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【摘 要】为了提高齿轮工艺设计效率，实现零件工艺快速生成，以盘状齿轮为代表，在分析其结构及工艺特点的基础上，提出一种基于典型实例工艺的工艺设计方法。着重研究了基于该方法进行工艺设计时的几个关键技术，包括零件实例信息建模、实例工艺检索、实例工艺修订。并给出了由实例工艺生成新工艺的应用范例。
【关键词】工艺设计 典型实例工艺 实例信息模型 实例工艺检索 实例工艺修订
齿轮是机械传动中一种普遍应用的元件，齿轮传动因其效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比恒定的特点被广泛应用于机械、仪器、仪表、汽车、船舶等各个行业。可以说，凡是改变传动方向和传动速度的地方，都有齿轮传动形式。如机床主轴变速箱、进给箱，汽车、拖拉机的变速箱、前后驱动装置等都用到了齿轮传动。近年来随着现代化进程的发展，对齿轮的需求量在迅速增加，对齿轮的质量要求越来越高，同时却对供货时间要求越来越短，因此在满足客户要求的前提下，短时间内快速加工制造出合格的产品必将为企业抢占先机，在市场竞争中占据绝对优势。齿轮工艺设计作为齿轮制造环节中一个重要部分，它的周期长短在很大程度上决定了齿轮的生产效率和上市时间。在此形势下，短时间内快速设计出既规范又合理的齿轮工艺尤为重要。但目前存在的问题是：齿轮工艺设计效率偏低，工艺重用性低，重复设计较多。然而在企业实际工作中，工艺设计的重复度非常高，真正采用全新工艺的并不多见，绝大多数零件可以通过分类，制定出各种典型工艺，供工艺编制时借鉴参考。所以利用典型工艺进行新工艺的快速派生是提高工艺设计效率，缩短工艺编制周期一个行之有效的方法。针对上述想法，本文提出基于典型实例工艺的工艺设计方法。利用企业已有的大量工艺数据实例和经验，结合相关工艺知识，在CAPP系统中实现齿轮工艺的快速设计。
1 齿轮分类及特点
齿轮按其外形分为盘状齿轮和齿轮轴。我公司变速箱盘状齿轮根据装配关系及档位分为：一轴齿轮、二轴齿轮（包括二轴一档～五档、超速档齿轮）、中间轴齿轮（包括中间轴一档～五档齿轮、倒档齿轮、超速档齿轮、传动齿轮）、副箱齿轮（包括驱动齿轮、减速齿轮、传动齿轮）。一轴齿轮为台阶孔（一截为光孔，一截为花键孔）或花键通孔、带卡簧槽退刀槽、端面带油槽、带外花键。二轴齿轮与一轴齿轮结构类似。中间轴齿轮结构相对简单，为光孔带单键，但轴向尺寸精度要求高。副箱齿轮各具特点，副箱驱动齿轮不但轴向尺寸大，且既有花键通孔又有台阶孔（花键为倒锥齿）、带内退刀槽、外锥面、外带油槽、卡簧槽，结构比较复杂。副箱主轴减速齿轮为台阶孔（花键为倒锥齿）、带内退刀槽、内锥面。副箱传动齿轮结构简单，为光孔焊接件。
不同的结构使得各类齿轮的制造工艺各有特点，具体体现在以下几点：
（1）内孔为花键通孔的一、二轴齿轮需要拉花键，这就要求零件的拉前孔径要严格控制。
（2）内孔为台阶孔（一截为光孔，一截为花键孔）的一、二轴齿轮花键孔一端需插内直齿，内齿一端倒圆角，光孔一端的两端面应轴向尺寸精度和光洁度要求高，热后需硬车两端面。
（3）中间轴齿轮需拉单键，拉后单键一端倒角一端去毛刺，内孔应与中间轴过盈配合，内孔尺寸要求严，热后需靠磨削来保证。
（4）副箱驱动齿轮既要拉花键又要插内倒锥齿，内齿一端倒圆角，热后花键内孔需磨削，端面、锥面需硬车以保证其尺寸精度。
（5）副箱主轴减速齿轮的加工工艺类似于内孔为台阶孔的一、二轴齿轮工艺，在归纳共性特点时可将其归为一类。
（6）副箱主轴传动齿轮工艺类似于中间轴传动齿轮（少拉单键工序），可将其归为一类。
2 基于典型实例工艺的工艺设计原理
典型实例工艺是指为结构要素基本相似，尺寸相近、具有类似工艺特征的一组零件制订的统一加工方法和过程。从企业应用角度来说，典型实例工艺是指经过长时间的工艺知识（工艺经验）积累和应用验证，某些已经成熟的，规范的，具有一定特点和代表性的工艺规程或工艺操作。
基于典型实例工艺的工艺设计方法是通过整理、总结，事先将这些典型工艺作为“母板”工艺存储在数据库中，以后当进行类似件的新工艺设计时，可根据具体情况，采用不同的“母板”通过特定条件的反向匹配，检索出相似件的工艺进行调用。若检索出的工艺不能完全满足新工艺的要求，则可采用基于知识的局部创成推理，决策支持、交互输入等多种手段，在尽可能短的时间内快速、高效的设计出所需零件的工艺。
3 基于典型实例工艺的工艺设计
应用典型实例工艺的工艺设计过程为：首先根据输入的新零件信息，从对应典型实例工艺库中检索得到相似工艺；通过工艺复用，生成一个工艺方案；如果该工艺完全满足新工艺设计要求，则检索到的实例工艺就是一个可用的实例工艺，将该工艺输出给用户，且当该工艺为一个新的实例工艺时将其保存到典型实例工艺库中，推理完成；若该工艺不完全满足新工艺的设计要求，则进行实例工艺的修改使其满足设计要求。实例工艺的修改主要有两种情况需要处理：一是删除典型实例工艺中有的，而新零件工艺中没有的工序、工步信息，二是补充上典型实例工艺相对于新工艺而缺少的工艺信息。添加新信息时，依据不同情况可采用创成推理、交互输入等多种方法。另外生成的新工艺通过优化、评审可成为新的典型实例工艺入库，以扩充、完善典型工艺资源库。根据上述步骤，结合我公司变速箱齿轮的特征，以内孔形状为基本特征，基于典型实例工艺的齿轮工艺设计流程如图3.1所示：在基于典型实例工艺的工艺设计过程中，零件实例信息模型的建立，实例工艺的检索匹配，实例工艺的修订是其关键技术。
3.1 零件实例信息模型的建立
任何零件，都是由一系列的应用特征组合而成，在具体生产环境下，往往只有其中某几个特征决定最终生成的工艺规程。它可以是尺寸、公差，也可以是结构说明或功能要求。因此，可根据产品零件结构和工艺特点，抽取和定义具有明确工程语义的这些工艺特征，构造零件实例工艺信息模型，该模型规定了表征和区分此零部件工艺的决定性特征及特征数据。我厂变速箱齿轮根据产品设计要求，抽取其工艺特征信息为：材料、毛坯、结构形状及尺寸、加工精度、粗糙度要求等，具体信息细分如图3.2所示。 图3.1 基于典型实例工艺的齿轮工艺设计流程
图3.2 齿轮实例信息模型
3.2 实例工艺的检索匹配
实例工艺的检索即根据输入的新零件信息，从实例工艺库中寻找与当前零件特征相匹配的相似工艺。目前，实例工艺的检索主要有三种策略：最近相邻策略、归纳推理策略、知识引导策略或这三种策略的综合。
本文将知识引导和最近相邻策略相结合，提出采用相似度来进行实例工艺的检索。具体检索过程如下：
（1）根据输入的新实例信息，应用知识引导策略打开相应的实例库。
（2）将新的实例信息与打开的实例库中的所有实例的信息逐个进行匹配，并进行相似度计算，从而得到个相似度值。
（3）对个相似度值进行排序，值最大的即为最佳匹配实例。
相似度是所求问题实例的属性值与以往实例属性值一致程度的度量值，根据轴颈类轴实例信息既有数值型，又有字符型，提出如下的相似度计算公式：
= 式中 —相似度； —实例的特征信息数目； = 1 ，2， ……，；
——分配给每个特征信息的权重，且满足，
满足：0 ≤ ≤1 ，计算方法如下：如果特征信息为字符型， 则完全匹配时， = 1 ，否则= 0 ，如新、旧实例的材料牌号均为1Cr11Ni2W2MoV ，则 = 1；如果特征信息为数值型，则 = ，为新实例的特征信息数值，为实例库中实例的特征信息数值。
在相似度的计算过程中，设定一个阈值，如果相似度小于该值，则该实例可剔除。同时，如果实例库比较小，可放宽相似度的计算条件；如果实例库比较大，则要限制相似度的计算条件。
3.3 实例工艺的修订
一般情况下，检索出的实例工艺与新工艺的设计要求是有差异的，因此对已获得的实例工艺需要进行修改。处理的方式有两种，一种是删除，一种是添加。删除即去除典型实例工艺相对新零件工艺多出的工艺信息，有两种情况需要对实例工艺进行删除：一、若实例零件的特征种类和个数超过当前零件，则在实例工艺中删除那些多余特征对应的工序和工步；二、若实例零件中特征的精度高于当前零件特征的精度，则在实例工艺中保留为达到当前零件特征的加工精度所需的工序/工步内容，删除该特征的其他加工内容。
添加是在典型实例工艺中增加一个或多个新零件有的、而典型零件没有的工艺特征信息。对于这部分信息的处理采用两种方法：
（1）对于固定而“典型”的工序、工步特征信息，可从已有的典型工序、工步库中快速选择匹配，补充缺少部分的工艺内容；
（2）对于比较复杂的的工序、工步特征信息则需要采用基于知识规则的方法来推理完成。
3.4 应用实例
（1）典型实例工艺库的建立
根据企业工艺分类原则，建立典型工艺分类。首先按大的零件类型分，再在每个类型下依据零件结构特征依次树形建立更为细致的分类，并为每个典型类总结典型工艺属性，然后将企业已有的典型实例工艺储存在对应的典型类下，如图3.3所示。
3.3 典型实例工艺库的建立
图3.4 由典型实例工艺生成新工艺的过程
（2）典型实例工艺的应用
编制新工艺时，选择以“典型工艺”方式建立新工艺，在随后弹出的对话框中输入查询条件（此处仅列出部分查询参数，未选中的查询参数不参与典型工艺查询），以便在典型工艺库中检索与之匹配的工艺，将符合条件的工艺全部列出，以供挑选。用户在查询出符合条件的典型工艺后，可使用文件浏览控件浏览所选的典型工艺，因为符合查询条件的典型工艺可能有多份，故用户可选择“最佳”典型工艺另存在需做工艺的零件下，确定后系统自动将典型工艺表头信息替换为与现在零件想匹配的信息，一份新的工艺规程即可快速生成，其过程如图3.4所示。
4 结束语
基于典型实例工艺的工艺设计方法与以往简单的检索修订式工艺设计不同，它是根据不同零件的结构特征及工艺特点，有针对性的“择优”选用不同的典型工艺为主体，辅以局部创成、决策推理、交互式输入等多种工艺设计方法，并将这些方法有机地融合在一起，使它们相互补充，充分发挥各自的长处与特点，使工艺设计工作变得灵活，快捷。这不仅大大降低工艺工作的强度和对有经验工艺人员的依赖，而且还提高了工艺的重用性和继承性，促进工艺向规范化、标准化方向发展。
参考文献：
[1]齿轮工培训教材.陕西法士特汽车传动集团有限责任公司，2007.
[2]葛维进，陈万领，陈卓宁，严晓光.基于样件工艺定义的CAPP工具化的研究[J].机械科学与技术，2000，19（5）：827—829.
[3]孙丽，王秀伦，景宁.CAPP系统中基于实例的推理及检索方式的研究[J].机床与液压，2001，（6）：158—159.
[4]孔宪光.面向行业CAPP的理论、技术与方法[D].西安：西北工业大学，2004.
【关键词】工艺设计 典型实例工艺 实例信息模型 实例工艺检索 实例工艺修订
齿轮是机械传动中一种普遍应用的元件，齿轮传动因其效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比恒定的特点被广泛应用于机械、仪器、仪表、汽车、船舶等各个行业。可以说，凡是改变传动方向和传动速度的地方，都有齿轮传动形式。如机床主轴变速箱、进给箱，汽车、拖拉机的变速箱、前后驱动装置等都用到了齿轮传动。近年来随着现代化进程的发展，对齿轮的需求量在迅速增加，对齿轮的质量要求越来越高，同时却对供货时间要求越来越短，因此在满足客户要求的前提下，短时间内快速加工制造出合格的产品必将为企业抢占先机，在市场竞争中占据绝对优势。齿轮工艺设计作为齿轮制造环节中一个重要部分，它的周期长短在很大程度上决定了齿轮的生产效率和上市时间。在此形势下，短时间内快速设计出既规范又合理的齿轮工艺尤为重要。但目前存在的问题是：齿轮工艺设计效率偏低，工艺重用性低，重复设计较多。然而在企业实际工作中，工艺设计的重复度非常高，真正采用全新工艺的并不多见，绝大多数零件可以通过分类，制定出各种典型工艺，供工艺编制时借鉴参考。所以利用典型工艺进行新工艺的快速派生是提高工艺设计效率，缩短工艺编制周期一个行之有效的方法。针对上述想法，本文提出基于典型实例工艺的工艺设计方法。利用企业已有的大量工艺数据实例和经验，结合相关工艺知识，在CAPP系统中实现齿轮工艺的快速设计。
1 齿轮分类及特点
齿轮按其外形分为盘状齿轮和齿轮轴。我公司变速箱盘状齿轮根据装配关系及档位分为：一轴齿轮、二轴齿轮（包括二轴一档～五档、超速档齿轮）、中间轴齿轮（包括中间轴一档～五档齿轮、倒档齿轮、超速档齿轮、传动齿轮）、副箱齿轮（包括驱动齿轮、减速齿轮、传动齿轮）。一轴齿轮为台阶孔（一截为光孔，一截为花键孔）或花键通孔、带卡簧槽退刀槽、端面带油槽、带外花键。二轴齿轮与一轴齿轮结构类似。中间轴齿轮结构相对简单，为光孔带单键，但轴向尺寸精度要求高。副箱齿轮各具特点，副箱驱动齿轮不但轴向尺寸大，且既有花键通孔又有台阶孔（花键为倒锥齿）、带内退刀槽、外锥面、外带油槽、卡簧槽，结构比较复杂。副箱主轴减速齿轮为台阶孔（花键为倒锥齿）、带内退刀槽、内锥面。副箱传动齿轮结构简单，为光孔焊接件。
不同的结构使得各类齿轮的制造工艺各有特点，具体体现在以下几点：
（1）内孔为花键通孔的一、二轴齿轮需要拉花键，这就要求零件的拉前孔径要严格控制。
（2）内孔为台阶孔（一截为光孔，一截为花键孔）的一、二轴齿轮花键孔一端需插内直齿，内齿一端倒圆角，光孔一端的两端面应轴向尺寸精度和光洁度要求高，热后需硬车两端面。
（3）中间轴齿轮需拉单键，拉后单键一端倒角一端去毛刺，内孔应与中间轴过盈配合，内孔尺寸要求严，热后需靠磨削来保证。
（4）副箱驱动齿轮既要拉花键又要插内倒锥齿，内齿一端倒圆角，热后花键内孔需磨削，端面、锥面需硬车以保证其尺寸精度。
（5）副箱主轴减速齿轮的加工工艺类似于内孔为台阶孔的一、二轴齿轮工艺，在归纳共性特点时可将其归为一类。
（6）副箱主轴传动齿轮工艺类似于中间轴传动齿轮（少拉单键工序），可将其归为一类。
2 基于典型实例工艺的工艺设计原理
典型实例工艺是指为结构要素基本相似，尺寸相近、具有类似工艺特征的一组零件制订的统一加工方法和过程。从企业应用角度来说，典型实例工艺是指经过长时间的工艺知识（工艺经验）积累和应用验证，某些已经成熟的，规范的，具有一定特点和代表性的工艺规程或工艺操作。
基于典型实例工艺的工艺设计方法是通过整理、总结，事先将这些典型工艺作为“母板”工艺存储在数据库中，以后当进行类似件的新工艺设计时，可根据具体情况，采用不同的“母板”通过特定条件的反向匹配，检索出相似件的工艺进行调用。若检索出的工艺不能完全满足新工艺的要求，则可采用基于知识的局部创成推理，决策支持、交互输入等多种手段，在尽可能短的时间内快速、高效的设计出所需零件的工艺。
3 基于典型实例工艺的工艺设计
应用典型实例工艺的工艺设计过程为：首先根据输入的新零件信息，从对应典型实例工艺库中检索得到相似工艺；通过工艺复用，生成一个工艺方案；如果该工艺完全满足新工艺设计要求，则检索到的实例工艺就是一个可用的实例工艺，将该工艺输出给用户，且当该工艺为一个新的实例工艺时将其保存到典型实例工艺库中，推理完成；若该工艺不完全满足新工艺的设计要求，则进行实例工艺的修改使其满足设计要求。实例工艺的修改主要有两种情况需要处理：一是删除典型实例工艺中有的，而新零件工艺中没有的工序、工步信息，二是补充上典型实例工艺相对于新工艺而缺少的工艺信息。添加新信息时，依据不同情况可采用创成推理、交互输入等多种方法。另外生成的新工艺通过优化、评审可成为新的典型实例工艺入库，以扩充、完善典型工艺资源库。根据上述步骤，结合我公司变速箱齿轮的特征，以内孔形状为基本特征，基于典型实例工艺的齿轮工艺设计流程如图3.1所示：在基于典型实例工艺的工艺设计过程中，零件实例信息模型的建立，实例工艺的检索匹配，实例工艺的修订是其关键技术。
3.1 零件实例信息模型的建立
任何零件，都是由一系列的应用特征组合而成，在具体生产环境下，往往只有其中某几个特征决定最终生成的工艺规程。它可以是尺寸、公差，也可以是结构说明或功能要求。因此，可根据产品零件结构和工艺特点，抽取和定义具有明确工程语义的这些工艺特征，构造零件实例工艺信息模型，该模型规定了表征和区分此零部件工艺的决定性特征及特征数据。我厂变速箱齿轮根据产品设计要求，抽取其工艺特征信息为：材料、毛坯、结构形状及尺寸、加工精度、粗糙度要求等，具体信息细分如图3.2所示。 图3.1 基于典型实例工艺的齿轮工艺设计流程
图3.2 齿轮实例信息模型
3.2 实例工艺的检索匹配
实例工艺的检索即根据输入的新零件信息，从实例工艺库中寻找与当前零件特征相匹配的相似工艺。目前，实例工艺的检索主要有三种策略：最近相邻策略、归纳推理策略、知识引导策略或这三种策略的综合。
本文将知识引导和最近相邻策略相结合，提出采用相似度来进行实例工艺的检索。具体检索过程如下：
（1）根据输入的新实例信息，应用知识引导策略打开相应的实例库。
（2）将新的实例信息与打开的实例库中的所有实例的信息逐个进行匹配，并进行相似度计算，从而得到个相似度值。
（3）对个相似度值进行排序，值最大的即为最佳匹配实例。
相似度是所求问题实例的属性值与以往实例属性值一致程度的度量值，根据轴颈类轴实例信息既有数值型，又有字符型，提出如下的相似度计算公式：
= 式中 —相似度； —实例的特征信息数目； = 1 ，2， ……，；
——分配给每个特征信息的权重，且满足，
满足：0 ≤ ≤1 ，计算方法如下：如果特征信息为字符型， 则完全匹配时， = 1 ，否则= 0 ，如新、旧实例的材料牌号均为1Cr11Ni2W2MoV ，则 = 1；如果特征信息为数值型，则 = ，为新实例的特征信息数值，为实例库中实例的特征信息数值。
在相似度的计算过程中，设定一个阈值，如果相似度小于该值，则该实例可剔除。同时，如果实例库比较小，可放宽相似度的计算条件；如果实例库比较大，则要限制相似度的计算条件。
3.3 实例工艺的修订
一般情况下，检索出的实例工艺与新工艺的设计要求是有差异的，因此对已获得的实例工艺需要进行修改。处理的方式有两种，一种是删除，一种是添加。删除即去除典型实例工艺相对新零件工艺多出的工艺信息，有两种情况需要对实例工艺进行删除：一、若实例零件的特征种类和个数超过当前零件，则在实例工艺中删除那些多余特征对应的工序和工步；二、若实例零件中特征的精度高于当前零件特征的精度，则在实例工艺中保留为达到当前零件特征的加工精度所需的工序/工步内容，删除该特征的其他加工内容。
添加是在典型实例工艺中增加一个或多个新零件有的、而典型零件没有的工艺特征信息。对于这部分信息的处理采用两种方法：
（1）对于固定而“典型”的工序、工步特征信息，可从已有的典型工序、工步库中快速选择匹配，补充缺少部分的工艺内容；
（2）对于比较复杂的的工序、工步特征信息则需要采用基于知识规则的方法来推理完成。
3.4 应用实例
（1）典型实例工艺库的建立
根据企业工艺分类原则，建立典型工艺分类。首先按大的零件类型分，再在每个类型下依据零件结构特征依次树形建立更为细致的分类，并为每个典型类总结典型工艺属性，然后将企业已有的典型实例工艺储存在对应的典型类下，如图3.3所示。
3.3 典型实例工艺库的建立
图3.4 由典型实例工艺生成新工艺的过程
（2）典型实例工艺的应用
编制新工艺时，选择以“典型工艺”方式建立新工艺，在随后弹出的对话框中输入查询条件（此处仅列出部分查询参数，未选中的查询参数不参与典型工艺查询），以便在典型工艺库中检索与之匹配的工艺，将符合条件的工艺全部列出，以供挑选。用户在查询出符合条件的典型工艺后，可使用文件浏览控件浏览所选的典型工艺，因为符合查询条件的典型工艺可能有多份，故用户可选择“最佳”典型工艺另存在需做工艺的零件下，确定后系统自动将典型工艺表头信息替换为与现在零件想匹配的信息，一份新的工艺规程即可快速生成，其过程如图3.4所示。
4 结束语
基于典型实例工艺的工艺设计方法与以往简单的检索修订式工艺设计不同，它是根据不同零件的结构特征及工艺特点，有针对性的“择优”选用不同的典型工艺为主体，辅以局部创成、决策推理、交互式输入等多种工艺设计方法，并将这些方法有机地融合在一起，使它们相互补充，充分发挥各自的长处与特点，使工艺设计工作变得灵活，快捷。这不仅大大降低工艺工作的强度和对有经验工艺人员的依赖，而且还提高了工艺的重用性和继承性，促进工艺向规范化、标准化方向发展。
参考文献：
[1]齿轮工培训教材.陕西法士特汽车传动集团有限责任公司，2007.
[2]葛维进，陈万领，陈卓宁，严晓光.基于样件工艺定义的CAPP工具化的研究[J].机械科学与技术，2000，19（5）：827—829.
[3]孙丽，王秀伦，景宁.CAPP系统中基于实例的推理及检索方式的研究[J].机床与液压，2001，（6）：158—159.
[4]孔宪光.面向行业CAPP的理论、技术与方法[D].西安：西北工业大学，2004.