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Modular Machine Tool Spindle Box Expert System Development Environment Design

组合机床多轴箱专家系统开发环境设计

摘要

专家系统的开发环境会直接影响该系统的研发效率和质量。依据模块组合式机床主轴箱的设计复杂性和实现多解的设计目标，识别模块组合式机床主轴箱的专家系统平台为Pro/Engineer。其研发工具为Visual C 6.0和Pro/Toolkit，其数据库管理系统为Access。缩短模块组合式机床主轴箱专家系统的研发周期，不仅增加了研发流程的灵活性，还为主轴箱的后续CAM/CAE/CAPP研究奠定了基础。

关键词：专家系统；Visual C 6.0；主轴箱；Pro/Engineer; Pro/Toolkit

组合式机床是一种专用机床，它由通用零部件和私有零部件组成，其中通用零部件依据串行化和标准化设计而成的，而私有零部件则依据加工过程和零部件形成要求设计而成[I]。主轴箱是组合式机床的重要组成部分，需要更多的设计工作；根据零部件设计的特定要求，它所采用的是通用零部件。因为主轴箱设计复杂，且要实现驱动系统设计性能的多解性，所以机械加工孔上的不同零部件具有不同的位置、数量和直径，因此其驱动系统也不同。在设计过程中，因为设计者们为相同零部件选择了不同的齿轮和齿轮模数，不同类型的驱动器，不同的机轴和轴承参数，所以驱动系统不同。尽管相同零部件是同一个人在不同时间设计的，参数不同，所以程序也不同。因此，主轴箱驱动系统的优缺点主要取决于设计者的水平。

为了改善组合机床主轴箱涉及的质量和效率，发展组合机床主轴箱专家系统，是要让缺乏设计经验的技术人员能够涉及一个主轴箱的优质驱动系统。利用专家的知识和经验来改善主轴箱设计，很有必要。但组合机床主轴箱专家系统的发展是一个复杂且艰难的过程。无论该系统是否适合于设计需求、操作效率水平，以及系统的实践性和多功能性，它不仅与知识需求仍存在联系，还依赖于专家系统的发展环境。

驱动系统的设计在主轴箱设计中是最关键的一环。主轴箱的每一个驱动轴可能有四排齿轮。通过这些齿轮，驱动系统得以工作。根据传输主轴的要求，合适齿轮的驱动轴将驱动力输入I列，因此需要主轴转速和转向。驱动系统的设计时要确定齿轮的齿形和模数、驱动轴驱动的轴径与轴位比率、驱动类型、驱动轴和轴承类型。为使驱动系统组合更加可行，尽可能少地使用驱动轴，可驱动主轴，并至少在轴径的确定时间上，能够驱动轴与齿轮。主轴、驱动轴和齿轮规格应尽可能小。齿轮之间、轴承之间、齿轮与轴套、齿轮和盒子间互不干涉。为避免主轴驱动主轴。主轴操作也相同。还需尽可能地避免上升速度，必要的上升速度被安排在了轴链最后的一两条上。因此，组合机床主轴箱的驱动系统是一个多主轴、多列、多轴径、多组合、灵活多变的复杂系统。主轴箱的驱动系统有12条主轴，如图所示。主轴数量越多，驱动系统就越复杂。

组合机床主轴箱设计过程包括驱动系统设计、障碍检查、工程图或其他图纸的绘制。为满足组合机床主轴箱设计的需求，专家系统发展环境需具备图2所示的框架结构。

具备知识系统可帮助用户创造、扩展以及维持知识基础。专家知识用于知识基础的存储。通过用户问题，解释系统会解释解决方案的总结和过程。数据库用于记录专家系统过程的中间假设和结论，同时它也记录并提供了一些事实和存储原则，这些是由中间结果和最终结论所说明的。推理机解决了用复杂推理法设计的主轴箱内知识的不确定性。评价体系用以评价主轴箱设计是否满足需求。故障处理模块用于解决不合理组合、并返回再设计。电脑辅助的设计软件用于绘制工程图。在软件环境中，它也可创造并使用图形库。人机界面系统提供了一个良好的用户界面。通过该界面，用户输入基本信息，回答系统相关的问题，它输出结果和相关的合理解释。为使以上有效操作的各个部分一致工作，并使系统界面运行良好、稳定并正确绘制图样，组合机床主轴箱专家系统必须选择正确的发展平台、程序语言和数据库发展工具。

在设计组合机床主轴箱的过程中，所需的自动绘制数据已存储在数据库和数据文件夹中。在绘制工程图时，它首先会从数据库和数据文件夹中读取绘制数据；然后，它改变了适合转化的数据；最后，它将自动形成工程图。为满足这些功能需求，我们需要选择一个成熟、现金的技术软件和发展平台，这些可提供主轴箱设计、良好界面和有效功能的优越性。

目前，CAD软件通常是AutoCAD、Solid Works、UG、Pro/Engineer等。

AutoCAD具备绘制能力和强大的图片编辑能力，它提供了多硬件设备和多操作平台。它具备多功能性、合用性，并适合所有类型用户。但AutoCAD的三维绘制较弱，不能为组合机床主轴箱的CAM/CAE/CAPP提供非常良好的条件。

Solid Works可完成复杂的三维部分、复杂装配的固体模型，并形成工程图纸。它有良好的界面，易于使用。但Solid Works指令的宽松条件限制了绘制，通常会绘制错误工作平面。同时，它无法满足组合机床主轴箱的工程绘制需求。

UG具有一个强大的实体模型、即面膜性、可视化装配、工程图纸圣餐以及其他涉及特性[41]。但UG在绘制工程图时较弱， 工程图纸不能改变维度。它在印刷图纸和三维模型间存在不一致，主轴箱专家系统将印刷出大致的装配图纸、增添了过程等的箱图纸。如果使用UG以实现了系统，设计方案的形体造型和设计者的思维习惯间存在差异。在工程师条款下（已标记表达的机械特征、过程需求），它无法实施，因为这将需要大量设计工作。

Pro/Engineer是一个完成机械设计和自动化产品的软件。它是参数化的，并基于实体模型系统，该系统将形成可视化装配和高质量的工程绘制。在组合机床主轴箱的主要平台设计中，存在绘制子程序，它可提供平台的绘制结果。Pro/Engineer可完成有线的参数分析、运动学分析和动态分析、设计的实时评估修正、及时发现参数的错误并提供修正，另外还改善了可信度。Pro/Program二级发展工具：族表、UDF（用户自定义特性）、Pro/Program、J-链和Pro/Toolkit。Pro/Toolkit发展工具的基础是C语言。Pro/Toolkit为Pro/Enginer开发者提供了标头文件和库存函数文件，用户可使用C/C 发展环境写程序，以安全地登陆并控制Pro/Program。它可完成用户程序模块与Pro/Engineer系统间的无缝集成。可以说，Pro/Toolkit是为开发者的Pro/Engineer程序所用的API。同时，使用Pro/Toolkit为用户提供了界面工具、菜单工具，以便于设计管理员控制界面，这极大地改善了系统效率。考虑、选择Pro/Engineer，就是系统发展平台，在Pro/Engineer上使用Pro/Toolkit属于二级开发，以完成组合机床主轴箱设计与工程图的绘制。

组合机床主轴箱专家系统需要大量计算，例如并列计算、轴与齿轮的强度检查。它需要开发语言和易交换的电脑辅助软件，还需要用于专家系统中的程序语言，以完成复杂的数字计算。他程序运行较快，便于维护，并且便于与其他软件相互作用。

当前，发展专家系统常使用人工智能语言CLISP（C语言集成生产系统），或Prolog（逻辑程序），或Visual Basic、C 和其他程序语言。

CLIPS和Prolog基于逻辑界面，并适应于只是表达和推论，它的语法十分简单。但在DOS系统中，它运行不佳，这使软件可读，它的知识基础是难以改变和维护的。

Visual Basic提供了一个强大的可视化程序功能，但它其中只有少量数据类型，这使得它不能良好地表达组合机床主轴箱的知识。它的再配置较弱。一旦改变了Visual Basic的操作环境，系统将变得不稳定。

C 语言的功能强大，它易于识别与硬件有联系的底层功能，在复杂的数字计算和与周边设备交换数据中，它表现极佳。C 是一个面向对象的语言，易于框架与面向对象的知识代表的实施。Visual C 6.0由微软发表，它是一个强大、高效的C 编译工具，并且是一个综合的程序开发环境。它可利用C 面向对象的特性，来开发专家级别的Windows程序。组合机床主轴箱专家系统知识数据的事实，可用C 的标准库来表达；规则可用Visual C 的类别来表达。规则库的指示可添加或修改，以利用类别集成和功能超载。此外，你可使用VC Pro/Toolkit的C功能，以在环境处理中达到一个Pro/E实体模型。考虑到我们在系统中，使用了Visual C 6.0作为开发工具。

数据库主要用于存储回答用户的事实，即已知事实与由设计推论得出的事实（例如，组合机床主轴箱最初的数据，轴的数量、转速、转向；轴的整合；驱动轴承参数的类型和直径；齿轮参数等）。在组合机床主轴箱的设计中，设计参数具有自上而下的传输功能。例如，决定驱动系统设计的参数将传至其他的设计部分。因此，数据库的功能，例如进入数据库、修改存储、额外启用等，需要统一管理。即是说，它可从数据库读取数据，在数据库修改数据，并通过主轴箱设计的需求，在原始记录中增加一些参数。它也可在数据库中添加大量数据文件夹，最终提供一个人性化的操作界面，为设计带来便利。

当前的主要数据库是My SQL、SQL服务器和Access等等。My SQL是一个小型的基于关系的数据管理系统，它规模较小、运行较快，并可在不同的操作系统平台上运行。但当与组合机床主轴箱自上而下传输的数据联系时，My SQL不能处理复杂的关联数据库。因此它不适用于专家系统的开发。

SQL服务器是一个基于服务器的中等规模数据库，它适用于大数据的应用、本地支持、远程系统管理和配置，并且具有稳健的事务管理能力，运用不同的方法来保证数据的完整性。但是它没有用户界面，这需要额外的开发，并且将会增加工作负载的设计。

Access具备友好界面、简化开发和简便的界面，这可改善对于不同数据库对象的管理。它具有强大的数据组织、用户管理、安全检查和其他功能，可易于结合所需的主轴头与设计的不同数据对象，并使用存储于数据库建立形式和报告的对象数据。它在设计过程中，自动检测主轴箱所需数据、存储速度，并且具有良好的互动性和可扩展性。设计所需数据可读取，在持续的过程中扩展数据库，并达到促进设计的目的。因此，系统选择了Access作为数据库开发工具。

系统选择C 作为开发语言，它支持面向对象的程序，与人类活动思维相近。该系统的开发工具是Visual C 6.0和Pro/Toolkit，它的平台是Pro/Engineer。通过系统整合，它可在友好界面中完全运行Visual C ，并具有事件驱导的优势。利用Pro/Engineer 的CAD特性，可启用许多特性，而这些特性难以在初始开发环境中得以启用。改善系统的适用性和多功能性，为组合机床主轴箱专家系统提供了一个良好的环境。对于后续主轴箱的CAM/CAE/CAPP来说，具有实践和参考价值。

Design of ultraprecision modular,Freeform machine

超精密机床Freeform设计

关键词: 超精密加工, 自由形式光学, 金刚石铣床, 模块化

摘要
研发Freeformreg; 3000 超高精度机床以满足统一负荷多轴机铣、磨、削超精密表面的需求。通用超精密仪器的出口研发要求是能够研磨和铣削保形光学零件、透镜阵列、磨纹和金刚石车削。本文讨论了Freeformreg; 3000仪器的设计挑战和使能技术的高潮。机器的最终装配将通过评估精度、刚度和模块化来进行确定。超精密机械元素已经得到改造以适应新的配置。有限元模型用来评估机器组件的静态和动态性能。编译仪器的稳态热分析，查明热误差减少的区域。创造热环境使仪器温度保持稳定，上下浮动小于plusmn;.05 C°(.1 F°)。切割测试显示,该仪器适用于铣削三维形式,金刚石车削轴对称组件以及在充分冷却环境中进行研磨。

配置
若干机器配置已根据以下标准进行评估: 兼容充分冷却剂, 零部件共性, 易于构建, 单点金刚石车削能力, 金刚石磨削能力和模块化。通常认为以传统方式来配置机器, 但这可能会导致超精密设计师误入歧途。超精密机械的设计基础是指流体膜促进移动元素之间的相对移动，且无需接触。流体膜提供了一种平均效果, 进而产生超过单个元素的平直度和正确移动。移动元素之间的接触通过密封圈或辅助管束回路产生不合需要的弹性元件和移动误差。由加工碎片得到的密封滑动必须使用非接触式回路来完成。辅助管束回路必须灵活可变，可能的话要使电缆数量最小化。最后,电缆必须以某种方式捆绑，提供中性轴，使整个滑动行程保持平衡。

若要产生三个移动轴，则至少有一个轴要安装到另一个轴上。但如果移动滑道就会产生质量传递，最终在滑动平直度上平衡。设计Freeformreg; 3000的时候，将150 mm的垂直滑板安装在350 mm的水平滑板上，将第三个250 mm的水平滑板正交安装于其他两个滑板上，生成移动终轴。在Freeformreg; 3000的概念设计阶段，非接触式舱壁设计将把切割程序和组合导轨分离开，隔离冷却剂1。

Freeformreg; 3000基于模块化设计。机器底部, 油静压箱滑动, 框架,电气和气疗箱是三种分离机床的常见设计，包括Nanoformreg; 350, Nanoformreg; 700和Freeformreg; 3000。常见的模块化设计能够促进规模经济的组件，并建立机器部件装配水平,然后快速回馈客户的要求。

机械零件
三种直线导轨都采用静压油垫, 供应压力为250 psi, 直线电机产生超精密轮廓线和定位。根据每个轴的刚度和性能选择静水“箱式”轨道，提供直线下滑。
研发小型高刚度垂直滑板，通过角形托座安装在水平轴。垂直滑板的设计重点在于减少移动质量，将伺服带宽维持在高位。评估几个平衡设计概念，产生一种不受影响且便捷经济的中和力。因为不会产生大量惯性，所以选择平衡空气活塞。其他

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