機(jī)械模具三維仿真系統(tǒng)的開發(fā)與研制

周冰

摘 要：文章主要針對機(jī)械模具的三維仿真系統(tǒng)（MSS）開發(fā)流程進(jìn)行闡述，對該系統(tǒng)所具有的功能與結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹與分析。三維仿真系統(tǒng)在實際的應(yīng)用當(dāng)中具有自動適應(yīng)環(huán)境與學(xué)習(xí)的特點，在實際的生產(chǎn)當(dāng)中進(jìn)行兩年左右的應(yīng)用后，能夠?qū)ιa(chǎn)流程的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而對生產(chǎn)流程進(jìn)行改良與指導(dǎo)，可顯著提高生產(chǎn)當(dāng)中的各項指標(biāo)。文章將某拉鏈生產(chǎn)企業(yè)作為實例，闡述三維仿真系統(tǒng)在機(jī)械模具方面的開發(fā)與研究，旨在提高我國的生產(chǎn)工藝技術(shù)水平，為更為先進(jìn)的生產(chǎn)方法提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：機(jī)械模具；三維仿真系統(tǒng)；產(chǎn)品設(shè)計；生產(chǎn)指標(biāo)；工業(yè)經(jīng)濟(jì)

1 拉鏈產(chǎn)業(yè)與計算機(jī)仿真技術(shù)

我國在拉鏈生產(chǎn)行業(yè)當(dāng)中起步較早，自1980年至今的發(fā)展極為迅速，誕生出一大批以拉鏈生產(chǎn)為主要業(yè)務(wù)的企業(yè)，也使得拉鏈生產(chǎn)的規(guī)模逐漸擴(kuò)大。到了1999年，我國在拉鏈方面的產(chǎn)量能夠占據(jù)全球拉鏈總產(chǎn)量的半數(shù)左右，總長度超過100億米，一舉成為全球范圍內(nèi)拉鏈生產(chǎn)量最大的國家。

雖然目前我國的拉鏈生產(chǎn)量仍然占據(jù)著世界的首位，但是由于各類文化產(chǎn)業(yè)的沖擊，對于生產(chǎn)與制造行業(yè)來說，也要順應(yīng)潮流，將產(chǎn)品推陳出新，也要與世界范圍內(nèi)各家具有特色的著名拉鏈廠商進(jìn)行競爭。我國拉鏈?zhǔn)袌霎?dāng)中常用的銷售手段為降低價格，雖然銷售量持續(xù)增長，但是利潤與以往相比卻并沒有顯著的增加，質(zhì)量方面也難以達(dá)到世界先進(jìn)水平，行業(yè)內(nèi)部的相關(guān)人士擔(dān)心長此以往，我國拉鏈行業(yè)將逐漸成為夕陽產(chǎn)業(yè)，在價格戰(zhàn)的硝煙當(dāng)中漸漸消失。從另一個角度來思考，其實這種價格戰(zhàn)屬于世界同行業(yè)競爭的前奏，降價是一種應(yīng)對高精尖產(chǎn)業(yè)的有效有段之一，在工藝水平、產(chǎn)品質(zhì)量以及創(chuàng)新性方面達(dá)不到國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)時，低廉的價格自然也會成為一種優(yōu)勢，甚至能夠依靠價格的低廉使我國進(jìn)入到WTO以及國際市場競爭的行列當(dāng)中。之所以我國拉鏈的價格持續(xù)降低，也是在警示著我國的拉鏈生產(chǎn)企業(yè)，要將市場的供求作為關(guān)注的主要對象，不僅要將產(chǎn)量予以控制，還要通過各種手段提高質(zhì)量，以此來開辟更為廣闊的國際市場。

持續(xù)的價格競爭雖然能夠在短時間內(nèi)取得利潤，但是畢竟這種競爭方式屬于最為低級的手段之一，如果將一個拉鏈生產(chǎn)企業(yè)所有的希望放在倚靠價格取勝這一個方面，最終該企業(yè)將會走上滅亡的道路。因此在價格降低的同時，要將關(guān)注點放在這樣的價格降低是否真的是由于成本降低，還是純粹的為了市場而進(jìn)行惡性壓價。但是大量的市場營銷經(jīng)驗告訴人們，將競爭對手打垮后獨享市場的情況是不可能實現(xiàn)的，因此還是要將所有的注意力放在提升自身方面，在產(chǎn)品的質(zhì)量、工藝以及制造方面延伸出更多的優(yōu)勢，才能夠達(dá)到獲得市場份額的最終目標(biāo)。

計算機(jī)仿真學(xué)的基礎(chǔ)為多元化的學(xué)科理論，其方法為計算機(jī)軟件結(jié)合各種相關(guān)實驗的研究數(shù)據(jù)最終得出的結(jié)論，在實際的應(yīng)用當(dāng)中不僅能夠?qū)嶒灥慕Y(jié)果予以準(zhǔn)確實現(xiàn)，還能夠通過不斷的實踐對更為深入的機(jī)理與規(guī)律進(jìn)行探索，在科學(xué)的領(lǐng)域當(dāng)中持續(xù)保持先驗性。另外，還可以通過建立數(shù)學(xué)模型的方式并對其進(jìn)行改良以及更新?lián)Q代，作為替代實際產(chǎn)品接受檢驗、測量的有效工具，能夠充分應(yīng)用于各種工程或非工程的領(lǐng)域當(dāng)中。

本次研究當(dāng)中，將針對拉鏈生產(chǎn)行業(yè)的“仿真系統(tǒng)”進(jìn)行深入研究，模擬拉鏈的開合效果，再通過這種效果的設(shè)計給出拉鏈應(yīng)該具備的各項指標(biāo)與性能數(shù)據(jù)，進(jìn)而對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行評估與分析，縮短新產(chǎn)品的開發(fā)流程與周期，降低開發(fā)與制造成本，提升市場熱度與產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)利潤方面的豐收，在國際市場當(dāng)中開辟出更為廣闊的發(fā)展路徑，在高檔拉鏈的市場當(dāng)中搶占地位、份額與利潤，為我國的制造生產(chǎn)行業(yè)發(fā)展提供參考依據(jù)。

2 三維仿真系統(tǒng)開發(fā)步驟

三維仿真系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)為生命周期法，在階段方面歷經(jīng)了認(rèn)識、概念、形式、實現(xiàn)以及測試等五個明顯的階段與周期。

在三維仿真系統(tǒng)開發(fā)的過程當(dāng)中，主要包括以下幾個步驟：

第一，進(jìn)行軟件分析，分析當(dāng)中要包括操作者對于系統(tǒng)的使用習(xí)慣、使用需求以及軟件本身所具有的功能等方面；

第二，進(jìn)行軟件框架設(shè)計，其中包括對總體系統(tǒng)的設(shè)計、總體工作流程的設(shè)計以及單個模塊的分解分析等；

第三，進(jìn)行軟件設(shè)計。在進(jìn)行軟件設(shè)計的過程當(dāng)中，工作內(nèi)容主要包括數(shù)據(jù)分析、模型框架設(shè)計、知識庫組建、UI設(shè)計等方面。數(shù)據(jù)分析當(dāng)中包括對數(shù)據(jù)文件、數(shù)據(jù)傳輸、動態(tài)數(shù)據(jù)交換等方面進(jìn)行分析與設(shè)計，模型框架設(shè)計中包括對拉鏈拉合的受力模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、工作模式識別、混沌遺傳算法等方面的設(shè)計，UI設(shè)計主要針對主界面當(dāng)中能夠反饋、收集以及拋棄的信息進(jìn)行集中的歸納總結(jié)與設(shè)計；

第四，進(jìn)行程序編制，其中包括建立三維產(chǎn)品接口，搭建設(shè)計平臺、選取模式識別算法、BP算法、混沌遺傳算法、建立拉鏈拉合受力模型，進(jìn)而將整個由數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)建立起來的結(jié)構(gòu)經(jīng)過轉(zhuǎn)變后形成程序語言進(jìn)行表達(dá)。隨后還要建立相關(guān)的知識庫，以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)南嚓P(guān)程序；

第五，進(jìn)行系統(tǒng)集成，工作內(nèi)容包括將算法、數(shù)據(jù)以及知識庫等模塊進(jìn)行集成，進(jìn)而形成三維仿真系統(tǒng)，隨后對其中的各個模塊接口問題、集成問題予以解決，最終完善三維仿真系統(tǒng)。

3 三維仿真系統(tǒng)的功能與開發(fā)內(nèi)容

與拉鏈生產(chǎn)相關(guān)的系統(tǒng)全稱為“機(jī)械模具三維仿真系統(tǒng)”，這一系統(tǒng)將針對對象程序設(shè)計專門的方法，在拉鏈產(chǎn)業(yè)當(dāng)中，應(yīng)用最為先進(jìn)的操作系統(tǒng)與語言環(huán)基于拉鏈生產(chǎn)行業(yè)設(shè)計的三維仿真系統(tǒng)當(dāng)中包括了幾大功能，分別為：仿真、設(shè)計、預(yù)報與尋優(yōu)。

仿真指的是建立力學(xué)模型，模擬模具的裝配過程，對相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行檢驗后，進(jìn)行形成完善的拉鏈拉合過程模擬系統(tǒng)。

設(shè)計指的是搭建設(shè)計平臺，對新類型的產(chǎn)品、模具以及產(chǎn)品庫進(jìn)行設(shè)計與建立。

預(yù)報指的是對拉鏈拉合的輕滑度、拉頭拉片結(jié)合強(qiáng)力與抗張強(qiáng)力、抗扭力、自鎖強(qiáng)力以及模具裝配的干涉現(xiàn)象進(jìn)行觀察與監(jiān)測。

尋優(yōu)指的是對于特定型號的拉鏈進(jìn)行最佳靜態(tài)參數(shù)的考量、拉頭最佳參數(shù)確定后的動態(tài)考量、鏈牙最佳參數(shù)確定后的動態(tài)考量，對以上幾個方面進(jìn)行評估后選定最佳的配比路線，具體工作包括：endprint

3.1 權(quán)限管理

針對功能、圖檔以及查閱等方面的授權(quán)的限制與開放。

3.2 圖檔管理

將相關(guān)文檔形成圖像后輸入數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，方便日后的查詢、瀏覽、修改、刪除、打印、復(fù)制等相關(guān)操作。

3.3 設(shè)計庫

基本的三維儲存格式總共有12種，主要針對拉頭、拉片、鏈牙進(jìn)行分類，其中包括尼龍、金屬、塑鋼等不同的材質(zhì)，另外還包括不同的型號，在數(shù)據(jù)庫儲存時刻采用SQL-Server。

3.4 靜態(tài)尋優(yōu)

當(dāng)用戶確定產(chǎn)品材質(zhì)與型號后，可通過力學(xué)性能的選擇，最終形成單個拉頭、拉片以及鏈牙的三維造型、組合造型、尺寸、力學(xué)指標(biāo)等參數(shù)，以及標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下所能顯示的力學(xué)性能指標(biāo)圖表，通過模擬監(jiān)測流程將局部能夠放大、縮小，對整體能夠放大、縮小，對關(guān)鍵尺寸的衡量、標(biāo)注，對具體規(guī)格的網(wǎng)格與實體，包括還可以采用動畫的方式進(jìn)行動態(tài)模擬。

3.5 動態(tài)尋優(yōu)

在國際拉鏈產(chǎn)業(yè)當(dāng)中，拉鏈具有一個標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格與數(shù)據(jù)庫，因此可以通過已有的數(shù)據(jù)庫作為基礎(chǔ)，將拉頭以及鏈牙的關(guān)鍵尺寸輸入到數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，系統(tǒng)即可給出相應(yīng)的樣品型號，通過自我需求的調(diào)整之后，能夠產(chǎn)生最后確定的三維樣品，根據(jù)樣品可得到三維組合圖樣以及在常規(guī)狀態(tài)下或不同狀態(tài)下進(jìn)行檢測的五個力學(xué)性能指標(biāo)參數(shù)。對于輕滑度參數(shù)的獲取，可以通過下拉角度的調(diào)整對不同輕滑度參數(shù)進(jìn)行確定，同時還可以通過動畫進(jìn)行模擬。對于新型拉鏈的制造，可以通過設(shè)計庫當(dāng)中的已有數(shù)據(jù)調(diào)用某些鏈牙結(jié)構(gòu)，將與之能夠匹配的拉頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，進(jìn)行優(yōu)化的動態(tài)設(shè)計，使其能夠符合現(xiàn)實的力學(xué)性能參數(shù)。

3.6 模具裝配三維CAD設(shè)計系統(tǒng)

將模具當(dāng)中的標(biāo)準(zhǔn)配件進(jìn)行設(shè)計后，能夠得到一個完整的標(biāo)準(zhǔn)配件庫，可以將不同的產(chǎn)品進(jìn)行各種形式的組裝，再通過模具進(jìn)行裝配方面的動態(tài)模擬，對其工作流程進(jìn)行模擬后，可以將運動過程當(dāng)中所產(chǎn)生的所有參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測與統(tǒng)計，使得模具開發(fā)人員能夠?qū)@些參數(shù)進(jìn)行修改、調(diào)整、加入或刪減。

3.7 拉鏈產(chǎn)品設(shè)計平臺

接入POV-Ray共享軟件，為設(shè)計人員提供拉鏈產(chǎn)品的造型設(shè)計。

4 三維仿真系統(tǒng)主要模塊的設(shè)計理念

在拉鏈產(chǎn)業(yè)三維仿真系統(tǒng)的開發(fā)當(dāng)中，所采用的技術(shù)要具有科技、難度、交叉等顯著的應(yīng)用特點，其中將計算機(jī)圖形學(xué)、OPENGL編程、機(jī)械力學(xué)、VC#圖形編程技術(shù)、分形與混沌理論、人工智能理論、SQL Sercer數(shù)據(jù)庫技術(shù)等進(jìn)行綜合利用，同時采用以下技術(shù)手段：①將計算機(jī)圖形學(xué)引入力學(xué)模型仿真當(dāng)中；②將混沌理論引入仿真系統(tǒng)當(dāng)中；③將傳統(tǒng)力學(xué)模型與人工智能模型進(jìn)行融合；④圖形編程技術(shù)。

4.1 采用干涉現(xiàn)象檢測八叉樹算法

在拉鏈設(shè)計的三維仿真系統(tǒng)當(dāng)中，主要的仿真模塊功能包括：按照用戶的操作實現(xiàn)：①移動與旋轉(zhuǎn)三維實體；②計算系統(tǒng)當(dāng)中的所有靜態(tài)或動態(tài)信息；③對于運動當(dāng)中的實體進(jìn)行監(jiān)測，觀察其是否與其他物件發(fā)生干涉的情況。

八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是近幾年當(dāng)中通過CAD軟件發(fā)展而來的一種新型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，屬于三維實體模型描述方法當(dāng)中的一種，在機(jī)械制造、幾何運算、機(jī)器人設(shè)計以及產(chǎn)品生產(chǎn)機(jī)械的三維仿真系統(tǒng)當(dāng)中得到了大量的應(yīng)用，同時取得了令人滿意的效果。

因此在布局的過程當(dāng)中，要通過計算機(jī)屏幕上對三維實體進(jìn)行各種操作，進(jìn)而完成整個仿真的流程。如果對一個三維實體進(jìn)行操作時，首要考慮的問題就是這一實體是否與其他的實體產(chǎn)生交集、碰撞，因此干涉試驗在任何一個步驟的操作當(dāng)中都具有必要性。

假設(shè)現(xiàn)在要對i進(jìn)行操作，ST代表狀態(tài)空間書，SO代表A的狀態(tài)數(shù)。

其具體的流程包括：

第一步，將ST空間樹以及代表A的狀態(tài)樹SO進(jìn)行初始化，隨后將第i個操作對象A從ST當(dāng)中將其信息全部清除，也就是說對ST進(jìn)行所有節(jié)點整數(shù)的i位置進(jìn)行檢查，如果為l，需要將i位置的第16位改為0，將A進(jìn)行移動操作，對SO狀態(tài)樹的根節(jié)點狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，同時賦予打錢狀態(tài)下的節(jié)點集；

第二步，對當(dāng)前的節(jié)點集進(jìn)行確認(rèn)，換個角度來說，也就是對SO當(dāng)中能夠組成當(dāng)前節(jié)點集的單個節(jié)點進(jìn)行確定，同時將半滿節(jié)點與全滿節(jié)點進(jìn)行集合的分析；

第三步，將當(dāng)前節(jié)點集當(dāng)中的節(jié)點狀態(tài)為全滿的節(jié)點予以確認(rèn)，并進(jìn)行二次集合操作；

第四步，將全滿節(jié)點進(jìn)行排序，對其ST節(jié)點的狀態(tài)進(jìn)行依次檢查，如果某一點的狀態(tài)為半滿或全滿，則將會發(fā)生干涉，流程結(jié)束，否則繼續(xù)對下一個節(jié)點進(jìn)行檢查；

第五步，對所檢查節(jié)點集當(dāng)中的所有半滿節(jié)點進(jìn)行二次集合；

第六步，將半滿節(jié)點集當(dāng)中的節(jié)點進(jìn)行編號，同時選取下一個節(jié)點為當(dāng)前節(jié)點；

第七步，對ST當(dāng)中與當(dāng)前節(jié)點產(chǎn)生對應(yīng)的節(jié)點狀態(tài)進(jìn)行檢查，如果節(jié)點狀態(tài)為全滿，則將會發(fā)生干涉，流程結(jié)束；如果節(jié)點狀態(tài)為半滿，進(jìn)行第八步；如果節(jié)點狀態(tài)為全空，進(jìn)行第九步；

第八步，在SO當(dāng)中的當(dāng)前節(jié)點選取8個初始化后的子節(jié)點，將其進(jìn)行二次集合后形成當(dāng)前節(jié)點集，同時轉(zhuǎn)為第二步；

第九步，對半滿的節(jié)點集進(jìn)行檢查并確定是否檢查結(jié)束，結(jié)束后進(jìn)行第十步；如果未檢查結(jié)束，則轉(zhuǎn)為第六步；

第十步，對當(dāng)前節(jié)點集進(jìn)行檢查，確認(rèn)是否為根節(jié)點，如果是根節(jié)點，則不會發(fā)生干涉現(xiàn)象，流程結(jié)束；如果不是根節(jié)點，則進(jìn)行第十一步；

第十一步，將當(dāng)前節(jié)點集轉(zhuǎn)換為上層節(jié)點集，如果無任何剩余節(jié)點，則執(zhí)行第十步；如果有剩余節(jié)點，執(zhí)行第六步。

4.2 力學(xué)與人工智能模型的結(jié)合技術(shù)

4.2.1 力學(xué)模型的建立

在力學(xué)模型的建立當(dāng)中，主要工作包括拉鏈在轉(zhuǎn)彎狀態(tài)下的受力分析、在扭曲狀態(tài)下的受力分析、在特殊環(huán)境下的受力分析、拉鏈拉和過程當(dāng)中鏈牙的嚙齒原理、拉動角度問題、拉頭提拉結(jié)合力、極限扭力以及抗張抗壓強(qiáng)力。endprint

4.2.2 以力學(xué)模型為基礎(chǔ)的人工智能建模

以力學(xué)模型為基礎(chǔ)所建立的數(shù)學(xué)模型由于計算速度無法加快，計算后得到的數(shù)據(jù)又不具有時效性，因此在很大程度上影響了仿真的效果。因此應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠忽略前期對先驗知識的采用，只需要根據(jù)研究對象的數(shù)據(jù)進(jìn)行直接的模型建立，使其在高度非線性、嚴(yán)重不確定性的系統(tǒng)建模與控制方面具有極強(qiáng)的解決能力。但是由于在問題的處理當(dāng)中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對問題的原理無法理解，同時也無法對其中表示的物理意義予以表達(dá)，因此將力學(xué)模型與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)合后，不僅能夠準(zhǔn)確表達(dá)物力意義，還能夠準(zhǔn)確描述工藝的整個過程。

4.3 以混沌變量為基礎(chǔ)進(jìn)行變步長梯度下降算法的尋優(yōu)

在非線性問題的尋優(yōu)過程當(dāng)中，梯度法為常用的計算方法，但是由于該方法具有收斂速度較慢、在收斂的過程當(dāng)中過度依賴變量尺度等缺陷，因此在小點的計算過程當(dāng)中應(yīng)用較為適宜。

混沌在自然界當(dāng)中屬于無序的常見現(xiàn)象，雖然從表面看上去沒有任何邏輯可言，但是卻具有著獨特的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，具有隨機(jī)、遍歷、規(guī)律等顯著特點，在一些領(lǐng)域當(dāng)中應(yīng)用能夠根據(jù)自身的隨機(jī)性規(guī)律進(jìn)行不重復(fù)性的遍歷狀態(tài)。

參照這兩種方法的特點，將兩者結(jié)合后形成以混沌變量作為基礎(chǔ)的變尺度梯度下降優(yōu)化算法，能夠采用梯度下降法當(dāng)中的初始解作用，將k個具有細(xì)微差異的混沌變量陸續(xù)家在職變步長當(dāng)中，通過梯度下降進(jìn)行尋優(yōu)，如果在尋找的過程中發(fā)現(xiàn)與初始值相比更好的優(yōu)化點，則采用改值替代初始值，否則將會繼續(xù)尋優(yōu)。在不斷的運用過程當(dāng)中，變步長的因子將會逐漸縮小，因此在最優(yōu)點臨近處將不會產(chǎn)生拉鋸現(xiàn)象。

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