
第一章 引論
1.1研究課題的來源及意義
七十年代～八十年代初，一批專家系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，得到各行各業(yè)的普遍重視。因此，八十年代初，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家投資巨額，進(jìn)行第五代計(jì)算機(jī)（或稱AI機(jī)）的研究工作。例如在1982年，日本成立了“新一代電子計(jì)算機(jī)技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)”(ICOT)，投資四億五仟萬美元列為國家科研項(xiàng)目，并于同年五月，ICOT從范圍不同的題目中選取和擬定了三種專家系統(tǒng)作為整個(gè)計(jì)劃的中期目標(biāo)，以使計(jì)算機(jī)能夠理解、判斷，進(jìn)行問題的求解，甚至能夠理解書面和口頭語言。這是一場使計(jì)算機(jī)從信息處理機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橹R處理機(jī)的革命，其核心部分正是專家系統(tǒng)的運(yùn)用。其它國家，例如美國、英國等，也制定了相應(yīng)的計(jì)劃。在我國，近幾年來許多高等院校和有關(guān)科研部門在不少領(lǐng)域已經(jīng)研制了不少專家系統(tǒng)，但大多數(shù)還沒有達(dá)到實(shí)際運(yùn)用的程度。國家“七五”規(guī)劃中對專家系統(tǒng)的科研項(xiàng)目以明確要求達(dá)到使用水平。
專家系統(tǒng)的研制一方面是計(jì)算機(jī)科學(xué)和應(yīng)用發(fā)展的需要。專家系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，解決了一些軟件研制的技術(shù)何題，使得人工智能從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)實(shí)世界。同時(shí)，專家系統(tǒng)作為一種實(shí)用工具為人類保存、傳播、使用和評價(jià)知識提供了一種有效的手段，具有明顯的社會效益。圓柱齒輪減速器專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
另一方面，我國現(xiàn)在流行的專家系統(tǒng)工具不少，但實(shí)用的專家系統(tǒng)卻不多。原因在于真正實(shí)用的系統(tǒng)的研制不能通過基于AI方面的理論研究就能達(dá)到。工具系統(tǒng)（又稱骨架系統(tǒng)）之所以受到限制，是因?yàn)楣羌芟到y(tǒng)的知識表示、框架、推理機(jī)等機(jī)制已經(jīng)確定下來，用骨架系統(tǒng)開發(fā)專家系統(tǒng)將受到系統(tǒng)工具環(huán)境的限制。
事實(shí)上，專家系統(tǒng)建造過程最為棘手，工作量最大的是知識工程師從領(lǐng)域?qū)＜夷抢铽@得知識并將其形式化，可以說，建造專家系統(tǒng)的中心任務(wù)是知識獲取工作。
因此，為政變我國機(jī)械設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，趕超世界先進(jìn)水平，同時(shí)，也是為完成國家“七五”規(guī)劃重型機(jī)械基礎(chǔ)件CAD中的一個(gè)子項(xiàng)目——《圓柱齒輪減速器方案評價(jià)及報(bào)價(jià)專家系統(tǒng)）的延伸，確定《圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)》為本論文研究方向。
1.2圓柱齒輪減速器
在工礦企業(yè)及運(yùn)輸、建筑等部門中，圓柱齒輪減速器是一種應(yīng)用極為廣泛的重要部件。通用型減速器，作為一種工業(yè)產(chǎn)品，規(guī)格較多，產(chǎn)量頗大。與此同時(shí)，在使用部門中還經(jīng)常需要設(shè)計(jì)一些能滿足特定要求的專用減速器。為適應(yīng)市場瞬息多變的要求，國家在“七五”期限間，將重型機(jī)械基礎(chǔ)件作為24項(xiàng)CAD攻關(guān)產(chǎn)品之一，并將減速器作為重型機(jī)械基礎(chǔ)件的代表。由西安重型機(jī)械研究所（后簡稱西重所）提供的專家系統(tǒng)文本中減速器的類型如下（圖1-1、圖1-2-1、圖1-2-2、圖1-2-3）。
1.3圓柱齒輪減速器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
設(shè)計(jì)人員接到設(shè)計(jì)任務(wù)（產(chǎn)品設(shè)計(jì)任書或生產(chǎn)廠的開發(fā)設(shè)想），根據(jù)任務(wù)的要求作進(jìn)一步的調(diào)查研究，廣泛的收集有關(guān)資料，特別是收集現(xiàn)有的同類機(jī)械（如果有的話）的性能參數(shù)、使用情況、優(yōu)缺點(diǎn)等資料，根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行構(gòu)思，擬定產(chǎn)品的初步方案或結(jié)構(gòu)草圖，進(jìn)行多次反復(fù)的計(jì)算分析，綜合比較，選定在經(jīng)濟(jì)性、工藝性及可靠性等方面較為合理完善的方案，并以此繪制為止。整個(gè)過程可表示為圖1-3。
本論文是開發(fā)圓柱齒輪減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)，圓柱齒輪減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程如圖1-4。
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