基于知識元的蝸桿參數化建模系統*

馬 躍，王朱賀，馬靖凱

(北京工商大學 人工智能學院，北京 100048)

0 引 言

蝸桿在各種傳動系統中都有著不可替代的地位，伴隨著制造業的快速發展和蝸桿本身傳動的特點，蝸桿越來越多地被應用于建筑、船舶、起重等領域中。但蝸桿的設計要考慮許多方面的情況，如標準件和非標準件的選擇、輪桿之間的互相約束、蝸桿的尺寸參數等，是一項復雜的過程[1]。如果可以把經驗規則轉化為顯性的知識點再加以參數化分析，將大大提高設計的精度、降低設計的難度，從而提高設計效率。通過對現有成熟CAD軟件進行二次開發，構建具備知識驅動能力的蝸桿參數化系統，能夠在盡可能滿足用戶使用習慣的基礎上引入參數化建模能力，既能提升蝸桿設計建模的效率，也對降低用戶使用門檻，具有非常重要的實際操作意義[2]。

筆者針對蝸桿知識復雜的特點，提出基于設計過程知識元的蝸桿設計分析方法[3]，結合數據參數化和蝸桿三維建模，以法向直廓圓柱蝸桿的幾何參數設計和三維的精確建模為研究重點[4-6]。以SolidWorks作為載體軟件，使用VB語言，開發用于蝸桿零件的專門三維系統。該系統能很好的實現建模自動化的過程，解決了設計人員翻閱設計手冊，查找大量文獻和數據從而耗費大量時間的難題。從而使設計人員從繁瑣而又低效的手工設計方式中解放出來，提高了設計的精度和效率。

1 蝸桿設計知識分析

1.1 蝸桿設計知識內容

蝸桿在實際的設計之中會面臨著結構類型多、標準件與非標準件的選擇困難、構件的尺寸參數復雜等一系列問題，在參數化設計過程中融入產品的一些工程設計知識，建立各個設計變量之間的內在聯系，以機械設計手冊為標準，約束參數化過程中各參數之間的變化規律與趨勢，以此實現參數和知識共同驅動的產品設計可以更好的解決傳統參數化設計的不足。

從圖1可以看出蝸桿的設計知識具有多樣性、規范性的特點，通過對知識領域的要求來進行對知識活動的分類。從宏觀的角度出發，可以對知識結構設計有一個完整的細分。從規范、標準每部分均可劃分出數個子活動，如規范、標準、蝸桿類型等。從微觀的角度來看，可以通過公式計算蝸桿內部尺寸關聯、發現約束的規則、相關參數以及公差系數等來進行信息的管理。

圖1 蝸桿設計知識體系

1.2 建立知識本體

在對蝸桿設計知識分析的基礎上進行總體分類，蝸桿設計領域知識概念是描述蝸桿這一系列知識概念的專用本體。它精確的表示了概念自身的特征以及概念與概念之間的關系。由于設計本身有非常多而復雜的知識，在多而復雜的概念中提取知識就成為了一個難點。架構的原則為：確定本體應用的領域、確定本體構建的形式，構建本體的概念要盡可能的小。以法向直廓圓柱蝸桿為例搭建知識本體框架結構如圖2所示。

圖2 法向直廓圓柱蝸桿領域本體模型

蝸桿模型涉及了大量的設計和計算，作為規則和知識的濃縮大多數以公式的形式出現，本文將知識與參數化相結合，在進行特征建模和特征操作時根據知識控制建模的幾何形狀尺寸。在設計過程中根據設計本體采用分類法的方式查找信息對不同結構的蝸桿進行分別建模。在分析模型時如果基準過大，會使概念上混亂，如果基準過小會就會增加多余的管理信息，因此在基準的選取上要做到在避免重復交叉來降低本體的管理信息的原則。這對蝸桿知識的分析十分必要[7]。

2 參數化建模實現方法

2.1 SolidWorks二次開發基本原理

對SolidWorks的二次開發基于其良好的開放性，其中的API接口包含了SolidWorks操作的所有功能函數，正確調用SolidWorks API 是完成SolidWorks二次開發中參數化設計的關鍵。調用SolidWorksAPI 是指調用SolidWorks的事件、方法、屬性、以及相關功能，從而完成零部件實體建模的全過程。

由圖3API關系圖可見，SolidWorks API是一個樹形層次結構，且涵蓋了軟件所有功能，因此在蝸桿設計中就采用該思想，通過正確的API對象來完成在SolidWorks中的各種操作，從而實現參數化設計。

圖3 SolidWorks API關系圖

2.2 參數化過程

根據知識本體的框架已經基本明確了蝸桿的知識概念，把實際參數帶入到具體問題中去分析是否合理，在設計對象的圖形拓撲關系不變的基礎上尺寸形狀由參數來進行約束。參數化設計流程如圖4所示，首先對待解決的問題進行詳細分析，確定關鍵約束，這些約束必須能夠確定一個唯一的模型。其次，輸入約束條件判斷參數是否有效，根據輸入的數值判斷是否需要更改參數。最后觀察繪制的模型是否符合我們的要求，如果不符合就清除并重新輸入并判斷，如果符合要求就保存設計模型。

圖4 參數化設計過程流程圖

2.3 參數化數據庫設計

數據庫用來保存用戶所有需要用到的數據，合理設計數據庫的結構是在結合參數化設計后首先要考慮的內容。首先在用戶登陸界面中，可以體現數據庫使用用戶，如賬號、密碼等。其他設計階段，需根據蝸桿的國家實際標準參數與用戶選擇參數來確定合適的數據。所以數據庫需要盡可能的詳細，方便用戶對于蝸桿參數的輸入，查詢或擴展。根據蝸桿建模相關的參數分析，其中的國家標準是蝸桿建模中的主要參數，應在數據庫中建立用戶選型參數和國家標準參數的聯系。設計數據庫的內容和數據結構如圖5所示。

圖5 數據庫基本結構圖

根據知識領域分析選定模數、分度圓直徑、蝸桿頭數、長度、壓力角，確定符合國家參數標準。并將用戶選擇的需求參數結合SolidWorks的二次開發驅動模型的各個尺寸，最終生成新的滿足用戶需求的模型。整個系統分為三個關鍵環節：①建立參數數據庫，滿足國家標準參數；②建立零件三維實體模型；③整體設計，實現數據庫和三維模型的結合。蝸桿二次開發系統結構如圖6所示。

圖6 蝸桿二次開發系統結構

數據庫主要是為前臺的參數調用以及三維模型的后臺尺寸提供數據來源，本文使用MySQL，把蝸桿的關鍵參數輸入到數據庫中，作為資源便于后期的添加、刪除、修改與查找。

在名為“Worm”的數據庫中建立一個查詢參數表。寫入機械設計手冊的原數據表如表1所列。確定字段分別為蝸桿模型的模數，分度圓直徑，蝸桿頭數。

表1 蝸桿部分原數據表

通過建立數據庫與數據表的鏈接，查詢所選模數對應的蝸桿分度圓直徑并存儲，再將此數據填充到對應的蝸桿分度圓直徑文本框，以此數據為查詢數據重復次操作將蝸桿頭數填充到蝸桿頭數文本框供用戶選擇當用戶通過用戶界面的下拉選取模數時，該模數對應的各個參數便會自動地填充到界面對應的下拉選取框中，建立與數據庫的聯系。

3 數據驅動的蝸桿參數化實體建模

3.1 圖形用戶接口設計

用戶接口是系統和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，它實現信息的內部形式與人類可以接受形式之間的轉換。本例的蝸桿用戶接口設計如圖7所示，分為基本參數尺寸和單位齒尺寸。顯示數據按鈕可以獲得非關鍵約束如齒根高、齒頂高、螺距等參數。

圖7 用戶接口界面

3.2 自動化建模模塊

在二次開發的過程中實體建模是比較關鍵的，首先以一組典型的單頭蝸桿標準建模，力求用最少的步驟完成對模型的建立。零件模型的建模主要經歷以下幾步。

(1) 完成對圓形的草圖繪制以及三位拉伸成圓柱的工作。

(2) 根據螺距公式繪制草圖的螺旋線。制作齒形對螺旋線進行掃描切除。

(3) 不同頭數的蝸桿模型可以使用SolidWorks的配置功能，在單頭蝸桿的基礎上添加對應蝸桿頭數數量的螺旋線再掃描出不同頭數的蝸桿模型并標注。

(4) 整合、修改、簡化上面步驟所得到的程序代碼。

4 系統原型

先將“創建”按鈕的點擊事件與VB訪問SolidWorks并更新齒輪變量相關聯。再在程序中對需要修改的草圖尺寸變量進行定義，最后進行蝸桿尺寸的驅動。在用戶接口界面上手動輸入相關參數來進行賦值。代碼會對已輸入的數據進行讀取并且調用數據庫，選擇好合適的參數后點擊“創建”和“顯示數據”按鈕。運行后的蝸桿模型如圖8所示。

圖8 程序運行結果

5 結 語

對蝸桿進行研究，提出一種基于知識的蝸桿設計方法。該方法通過知識本體的搭建結合參數化分析確定參數，并以SolidWorks為開發平臺、Visual Studio為開發工具，使用VB語言，運用參數化設計流程的相關知識，制作出一套方便快捷構建蝸桿的系統。從而實現了蝸桿的參數化設計，提高了設計的效率，縮短了產品的開發周期，具有一定的應用前景和現實意義。