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浙江工业大学硕士学位论文 多层皮革高速裁剪机伺服进给系统多目标优化 摘要 高速皮革裁剪机是企业提高生产效率、降低生产成本的重要手段。然而，国内裁剪 装备在性能方面与国外先进水平存在一定的差距，尤其在裁剪效率方面相对落后，而进 口国外设备价格昂贵。因此，研发具有自主知识产权的高速、高性能多层皮革裁剪机， 对提高国内中小型企业皮革制品生产效率，加强国际竞争力具有重要的工程实用价值。 为提高国产多层高速皮革裁剪机动态性能，本文对伺服进给系统横梁结构、伺服控 制系统动态特性进行分析和多目标优化设计，主要工作和成果如下： ( 1 ) 通过对比国内外皮革裁剪装备的研究现状，为提高国内皮革裁剪装备在动态性 能，研制高速、高性能数控裁剪机，本文从皮革裁剪机伺服进给系统机械结构和伺服控 制两方面进行多目标优化。 ( 2 ) 依据多层高速数控皮革裁剪机组成及裁剪机理，分析了伺服进系统的工作原理。 提出了伺服进给系统p i d 三环控制策略。以伺服系统x 方向为对象，建立了机械系统 的数学模型，结合p m s m 电机模型建立伺服进给系统数学模型。并结合s i m u l i n k 仿真， 对伺服系统p i d 控制参数进行设计整定；为减小机械部件的运动惯性，提高动态响应速 度，同时达到节能的目的，选择伺服系统的关键部件横梁进行结构优化，结合皮革裁剪 工艺，采用a n s y sa p d l 方式对横梁进行结构有限元分析。 ( 3 ) 建立了横梁和伺服控制系统多目标优化模型，并提出了应用带精英策略的非支 配排序遗传算法n s g a - i i 进行多目标优化求解。为提高结构优化效率，应用多学科集成 设计平台i s i g h t 集成a n s y sa p d l 分析程序，并设计正交试验，建立横梁结构分析 二阶响应面近似模型，在此基础上采用n s g a i i 算法进行优化迭代。针对伺服控制系统， 采用i s i g h t 集成s i m u l i n k 动态分析模型，由n s g a i i 算法驱动进行p i d 参数的优化整 定。通过优化结果的对比分析，验证了本文方法的优越性。 本文采用理论分析、先进的数字化软件设计与智能优化技术，有效改善了伺服系统 的动态性能，为下一步实现机电控制耦合集成优化设计做好了充分的准备，同时为企业 研发高速、高性能数控皮革裁剪机提供了一条新的途径，对于提高皮革裁剪机整机性能 具有重要的工程实用价值。 关键词：伺服进给系统，伺服控制，横梁，多目标优化，n s g a i i ，i s i g h t 浙江工业大学硕士学位论文 t h em u l 月i o b j e c t i v eo p t i m i z a i t i o no fs e r v o d r i v es y s t e mf o rm u i j r i l a y e rh i g n s p e e d l a e h t e a rc u t t i n gm a c h i n e a b s t r a c t f i e r c ei n t e r n a t i o n a lm a r k e tc o m p e t i t i o na n dm o r ep e r s o n a l i z e d , m o r ec h a n g e si n c u s t o m e rd e m a n df o rl e a t h e rp r o d u c t ss u c ha sf o o t w e a ra n da p p a r e lc o m p a n i e sn e e dh i g h e r r e q u i r e m e n t si nt h et e c h n o l o g ya n da b i l i t yt or e s p o n dt om a r k e t h i g h s p e e dl e a t h e rc u t t i n g m a c h i n ei sa ni m p o r t a n tt o o lf o r l e a t h e rp r o d u c t sm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e st oa c h i e v e a u t o m a t i o n , i n c r e a s ep r o d u c t i v i t y , e n s u l p r o d u c tq u a l i t y , d e c r e a s ep r o d u c t i o nc o s t s h o w e v e r , w h e nc o m p a r e dt ot h ef o r e i g nc o u n t r i e s , d o m e s t i cc u t t 堍e q u i p m e n th a sag a pi n t e l i n so fp e r f o r m a n c e i na d d i t i o n , t h ei m p o r to ff o r e i g ne q u i p m e n ti se x p e n s i v e ，i n c o n v e n i e n t m a i n t e n a n c e t h e r e f o r e ，t h ed e v e l o p m e n to fp r o p r i e t a r yh i g h - s p e e d , h i g h - p e r f o r m a n c e m u l t i - l a y e rl e a t h e rc u r i n gm c h i n eh a si m p o r t a n tp r a c t i c a lv a l u ef o rs m a l la n dm e d i u m d o m e s t i ce n t e r p r i s e st oi n c r e a s et h ep r o d u c t i v i t ya n dq u a l i t yo fl e a t h e r p r o d u c t sa n d s t r e n g t h e ni n t e r n a t i o n a lc o m p e t i t i v e n e s s f o rt h ed i f f e r e n c eo nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s , c u t t i n ge f f i c i e n c yb e t w e e nd o m e s t i c m u l t i l a y e rh i g h - s p e e dl e a t h e rc u t t i n gm a c h i n ea n df o r e i g na d v a n c e dl e v e l t h e o r e t i c a l m o d e l i n g , n u m e r i c a la n a l y s i s ，s o f t w a r es i m u l a t i o na n di n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o nw e r ea p p l i e d t oa n a l y s ea n do p t i m i z et h eb e a ms t r u c t u r ea n ds e 0c o n l r o ls y s t e m , t h ed y n a m i cr e s p o n s e a b i l i t yw a si m p r o v e da c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h em a i nc o n t e n t so ft h ep a p e ra 托 a sf o l l o w s ： ( 1 ) b yc o m p a r i n gt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hs t a t u so ft h el e a t h e rc u t t i n gm a c h i n e ， i no r d e rt od e v e l o ph i g hs p e e d ，h i g hq u a l i t yc h i cc u t t i n gm a c h i n e ，m e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n d s e r v oc o n t r o ls y s t e mo fs e r v of e e ds y s t e mw e r eo p t i m i z e di nt h i sp a p e r ( 2 ) b a s e do nt h ec o m p o s i t i o na n dc u t t i n gm e c h a n i s mo fn cl e a t h e rc u t t i n gm a c h i n e ， t h r e e l o o pp i dc o n t r o lw a sa p p l i e dt os e r v od r i v ec o n t r o ls y s t e m w i t hx d i r e c t i o nf o ro b j e c t , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e dj o i n e dm e c h a n i c a ls y s t e mm o d e la n dp m s mm o d e l a n dp i dc o n t r o lp a r a m e t e r sw e r ed e s i g n e db a s e do ns i m u l i n k i no r d e rt od e c r e a s et h e m o t i o ni n e r t i a , i m p r o v et h ed y n a m i cr e s p o n s es p e e d , a n ds a v ee n e r g y , b e a ms t r u c t u r ew o u l d b eo p t i m i z e d b e a ms t r u c t u r ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sh a sb e e nd o n eb ya n s y sa p d lb a s e d o nl e a t h e rc u t t i n gp r o c e s s ( 3 ) t h em u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm o d e l so ft h eb e a ma n ds e r v oc o n t r o ls y s t e mw a s e s t a b l i s h e d a n dn o n - d o m i n a t e ds o r t i n gg e n e t i ca l g o r i t h mw i t he l i t i s ts t r a t e g y ( n s g a - i i ) 浙江工业大学硕士学位论文 w a sp r o p o s e dt os o l v et h em u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e m t oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n , a n s y sa p d la n a l y t i c a lp r o c e d u r e so ft h eb e a mw a si n t e g r a t e d t h r o u g hm u l t i l i s c i p l i n a r yd e s i g np l a t f o r mn a m e ai s i g h t t h e no r t h o g o n a lt e s tw a sd e s i g n e d t oc r e a t et h es e c o n d - o r d e rr e s p o n s es u r f a c ea p p r o x i m a t i o nm o d e lo ft h eb e a ms t r u c t u r e f i n a l l y , n s g a - i ia l g o r i t h mw a su s e dt oo p t i m i z ei t e r a t i o n f o r8 e l v oc o n t r o ls y s t e m , t h e s i m u l i n kd y n a m i cm o d e lw a si n t e g r a t e db yi s i g h t , t h ep i dp a r a m e t e r sw a so p t i m i z e d ， w h i c hd r i v e nb yt h en s g a - i ia l g o r i t h m 8 yc o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h eo p t i m i z i n gr e s u l t s ， t h es u p e r i o r i t yo f t h em e t h o do f t h i sp a p e rw a sv e r i f i e d t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fs e l v os y s t e mw a si m p r o v e de f f e c t i v e l yb yt h ew a yo f t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a d v a n c e dd i 酉t a ls o i t w a md e s i g na n di n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hi sg o o dp r e p a r a t i o nf o rr e a l i z i n gt h ei n t e g r a t i o nd e s i g nm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a l c o u p l i n g m e a n w h i l e ，an e ww a yw a sp r o v i d e df o re n t e r p r i s e st od e v e l o ph i g hs p e e d ，h i g h p e r f o r m a n c ec n cl e a t h e rc u t t i n gm a c h i n e t h e r ei si m p o r t a n te n g i n e e r i n gp r a c t i c a lv a l u et o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h ew h o l em a c h i n e k e yw o r d s ：s e r v of e e ds y s t e m , s o r v oc o n t r o l ，b e a m , m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n , n s g a i i ，i s i g h t i 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 皮革制品与人们的生活息息相关，市场需求量大，如鞋、箱包、服饰、皮革家具等 都是人们日常生活中是不可或缺的。中国是全球最大的产鞋国和出口国。中国制鞋业有 着悠久的历史，伴随着改革开放的浪潮，中国承接国际制鞋业的转移，一跃成为全球最 大的鞋业生产中心和销售中心，形成了十分完善的产业链和产业发展平台，已经基本占 据了全球中低端的皮鞋市场。近几年，中国每年生产各种鞋超过1 0 0 亿双，占全球制鞋 总量的6 6 ，是世界上最大的鞋类制造基地，也是世界最大的鞋类出口国。同时，伴随 着人们对物质文明追求的不断提高，皮革制品在产品结构上，品种越来越丰富，需求向 多样化，个性化方向发展。 中国皮革制品产业多集中在东南沿海地区，随着经济全球化的不断深入，世界经济 风波的不断冲击，市场竞争日趋激烈。如今这些企业也开始面临劳动力成本上升，电力 供应紧张，原材料价格上涨等问题，这将影响企业生产效率，导致生产成本提高。中国 皮革产业的竞争优势是明显的，但如何应对国际市场的变化和国内的生存环境，把握好 市场的发展机遇，也是业界不得不面对的现实问题。尤其是对中小型企业来说，在皮革 制品需求飞速发展的大好背景下，落后的生产条件加之劳动资源匮乏和生产成本的不断 提高，既是前所未有的机遇，同时也面i 瞄着巨大的挑战。如何提高产量、降低成本、稳 定质量是当今生产中面临的最大的挑战之一。 皮革裁剪机械作为制鞋业、箱包业、服装业生产的重要设备，是实现皮革制品生产 自动化、提高生产效率、保证产品质量的关键，是企业技术水平和竞争力的重要体现， 也是皮革制品企业迎接挑战和提高国际竞争力的重要手段。据统计，面料及其加工占服 装生产成本的5 0 0 0 - 8 0 ，因此，这是产品开发周期中最容易出现浪费的阶段，同时也最 有可能实现优化。一台设备是否能够高效地精准地裁剪排料图是衡量设备的一个主要标 准，先进的裁剪设备，一方面可以获得更高的裁剪效率，另一方面，在裁剪质量上确保 精准的几何形状，这样不仅可以节省面料，而且可以将缝纫阶段的生产力提高6 。从 第1 章绪论 长远看，运行成本也是衡量设备的一个标准，技术不成熟的产品运行过程中耗电量大， 零部件损耗严重，需经常更换维护。 由于我国皮革裁剪长期停留在手工或半自动化的生产条件下，自动化裁剪系统的研 发相对滞后。而国外发达国家由于劳动力不足，对自动化裁剪设备的研发应用起步较早， 技术则相对成熟得多。目前，国产的皮革裁剪设备大多借鉴国外技术，然而，各项技术 指标却不及国外。进口国外设备价格昂贵，保养维护十分不便。 为了应对激烈的市场竞争，国内的中小型企业必须不断寻求各种方法来加强自身的 核心竞争力，其中最重要的就是要拥有先进的且性能优良的皮革裁剪设备。因此，必须 对国内相对落后的皮革裁剪装备做出重新调整，调整的重点是提高自主创新力度，采用 先进的设计和优化方法，提高裁剪系统的自动化水平和整体性能，缩小与世界发达国家 裁剪设备水平之间的差距，不断满足当今高度发达的轻工业生产的需求。皮革裁剪作为 皮革制品生产过程的一个关键步骤，不应也不能全部依赖进口，不能指望高价进口设备 来换取中国皮革裁剪业的现代化。因此，立足国内工业化水平，研发具有自主知识产权 的高速、高性能裁剪机，对提升国内中小型企业皮革制品生产效率和质量，加强国际竞 争力具有重要的工程实用价值。 1 2 国内外研究现状综述 1 2 1国内外裁割装备综述 数控皮革裁剪机，是一种集传统机械制造技术、计算机与信息处理技术、现代控制 技术与成组技术、传感器与检测技术、伺服驱动技术、液压与气动技术、光机电技术于 一体的高技术现代化设备【m 】。国外皮革裁剪设备起步早，技术已相对成熟，比较著名 的生产厂家有美国格柏g e r b e r 公司、p g m 公司、法国力克公司、德国艾斯特奔马公司 以及日本高鸟公司，这几家公司占领了绝大部分的国际市场，且各具优势。其数控系统 大多是基于p c 的软硬件平台，并逐步向开放式数控方向发展，同时，针对不同客户需 求，产品类型也呈现多元化、个性化、定制化趋势。 美国g e r b e r 公司作为世界第一台格柏7 0 型的制造商，占领我国约6 0 的数控面料 裁剪市场。经过3 0 多年来的发展历程，现已形成世界领先的缝制品和软性材料制品工 业设计和自动化生产解决方案1 3 1 。在1 1 7 个国家设有办事处、代理商和分销商，全球客 户超过1 6 0 0 0 家。格柏进入中国长达2 5 年，通过2 4 个销售服务网点为中国地区的6 0 0 0 多个系统和工作站的1 7 0 0 多家客户提供支持，其在中国的市场占有量远远超过其它公 2 浙江工业大学硕士学位论文 司。g e r b e r 公司生产的裁剪系统种类齐全，型号多样，产品有面向单层和多层两大类。 其中单层裁剪系统有定台式和履带式等类型，可适合各类软体家具或者皮革家具企业的 裁剪需求，其中的典型代表d c $ 3 5 0 0 履带式裁剪系统，可连续裁剪，最大裁剪速度可 过1 1 m s ，是现有单层裁剪系统中产量最高的设备。g e r b e r 多层裁剪系统有多种长度、 宽度的型号，分为g t x l 低层履带式裁剪系统( 图1 1 ) 和g t 系列履带式裁床( 图1 2 ) 两大系列，其中g t 系列的g t 7 2 5 0 可裁剪真空吸附后高达7 2 c m 的材料。 图1 1g t x l 系统 图1 2g t 系列 美国p g m 公司二十几年来，一直为全球纺织品、皮革和其他软性材料的制造商提 供从产品设计、生产制造一直到零售终端等各方面的完整解决方案。该公司t c 系列智 能高层全自动裁床，如图1 3 ，适合各种面料的裁剪，从轻薄的丝绸，到厚重的牛仔都 可以精确裁剪。不仅在机械上完全实现了自动控制，而且在软件上也考虑到各种裁剪情 况，m e c t r o n i cb l a d es e n c e 自动检测并纠正刀具偏差、红外线布边校对等。 图1 3p g m t c 系列全自动裁床 法国力克公司作为专为软性材料( 纺织品、皮革、工业面料以及复合材料) 行业提 供整合技术解决方案的全球领先企业。最新一代的v e c t o r 自动裁剪解决方案在2 0 0 7 年 2 月一经推出就获得了成功，2 0 1 0 年，销售量达1 0 0 0 台，比2 0 0 9 年同期增加了7 0 。 第1 章绪论 新一代的v e c t o r 裁剪系统强大的动力系统不仅可增加裁剪厚度，而且还提高了裁剪速 度，将生产能力提升了1 5 4 1 。图1 - 4 为力克公司新一代v e c t o r f a s h i o n 系列裁剪系统。 图1 5 p r o c u tx l7 5 0 1 5 0 0 1 德国艾斯特奔马公司是一家世界知名的跨国公司，在欧美服装企业界享有盛誉，拥 有服装c a d c a m 的“奔驰 美称。艾斯特奔马提供高中低层( 3 0 r a m ，5 0 m m ，7 5 m m ) 等多种规格，特种门幅宽度也可定做。其高层裁床p r o c u tx l7 5 0 1 5 0 0 1 如图1 5 ，具有 坚实紧凑的设计、高效强劲的性能和质量、高稳定性、高精确度等特点。它在性能、产 能、准确度和可靠性方面代表了国际最高水准。 日本高鸟株式会社的自动裁剪系统是针对客户对服装界“种类多、小批量、周期短 的要求研制出来的，经过1 6 年的努力，高鸟裁剪机逐步升级为高效率、高精度的完善 的自动裁剪系统，并达到国际先进水平。产品种类多样，包括：适用于大批量生产的 t a c - n 系列，如图1 - 6 所示；适用于少量裁剪和定制西装及女性时装的t a c m 系列等。 图l - 6 高鸟t a c - n 系列高速裁剪系统 和鹰科技是国内最早开始研发自动裁剪系统，致力于打造全球软性材料裁剪专家， 是中国唯一拥有自动裁剪系统自主知识产权技术的企业。2 0 0 4 年，成功研发第一台数控 裁剪机，填补了中国在自动裁剪领域的空白1 5 1 。几年来通过不断引进、消化、吸收并创 新世界的先进技术，目前已拥有多种型号的数控裁剪机，广泛应用于服装、皮革、纺织 4 一一爹 浙江工业大学硕士学位论文 等软性材料裁剪领域。图示1 7 为和鹰科技h y - h 系列多层裁剪系统。 图1 7 和鹰h y - h 系列裁剪系统 目前，国内科研院在数控裁剪系统方面也做了大量的工作，研发了一些具有c a m 功能的服装裁剪系统。但目前系统功能还不全面，裁剪c a d c a m c n c 功能集成有待 完善。国内高校对裁剪系统的研究大多集中在高速运动控制系统的开发、裁刀部件、裁 剪路径优化、切向跟随控制算法、真空吸附系统和智能排样系统等方面。 长春理工大学周洪宇 6 1 研究了激光服装自动裁剪系统的整体设计、电机拖动系统设 计和光学系统设计，其研制的激光裁剪系统在整机调试时得到的裁剪速度仅为 3 0 0 m m s 。2 0 0 2 年，上海大学与宁波大学合作开展了服装裁剪机的研制。李亚静对数控 裁剪机的刀头部分做了设计研究1 7 】，张建宏利用机电一体化集成方法完成对数控服装裁 剪机的系统设计【8 1 。浙江工业大学田先斌【9 】针对皮革裁剪机切向跟随系统，研究了直线、 圆弧以及椭圆的切向跟随插补算法，提出了n u r b s 曲线自适应切向跟随插补算法，并 根据裁剪的特殊形状，研究了裁刀裁切中的刀具半径补偿方法；卢东【l o l 提出了应用改进 的白知应遗传算法与动态规划相结合的两级组合优化方法进行裁剪路径优化，并研究了 裁剪进给速度的模糊优化控制方法。浙江大学陈子辰等承担的浙江省重大攻关项目“皮 革制品准柔性制造技术开发( 2 0 0 3 c 1 1 0 2 3 ) ”，开发了一套皮革裁剪加工自动化系统，主 要包括真皮自动识别、边界提取和瑕疵识别、智能优化排样、自动切割和信息数据管理 等功能，但主要是针对单张单层皮革的裁剪，不能进行多层革类材料的裁剪功能。以此 项目为依托，朱年军【l l 】结合高速裁剪的功能要求，设计了基于g a l i l 运动控制器的硬件 平台，开发了高速皮革裁剪控制软件，选用旅行商问题( t s p ) 的最近邻算法进行了加 工路径的优化。沈俊佳【1 2 】对裁剪机伺服控制系统的设计选型及控制软件的开发进行了详 细分析，提出了基于自适应m m a s 算法的裁刀下刀点路径优化方法，以及基于四次贝 第1 章绪论 塞尔曲线的轮廓拐角平滑优化方法，另外，对伺服系统p i d 参数整定也进行了相关研究。 季国顺1 3 1 在博士论文中进行了皮革数控高速裁剪运动控制技术的研究，内容包括高速裁 剪路径优化算法、基于离散点坐标插值的裁剪路径重构算法及拐角轮廓过渡处理方法、 提高加减速过程柔性的速度平滑过渡算法及减小输出速度波动的插补算法。 1 2 2 国内外裁割系统性能参数对比分析 一台裁剪设备能否生产大批量裁片应该从最大裁剪层数和裁剪速度两个方面进行 评估，这两个因素共同决定了系统的生产力。通常情况下，衡量裁剪能力的真正标准是 每个小时裁剪的裁片数。选择国外、国内几种具有代表性的多层裁剪系统，包括美国格 柏g t x l g t7 2 5 0 、德国艾斯特奔马p r o c u tx l7 5 0 1 5 0 0 1 、美国p g mt c6 8 、日本高鸟 t a c - 1 3 3 v n 2 3 5 v n 、上海和鹰h y - h 1 7 0 5 和申明s m c 5 0 ，这些型号均为多层裁剪系统， 裁割方式均为直刀上下往复振动裁剪形式。 表1 1国外裁剪系统技术参数列表 表l - 2 国内裁剪系统技术参数列表 通过上述国内外自动裁剪系统综述，以及众多典型的多层裁剪系统性能指标的对比 分析可知，国外多家品牌的多层裁剪系统已形成系列化的产品，可根据用户的具体需求 进行个性化定制，各项附加比较完善，而且性能比国产相对优越。 6 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 3 结构优化研究现状 结构优化设计是相对于传统的结构设计而言的。传统的结构设计是根据设计要求， 凭借设计经验和相关力学方法进行结构的初步设计，而后进行校验，如果不满足要求， 则对参数进行修正。这种方法周期长，对设计人员的专业理论基础要求较高，耗费大量 的人力和物力，而且对于大型复杂结构往往是不可行的。结构优化设计方法主要研究如 何确定连续体结构的边界形状或者几何参数，以改善结构的机械特性。 完整的结构优化设计过程包括尺寸优化、形状优化和拓扑优化几个不同的阶段和层 次【1 4 1 。尺寸优化是指在保证零部件拓扑结构不变的前提下优化其截面形状、筋板厚度等 参数；形状优化是在保证设计域内的拓扑结构关系保持不变的条件下，寻找最理想的边 界和几何形状；拓扑优化可以在给定的设计空间中确定最优的材料分布，设计最优的零 件几何、框架、加强筋布局，减少非关键区域的分布。拓扑优化是最高层次的优化，比 形状优化具有更大的自由度和开放性，而且不局限于参数形式，因此难度也最大，被公 认为是结构优化领域最具挑战性的研究课题之一【1 5 】。对于机械产品设计来说，当产品基 本构型确定以后，可以借助先进的优化设计方法调整结构尺寸，使得产品特性得到改进。 针对机械结构尺寸优化问题，国内外已有大量的研究成果，且在工程实际中应用广 泛。传统上尺寸优化多是针某一性能指标，如以质量最小化为目标的轻量化设计，文献 【1 6 】基于可靠性理论，结合有限元结构优化方法进行某悬架下摆臂的轻量化设计；文献 【1 7 】研究了结构优化方法在发动机气缸体轻量化设计中的应用：文献【1 8 】基于变密度拓 扑优化文法进行了了发动机活塞轻量化设计。另外针对其它单个性能指标的有刚度、应 力、应变或某种导出结果的方差最小、平均值最小等。机械结构优化往往牵涉到质量、 刚度等多方面的性能指标，是典型的多目标优化问题。针对多个目标的同时优化，习惯 上多采用线性加权法、主要目标函数法、层次分析法、目标规划法等将多目标优化问题 转换成单目标优化问题。文献 1 9 1 采用质量和一阶固有频率加权进行高速磨床零部件的 结构优化；文献【2 0 】利用重量、应力和刚度加权为性能指标进行海洋应用钢结构的优化 研究；文献【2 l 】基于车辆平顺性，采用主要目标函数法进行悬架参数优化。对单目标结 构优化问题的求解，工程中应用比较广泛的有序列二次规划法1 2 2 - 2 4 】等。目前，随着有限 元数值分析技术广泛应用，各种通用或者专用的有限元分析软件得到普及，并集成了一 些相对简单的优化算法，如a n s y s 具有零阶和一阶两种优化算法，但有限元软件本身 只能进行相对简单的结构优化，处理相对复杂的结构优化问题时必须借助其它的优化算 法。近年来，智能优化算法被引入到结构优化设计领域，常见的有遗传算法 2 5 - 2 6 1 、粒子 7 第l 章绪论 群算法 2 7 1 、模拟退火算法【2 羽、蚁群算法 2 9 1 等。 随着多目标进化算法和结构分析近似理论研究的不断深入，国内外学者逐渐将多目 标优化方法应用到结构优化问题中，刘桂萍在其博士论文p o 】中研究了基于微型遗传算法 m i c r o g a 的多目标优化方法及其应用，验证了微型多目标遗传算法的求解效率和精度 以及解的分布均匀性，并将其应用于十衍架结构、层合板结构和汽车被动悬架结构的多 目标优化设计；文献 3 1 1 采用m i e r o a 3 a 算法对布料臂架主梁结构尺寸进行多目标优化； 文献 3 2 1 基于m o d e f r o n t i e r 集成a m e s i m ，采用多目标模拟退火算法m o s a 对电控 喷油器的关键结构参数进行优化设计；文献 3 3 1 采用多目标粒子群算法对蒸汽快速热响 应模具进行热响应、结构强度和疲劳寿命的优化研究。 针对皮革裁剪机横梁结构优化的研究目前还很少见，类似的研究有双机头电脑刺绣 机横梁的模态仿真分析p 4 ，弯曲振动分析和结构优化【3 5 】等。与之相关的还有起重机和龙 门式加工机床横梁的结构分析与优化。 1 2 4 伺服进给系统研究现状 伺服系统是一种机、电、液等结合的系统，系统最终将控制信号转换成相应的机械 传动，执行元件直接或经机械传动装置带动被控对象做运动。伺服系统是应用领域非常 广泛的一类系统，它是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、 速度及动力输出的自动控制系统。目前，伺服系统以交流电机为主导执行电机，现代交 流伺服系统广泛应用于数控机床、机器人和其它广义的数控机械。 目前国内外研究学者对伺服进给系统的研究大多集中在数控机床领域。文献 3 6 】以 三轴联动数控机床伺服进给系统为基础，建立了完整的伺服进给系统的数学模型，利用 遗传算法对伺服系统p i d 控制参数进行优化研究。文献【3 7 】针对高速p c b 数控钻床交流 伺服系统，建立了三环p i d 控制模型，对三个环节的p i d 调节器进行了设计整定，设计 了位置环模糊自适应p i 控制器。文献【3 8 】对数控机床伺服进给系统，尤其是p i d 控制器 的参数确定进行了深入的研究，分析了单纯形算法，复形法，遗传算法及粒子群算法各 自的优缺点，并将基于粒子群的改进的复形法应用于p i d 参数优化过程，提高了系统的 响应速度。除数控机床外，伺服进给系统还有许多应用和研究领域，如机器人的运动控 制，工业缝纫机、电脑绣花机的伺服控制系统 3 9 - 4 0 等。 伺服控制是伺服进给系统研究的关键问题，围绕伺服系统动态特性与静态特性的提 高，近年来发展了多种伺服控制技术。p i d 控制器具有结构简单，鲁棒性强，可靠性高， 8 浙江工业大学硕士学位论文 易于实现等优点，而且已形成系列化的产品，人们对它的原理等相当熟悉，所以在运动 控制和中普遍采用。随着智能控制理论的不断发展，出现了许多新型的智能控制策略， 专家控制，模糊控制，神经网络控制，以及它们之间的复合控制策略，如模糊p i d 控制、 神经网络p i d 控制等【4 1 1 。对于智能控制算法，目前大多停留在研究阶段，这些理论在参 数设计和稳定性分析方面还不够完善，如模糊控制规则繁多，神经网络大样本训练等导 致计算量大，实时性不能满足要求，因此，真正投入到工程实际应用得还很少。 p i d 控制器控制性能的优劣与其参数的设定有着很大的关系，对p i d 控制器参数的 优化整定一直是控制领域研究的重要课题，应用p i d 控制器最重要的就是控制参数的整 定问题。目前p i d 参数的优化方法很多，如z i e g l c r - n i c h o l s 经验公式法、最优p i d 经验 公式法、间接寻优法等。另外还有各种智能优化整定算法和在线整定方法。 目前针对皮革裁剪机伺服进给系统控制优化研究比较少见。浙江大学沈俊佳【1 2 】采用 蚁群算法对皮革数控裁剪伺服控制系统的p i d 控制参数进行优化整定，把系统单位阶跃 响应的超调量d r ，上升时 d t r 和调整时间f 。通过加权构造评价函数m ，即： m = 乃p t r o ) + 乃以t , o ) + 丸也t , o ) ( 1 一1 ) 式中，是初始情况下的系统性能指标；乃，乃，气为加权系统，取超调量、 上升时间、调整时间为约束条件：仃 c r o ， ，f l 。基于该评价模型，文中又 给出了采用蚁群算法进行p i d 参数整定优化的具体实现步骤。 1 3 课题来源与主要研究内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于浙江省重大科技攻关项目“多层鞋革高速智能裁割系统与装置研制及 其产业化( n o 2 0 0 9 c l1 0 3 9 ) ，以浙江省温州市申明制鞋机械有限公司为依托，针对皮 革制品市场需求量与日俱增，以及目前国产数控裁剪机生产能力相对较低，智能化程度 不高，中小型企业竞争力低等实际问题，研制一种适合中小型企业的自动化程度高、裁 剪速度快、加工效率高、性能稳定、节能降耗、性价比高、操作方便的中型数控智能化 裁剪系统。 1 3 2 课题主要研究内容与论文体系 伺服进给系统的设计包括机械结构设计和伺服控制系统的设计，它们是多层高速皮 9 第1 章绪论 革裁剪机研制的两个重点和难点。对于结构设计，横梁是重要的部件之一，是x 进给方 向重要的运动主体，对伺服系统的快速性有着重要影响，同时也是主要的耗能部件之一， 另一方面，横梁是高频裁刀部件的运动载体，对其结构刚度有着较高的要求。伺服控制 系统的优良是伺服系统动态特性的关键，是改善整机性能，提高裁剪效率和质量的必要 之路。由此确定本文的研究内容，分为六个章节，具体安排如下： 第1 章首先介绍了本课题的研究背景与研究意义，通过调研国内外裁剪装备的发展 现状，进行了国内外裁剪机性能参数的对比分析，针对结构优化和伺服控制系统优化做 了研究综述，最后说明了本文研究课题的来源及论文的主要研究内容。 第2 章通过对多层皮革裁剪机的裁剪机理分析，论述了裁剪机伺服进给系统的组成 原理，提出了伺服系统三环p i d 控制策略，建立了伺服进给系统的数学模型，并利用传 统方法进行了p i d 参数的整定设计。 第3 章结合皮革裁剪工艺，对伺服进给系统的重要结构部件横梁进行了裁剪过程受 力分析，在此基础上采用a n s y sa p d l 参数编程方式建立横梁结构有限元模型，进行 了结构静力学分析和模态分析。 第4 章建立了皮革裁剪机伺服进给系统的关键机械结构横梁的结构优化多目标优化 模型，和伺服控制系统的多目标优化模型；通过各种优化方法的对比分析，选定带精英 策略的非支配排序遗传算法n s g a - i i 作为上述多目标优化问题的求解方法。 第5 章针横梁结构无法直接进行优化迭代的问题，利用i s i g h t 集成a n s y s 设计 正交试验，获取横梁结构分析的二阶响应面近似分析模型，在此基础上采用n s g a - i i 算法进行结构优化求解：针对伺服控制系统采用i s i g h t 集成s i m u l i n k ，利用n s g a i i 算法求解，并将结构与传统遗传算法进行了对比分析。 第6 章对本文的主要研究内容进行了系统的总结，并对下一步的研究工作进行了展 望。 1 4 本章小结 本章首先阐述了数控皮革裁剪系统的研究背景及意义，对国内外裁剪技术与装备的 研制进行了调研和分析，并对相关优化技术在结构和伺服控制领域的应用进行了研究综 述。最后，结合课题来源，提出了本文的主要研究内容，并给出了论文的体系结构。 l o 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章高速皮革裁剪机伺服进给系统建模 2 1 多层皮革裁剪机裁剪机理分析 多层皮革高速裁剪机采用x ，y ，z ，c 四轴伺服系统，其中c 轴为主运动，实现 裁刀的高频上下往复运动，x ，y ，z 三轴控制裁刀在裁剪区域内的平面运动。裁剪系 统控制各轴按给定的刀具路径做多轴协调运动，同时配合变频真空泵马达，变频鬃毛砖 回转马达，变频拾料台马达，通过运动控制卡执行c u t t i n ga d v i s e r 或者s u p e rc u t 裁床 操作软件，实现对皮革c a d 制作的排料图进行精确裁剪。 2 1 1多层皮革高速裁剪机总体结构分析 多层皮革高速数控裁割机作为生产皮鞋、服装、箱包等皮革制品的重要设备，是集 现代制造技术、控制技术、计算机技术、伺服传动技术、传感器与检测技术、气动技术 于一体的高新技术产品，在以皮革制品为主的纺织工业中扮演着越来越重要的角色。本 文研究的裁剪机采用细长直刃裁刀裁割方式，这种方式的裁剪机效率高、面料利用率高， 是现代皮革裁剪的主流。 皮革裁剪机整机结构模型如图2 1 所示。根据裁刀式数控裁割加工的实现原理，高 速皮革裁割机机械装置主要由以下几个部分组成： l 、高频裁刀部件：它是皮革裁割机的核心部件之一，实现皮革裁剪机的主运动， 即裁刀延竖直方向的高频往复运动( c 轴方向) 。其主体是裁刀上下往复高频振动机构， 采用对心偏心轮滑块机构。另外还有辅助裁割过程的刀盘起落机构、打工艺孔机构、磨 刀机构等部分组成。 2 、伺服进给系统：实现裁刀地裁割平面内的进给运动，由伺服电机经减速装置、 传动机构实现横梁( 高频裁刀部件的运动载体) 在床身上的纵向运动( x 方向进给) 和 高频裁刀部件在横梁上的横向( y 方向进给) 运动，以及保证裁刀延裁剪轮廓线切向方 向的旋转( z 方向进给) 运动。 3 、真空吸附系统：由大功率三相异步电机、风机、真空泵和过滤网等部件组成， 第2 章高速皮革裁剪机伺服进给系统建模 是多层面料切割的重要装置。利用真空吸附系统吸附面料，一方面将面料固定在工作台 上，另一方面使面料具备一定的刚性，便于裁刀裁割，并且保证在裁割多层面料时，不 易发生面料的错位，保证各层面料位置一致，形状无误差，进而保证裁割精度。实现的 原理是通过变频器控制真空泵从真空腔吸出一定体积的空气，使密封腔产生一定程度的 真空，形成真空腔压力和大气压之间的压力差，从而依靠大气压力将待裁割的面料压紧。 采用整体吸附，吸附力均匀，面料自然压缩。 4 、送料台运转机构和整理台运转机构：送料机构将皮革或布料铺在工作台面上， 并能够完成送料，同时实现再薄膜。整理台将已裁剪好的皮革面料进行整理。通过送料 机构和整理机构使加工能够连续进行，保证裁割加工效率。 5 、床体：床体采用密封式箱体设计，减少漏气；床体上部为高强度、高韧性、高 避刀性的特殊尼龙高分子材料加予特殊工艺制成的鬃毛砖组成的裁剪工作平台；刚鬃毛 砖旋转腔采用密封式，密封性好，不易漏气，节约电力，鬃毛砖两侧采用双排链传动形 式。经送料机构将一定层数的皮革面料送到裁剪工作平台，上面经再覆盖薄膜的覆