减速器选型专家系统研究与实现（可编辑）

减速器选型专家系统研究与实现（可编辑） 减速器选型专家系统研究与实现 分类号: 密级: : 烈虞弄净锉走?晕 硕士学位 减速器选型专家系统研究与实现 余金桂 ????????????????????????????????????????????一 指导教师姓名: 熊禾根教授 武汉科技大学机械自动化学院 申请学位级别: 论文定稿日期: 学位授予单位: 学位授予日期: 答辩委员会主席: 何毅斌教授 评 阅 人: 徐劲力教授 童志伟副教授武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑藿声明:所呈交的学位论文是本人在导师指导下,独立进行研究 所取得的成果。除了文中已经注明弓阁的内容或满合作研究共同究成的工作 外,本论文不包含任侗‘其他个人或集体已经发表或撰写过的作忍成果。对 本 文的研究做浊霞要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处,本人承攫一切相关责任。 ,箩.? 论文作者签名: 日期: 垒丝 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有,其研究内容不得以其它单位的 名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文鹩规定,同 意学校保澄并向有关部门按照《武汉科技大学关于研究生学位论文收录工作 的规定》执行送交论文的复印件和电子版本,允许论文被查阅和借阅,同意 学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行检索 和 对外服务。 论文作者签名:么量垒整 指导教师签名:皇垒主三盈 日 期: 垫兰:皇:竺第页 武汉科技大学硕士学位论文 捅斐 传统的减速器选型通常是根据产品样本来进行的,用户先按照工作条件计算出减速器 的公称输入功率、传动比、输入转速、输出转矩等参数,再依据这些确定的参数尽量选用 接近理想公称输入功率、减速比等参数的减速器,而这个过程依靠人为的查询机械设计手 册,初选,然后验算选取减速器的是不是符合初选要求,而往往初选的时候会考虑多 种减速器进行对比选择,这就加大了查询手册和计算的工作量,人为操作起来难度大,效 率也较低。面对这样的现实,纯粹依靠工作经验丰富的技术人员为选择减速器已经不符合 高速发展的选型技术要求;而减速器销售人员不可能都具有机械行业的专业素养,对减速 器的各个特征参数和选型的结果不能提供专家级的建议,难以说服用户客观的选择较为符 合要求的减速器。 随着计算机的应用和发展,出现了一些减速器选型软件,这些选型软件是建立在减速 器参数数据库基础之上的,但减速器数据库的数据不能完整的描述减速器的性能,只能客 观的减速器的相应参数。结合国内外减速器选型的发展现状和趋势,本文利用专家系 统的相关理论和方法,研究和开发了相应的减速器选型系统,主要研究内容、技术方法及 所取得的成果如下。 根据减速器选型的特点,确定了减速器选型的特征参数和需求参数,并分别描 述了其模型; 对减速器选型的体系进行了研究,建立了基于模糊综合评判和层次分析的 减速器选型理论模型,并结合实例对两种方法进行了说明和验证,为选型系统的设计奠定 了相应的理论和方法基础; 结合专家系统的有关理论,分析了减速器选型专家系统的功能需求及流程;分 别从知识库的设计、推理机的设计以及数据库的建立三方面构建了减速器选型专家系统模 型: 利用技术对减速器选型专家系统进行了设计开发,并对其功能进行了 详细说明。 本文基于模糊综合评判法、层次分析法、专家系统技术及技术对减速器选型 的理论方法及系统开发进行了一定的研究,取得了一定的成果,但在选型理 论方法方面, 后续的研究中有待进一步寻求更有效、合理和优化的方法;在选型系统上, 本文开发的尚 属原型系统,数据库方面还需要进一步充实。 关键词:减速器;专家系统;模糊综合评判;层次分析法;/;数据库第页 武汉 科技大学硕士学位论文.,, , , , , . ,. ., . .’ , , , ’ . , .’ ’. , . , : . , ’; 、 .; , .;. . , , , , .. .. ; :; ; :/;武汉科技大学硕士学位论文 第页 目录 摘 要??..?.??.?. 第~章绪论??. .课题的研究背景? .课题的研究意义? .国内外现状及发展趋势? .本文主要研究内容 第二章减速器选型的参数指标及其模型描述? .减速器特征参数及模型描述.减速器选择的需求参数及其模型描述? .减速器的选型参数要求? .本章小结? 第三章减速器选型专家系统的评价体系??. .选型的综合评价体系?. ..评价准则的确定? ..选型指标的确定? ..确定指标权重的方法..选型的综合评价方法.模糊综合评判法. ..减速器选择模糊综合评判的决策集..减速器选择模糊综合评判的因素集.. 各因素权重的确定 ..各因素隶属度函数的确定 ..模糊评判矩阵与综合评判 ..减速器选型模糊综合评判实例? .层次分析法??. ..构造层次分析结构 ..建立判断矩阵 ..权重系数计算及一致性检验.本章小结.. 第四章减速器选型专家系统的设计?. .专家系统简介?. ..基本结构? ..知识表示和获取? ..知识推理?第页 武汉科技大学硕士学位论文 .系统总体框架设计??. .减速器选型专家系统设计??.. ..减速器选型专家系统模型设计? ..系统模块需求..系统设计? .选型系统流程?. .数据库的建立?. .本章小结. 第五章减速器选型专家系统的实现?. .系统. ..系统体系结构..技术平台的选择? .系统功能. .本章小结. 第六章总结与展望??. .总结? .工作展望. 参考文献? 作者在攻读硕士学位期间的主要成果? 致谢??第页 武汉科技大学硕士学位论文 第一章绪论 帚一早三;百下匕 .课题的研究背景 减速器是原动机和工作机或执行机构之间的独立的闭式传动装置,是机械传 动系统中 应用最为广泛的传动部件之一,主要用来降低转速和增大转矩。我国自世纪 年代开 始对减速器进行了标准化系列化,目前,减速器生产多数已实现了专业化、标 准化、系列 化。在标准系列化的减速器中,规定了主要的尺寸、参数值和适用条件,用户可根据减速 器工作条件和参数进行选择,绝大部分情况下可不必自行设计,从而大大减少了制造周期 和成本,且提高了产品的可靠性和稳定性。 选用减速器时应从工作机的选用条件,动力机的性能,技术参数以及经济性因素等方 面考虑;比较不同类型、品种的减速器外型尺寸,承载能力,减速比,传动效率,价格等 参数隶属用户需求的程度,进而选择较为合适的减速器型号。根据用户实际的需要,尽量 选用接近理想公称输入功率、输入转速、减速比等参数的减速器型号,通常情况这个过程 依靠人为的查询机械设计手册先初选减速器型号,然后验算选取的减速器的型号是否符合 初选要求,往往初选减速器的时候会多考虑几种型号作为对比,而这种情况导致的结果就 是加大了查询手册和计算的工作量,人为操作起来难度较大,效率也较低,而且人工计算 选型选择的减速器型号可能不是最优结果,这主要是因为减速器产品更新的速度越来越 快,用户面对如此多的减速器产品,判断和选取的准则具有随意性,而这也是 为什么用户 在减速器选型时经常面对的问题??从那种减速器产品出发开始选择。基于减速器人工计 算选型的现实问题,依靠经验丰富的人为选择减速器已经不符合高速发展的技术要求;随 着计算机的广泛应用和高速发展,出现了减速器选型软件,它是建立在减速器参数数据库 基础之上的。从数据库参数中选取符合要求的减速器类型,但减速器数据库的数据不能完 整的描述减速器的性能【】,这也使评判减速器选型的合适程度复杂化。 随着我国制造业的高速发展,减速器的种类和型号日益增多,面对如此多的减速器产 品,用户要挑选出所需的产品是一件很复杂的事情。如何方便、快捷地进行减速器选型以 满足用户的需要就显得十分重要。 .课题的研究意义 开发基于/的减速器选型专家系统一方面可以使销售人员快速全面地了解自己企 业的产品信息,提高销售的能力;另一方面让用户按自己的实际需求选择和定制产品,快 速、有效地完成双方交易,减少时间和精力的浪费。具体说来,其主要意义有: 采用减速器选型系统进行选型,能方便快捷地进行产品选型。 由于减速器选型系统具有信息量大,更新方便等特点,相对于传统减速器产品样本有着 很大的优势。 减速器选型系统应用大大降低了销售人员的技术要求从而大大降低了销售人员的培训第页 武汉科技大学硕士学位论文 成本,并且不会因销售人员的流失而对企业产生大的损失。 .国内外现状及发展趋势 国内在减速器选型的研究已经有了初步的发展,其中我国西安重型机械研究所的工程 师杨甲申在年就已经对减速器专家选型系统进行了研究,他从专家系统理论角度分 析了减速器选型的方法,成都理工大学王同喜也进行了相关理论和软件的开发,对本文的 减速器理论的建立具有极大的参考意义。 目前国内还没有针对减速器选型的成熟系统,尤其是基于专家系统的减速器选型系 统。虽然国内建立了一些进行减速器产品选型的网站,例如减速器选型网和减速器信息网, 这些网站提供的服务通常包括产品介绍、产品搜索、产品样本展示、需求发布平台、产品 订购等。网站上提供的电子样本和选型是基于曲的,但选型方法比较简单, 功能十分有 限,还没有达到成熟的、专业的、基于专家系统的智能减速器选型系统。 国外的减速器选型技术比较成熟,许多欧美大型公司都设有专门开发减速器选型的部 门,针对自己产品的特点开发了产品电子样本和选型软件。德国传动设备有限公司针 对自己生产的电机、减速机和变频控制设备开发了用户选型软件。这 些选型软件的功能都比较强大,大都包含了用户选型、模型浏览、下载等功能,体现了减 速器选型系统的发展趋势。但是,由于这些公司的产品众多,数据库建立不够完善,要想 解决这种问题,关键的计算就是要开发出基于的减速器选型系统,这种减速器选型方 法提供减速器生产厂家和减速器销售公司增加或者维护数据库的功能。 .本文主要研究内容 本文从用户的角度出发,针对以上问题,根据不兼容原理,当系统的复杂度增加时, 有意识的精确认识能力降低,系统的模糊性却加强。因此,可用模糊数学来合理地描述、 分析和评价减速器的性能。因此根据减速器选型的特点,将其选型的主要参数定量化处理, 应用专家系统和模糊数学等相关理论,提出一种根据模糊数学多目标模糊优 化原理来进行 多因素综合模糊决断的减速器选型专家系统方法,将产品的参数信息存放到后台数据库 中,通过接口函数将数据库与前台的应用程序相连,开发基于专家系统的减速器选型系统。 用户可以根据实际的需求在减速器选型系统中输入或选择一定的条件,系统自动根据这些 条件为用户挑选出合适的型号,按照隶属度从高到低排列,并给出专家建议,可以较为客 观的选择合适的减速器。 针对减速器选型出现的人工选型计算困难、、效率低、客观性强的问题,本文从减速 器选型特征参数和需求参数的处理,模型描述及专家系统等相关理论进行了研究,并最终 开发出减速器选型专家系统。主要内容有以下六个部分: 第章绪论。介绍了减速器选型专家系统的研究背景及其国内外现状与发展趋势。 第章减速器选型的参数指标及其描述模型。分别从减速器特征参数及模型描述、减 速器选择的需求参数及其模型描述、数据库的建立方面进行研究。第页 武汉科技大学硕士学位论文 第章减速器选型专家系统的评价体系。首先简介专家系统理论,分别从专家 系统的 基本结构、知识表示、知识推理、开发工具进行阐述;接着简述减速器选型的综合评价指 标体系,分别从评价准则的确定、指标的确定、指标权重的确定方法、综合评价方法方面 进行介绍。 第章减速器选型专家系统设计。分别从系统总体框架、系统功能需求、系统结构、 选型算法与流程、减速器选型专家系统知识库的建立、减速器选型专家系统推理机设计、 减速器选型专家系统模型设计、减速器选型专家系统的评价体系进行专家系统的设计。 第章减速器选型专家系统的实现。主要介绍开发出来的减速器选型专家系统。 第章总结与展望,总结了本文所做的工作,并提出本文研究的不足之处,为下一步 的工作指明方向。第页 武汉科技大学硕士学位论文 第二章减速器选型的参数指标及其模型描述 从用户角度来看,减速器选型是一个计算、分析并逆向搜索的过程,选型时用户只输 入相关参数,就能找出满足需求的相关产品【】。减速器选型的首要任务是确定一套科学的 选型指标体系,为研究合理的选型方法奠定基础,以便从不同规格、型号、厂家的产品中 选出适合用户使用的、整体效能最佳的减速器型号。目前还没有系统的减速器选型指标体 系,主要是凭专家经验来选购【。科学合理的选型指标体系的建立是解决减速器选型的首 要环节。 减速器特征参数及模型描述 减速器的种类繁多,分类方法各不相同,可按照减速器的传动类型、齿轮的外形、传 动的级数等方法进行分类。根据减速器的传动及结构特点可分为五大类:齿轮减速器、蜗 轮蜗杆减速器、行星齿轮减速器、摆线齿轮减速器、谐波齿轮减速器。如图.所示。 图.减速器分类 减速器的特征参数的指某一类减速器本身所拥有的各项性能参数。虽然减速器的参数 大体相同,但是在具体到某类减速器时还是有很大的差别。如圆柱齿轮减速器的特征参数 有公称功率,传动比,输出转速,公称输出扭矩,实际选用系数,最大径向载荷,装配形第页 武汉科技大学硕士学位论文 式,外向尺寸,冷却方式等。由于本文构建的系统是在五类减速器的基础之上 的,具体的 各类减速器的特征参数如表.所示。 在系统设计时将各减速器特征参数输入到数据库中,按照用户的参数选择, 查询出数 据库里满足要求的减速器。根据减速器的分类以及各减速器的特征参数,建 立减速器的类 型特征参数选择模型如图.所示。 表.减速器特征参数 \减速器 公 公 最 实 实 \特征 称 称 际 大 装 外 冷 生 输 渗数 际 安 却 型 出 选 径 配 型 产 价 输 输 传 装 入 出 尺 减速\ 号 转 用 向 形 力 格 图 动 器类\ 功 速 扭 系 载 式 寸 家 比 型 \ 塞 矩 数 荷 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 齿轮减 速器 ? ? ? ?蜗轮蜗 杆减速 器 ? ? ? 行星齿 轮减速 器 ? ? ? ? 摆线针 轮减速 器 ? ? ? 【谐波减 速器 .减速器选择的需求参数及其模型描述 减速器选择的需求参数是指用户在选择减速器型号时所必须提供的参数,用户可以直 接给出参数具体数值,也可以通过系统界面提供的可选按钮进行选择。 减速器选型系统就是根据这些指标的综合作用相对的好坏做出权衡。由此可知减速器 选型的过程是一个不断最优化的问题,是各个选型参数相互影响的过程,因此在进行合理 的减速器选型时,对这些参数的处理一定要抓住影响选型的最重要的因素。 减速器的特征参数与需求参数不同,减速器的特征参数包括了减速器的全部重要信 息,而减速器选择的需求参数是在满足选型的前提条件下,按照用户的具体需要,选择出 满足用户要求的减速器。从用户的角度出发,建立本文的减速器选型参数需求。武汉科技大学硕士学位论文 第页 ~一??’一~?一一、。’:一?。。、 ,:。:~?。:‘ 一~“:’ 一:,一一:?一’ :。 二,???。。???羞一??二??.二?韵嚣,二?纛 ’“赢黼。 :: 鞫张 美游 移露;?? ? ?鞴疆% 繇?瓣躺缝 ?蓦鎏?黪鬻隧?裁?女轻《鞴;蓑配缎蛾斟 。 ; ?一 一二 一 燃 囊辫醛耖驭 灏 蟒 拼粼 ?簇 。黪;嘎。铡 净耩熬糍‖敬 穰一黔 献; ?鹾; 粼瓤 弱 静萋 ~ 灞 渊 譬 萋?熬璜瓣辩 嘲 狮矧 麓 齿轮减速器选型特征参数模型 。。,~??,一??~一~,~,?~?‘。??一’?、“。?~一?一一??。?、。一?~一。“?? “一 ?????????????????????????????’???????????????????”“,????“??’ ?????“??““?”??”??~ 鐾萼江擗嘴滞?髑对?矧》产、家;雠 巍竣 孵删嚣. :瓣?囊蔷一争泸挲 蜗轮蜗杆减速器选型特征参数模型 :。 『;“ ?『。一‘瀚 蓥? 薰? 至 一撩 瀚 一黼 耋静妻 ?;;; 一潍蓬 一鞴谤 一游一 鳓 整 羲要.趱爨: 摄。港. ::。 。; 竺 一般擎 一肘~漏. 一嘲一黪一 ,尹,;;; 一 一髓。瓣一 行星齿轮减速器特征参数模型 ? 一: 二 轰询 镶制 童 ~。.蠢纛。??。嚣。三二三、磊, 。蠢童一量‘曼三‘ 乇一。?:.一 舞襞簿 傍格 辚岛转鹫 鞠穗转送 麓旁霉 鼙芍 奎稼辕,、珐率 卦塑之孝 衢褒 ; ; ; 蟪 袭汉?燕乏蒜嚣; .,。囊菘 ; 。 ; ? ; 摆线针轮减速器选型特征参数模型。.。。?.?.。?一‘一?一查辫:~??,、? 一。,一 一蔬?’ 安装萋 赞穆 努爱毒 生产;。蠢 .弩一?晒哆.繁 殳.捧/; ; 躺 蠢著 莲铲;粼 谐波减速器选型特征参数模型 图减速器选型特征参数模型描述第页 武汉科技大学硕士学位论文 表.减速器选择需求参数 减速 器类 减速器需求参数 型 环 环 冷 载 装 齿轮 传 每天 负荷 却 输入 负载功 输出 原动 境 境 安全 荷 配 减速 动 工作 率系 窒 转速 转速 机 条 条 温 系数 种 形 器 比 小时 数 件 件 度 类 式 蜗轮 输入 输入功 传 蜗杆 箱体 结构 输出 率或转 动 减速 类型 类型 轴类 矩 比 器 型 环 行星 冷 输 载 安 原动 每天 负荷 却 齿轮 输入功 入 输出 传动 荷 境 环境 全 机类 工作 率系 东 减速 比 条 转 转速 种 条 温度 系 型 小时 数 器 速 类 件 件 数 摆线 安 输入功 传 针轮 结构 输入 电机 装 率或负 动 减速 形式 转速 类型 形 比 载功率 器 式 输入 传动 谐波 传 空会 功率 输入转 误差 减速 动 精度 或转 速 精度 器 比 等级 矩 等级 对比减速器选型的需求参数和特征参数,虽然减速器的特征参数所具有的参 数条件比 需求参数少,但是减速器的需求参数之间有相互的联系,经过转化后实际上 特征参数都能 满足需求参数。根据减速器选择的需求参数,建立减速器的参数选择模型如 图.所示。武汉科技大学硕士学位论文 第页 齿轮减速器 菝竣功搴: 辘天转速:》黧.蠖 一。 一 翰? 。转速::?鲤、:。? 摊灭王佟小时数冀型塑竺髯 传动。睡:纛?~~ 。安金系数:謦孽麓壤 蟛黧絮:鎏学缫墨蛩霹羲一罄尊琴攀:碧簿鬻:曦 :负耪率系数:妻蟛『篆 环境条件:篷鳓曩篓蟹:一攀。 凌配形武:卜 冷鲻条件:霉黧曼爹。 环境激度:画曛 齿轮减速器选型特征参数模型 蜗轮蜗车减速器 ????一 :、?, 隧卜程臻黪瓢绐? /镌裂确楚掣成 结梅裟型:。 箱奉炎型:一霹巍藉覆一囊 。『 ?功率转诬;?,,?羞 隧二鬻嗡浊“繇凡暾淹戎隧交一霸.辩肇式 传动瞄:?,、..。。.... 输入输轴:蓑堡盒鎏堡曼。蠛 蜗轮蜗杆减速器选型特征参数模型 行缝荫轮减速器 蔽祷狰炎:姜黪鍪譬鹭 原动挑类型:凳垮 溉 一 一一 环萄条懈窭艘?警。 ;输天葫攀磐曩磷一‘”“ 冷却条件:舞;皇黪。 输入转速:,哆絮。 环麓潞度::缮.: 输粥转速:;,豢? :一 每天:作小‘数::% 传动比函吞 ~一一:三.一 安仝系数:‘唆最誊,? 负筒率系数:囊黧塞。 行星齿轮减速器选型特征参数模型 摆线 。轮减速器 输入功率或受载转簿:鞲泰麴誊?:爹蓊鹅歉炎豢茹。泛: 冬动艺: 。 电挂炎墼:;蕺残稿擅乜帆; 、,、, 安装形式:?磐蟛。 输入转速二垮曼够? 摆线针轮减速器选型特征参数模型 谐波减速器 ??,???~?功率转矩巴生】传动误差精度等级:萱璺璺?捌 输入转速:墨婴曼?。、 罾面兹? 空会精度等级: 传动比: 谐波减速器选型特征参数模型 图.减速器选型需求参数模型描述第页 武汉科技大学硕士学位论文 .减速器的选型参数要求 通过减速器的特征参数和需求参数,按照一定的规则选用减速器,虽然不同类型的减 速器在选型时其选用方法有些不同,但是各种类型的减速器都受其承载能力受机械强度和 热平衡许用功率两个参数的限制。一般通过机械强度和热平衡许用功率两个表计算选用减 速器这两个表参考机械设计手册编委会编写的机械设计手册新版第卷减速器和变速 器部分。其基本步骤为: 按减速器机械强度许用公称功率只选用,如果减速器的实用输入转速与承载能力表 中的三档、、/转速之某一档转速相对误差不超过%,可按照该档转 速下的公称功率选用相当规格的减速器,这是因为圆柱齿轮减速器的实际传动比相对公称 传动比有一定的偏差?,通常一级减速器?%,两级减速器?%,三级减速器 ?%;如果转速相对误差超过%,则按照实用转速折算减速器的公称功率选用。然后 校核减速器热平衡许用功率。一般情况下,用户选择减速器是按照负载功率来进行的,这 就需要进行转换,即先按减速器的机械强度功率表选取只,计入工况系数。,还要考虑 安全系数,机械强度计算功率。爿,要求最。?异。折算公称功率的计算方法 是根据实际需要的转速玎选择接近其数值的公称转速挖,,按照只’鼻胛,加,计算【。 校核热功率最,是否满足最,,?卫‖其中是环境温度系数,是负荷系 数,.厂;;是功率利用系数,最,是热功率。 在满足前面两个条件的情况下,根据用户的实际需要进行选择,例如生产厂家,价 格,安装尺寸等。 .本章小结 本章介绍了减速器选型的参数指标以及针对相对参数指标建立了模型参数,分别从减 速器的特征参数和减速器选型的需求参数进行分析,构建模型,最后根据减速器选型参数 的要求来关联参数之间的关系。第页 武汉科技大学硕士学位论文 第三章减速器选型专家系统的评价体系 作为一款产品选型软件,简单的从数据库查询出相关参数是一件很容易的事,怎么样 比较或者对比选择出来的产品的好坏就显得很重要,这就涉及到了选型的评价体系。 .选型的综合评价体系 一般来说,构成综合评价问题的要素主要有以下几个方面:评价准则、确立评价的指 标、确定各指标权重指数、建立综合评价模型、评价结果。 ..评价准则的确定 本文减速器选型就是从多种型号、规格的减速器产品中,经过技术经济的分析评价, 选择最佳方案以作出购买决策。 针对减速器选型特点看,应该遵循的原则如下: 适用性原则 减速器选择是针对某一特定的用户进行的,选择的标准相对于用户最优,而不是简单 的依赖数据库提供的参数数据排序作为参考,更多的取决于专家系统对该用户的建议,从 而选择最为合适的减速器产品【。 技术经济性原则 技术经济分析技术选择、经济分析、效益评价等方法与手段,为制定正确的技术政策、 技术规划、技术措施及可行的技术方案提供依据,作出技术经济综合评价,目的在于为经 济决策提供依据【。在遵循技术经济性原则的前提下,减速器选型的最终目的是在减速器 型号评价参数的可比性下,价格之间的可比性,譬如,在满足减速器参数要求而且性能可 靠的条件下,性价比最高。 ..选型指标的确定 指标的选择是综合评价的基础。指标的选择好坏对分析对象有举足轻重的作用。指标 太多会出现重复性的指标,指标太少可能会造成缺乏足够的代表性,会产生片面性,不利 于减速器产品的优选。基于以上考虑,指标体系的建立,要遵循的原则有应该首先在满 足选型需要的情况下选择具有代表性,数量尽量少的指标,而且指标应该尽量简单可行; 其次指标相互应具有独立,符合客观实际水平,最后指标应该有稳定的数据来源,容易实 现,具有可操作性。 综合以上理论以及减速器选型的实际情况,确定减速器选型的指标为:减速器的公称 输入功率、传动比、输入转速,外形尺寸、中心距、价格、工作环境及温度, 安装方式等, 具体的评价指标根据选用的评价体系来确定。 ..确定指标权重的方法第 武汉科技大学硕士学位论文 页 目前指标权重的确定方法主要采用专家咨询的经验判断法【。而且,目前权重的确定 方法基本上已由个人经验决策转向专家咨询的经验判断法。计算公式: 公式. 臼丑口/胛/,,?,聊 其中公式.中聆为评委数;为评价指标综述;口/为第,个指标权重平均值;口 为第个评委对第/个指标的打分值,然后进行归一化处理。 ..选型的综合评价方法 解决多指标评价问题需要全面考虑各个方面的因素,建立综合评价准则。从不同的角 度提出不同的准则,这就产生了各种综合评估法。 建立单一的减速器专家系统选型评价体系不符合程序设计原则的先进性,因为只有一 种评价体系,没有与之对比的参数,不能很好的说明系统开发的准确度,所以为了提高减 速器专家系统选型的准确度,本文选择两种评价体系,分别为模糊综合评判法和层次分析 法。而且模糊综合评价评判法和层次分析法是人们熟悉的评价方法,其理论 基础比较完善, 方法简洁明了,算法的不是很复杂,能正确地反映评价对像和评价目标。 .模糊综合评判法 从数据库参数中选取符合要求的减速器类型,但减速器数据库的数据不能完整的描述 减速器的性能,这也使评判减速器选型的合适程度复杂化。根据不兼容原理,当系统的复 杂度增加时,有意识的精确认识能力降低,系统的模糊性却加强【。因此,可用模糊数学 来合理地描述、分析和评价减速器的性能。本文根据减速器选型的特点,将其选型的主要 参数定量化处理,应用模糊数学的理论,提出一种根据模糊数学多目标模糊优化原理来进 行多因素综合模糊决断的方法。 虽然大多数减速器已经标准化、系列化,但要选择合适的减速器还是比较复杂的,涉 及到多个因素的综合评价。选型的目的是使用户提供的减速器参数与现有标准化、系列化 的减速器参数进行最佳匹配,这些参数包括减速器的公称输入功率、传动比、输入转速、 外形尺寸、价格等。用户在减速器选型时,考虑的各项参数通常具有模糊性,如传动比尽 量接近目标值、外形尺寸尽量小,价格尽量低等等。因此,根据模糊综合评判的理论,对 选型所涉及的多元模糊因素进行定量化处理,对减速器的各项因素进行综合评价,根据最 大隶属度原则选出最优的减速器型号。 ..减速器选择模糊综合评判的决策集 根据减速器工作条件和参数初步选择符合要求的类型, 把这些减速器作为备选方案, 建立决策集: 矿】,,?,,.一,% 公式.第页 武汉科技大学硕士学位论文 公式.中,,为决策集中第种减速器的型号,刀为决策集中减速器的总数量。 ..减速器选择模糊综合评判的因素集 减速器选型方案评价指标体系中,既有定量因素,又有定性因素。评价指标选取的原 则是以尽量少的指标,反映最主要和全面的信息。本文选取如下参数作为减速器综合评判 的因素:公称输入功率、传动比、输入转速、外形尺寸和价格,由此组成评判因素集记为 ,表示如下: 甜,“,“,甜,“ 甜,“,“,甜,“ ,,行,,, ,行,, 公式. 公工\., 公式.中,??公称输入功率;??传动比;船??输入转速;??外形尺寸; ??价格。 ..各因素权重的确定 减速器模糊评判因素集中各因素的重要性是不相同的,可用权重来对其进行评估。各 因素权重集满足归一性和非负性。根据上述五个因素对减速器重要程度的不同有专家来给 定它们的权重。在减速器选型时首先考虑的是其功率是否满足要求,比较重要,分配权重 .;传动比和输入转速也是减速器选型时应该重点考虑的因素,权重均取.;外形尺寸 是考虑到减速器安装空间的参数,权重取.;价格因素的权重取.。由此得到反映各因 素权重的权向量为: .,.,.,.,.】 ..各因素隶属度函数的确定 决策就是在选型方案中找到一个满足要求或目标的最优方案。为此,把减速器因素集 的某一类因素值与减速器目标因素值用一种关系式联系起来,以表明减速器因素集的某一 类因素对减速器目标因素的符合程度,这种符合程度可由隶属度函数来评价。隶属函数可 由模糊统计法、逻辑推理法获得。根据具体情况各因素隶属度函数确定如下。 公称输入功率的隶属度函数 减速器公称输入功率应不小于用户期望值,但也不宜过大,以免造成浪费,因 此需确 定合理的选择区间。根据公称输入功率评价因素的特点,由模糊统计法确定 公称输入功率 的隶属函数为如下: 或“ ”。 “心产每 ?工?” 表示公称输入功率的期望值,”表示公称输入功率期望值的上限,“ 公式., 表示公称输入功率容许的上限值。 公称输入功率隶属度函数图为: ,武汉科技大学硕士学位论文 第页 图.公称输入功率的隶属度函数分布 外形尺寸和价格的隶属度函数 外形尺寸和价格是越小越优因素,可以确定隶属度函数为偏小型半梯形分布 函数?。 隶属度函数分布见图.。 ?外形尺寸隶属度函数为: , 竺二兰 , 一?? “, ? 一?.、、.、 ,“ 公式.中,表示外形尺寸长度的期望值,。表示价格容许的上限值。因素集里外 形尺寸因素涉及到长、宽、高三个参数,而决策因素综合矩阵里不能表达这样的复合数值, 从减速器本身来看,外形尺寸长、宽、高三个参数之间有一定的比例关系,因此本文用长 度来代替外形尺寸长,宽,高作为目标因素。 ?价格隶属度函数为:“一 ??。 甜。 。一。 “ 公式.中,“表示价格的期望值,”表示价格容许的上限值。图.偏小型半梯形分布 图.中,外形尺寸隶属度函数分布 ,“;价格隶属度函数分布:,“。 传动比和输入转速的隶属度函数 由于传动比和输入转速通常是按容许的取值区间来选择,定义该区间的隶属 函数就以 容许值、期望值和隶属度变化趋势来进行度量。武汉科技大学硕士学位论文 第页 ?传动比的隶属度函数为: 生 ,,??? ’ 一凇‘ 了 , 公式. “: 兰兰 ,’、‘ 一?广 ”一, 一 、”分别表示传动比的期望值、容许的下限值,容许的上限值。 公式.中,九 ?输入转速的隶属度函数为: ,一 ,’?门 //“一, ‘ 公式. “。 一玎 玎?玎“ 胛。一九“ 公式.中,,“、胛。、。分别表示输入转速的期望值、容许的下限值,容许的上 限值。 ..模糊评判矩阵与综合评判 在评价中,应建立单因素评价矩阵,即确定评价集中的各元素对因素集中各 元素的隶 属度【。因本文只考虑对减速器选型较为重要的五个因素,具体的决策集根 据实际选型建 立,模糊综合评判矩阵形式为: 卢 “ ,,?厂 ~ 尺 “ ,,?厂“ 公式. 月 月 厂,“ 月? “ ,】 ” ,.脚 尺 公式.中,豆表示模糊评价因素矩阵;豆。,趸,趸,茛;,是分别表示公称输入功 率、传动比、输入转速、外形尺寸、价格五个单项指标评判集;,。.,,?,; ,,?,聊表示第个减速器选型方案的第/个因素的隶属度。 当权向量彳和单因素评判矩阵页为己知时,可按照最大隶属度法,采用旭?, 模型 按乘加运算进行模糊综合评判,综合考虑各项隶属度和权重的影响【】。最终 选择评判指标 值最大的一种减速器型号作为最佳选型方案。其计算方法如下: ,,,.一,‖一,。公式? 公式., ???磲糊算子采用加权平均型拟。,; /,,?,;,.,聊 ,?口‰ 第页 武汉科技大学硕士学位论文 参是第/个方案模糊综合评判的结果,其值表征着该方案对决策的隶属度。因 此,, 所对应的方案即为最优选型方案【。 ..减速器选型模糊综合评判实例 某科研单位需要为某机械系统选择一种标准减速器,具体要求为:减速器功 率不小于 ,选择范围为~尼‖,期望值为七形;输入转速尽量接近/, 选择范围为一/;传动比尽量接近,选择范围为~;外形尺寸期望 值为,允许的最大值为;价格期望值为万元以内,允许的最大值为 万元。 设表.为初步选定的符合用户要求的五种减速器型号和主要参数。 表.减速器型号及其参数 公称输入功率传动比.输企譬季 / 外形尺寸 ?,。 . 篇 减速器选型方案中有五种减速器型号,组成决策集。根据表.提供的信息建立 减速 器型号决策集: 。,:,,,,, 其中:?;~;一心;一?。 按照选型要求,公式.中 ,”,”;公式.中“, 。;公式.中,。;公式.中妒, ,“;公式.中胛“, ,,胛。。把表.各项因素的实际值代入相应的隶属度函数公式中计算,由此 可得模糊综合评判矩阵为: . . .. .. . . . . . . . . .由上述确定的权重集彳.,.,., .,.,根据公式.得到模糊综合 评判集如下: .,.,., .,.第页 武汉科技大学硕士学位论文 由上面模糊综合评判集百最终运算所得的结果,根据最大隶属度原则可以看 出,第四 种方案最优即型的减速器,依次为型、型、型、 型。对比型和型减速器,从表中可以看出在公称输入功率、输入转 速、外形尺寸、价格这四项隶属度相同的情况下,型比型传动比匹配度 高,结果选择型减速器是较为合适的,这与模糊综合评判的结果相符合。 .层次分析法 ..构造层次分析结构 影响减速器选型的因素很多,而且不是很容易确定,有些因素是不能够用确 切的数字 来衡量的,只能定性描述,具有模糊性。如传动比尽量接近目标值、外形尺寸 尽量小,价 格尽量低等等。 根据减速器选型的特点,确定层次分析模型如下。同时为了与模糊综合评判 方法对比, 确定公称输入功率、传动比、输入转速、外形尺寸和价格等指标作为选型因素。首先确定 总目标即减速器的型号为最优方案;其次根据技术指标、经济指标、制造厂商实力作为准 则层;最后根据该减速器参数的特点选择公称输入功率尽量接近目标值、传动比尽量接近 目标值、输入转速尽量接近目标值、外形尺寸尽量小,价格尽量低这五个指标作为最底层。 如图.。另外根据需要还可以将中间准则层的指标作为进一步细分,构成三级以上的模 犁。 图.层次结构模型 根据本文减速器选型的特点,图.中一指标为表中所指的指标。第页 武汉科技大学硕士学位论文 表.评价指标 公称输入 传动 输入转 外形尺 价 付款方 维护费 生产厂 厂家规 市场占有 ?? 窒 功率 比 寸 武 家 速 格 用 模 为了降低分析问题的复杂度,本文在实际的选择中,只选择、、、、、 六个指标,这也是因为在建立数据库的时候综合考虑的因素。 ..建立判断矩阵 在层次分析法的递阶层次结构中,设上一层元素为准则,所支配的下一层元素为 “,?:,甜‖..,“。对于准则相对重要性即权重。这通常可分两种情况: 如果“,,“:,“,.一,“。对的重要性可定量如价格、参数等,其权重可直接确定。 如果问题复杂,“,,“:,“‖一,甜。对于的重要性无法直接定量,而只能定性,那么 确定权重用两两比较方法。其方法是:对于准则,元素“,和“,,哪一个更重要,重要的 程度如何,通常按比例标度对重要性程度赋值,表.中列出了标度的含义】【。 表.标度含义 标度 含义 表不网/?索阳此,具伺同件里要‘旺 鼍 表不两个元素相比,前者此后者稍重要 一 、 表不两个元素相比,前着比后着明异重兽 表不向个?秉相比,前看比后看强烈重要 ? 表不两个元素相比,前者比后者极端重要 ... 表示上述相邻判断的中间值 倒数 若元素与的重要之比为日?,那么元素与元素重要性之比为口户参 对于准则,以个元素之间相对重要性的比较得到一个两两比较判断矩阵:公式. 其中口。就是元素“,和“,相对于的重要性的比例标度。判断矩阵具有下列性质: ,臼‖/日口,口。。 由判断矩阵所具有的性质知,个元素的判断矩阵只需要给出其上或下三角的 一/个元素就可以了,即只需做一/个比较判断即可。 在层次分析结构中各因素进行两两判断比较,构造判断矩阵时,我们可由设备管理人 员、设备技术、采购人员的专家根据其专业经验,结合制造企业购置设备需求等实际情况, 综合参与决策者的意见,以分析法中比例标度对重要性程度赋值,建立判断矩阵。 表.是针对技术指标因素的,包含了公称输入功率、传动比、输入转速、外形尺寸 四个指标的相对重要性比较。第 页 武汉科技大学硕士学位论文 表.准则层对目标层的判断矩阵 技术指标 公称输入功率 传动比 输入转速 外形尺寸 公称输入功率 / 传动比 /输入转速 / / / 外形尺寸 表.准则层对目标层的判断矩阵 经济指标 价格 付款方式 维护费用价格 / / 付款方式 / 维护费用 表.是针对经济指标因素的,包含了价减速器价格、付款方式、维护费用三个 指标 的相对重要性比较。由于减速器选型专家数据库设计的时候把这个因素统一 归结为价格。 表.准则层对目标层的判断矩阵 生产厂家实力 生产厂家 厂家规模 市场占有率/ 生产厂家 / / 厂家规模 市场占有率 表.是针对生产厂家实力指标因素的,包含了价减速器生产厂家、厂家规模、市场 占有率三个指标的相对重要性比较。由于减速器选型专家数据库设计的时候把这个因素统 一归结为生产厂家,所以在层次分析法中作为一种方法的应用,又要兼顾方法的完整性, 所以重新全面考虑,这对数据库的设计来说就显得有缺点。 表.准则层对目标层的判断矩阵 技术指标 经济指标 生产厂家实力 设备选型最优方案 技术指标 /经济指标 / / 生产厂家实力 表.是针对减速器选型最优方案这一总指标因素的,包含了价减速器技术指标、 经济指标、生产厂家实力三个指标的相对重要性比较。 ..权重系数计算及一致性检验 由准则层对目标层的判断矩阵的确定,可以应用中的权重计算几何平均法, 计 所示: 算出各判断矩阵各因素相对重要性权重。各判断矩阵的权重如表.?. 表.判断矩阵技术指标权重 公称输入功率 传动比 输入转速 外形尺寸 技术指标 . . . . 『权重第页 武汉科技大学硕士学位论文 表.判断矩阵技术指标权重 经济指标 价格 付款方式 维护费用 . . . 权重 表.判断矩阵生产厂家实力指标权重 生产厂家实力 生产厂家 厂家规模 市场占有率 . . . 权重 表.判断矩阵设备选型最优方案指标权重 设备选型最优方案 技术指标 经济指标 生产厂家实力 . . . 权重 应用层次分析法时,注意在计算归一化权重系数后,应检验所计算得出的权重系数是 否符合逻辑。通常用一致性指标检验该项目的相对优先顺序有无逻辑混乱,一般认为,当 ...时,可能无逻辑混乱,即计算得的各项权重可以接受。 按下述公式可计算一致性指标: ..:垒型: 公式. 船一 公式. 五一?五。/力 公式. 五,?口口彳,/彳。 其中为接受检验层次的子目标数,九。为最大特征根,为该层子目标成对比较判 断优选矩阵的特征根。 为了度量不同阶判断矩阵是否具有满意的~致性,还需引入判断矩阵的平均随机一致 性指标值。对于,阶判断矩阵,只是形式上的,因为,阶判断矩阵总具有完全一致 性。当阶数大于时,判断矩阵一致性指标与同阶平均随机一致性指标之比称 为随机一致 性比率,记为..,其计算公式为: ..:里 .. 对于~阶判断矩阵,.,.值见表.。 表.判断矩阵 当...时,判断矩阵具有满意的一致性,否则就需要调整判断矩阵使其具有满 意的一致性。由此知,只考虑阶以上判断矩阵。根据公式计算知子目标各项 权重判断无 逻辑错误,所以符合一致性检验。第页 武汉科技大学硕士学位论文 通过计算,得到各因素对目标层的权重,如表.。 表.因素权重 第一层 第二层 权重 . 公称输入功率 技术指标 . 传动比 . 输入转速 . 外形尺寸 设备选型最优方案 . 经济指标 价格 . 付款方式 . 维护费用 . 生产厂家实力 生产厂家 . 厂家规模 . 市场占有率 从计算结果可以看出,影响减速器选型评价决策的各因素中,其权重从大到 小主要的 前五个因素分别为公称输入功率、传动比、输入转速、价格、维护费用等, 符合减速器选 型的条件,故利用层次分析法能够较好的选型。和前面的一样,由于减速器参 数数据库建 立的时候不是很完善,在为了表达层次分析法的方法,全面考虑了其影响因 素,譬如经济 指标中,包括了价格和付款方式以及维护费用,其实都是价格因素,只是详细 程度不一样, 并不矛盾。 根据模糊评判方法中的实例,分别作出比较,由专家评分为结果引入减速器 选型层次 分析法模型中,其计算方法为各因素与其对应的目标层权重相乘 ,得到各因 素的分数和 种减速器评价的总分数,结果为表.所示: 表.减速器选型评价结果 第一层 第二层 权重 . . . . . . 技术指标 公称输入功 家 。 . . . . . 传动比 . . . . . . 输入转速 . . . . . . 外形尺寸 . . . . . . 经济指标 价格 . . . . . . 付款方式 . . . . . . 维护费用 . . . . . . 生产厂家实力 生产厂家 . . . . . . 厂家规模 . . . . . . 市场占有率 . . . . . 总分 从表.的减速器选型评价结果可以看出,第四种方案最优即型的减速器,第页 童圣科技大学硕士学位论文 。??????????????????????????????????????????????????????????????? ?????????????????????????????一 依次为型、型、型、即不猡例型;与模糊综合评判的结果一致。 .本章小结 本章介绍了减速器选型专家系统的评价体系,选择了模糊综合评判法和层次 分析法两 种方法来分析说明,结合实例分别利用两种方法进行分析对比评价体系的可 靠性。第页 武汉科技大学硕士学位论文 第四章减速器选型专家系统的设计 .专家系统简介 专家系统可以看作一类具有专业知识和经验的计算机智能程序系统,其能力来自于它 所拥有的专家知识,采用人工智能理论中的知识表示和知识推理技术模拟以往由专家才能 解决的问题,进而达到专家同等解决问题能力的水平。这种基于知识表示和推理的系统设 计方法是以知识库和推理机为核心而进行的。 ..基本结构 专家系统的结构通常指专家系统各组成部分的组织形式和构造方法。不同应用领域和 不同类型的专家系统,其体系结构和功能也不尽相同。通常,专家系统由以下个部分组 成: 图.专家系统基本结构 知识库 知识库用来存储和管理专家系统中求解实际问题的专业知识。通过知识库管理系统可 以对知识库实现知识的存取、修改,包括知识检索、更新以及语意完整性维护【】。 数据库 数据库是专家系统在执行推理过程中用以存放所需要和产生的各种信息的工作存储 器,通常包括求解问题的初始状态描述、中间结果、求解过程的记录和用户对系统提问的 回答等信息。 推理机 推理机是用来控制、协调整个专家系统的程序。它根据数据库当前输入的数据,利用 知识库中的知识,按一定的推理策略去求解当前的问题、解释外部输入的事实和数据,推第页 武汉科技大学硕士学位论文 导出结论并向用户提示等功能。 解释程序 解释程序是用来回答用户提出的问题,并对专家系统的问题求解过程或对当前的求解 状态提供说明的重要部分。 知识获取 知识获取是专家系统中将相应专业领域内的事实性知识和领域专家所特有的经验性 知识转化为计算机可识别的形式并送入知识库的功能模块。同时也进行知识库中知识的修 改、删除和更新,并对知识库的完整性和一致性进行维护。 用户界面 用户界面是专家系统和用户之间进行通信和信息交换的接口。它包括专家系统与用户 的接口和专家系统与领域专家和知识工程师的接口两部分。 ..知识表示和获取 知识库的建立是专家系统开发过程中最重要也是最复杂的工作之一,专家系统的好坏 就取决于专家知识。在专家系统中,知识就是规律、规则以及法则的总称,是人们在学习 和:作的实践过程中所获得的对客观、主观信息的内在联系的认识和经验的总和。 目前在知识表示方面主要有两种基本的观点:一种是陈述性的观点,一种是过程性的 观点。陈述性的知识表示观点将知识的表示和知识的运用分开处理,在知识表示时不涉及 如何运用知识的问题。过程性的知识表示观点将知识的表示和与应用它的程序紧密融合在 一起。 现阶段适用较多的知识表示方法有:产生式表示法、元规则、框架结构等。 产生式表示法 产生式表示法又称规则表示法,而产生式规则集是作用在全局数据库