机械模具三维仿真系统的开发与研制

摘 要：文章主要针对机械模具的三维仿真系统（MSS）开发流程进行阐述，对该系统所具有的功能与结构进行介绍与分析。三维仿真系统在实际的应用当中具有自动适应环境与学习的特点，在实际的生产当中进行两年左右的应用后，能够对生产流程的参数进行优化，进而对生产流程进行改良与指导，可显著提高生产当中的各项指标。文章将某拉链生产企业作为实例，阐述三维仿真系统在机械模具方面的开发与研究，旨在提高我国的生产工艺技术水平，为更为先进的生产方法提供参考与借鉴。

关键词：机械模具；三维仿真系统；产品设计；生产指标；工业经济

1 拉链产业与计算机仿真技术

我国在拉链生产行业当中起步较早，自1980年至今的发展极为迅速，诞生出一大批以拉链生产为主要业务的企业，也使得拉链生产的规模逐渐扩大。到了1999年，我国在拉链方面的产量能够占据全球拉链总产量的半数左右，总长度超过100亿米，一举成为全球范围内拉链生产量最大的国家。

虽然目前我国的拉链生产量仍然占据着世界的首位，但是由于各类文化产业的冲击，对于生产与制造行业来说，也要顺应潮流，将产品推陈出新，也要与世界范围内各家具有特色的著名拉链厂商进行竞争。我国拉链市场当中常用的销售手段为降低价格，虽然销售量持续增长，但是利润与以往相比却并没有显著的增加，质量方面也难以达到世界先进水平，行业内部的相关人士担心长此以往，我国拉链行业将逐渐成为夕阳产业，在价格战的硝烟当中渐渐消失。从另一个角度来思考，其实这种价格战属于世界同行业竞争的前奏，降价是一种应对高精尖产业的有效有段之一，在工艺水平、产品质量以及创新性方面达不到国际先进标准时，低廉的价格自然也会成为一种优势，甚至能够依靠价格的低廉使我国进入到WTO以及国际市场竞争的行列当中。之所以我国拉链的价格持续降低，也是在警示着我国的拉链生产企业，要将市场的供求作为关注的主要对象，不仅要将产量予以控制，还要通过各种手段提高质量，以此来开辟更为广阔的国际市场。

持续的价格竞争虽然能够在短时间内取得利润，但是毕竟这种竞争方式属于最为低级的手段之一，如果将一个拉链生产企业所有的希望放在倚靠价格取胜这一个方面，最终该企业将会走上灭亡的道路。因此在价格降低的同时，要将关注点放在这样的价格降低是否真的是由于成本降低，还是纯粹的为了市场而进行恶性压价。但是大量的市场营销经验告诉人们，将竞争对手打垮后独享市场的情况是不可能实现的，因此还是要将所有的注意力放在提升自身方面，在产品的质量、工艺以及制造方面延伸出更多的优势，才能够达到获得市场份额的最终目标。

计算机仿真学的基础为多元化的学科理论，其方法为计算机软件结合各种相关实验的研究数据最终得出的结论，在实际的应用当中不仅能够将实验的结果予以准确实现，还能够通过不断的实践对更为深入的机理与规律进行探索，在科学的领域当中持续保持先验性。另外，还可以通过建立数学模型的方式并对其进行改良以及更新换代，作为替代实际产品接受检验、测量的有效工具，能够充分应用于各种工程或非工程的领域当中。

本次研究当中，将针对拉链生产行业的“仿真系统”进行深入研究，模拟拉链的开合效果，再通过这种效果的设计给出拉链应该具备的各项指标与性能数据，进而对这些数据进行评估与分析，缩短新产品的开发流程与周期，降低开发与制造成本，提升市场热度与产品质量，实现利润方面的丰收，在国际市场当中开辟出更为广阔的发展路径，在高档拉链的市场当中抢占地位、份额与利润，为我国的制造生产行业发展提供参考依据。

2 三维仿真系统开发步骤

三维仿真系统开发的基础为生命周期法，在阶段方面历经了认识、概念、形式、实现以及测试等五个明显的阶段与周期。

在三维仿真系统开发的过程当中，主要包括以下几个步骤：

第一，进行软件分析，分析当中要包括操作者对于系统的使用习惯、使用需求以及软件本身所具有的功能等方面；

第二，进行软件框架设计，其中包括对总体系统的设计、总体工作流程的设计以及单个模块的分解分析等；

第三，进行软件设计。在进行软件设计的过程当中，工作内容主要包括数据分析、模型框架设计、知识库组建、UI设计等方面。数据分析当中包括对数据文件、数据传输、动态数据交换等方面进行分析与设计，模型框架设计中包括对拉链拉合的受力模型、人工神经网络、工作模式识别、混沌遗传算法等方面的设计，UI设计主要针对主界面当中能够反馈、收集以及抛弃的信息进行集中的归纳总结与设计；

第四，进行程序编制，其中包括建立三维产品接口，搭建设计平台、选取模式识别算法、BP算法、混沌遗传算法、建立拉链拉合受力模型，进而将整个由数学数据建立起来的结构经过转变后形成程序语言进行表达。随后还要建立相关的知识库，以及对数据进行传输的相关程序；

第五，进行系统集成，工作内容包括将算法、数据以及知识库等模块进行集成，进而形成三维仿真系统，随后对其中的各个模块接口问题、集成问题予以解决，最终完善三维仿真系统。

3 三维仿真系统的功能与开发内容

与拉链生产相关的系统全称为“机械模具三维仿真系统”，这一系统将针对对象程序设计专门的方法，在拉链产业当中，应用最为先进的操作系统与语言环基于拉链生产行业设计的三维仿真系统当中包括了几大功能，分别为：仿真、设计、预报与寻优。

仿真指的是建立力学模型，模拟模具的装配过程，对相关的参数进行检验后，进行形成完善的拉链拉合过程模拟系统。

设计指的是搭建设计平台，对新类型的产品、模具以及产品库进行设计与建立。

预报指的是对拉链拉合的轻滑度、拉头拉片结合强力与抗张强力、抗扭力、自锁强力以及模具装配的干涉现象进行观察与监测。

寻优指的是对于特定型号的拉链进行最佳静态参数的考量、拉头最佳参数确定后的动态考量、链牙最佳参数确定后的动态考量，对以上几个方面进行评估后选定最佳的配比路线，具体工作包括：

3.1 权限管理

针对功能、图档以及查阅等方面的授权的限制与开放。

3.2 图档管理

将相关文档形成图像后输入数据库当中，方便日后的查询、浏览、修改、删除、打印、复制等相关操作。

3.3 设计库

基本的三维储存格式总共有12种，主要针对拉头、拉片、链牙进行分类，其中包括尼龙、金属、塑钢等不同的材质，另外还包括不同的型号，在数据库储存时刻采用SQL-Server。

3.4 静态寻优

当用户确定产品材质与型号后，可通过力学性能的选择，最终形成单个拉头、拉片以及链牙的三维造型、组合造型、尺寸、力学指标等参数，以及标准状态下所能显示的力学性能指标图表，通过模拟监测流程将局部能够放大、缩小，对整体能够放大、缩小，对关键尺寸的衡量、标注，对具体规格的网格与实体，包括还可以采用动画的方式进行动态模拟。

3.5 动态寻优

在国际拉链产业当中，拉链具有一个标准的规格与数据库，因此可以通过已有的数据库作为基础，将拉头以及链牙的关键尺寸输入到数据库当中，系统即可给出相应的样品型号，通过自我需求的调整之后，能够产生最后确定的三维样品，根据样品可得到三维组合图样以及在常规状态下或不同状态下进行检测的五个力学性能指标参数。对于轻滑度参数的获取，可以通过下拉角度的调整对不同轻滑度参数进行确定，同时还可以通过动画进行模拟。对于新型拉链的制造，可以通过设计库当中的已有数据调用某些链牙结构，将与之能够匹配的拉头结构进行组合，进行优化的动态设计，使其能够符合现实的力学性能参数。

3.6 模具装配三维CAD设计系统

将模具当中的标准配件进行设计后，能够得到一个完整的标准配件库，可以将不同的产品进行各种形式的组装，再通过模具进行装配方面的动态模拟，对其工作流程进行模拟后，可以将运动过程当中所产生的所有参数进行监测与统计，使得模具开发人员能够对这些参数进行修改、调整、加入或删减。

3.7 拉链产品设计平台

接入POV-Ray共享软件，为设计人员提供拉链产品的造型设计。

4 三维仿真系统主要模块的设计理念

在拉链产业三维仿真系统的开发当中，所采用的技术要具有科技、难度、交叉等显著的应用特点，其中将计算机图形学、OPENGL编程、机械力学、VC#图形编程技术、分形与混沌理论、人工智能理论、SQL Sercer数据库技术等进行综合利用，同时采用以下技术手段：①将计算机图形学引入力学模型仿真当中；②将混沌理论引入仿真系统当中；③将传统力学模型与人工智能模型进行融合；④图形编程技术。

4.1 采用干涉现象检测八叉树算法

在拉链设计的三维仿真系统当中，主要的仿真模块功能包括：按照用户的操作实现：①移动与旋转三维实体；②计算系统当中的所有静态或动态信息；③对于运动当中的实体进行监测，观察其是否与其他物件发生干涉的情况。

八叉树数据结构是近几年当中通过CAD软件发展而来的一种新型数据结构，属于三维实体模型描述方法当中的一种，在机械制造、几何运算、机器人设计以及产品生产机械的三维仿真系统当中得到了大量的应用，同时取得了令人满意的效果。

因此在布局的过程当中，要通过计算机屏幕上对三维实体进行各种操作，进而完成整个仿真的流程。如果对一个三维实体进行操作时，首要考虑的问题就是这一实体是否与其他的实体产生交集、碰撞，因此干涉试验在任何一个步骤的操作当中都具有必要性。

假设现在要对i进行操作，ST代表状态空间书，SO代表A的状态数。

其具体的流程包括：

第一步，将ST空间树以及代表A的状态树SO进行初始化，随后将第i个操作对象A从ST当中将其信息全部清除，也就是说对ST进行所有节点整数的i位置进行检查，如果为l，需要将i位置的第16位改为0，将A进行移动操作，对SO状态树的根节点状态进行确认，同时赋予打钱状态下的节点集；

第二步，对当前的节点集进行确认，换个角度来说，也就是对SO当中能够组成当前节点集的单个节点进行确定，同时将半满节点与全满节点进行集合的分析；

第三步，将当前节点集当中的节点状态为全满的节点予以确认，并进行二次集合操作；

第四步，将全满节点进行排序，对其ST节点的状态进行依次检查，如果某一点的状态为半满或全满，则将会发生干涉，流程结束，否则继续对下一个节点进行检查；

第五步，对所检查节点集当中的所有半满节点进行二次集合；

第六步，将半满节点集当中的节点进行编号，同时选取下一个节点为当前节点；

第七步，对ST当中与当前节点产生对应的节点状态进行检查，如果节点状态为全满，则将会发生干涉，流程结束；如果节点状态为半满，进行第八步；如果节点状态为全空，进行第九步；

第八步，在SO当中的当前节点选取8个初始化后的子节点，将其进行二次集合后形成当前节点集，同时转为第二步；

第九步，对半满的节点集进行检查并确定是否检查结束，结束后进行第十步；如果未检查结束，则转为第六步；

第十步，对当前节点集进行检查，确认是否为根节点，如果是根节点，则不会发生干涉现象，流程结束；如果不是根节点，则进行第十一步；

第十一步，将当前节点集转换为上层节点集，如果无任何剩余节点，则执行第十步；如果有剩余节点，执行第六步。

4.2 力学与人工智能模型的结合技术

4.2.1 力学模型的建立

在力学模型的建立当中，主要工作包括拉链在转弯状态下的受力分析、在扭曲状态下的受力分析、在特殊环境下的受力分析、拉链拉和过程当中链牙的啮齿原理、拉动角度问题、拉头提拉结合力、极限扭力以及抗张抗压强力。

4.2.2 以力学模型为基础的人工智能建模

以力学模型为基础所建立的数学模型由于计算速度无法加快，计算后得到的数据又不具有时效性，因此在很大程度上影响了仿真的效果。因此应用人工神经网络，能够忽略前期对先验知识的采用，只需要根据研究对象的数据进行直接的模型建立，使其在高度非线性、严重不确定性的系统建模与控制方面具有极强的解决能力。但是由于在问题的处理当中，人工神经网络对问题的原理无法理解，同时也无法对其中表示的物理意义予以表达，因此将力学模型与人工神经网络进行结合后，不仅能够准确表达物力意义，还能够准确描述工艺的整个过程。

4.3 以混沌变量为基础进行变步长梯度下降算法的寻优

在非线性问题的寻优过程当中，梯度法为常用的计算方法，但是由于该方法具有收敛速度较慢、在收敛的过程当中过度依赖变量尺度等缺陷，因此在小点的计算过程当中应用较为适宜。

混沌在自然界当中属于无序的常见现象，虽然从表面看上去没有任何逻辑可言，但是却具有着独特的内在结构，具有随机、遍历、规律等显著特点，在一些领域当中应用能够根据自身的随机性规律进行不重复性的遍历状态。

参照这两种方法的特点，将两者结合后形成以混沌变量作为基础的变尺度梯度下降优化算法，能够采用梯度下降法当中的初始解作用，将k个具有细微差异的混沌变量陆续家在职变步长当中，通过梯度下降进行寻优，如果在寻找的过程中发现与初始值相比更好的优化点，则采用改值替代初始值，否则将会继续寻优。在不断的运用过程当中，变步长的因子将会逐渐缩小，因此在最优点临近处将不会产生拉锯现象。

参考文献

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