| 摘要：介绍了基于实例设计系统中的蜗轮滚刀设计实例库的建立方法，对实例特征分析、初始实例的建立、实例的表达与组织、蜗轮滚刀的特征建模及其参数化实现等关键技术进行了研究。 |
1 引言
蜗轮滚刀设计实例库是应用基于实例推理技术(Case-based Reasoning，CBR)进行蜗轮滚刀产品设计的基础，蜗轮滚刀实例库应包含过去获得的各类蜗轮滚刀设计资料和设计经验。建立蜗轮滚刀实例库时要考虑和解决实例的内容、实例的表达和实例库的组织等问题。在决定实例应包含的内容时，要考虑其未来的作用和提取信息的便捷；实例不仅包括设计问题的描述和设计方案的记录，还包括设计过程的信息；设计实例库的组织方式时要考虑实例库的存储结构。 由于在基于实例推理技术中，将问题求解的状态及其求解策略用一个实例来表示，因此，完整准确地表达设计实例是CBR工作的重要前提。对于蜗轮滚刀的设计而言，由于其设计目标只是一种普遍的、概括的描述，因此蜗轮滚刀的设计实例主要包括初始条件、设计约束和设计结果三部分。其中，蜗轮滚刀设计的初始条件主要包括与蜗轮啮合的蜗杆的模数、头数、法向齿形角等基本参数，设计约束主要是指滚刀设计过程中的圆周齿数要求、刀齿强度和设计技术要求等。 2 实例特征分析
一个实例包含了丰富的信息，虽然已按一定原则和方法有序地组织和管理，但仍然较为庞大和复杂。在这些信息中，并不是每一个细节都对实例的性质和特征有相同的影响，所以不可能也没必要对实例的每一个细节都进行考察，而只要考察那些使该实例区别于其它实例的属性(这些属性能概括描述实例的主要功能和结构)，这样的实例属性就是实例的特征属性，实例特征属性的集合就是实例特征。
实例特征与实例功能和结构的关系图
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实例特征是实例的浓缩和提炼。实例的设计目标、初始条件、满足的设计约束等都是实例的特征属性而成为实例特征的一部分，这一部分实例特征实际上就是实例产生过程中所满足的设计任务。在设计过程中，给定了设计任务，实际上就决定了将来产生的设计方案即实例的主要功能。实例特征中的另一部分特征属性是实例中能概括描述实例结构的关键属性，它决定着其它结构属性值的确定，一旦这些关键属性确定之后，整个实例框架就确定了(其它属性的确定都是围绕着这些关键属性展开的)。实例特征与实例的功能和结构的关系如右图所示。 3 实例的表达与组织
本文提出了在Pro/ENGINEER支撑软件环境下，以三维特征模型的方式表达蜗轮滚刀实例的方法。在建立初始实例时，首先建立蜗轮滚刀的参数化特征模型，即完成内部工程数据库的建立工作。由于初始实例的参数由应用软件的用户界面输入，因此还需定制一个数据接口，将这些参数传递到支撑软件中；通过先前建立的参数化特征模型调用输入的参数，生成特定参数的模型，即可完成实例的表达。 实例的组织主要考虑实例的存储结构。由于检索参数和模型文件两部分相对独立，故采用将实例的检索参数和实例模型分开保存的方式，即实例检索参数由数据库保存，而实例模型则以Pro/ENGINEER模型文件的方式保存在特定的目录下。这种实例库组织方式可简化实例库的检索机制，提高检索效率。 系统能始终保持索引和实例模型表达信息的一致性，它主要体现在两个方面：一方面是当用户修改实例后，系统能自动修改该实例的索引；另一方面当从索引数据库中删除一条记录时，系统能自动删除该索引所对应的实例。蜗轮滚刀实例库的建立是采用ODBC(Open Database Connectivity)技术来实现的。 4 蜗轮滚刀特征建模及参数化实现
4.1 特征分解的一般原则
建立产品的特征模型，首先要对产品进行特征分解，其重点是形状特征的分解。特征分解的一般原则是：首先考虑产品的功能，将产品分解成多个具有独立功能的子组件特征的集合，然后将子组件特征分解成零件特征的集合，再将零件特征分解成各个造型特征的集合；其次，考虑到建模的方便和计算机的处理速度，应将模型分解成尽可能少的特征。 4.2 蜗轮滚刀特征建模
本文蜗轮滚刀特征模型的建立是在Pro/ENGINEER中将它们表示为模型的参数，将蜗轮滚刀进行特征分解后，以一定的顺序生成各个子特征，同时对这些子特征进行特征的布尔运算，将特征融合，即可生成蜗轮滚刀三维特征模型。蜗轮滚刀特征模型的具体建模步骤如下： - 首先建立默认基准面特征。默认基准面特征是系统在默认位置产生的三个互相垂直的平面，它们虽然不是蜗轮滚刀的组成部分，但却是重要的辅助特征(其它特征都是建立在基准面上的子特征)。
- 建立滚刀的基圆柱特征：基圆柱特征的直径等于滚刀的齿根圆直径。
- 根据螺纹旋向分别建立左旋或右旋滚刀齿型。滚刀的实际旋向由参数化技术来控制，分以下三步来创建模型：
- 建立基本齿廓特征：首先建立单齿的基本齿廓：滚刀基本齿廓的两侧面都是由直线绕分度圆作螺旋运动形成的阿基米德螺旋面，螺旋运动中绕轴线的转动方向决定了螺纹的旋向，用螺旋扫描Helical Sweep方法，根据基本蜗杆剖面的齿形参数，可生成单个齿的基本齿廓。然后用阵列Pattern的方法将该齿绕整个基圆柱阵列生成整个滚刀的基本齿廓。
- 建立容屑槽特征：由于单个容屑槽特征既是负特征，又是凸起特征，故采用切削法(Cut)和凸起法(Extrude)，根据容屑槽的剖面参数，建立单个容屑槽特征。然后用阵列Pattern(根据滚刀的端面齿数确定阵列参数)，将单个容屑槽特征绕基圆柱阵列，即完成容屑槽特征的建立。
- 建立铲背及侧铲面特征：建立铲背特征时，首先根据铲背参数，通过方程建立阿基米德螺旋线，再通过螺旋扫描建立铲背面，用切削法将余量切除，得到单排齿(相邻两容屑槽之间的齿排)的铲背特征。如果需二次铲背，则重复以上步骤。然后用阵列的方法，将单排齿的铲背特征绕基圆柱阵列到所有齿上。建立侧铲面特征时与建立铲背特征类似：首先建立一个侧铲面，然后阵列。由于一个侧铲面特征由左、右侧铲面和齿根铲背面这三个面组成，因此需要分别建立这三个面，将它们融合(Merge)成一个面，并用切削法除去余量；然后用与建立基本齿廓时同样的阵列方法将侧铲面特征阵列到所有齿上。
4.3 蜗轮滚刀特征模型参数化的实现
滚刀的特征信息在模型建立之后存储在支撑软件的内部工程数据库中，尽管支撑软件的不同可能会使特征信息在计算机内的存储数据结构有所不同，但它们都能完整的保存特征信息。滚刀特征模型实现参数化后，用户可通过输入滚刀的参数，得到某一特定滚刀的模型，这些参数就是特征的外部信息。这些外部参数信息以数据表的形式存储在Microsoft Access数据库中。对于连柄式的滚刀，其刀杆部分的尺寸参数由机床所决定，所以还需建立滚齿机床对滚刀安装参数的数据库，用于导出刀杆的结构参数。对于不同型号的滚齿机，其刀杆的结构和尺寸已经实现了系列化，因此只需输入滚齿机的型号，再确定相关参数，即可确定刀杆的结构。 参数化的实现和模型的建立同时进行。在建立特征的二维剖面图形的过程中，利用Pro/ENGINEER下拉菜单中的关系(RELATION)选项，可用变量参数的形式表示图形的尺寸，实现变量驱动；同时，允许建立与图形尺寸无关的变量作为中间运算参数，进行变量运算。关系(RELATION)选项为实现滚刀参数化提供了基础，滚刀建模过程中的许多参数如滚刀的外径、齿根圆直径、轴向齿距和法向齿厚等就是在RELATION 选项中设定的。参数化的实现主要由Pro/ENGINEER主界面下拉菜单中的PROGRAM模块来完成。每一个设计模型在PROGRAM模块中都有一个主要设计步骤和参数的列表，可以编辑该模型的设计列表使其作为一个程序来工作以实现参数化。 5 实例库的建立
蜗轮滚刀设计实例库是应用CBR 技术进行蜗轮滚刀CAD 设计的基础。本文采用的实例库建立方法是以特征运算和参数化相结合的方法建立滚刀的初始实例模型，以Pro/ENGINEER 软件为支撑环境表达实例的三维模型，并以模型文件的形式存储实例，以数据库的方式存储实例参数。 5.1 特征和参数化相结合的初始实例建立方法
初始实例是进行基于实例的设计之前实例库中已经建立好的实例，它是用作检索源的原始实例模型。基于实例的蜗轮滚刀CAD 需要实例库的支持，因而需要首先建立蜗轮滚刀的初始实例，将实例的完整信息表达在计算机中。由于实例库需要有一定数量的作为检索源的初始实例，而蜗轮滚刀是专用刀具，型号众多且结构复杂，对每一型号的蜗轮滚刀逐个建模比较困难。但由于所有的蜗轮滚刀都是连柄式、带孔式和端面键式中的一种，在齿形和结构上都有相同点，因此，若将可能出现的所有型号的蜗轮滚刀模型都建立在专门的支撑软件的内部工程数据库中，需要时通过设定参数的方法从工程数据库中提取需要的部分，在支撑软件的环境下建立模型，然后进行适当修改，就可方便地建立各个型号的蜗轮滚刀特征模型，避免了逐一建模的繁琐。 基于以上分析，本文提出了以特征建模和参数化相结合的方法建立蜗轮滚刀的初始实例：首先建立蜗轮滚刀的参数化特征模型，然后通过参数输入生成特定的蜗轮滚刀，再对该滚刀进行一定的修改，得到可用的蜗轮滚刀产品，最后将其作为初始实例保存。这种方法的优点是：采用建模的方法解决实例的表达问题，采用参数化方法解决多种型号蜗轮滚刀的建模问题，方便了初始实例的生成和修改。 5.2 基于功能分解的蜗轮滚刀建模方法
产品设计实质上是为了满足功能需求，因此首先要对产品的功能进行层层分解，形成不同层次的子功能，直到不能再分解的元功能，同时寻求满足各个元功能的特征；然后按照这种功能分解的反向路线将这些特征进行适当的拼合操作，形成最终的产品，这就是基于功能分析的特征分解方法。本文正是采用了基于功能分析的特征分解方法，将蜗轮滚刀分解为各个子特征的集合，然后通过特征运算将分解出的子特征进行组合，建立了蜗轮滚刀参数化特征模型。
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