（机械制造及其自动化专业论文）皮革数控裁剪系统裁剪控制技术研究.pdf

浙 硕士 江大 学位 学 论文 皮革数控裁剪系统裁剪控制技术研究 硕士研究生： 沈俊佳 学科专业：机械制造及其自动化 指导教师：王文副教授 浙江大学研究生院 中国杭州 二o o 七年六月 浙江大学硕士学位论文皮革数控裁剪系统裁剪控制技术研究 全文摘要 我国是皮革制品的生产、消费和出口大国，皮革制品加工业是我国轻工业的 支柱产业之一。目前，我国的多数皮革加工企业存在着产品单一、皮革利用率低 及工人劳动强度大的问题，已经很难满足市场对高品质、个性化皮革制品的需求， 而进口裁剪系统高昂的价格又限制了中小皮革企业的技术改造，因此在很大程度 上制约了我国皮革行业的发展。 采用皮革数控裁剪技术可以有效地提高生产效率、增强产品竞争力，因此， 本课题组结合浙江省重大科技攻关项目，研制了集皮革颜色瑕疵识别、纹理分类、 排版优化及自动裁剪功能的皮革制品准柔性制造系统。 本论文主要针对皮革制品准柔性制造系统中的自动裁剪控制技术进行研究， 主要内容包括： 第一章介绍了皮革裁剪技术及系统的国内外研究现状，分析了皮革数控裁剪 系统的研究意义及研制难点，提出了本论文的主要研究内容，并确定了论文的框 架结构。 第二章主要阐述了皮革数控裁剪系统的研制情况。首先介绍了系统的总体设 计方案，并确定了主要设计参数；接着重点介绍了控制系统硬件、软件的开发设 计工作。 第三章重点对皮革数控裁剪的路径优化方法进行了分析，结合皮革裁剪加工 的特点，将裁剪路径优化问题归纳为两个方面：一是裁刀下刀点路径的优化；二 是皮革样片轮廓的平滑优化。提出了基于自适应m m a s 算法的裁刀下刀点路径 优化算法，以及基于四次贝塞尔曲线的样片轮廓平滑优化算法，以解决裁剪路径 优化问题。 第四章对皮革数控裁剪控制系统的p i d 参数整定方法进行了研究。首先介 绍了p i d 控制理论及常用整定方法；接着针对传统整定方法的不足，提出采用 基于蚁群算法的p i d 参数整定优化方法，并详细阐述了实现过程。 第五章结合课题组研制的样机，对本论文提出的皮革数控裁剪路径优化算法 及p i d 参数整定优化算法等进行了实验研究，验证了算法的有效性。 第六章对论文的主要研究工作进行了总结，并对系统的后续研究工作进行了 分析。 关键词皮革，准柔性制造系统，数控裁剪系统，裁剪控制技术，裁剪路径优化， 自适应m m a s 算法，拐角轮廓平滑过渡，p i d 参数整定 浙江大学硕士学位论文 皮革数控裁剪系统裁剪控制技术研究 a b s t r a c t l e a t h e rp r o d u c ti n d u s t r yi sa m o n gt h ek e yi n d u s t r i e so fc h i n a sl i g h ti n d u s t r y h o w e v e r , t h e r ea r em a n yp r o b l e m si m p a c tt h ed e v e l o p m e n to fd o m e s t i cl e a t h e r p r o d u c ti n d u s t r y , s u c ha ss i n g u l a r i t yo fp r o d u c t , l o wu t i l i z a t i o nr a t i oo fr a wm a t e r i a l s a n dh e a v yw o r kf o r c ef o rw o r k e m o nt h eo t h e rh a n d , c o s t l yi m p o r t e dl e a t h e rc u t t i n g s y s t e mg r e a t l yr e s t r i c t st h ed e m a n df o ra d v a n c e dc u t t i n gt e c h n i q u et oc o n s i d e r a b l e a m o u n to f s m a l l - s i z el e a t h e rp r o d u c tp l a n t s r e s e a r c ho nn u m e r i c a lc o n t r o ll e a t h e rc u t t i n gs y s t e m ，w h i c hc o u l de f f i c i e n t l y h e l pt oi m p r o v ep r o d u c ty i e l da n dc o m p e t i t i v es t r e n g t h , i st h ek e yp o i n to fn u m e r i c a l c o n t r o lt e c h n i q u e sd e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a ti m p o r t a n c et od e v e l o pa p s e u d of l e x i b l el e a t h e rp r o d u c tm a n u f a c t u r i n gs y s t e mi n t e g r a t e dw i t hl e a t h e rc o l o r m a t c h i n g ，t e x t l m ec l a s s i f i c a t i o n ，o p t i m a lt y p e s e ta n da u t o m a t i cc u t t i n gf u n c t i o n s t h i sp a p e rm a i n l yc a r r i e so u tr e s e a r c ho na u t o m a t i cc u t t i n gt e c h n i q u e so f p s e u d o f l e x i b l el e a t h e rp r o d u c tm a n u f a c t u r i n gs y s t e m c h a p t e r1b r i e f l yi n t r o d u c e st h el e a t h e rc u t t i n gt e c h n i q u ea n dp r e s e n ts i t u a t i o no f n u m e r i c a lc o n t r o ll e a t h e rc u t t i n gs y s t e mi nc h i n aa n da b r o a d a f t e rt h a t ，r a i s e st h e s i g n i f i c a n c ea n dd i f f i c u l tp o i n t so fr e s e a r c ho nn u m e r i c a lc o n t r o ll e a t h e rc u t t i n g s y s t e m ，f i n a l l y , e x p a t i a t e so nt h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e r , a n de s t a b l i s h t h e s t r u c t u r eo f t h i sp a p e r c h a p t e r2e x p a t i a t e so nt h ed e s i g no fn u m e r i c mc o n t r o ll e a t h e rc u t t i n gs y s t e m f i r s t l y , i n t r o d u c e st h ew h o l es t r u c t u r e b a s e do ns y s t e mf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t a n a l y s i s 。a n dt h e nc o n f i r m st h es p e c i f i cs y s t e mp a r a m e t e r sa sw e l l a tl a s t ，p l a c e s g r e a te m p h a s i so nc o n t r o lh a r d w a r ea n ds o f t w a r es c h e m e c h a p t e r3m a i n l yi n t r o d u c e sp a t ho p t i m i z a t i o nm e t h o df o rn u m e r i c a lc o n t r o l l e a t h e rc u t t i n gs y s t e m t h eo p t i m i z a t i o np r o c e 鼹d i v i d e si n t ot w oa s p e c t sa c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fl e a t h e rc u t t i n gp r o c e s s ：o n ei sf o rc u t t i n gp a t ho p t i m i z a t i o n , a n d t h e o t h e ri sf o rl e a t h e rp a t t e r nc o n t o u rs m o o t h i n g t h e r e f o r e ，b r i n g sf o r w a r da s e l f - a d a p t i v em m a sa l g o r i t h mb a s e dp a t ho p t i m i z a t i o nm e t h o da n d aq u a r t i cb e z i e r c u r v eb a s e dc o m e rs m o o t h i n gm e t h o dr e s p e c t i v e l y c h a p t e r4p r i m a r i l yc o n c e r n sa b o u tt u n i n go fs e r v os y s t e mp a r a m e t e r s ，w h i c hi s u s u a l l yat i m e - c o n s u m i n gt a s k i no r d e rt os i m p l i f yt h ep r o c e d u r e ，p r o p o s e sa na n t s y s t e ma l g o r i t h mb a s e dp i dp a r a m e t e rt u n i n gm e t h o d ，a n de x h a u s t i v e l ye x p l a i n st h e i m p l e m e n t o f t h en e wm e t h o d c h a v e r5c a r r i e so u ts o m er e l a t e de x p e r i m e n t st ov a l i d a t et h ee f f e c t i v e n e s so f t h ep r o p o s e dm e t h o d sw h e na p p l y i n gt ot h er e a lc u t t i n gs y s t e m 1 1 浙江大学硕士学位论文皮革数控裁剪系统裁剪控制技术研究 t h el a s tc h a p t e ri sa b o u tt h ec o n c l u s i o na n dt h ee x p e c t a t i o no f t h ep a p e r k e y w o r d s ：l e a t h e r , p s e u d of l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，n u m e r i c a lc o n l r o lc u t t i n g s y s t e m ，c u t t i n gc o n t r o lt e c h n i q u e ，p a t ho p t i m i z a t i o n , s e l f - a d a p t i v em m a sa l g o r i t h m ， c o m e rs m o o t h i n g ，p i dt u n i n g 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸鎏盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：i 屯俊侄签字日期：如少年易月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸鎏盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：) 叩年月廖e l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：洳年g 月序e l 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文皮革数控裁剪系统裁剪控制技术研究 第一章绪论 【本章摘要】本章首先对皮革裁剪技术进行了介绍，分析了皮革数控裁剪系统的研究现状及发展趋势；然 后，结合课题皮革数控裁剪系统的研究，阐述了皮革数控裁剪系统的研究意义及研制难点；最后，给 出了本论文的主要研究内容及论文的基本框架。 1 1 皮革裁剪技术概述 在皮革制品的生产过程中，首先需要对原料进行裁剪。裁剪的方式一般根据 材料的物理特性进行选择。对于皮革、橡胶、服装面料等具有一定弹性的纤维材 料，可以采用剪裁、冲裁等方法。 1 1 1 常用皮革裁剪技术 根据裁断的机理及工艺特点不同，皮革裁剪可以分为剪裁和冲裁两种【i 】。 冲裁：冲裁机的压板给成型刀模施加作用力，在力的作用下，刀模刃口直接 切入皮革，将其裁断。采用成型刀模进行冲裁，裁剪质量好，加工效率较高，但 是成型刀模制造维护成本较高，且对新产品开发的适应性不强，很难满足日益多 样化的市场需求。 剪裁：利用裁刀的刀刃挤压皮革将其裁断。按裁刀形状和运行方式不同，裁 剪机分为直刀裁剪机、圆刀裁剪机、带刀裁剪机和裁条机四种【l 】。剪裁加工方式 成本相对较低，但是裁剪刀具对裁剪质量影响较大，当采用尺寸较大的刀具时， 会产生过切现象，对未加工的部分造成影响。对此，必须增大排版的间隙，但会 导致皮革利用率降低。 1 1 2 皮革数控裁剪技术 上世纪6 0 年代起，国外研究人员就开始研究先进的皮革裁剪技术，包括高 压水刺裁剪、激光束裁剪、高速机械裁剪等1 2 4 1 。上世纪9 0 年代中期，国内研 究人员开始研究皮革数控裁剪技术 1 5 - 2 5 】，研究内容包括基于激光束、高压水刺、 等离子弧、超声波等的裁剪技术。表1 1 列举了几种自动化皮革裁剪技术的特点， 从表中可以看出，机械式裁剪加工是比较可行且经济、灵活的方案。通过对国内 外自动化裁剪产品的调查也发现，机械式皮革自动化裁剪系统依然是产品化最多 的解决方案【2 6 刀j 。机械式的裁剪系统也有其局限性，特别是当需要在皮革表面进 行镂花、雕刻装饰文字或图案时，机械式加工方法就会比较困难，而激光裁剪、 高压水刺等裁剪方法有较大的优势【2 8 0 叽。 浙江大学硕士学位论文皮革数控裁剪系统裁剪控制技术研究 表l l 多种皮革裁剪方法比较( 单位为m r f l ) 切口宽度 切口粗糙度未加工影响设各投资 环境友好度 冲裁o 2 o 3一般较小较低很好 剪裁 o 5 1 0 一般较大 低 很好 激光裁剪 o 2 - 0 8很低小高好 高压水刺0 1 5 o 5很低 由 较高好 等离子弧 2 5 5 0 较低中高差 超声波0 1 0 2较低小 由 好 1 2 皮革数控裁剪系统的研究现状及发展趋势 随着社会的发展及生活水平的提高，消费者对于皮革制品的个性化需求迫使 皮革制品相关产业，如家具业、箱包业、皮鞋皮衣业也向订单生产过渡，形成多 品种、小批量的生产模式。 自动化裁剪是针对上述生产模式的有效解决办法。对此，国外涉足服装裁剪 的大公司很早就开始了皮革数控裁剪系统的研制。 1 2 1 国外研究现状 国外从事皮革数控裁剪系统研制的公司主要有法国力克l e c t r a l 3 0 】、美国格伯 g e 舭一3 ”、德国h u m a l l t e c 【3 2 】、意大利的t a g l i o l 3 3 】及日本的高鸟t a k a t o r i 3 4 l 等，其 中法国力克、美国格伯及德国h u m a n t e e 名列皮革裁剪行业的三强。这些公司都 推出了各自的商品化裁剪系统，下面就对一些典型的系统进行介绍。 格伯的t a u r u s x d 皮革裁剪系统是最具有代表性的皮革数控高速裁剪产品， 该系统可实现每小时裁剪1 3 一1 5 张牛皮，并可以减少4 一l o 的皮革浪费，是 小批量生产和样品试产时的理想设备。据统计，目前在我国皮革生产行业中，格 伯公司的裁剪系统目前占有6 2 左右的市场份额【1 7 】，格伯公司也是目前为止申 请皮革或柔性薄片材料裁剪专利最多的公司。 图1 ig e r b e r 公司的t a u r u sx d 皮革裁剪机 浙江大学硕士学位论文 皮革数控裁剪系统裁剪控制技术研究 最近，格伯公司又推出了带有p i v e x t m 技术的t a u r u s r “xs e r i e s l 3 1 1 系列皮革裁剪 机，能够帮助裁床在提高裁片质量的同时，加快裁割速度，很大程度上避免过裁 和切面倾斜的问题，据称是目前自动裁床中质量最佳的系统，裁剪出的裁片质量 与冲模相当，且边缘裁剪质量优于冲模。已被奥迪、宝马、戴姆勒一克莱斯勒、 福特、s e a t 和大众等公司广泛运用于汽车座椅的制造。 法国力克公司是目前服装裁剪系统市场占有率最高的公司，近年来，力克公 司又开始涉及汽车、航天、家具家饰业，并于2 0 0 4 年收购了当时世界排名第三 的西班牙艾维斯公司，又于2 0 0 6 年并购了德国h u m a n t e e 公司。目前，力克公 司的裁剪系统占据我国高端裁床市场3 5 的份额【3 5 1 。 v e c t o r f s s h i o n f x 系列的裁剪机【3 0 是力克公司推出的适用于皮革等柔性材料 的先进裁剪系统，可通过不间断的裁剪保证很高的生产效率，内置的裁剪软件可 以优化裁刀路径，提高面料的利用率，还可以适应曲线及其它复杂的形状。 针对不同的产量需求，v e c t o r f a s h i o n 系列裁剪系统还包括适用于小批量需求 的v e c t o r f a s h i o n f p 系列pu j 及适用于大批量需求的v e c t o r f a s h i o n m p m h 系列【3 0 】。 图i 2 法国力克v e e t o r f a s h i o n f x 裁剪系统 图1 3 法国力克v e c t o r f a s h i o n m h 裁翦系统 德国h u m a n t e e 公司主要致力于开发汽车座椅、内饰、家具、家饰以及工业 纺织品领域的自动化设备，其在1 9 9 4 年推出的l a s e m e s t 系统，是当时世界上第 一个用于全皮革的自动皮革裁剪系统。目前，在北美和欧洲市场地位稳固，还进 入了亚洲市场。h u m a n t e c 公司的a u t o n e s t 系统不仅产量高( 最高可达1 6 0 张8 小时) ，而且操作简便，是市场上最为成功的皮革裁剪解决方案之一。 图1 , 4 德国h u m a n t e c 公司的裁剪系统图1 5 德国h u m a n t e c 公司a u t o n e s t 系统使用的，j 具 浙江大学硕士学位论文皮革数控裁剪系统裁剪控制技术研究 意大利t a g l i o 公司主要从事皮鞋制品裁剪设备研制工作，并开始向家具、家 饰及汽车行业进行拓展。t a g l i o 公司的c u t v i s i o n 系列裁剪系统可以实现皮革快 速、准确、大批量的裁剪，但与前面介绍的裁剪系统不同的是，c u t v i s i o n 系列 裁剪系统采用了高压水刺的解决方案，为此，c u t v i s i o n 裁剪系统提供了皮革干 燥、清洗功能，并在裁片区下方设有水洗系统。 图1 6 重大利t a g l i o 的c u t v i s i o n1 5 3 0 裁剪系统图1 7 意大和t a g l i o 的n e s s t o r e3 4 2 8 裁剪系统 日本高鸟株式会社是专业从事开发、生产高端自动化生产设备的公司。早在 1 9 8 9 年，高鸟株式会社就根据服装行业“多品种、小批量、短周期”的发展趋 势，研制出了自动裁剪系统，经过十多年发展，高鸟自动裁剪系统已有三大类四 十多个品种。图1 8 、图1 9 分别是适用于大批量生产的t a c - n 系列裁床和适用 于少量裁剪和定制服装的t a c m 系列裁床。 图i 8 日本高乌t a c - n 系列裁床图1 9 日本高鸟t a c - m 系列裁床 1 2 2 国内研究现状 国内数控裁剪技术的发展总体上落后于国际先进水平，目前还主要停留在二 维服装c a d 系统的研发上，出现了一些达到实用化水平的产品【3 6 】，如：航空航 天部7 1 0 所的a r i s a 服装c a d 系统、北京四通s t o n e 集团公司的g c a d 系 统、杭州爱科电脑公司的e c h o 服装c a d 系统、深圳华怡电脑机械公司的富怡 c a d 系统、北京轻工业学院研制的比力b i l l 服装c a d 系统等，但是在自动化 裁剪系统的研制方面却并不多见。1 9 9 2 年东北大学开始研制自动化裁剪机床1 3 7 l ， 1 9 9 4 年上海大学与宁波大学合作丌展服装裁床的研制工作p “0 】，长春理工大学 也开展过服装自动裁床的研制【3 ”，但针对皮革制品的裁剪系统研制也几乎是一 片空白。 4 浙江大学硕士学位论文皮革数控裁剪系统裁剪控制技术研究 1 2 。3 皮革数控裁剪系统发展趋势 皮革数控裁剪技术是集机电技术、计算机技术及控制技术集成的复合型技 术，数控裁剪系统在经过几十年发展后，技术基本成熟，其发展趋势主要表现为 以下几个方面 4 1 ，4 2 j ：功能集成化，皮革数控裁剪系统同时具有瑕疵识别、自动排 样、产品数据管理等功能，构成一个以数控裁床为核心的裁剪系统；产品系列化， 国外的裁剪系统及其配套设备已形成多种系列，满足客户不同的需求；操作简单 化，与传统的皮革裁剪不同，数控裁剪系统利用计算机技术实现了更为简便的操 作过程；裁剪高速化，目前主流裁剪系统的裁剪速度一般都能够达到 4 5 1 0 0 m m i n 4 “，使得数控裁剪系统的效率更高；系统网络化，以数控裁床为核 心构建了信息网络，利用网络技术对整个系统进行监控及管理。 。 1 3 皮革数控裁剪系统研究的意义与难点 1 3 1 皮革数控裁剪系统研究意义 随着全球产业结构的调整，皮革行业作为劳动密集型行业，已由发达国家向 发展中国家转移。我国是皮革制品的生产、消费、出口大国，皮革制品加工业是 皮革工业相当重要的一部分，也是我国轻工业的支柱产业之一【4 3 1 。目前，我国 的皮革加工企业对皮革的裁剪仍处于手工或半机械化阶段，皮革利用率低、工人 劳动强度大，在一定程度上加大了企业的生产成本，也越来越难以满足消费者对 于高品质、多样化皮革制品的需求，而进口裁剪系统高昂的价格也限制中小皮革 企业的技术改造，在很大程度上制约了皮革行业的发展。 在美国、法国、日本和加拿大等，皮革加工行业普遍采用了皮革裁剪c a m 系统，大大提高皮革原材料的利用率和生产效率，同时降低了工人的劳动强度， 并能有效地控制及提高产品质量。相比之下，我国在皮革数控裁剪系统的研制上 十分薄弱。因此，研制一种集成自动配色分类、瑕疵识别、智能优化排版、数控 裁剪于一体的皮革制品准柔性制造系统，将很大地提高我国皮革制品加工设备的 自动化程度，意义重大。 1 3 2 研制皮革数控裁剪系统存在的难点 裁剪质量、裁剪效率及面料的利用率是皮革数控裁剪系统研制的关键指标， 也是皮革数控裁剪系统研制的难点所在。下面就对系统研制难点作具体分析。 1 高速裁剪对系统裁床设计要求高 从裁床的机械结构来看，要实现高速裁剪，需要研究以下关键问题：1 ) 由 于皮革材料的尺寸较大，一般整张进口牛皮面积可达3 5 3 5 m ，大型的床身设 浙江大学硕士学位论文 皮革数控裁剪系统裁剪控制技术研究 计难度较大。2 ) 由于裁剪面积达大，裁剪机一般采用龙门结构，并采取双电机 驱动，存在双电机同步保障问题。3 ) 龙门结构需采用双侧支承传动，对支承导 轨、传动副( 如齿轮齿条等) 的制造与装配精度要求高。4 ) 高速裁剪时，裁刀 跟随样片轮廓进行裁剪，刀头设计必须轻便可靠、定位准确。 2 控制系统优化难度大 由于皮革材料边缘不规则，裁片重复加工率低，因而皮革数控裁剪系统的实 现较一般材料的自动化加工更为复杂 4 4 1 ，每次只能裁剪一张皮革材料，而不能 像布料裁剪中一次裁剪多层。此外，还需要真空吸附等设备辅助装夹定位。 本课题组研制的皮革数控裁剪系统要集成自动瑕疵纹理识别、自动排样、路 径优化、自动裁剪等功能，需要对系统各模块进行整合，以保证系统的加工效率 和质量。 要提高系统的裁剪效率和质量，主要考虑解决两方面的问题： 1 ) 系统功能模块优化。无论是自动瑕疵、纹理识别，自动排样还是裁剪路 径优化，都是非常费时的过程，因此必须进行优化，以满足对裁剪系统加工效率 的要求。 裁剪路径优化对于提高系统裁剪效率非常关键。在实际生产中，待裁剪的皮 革样片数量一般比较大，在5 0 个以上，经实际加工实验测试，裁剪加工过程会 占用近一半的系统工作时间。因此，裁剪路径优化对提高系统裁剪效率非常有意 义，但是裁剪路径优化涉及到全局优化的问题，优化处理有相当的难度，因而也 是本论文主要研究内容之一。 2 ) 伺服系统的参数优化与整定。保证加工质量是提高系统裁剪效率的前提， 对于数控系统而言，伺服系统性能的好坏直接关系到系统的运动精度与平稳性。 由于本课题组研制的裁床尺寸大，不仅造成裁床机械结构制造难度较大，也对系 统调试、参数优化与整定工作提出了更高的要求。 本课题组研制的数控系统采用了常见的p i d 控制。p i d 控制算法原理简单， 却有着很好的控制效果，在工程中应用广泛。p i d 控制的关键在于p i d 参数的整 定，因此，p i d 参数整定是系统调试工作的一个重点，是本论文另一主要研究内 容。 1 4 本论文研究内容 本学位论文结合浙江省重大科技攻关项目“皮革制品准柔性制造系统开发 ( n o 2 0 0 3 c 1 1 0 2 3 ) ”，主要针对皮革数控裁剪系统的控制优化及伺服调试、整定、 优化方法进行了研究。首先，介绍了皮革数控裁剪系统的总体设计方案：然后重 点对机床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；接着，重 点阐述了裁剪路径优化问题，提出了基于自适应m m a s 算法的裁刀下刀点路径 6 浙江大学硕士学位论文皮革数控裁剪系统裁剪控制技术研究 优化方法，以及基于四次贝塞尔曲线的轮廓拐角平滑优化方法。此外，还对伺服 系统p i d 参数整定方法进行了研究，提出了基于蚁群算法的p i d 参数整定方法； 最后，在研制的样机上进行了相关算法的实验分析。论文的整体框架结构以及各 章节之间的关系如图1 1 0 所示。 第一章绪论 ， 儿 第二章皮革数控裁剪系统的研制 i 图1 1 0 论文总体结构 1 5 本章小结 本章首先对皮革裁剪技术进行了介绍，并阐述了国内外皮革数控裁剪系统的 研究现状，然后对皮革数控裁剪系统的研究意义进行了分析，提出研制皮革数控 裁剪系统存在的难点有两个：一是裁床机械结构的设计加工难度大，二是裁剪系 统控制优化难度大。在此基础上，确定了本论文的研究重点皮革数控裁剪系 统控制优化、参数整定优化方法研究。 7 浙江大学硕士学位论文皮革数控裁剪系统裁剪控制技术研究 第二章皮革数控裁剪系统的研制 【本章摘要】本章主要介绍了皮革数控裁剪系统的研制情况。首先，给出了皮革数控裁剪系统的总体设计 方案，包括数控方案选择、机床机械结构设计等，并在对比国外同类型产品的基础上确定了样机的主要性 能参数；然后详细介绍了控制系统的硬件设计，并对运动控制器及伺服电机进行了选型；此外，通过系统 功能需求分析，选择了开发平台和工具，并确定软件功能模块结构。 2 1 引言 目前，国内皮革加工行业通常采用手工或半机械化的裁剪方法，普遍采用成 型刀具进行冲裁，这种裁剪方法存在着皮料利用率低、工人劳动强度大、生产效 率低及产品品种单一等问题，从而使国内的皮革行业很难满足市场多样化的需 求，竞争力较弱。 针对我国皮革加工业存在的不足，本课题组提出并研制了皮革准柔性制造系 统，它集成了皮革纹理、瑕疵识别、智能排样、自动裁剪、数据管理等功能，是 集皮革加工c a d c a m 功能于一体的智能化加工系统。 图2 1 皮革准柔性制造系统功能框图 2 2 皮革数控裁剪系统方案选择与主要设计参数 在本课题组研制的皮革数控裁剪系统中，数控皮革裁剪机是整个系统的硬件 平台，集成了开放式数控技术、现代控制技术及网络技术，是一种典型的机电一 8 浙江大学硕士学位论文皮革数控裁剪系统裁剪控制技术研究 体化产品，在系统中处于核心地位。 2 2 1 数控方式选择 在数控机床产品及其相关技术领域，开放式已成为一种潮流。美国有n g c 和o m a c 项目，欧洲有o s a c a 计划，日本也有o s e c 计划1 4 5 l 。主流的控制器 厂商如s i e m e n s 也在自己的产品中提供了具有开放特色的功能，以供客户开发 自己的人机界面。我国的标准化组织也一直致力于成立自己的开放式控制器标准 组织，例如国内控制器厂商、高校和科研院所共同制定了g b 厂r1 8 7 5 9 1 机械电 气设备开放式数控系统第l 部分：总则标准。 就结构形式而言，当今世界上的数控系统大致可分为4 种类型 4 6 , 4 7 】： 1 ) 传统型数控系统：如f a n u c o 系统、m i t s u b i s h i 系统、s i e m e n s 系统等，是 一种专用的封闭体系结构的数控系统。 2 ) p c 嵌入n c 型数控系统：该类型系统是将p c 装入到c n c 内部，p c 与 c n c 之间采用总线连接，系统数据传输快，响应迅速，原型c n c 系统也可不加 修改就得以利用。 3 ) p c + 运动控制器型数控系统：此类型数控系统采用高速d s p 作为运动控 制器处理器，具有很强的运动控制和i o 控制能力，提供开放的函数库，目前被 广泛应用于制造业、自动化控制等各个领域。 4 ) 全软件型数控系统，其c n c 的全部功能均由p c 实现，并通过装在p c 机扩展槽的伺服接口卡对伺服驱动等进行控制。此类数控系统的软件通用性好， 编程处理灵活，但是原型c n c 资源难以得到利用，目前实时控制的实现也比较 困难。 本课题的目标是构建可自行配置的皮革c a d c a m 系统，以满足不同企业 的需求，因此系统的结构必须是开放式的，应具有如下特点 4 8 1 ：1 ) 采用系统、子 系统和模块分级式的控制结构；2 ) 开放式体系结构中各模块相互独立，可以方便 地把功能模块加入系统中；3 ) 具有网络通信功能，以便各子系统及功能模块通过 网络进行通信。 构建符合上述要求的开放式数控系统，可以采用“p c + 运动控制器”形式的 数控体系结构。在这样的体系结构下，p c 机作为上层的控制终端，主要用于系 统的非实时功能管理、协调工作，而裁剪运动则由运动控制器的高速d s p 进行 实时的控制。 2 2 2 皮革数控裁剪系统方案 通过对生产企业的调研，了解到皮革产品的数控加工工艺流程如图2 2 所示。 9 浙江大学硕士学位论文皮革数控裁剪系统裁剪控制技术研究 幽2 2 皮革数控裁剪工艺流程图 基于上述的加工工艺流程，结合第一章节中对数控裁剪技术的分析，本课题 选用机械式裁剪方案，设计的皮革数控裁剪系统加工流程如图2 3 所示。 1 裁剪准备：工人将整张皮革铺在加工台面上，摊平并覆盖上透明塑料薄 膜( 防止真空吸附时漏气) ： 2 真空吸附：通过真空泵在布料下方抽真空，使皮革材料在负压下压实， 确保在裁剪时不会移动，保证裁剪质量； 3 裁剪优化：导入排版文件，进行文件预处理、裁剪参数设置( 包括电机 类型、编码器类型、软限位范围、电机启动、各控制轴的速度、加速度预设等) 、 下刀路径优化、拐角过渡处理等操作； 4 裁剪预览：预览加工效果，若符合要求，生成加工控制代码，并向下执 行步骤5 ，若不符合裁剪要求，返回步骤3 ； 5 回零操作：裁剪系统置零，消除累计误差，准备裁剪； 6 裁剪加工：将加工控制代码下载至运动控制器存储器中，控制器根据指 令控制裁刀沿一定轨迹运动，将皮革材料裁剪成要求样片。 基于提高系统生产效率的考虑，裁剪系统在结构上采用双工作台设计。当一 工作台进行裁剪加工时，可在另一工作台进行铺皮、抽真空、裁剪路径优化等操 作，待一工作台裁剪完成时，可以立即开始另一工作台的裁剪加工，提高系统加 工效率。 2 2 2 1 裁剪系统总体设计方案 根据对皮革裁剪的流程分析，确定了裁剪机总体设计方案 4 9 - 5 ，如图2 4 所 示。 裁剪系统工作原理流程描述如下： 裁剪机进行加工时，先通过系统控制软件导入标准格式( d 格式) 的排 版优化图形，通过编写的接口程序生成控制卡能识别的数控加工文件，并下载到 运动控制器的存储器中，由控制器的高速d s p 芯片进行轨迹插补运算，生成控 制指令，并输出到伺服单元，控制刀头的平面轨迹运动及裁刀的切割运动。为了 保证皮革裁剪顺利进行，采用真空吸附方式辅助皮革定位。 1 0 浙江大学硕士学位论文 皮革数控裁剪系统裁剪控制技术研究 图2 3 数控裁剪系统工作流程图 图2 4 皮革数控裁剪系统示意图 横梁 皮革数控裁剪系统主要有以下几个特点： 1 裁剪速度高( 与一般数控裁剪系统相比) 。根据实际生产需要，进给速度 可达到l m s 2 机床尺寸大。为了能够在工作台面上铺放整张牛皮，设计单个工作台面 尺寸达到3 m x 3 5 m ，若采用双工作台的设计，工作台台面尺寸将大于3 m x 8 m 。 3 皮革材质柔软，需采用真空吸附方式进行皮革固定。 浙江大学硕士学位论文皮革数控裁剪系统裁剪控制技术研究 2 2 2 2 裁剪机关键技术设计方案 皮革数控裁剪的特点决定了机床结构、进给传动方式、刀头控制方式和装夹 定位方式的设计。裁剪机关键技术设计方案如下。 1 机床结构设计 皮革数控裁剪机由放置皮革的工作台面和裁剪刀头的移动装置组成，可以分 为龙门式和悬臂式。 由于在皮革裁剪中，原料皮革尺寸较大，一般为3 3 5 掰2 左右，使得工作 台面尺寸大，又因为加工效率的需要，裁剪机需要较高的运行速度，最快达到 lm s 。要求系统能够快速起停与运行。在这样的工作要求下，采用龙门式结构 比较合理。由于横梁的跨度较大，若只采用单边驱动，很容易造成横梁扭转，产 生危险情况。对此，必须在龙门两端各安装一个电机进行同步驱动，并保证两侧 电机运行的严格同步。 2 进给传动方式选择 进给机构将伺服电机的旋转运动变为工作台的直线运动。在裁剪过程中，进 给运动主要包括：横梁在床身上的纵向( x 方向) 运动，刀架在横梁上的横向( y 方向) 运动，以及裁刀旋转( z 方向) 运动。 1 ) 纵向驱动设计 裁剪时，横梁需要在机床导轨上作高速运动，可实现的传动方案有丝杠螺母 副、齿轮齿条副及直线电机驱动等方式。与丝杠螺母传动相比，齿轮齿条传动耐 磨性较好、减速比较小，价格低；但其传动的平稳性较差，定位精度不高，而且 存在齿间隙。大功率的直线电机则成本高，且运行时产生的热量、磁场较大。综 合考虑实现成本及实际加工装配条件，选择齿轮齿条传动方案。在床身机体的两 侧分别装一套齿轮齿条运动副来驱动横梁。齿轮齿条运动副的传动精度虽然不 高，但是通过提高制造、装配精度，可以满足皮革裁剪精度的要求。在伺服电机 端采用尼龙齿轮，可以有效地降低噪音、避免齿条磨损，便于裁剪机维护。 2 ) 横向驱动设计 在裁剪时，刀架需要在横梁上快速运动，而横梁本身也是运动部件，因此除 考虑横梁的驱动性能外，还要考虑横梁的轻便性。综合以上因素，选用德国某公 司的齿形带驱动轴，该轴质量小、刚度高，有利于实现横梁的高速运动，且同步 齿形带传动方式传动准确、平稳、噪音小，且允许线速度高，结构紧凑，满足机 床横向驱动要求。 3 刀头控制方式 裁剪机工作时，裁刀沿着样片轮廓进行裁剪，随轮廓变化变换角度。此外， 还需控制裁刀的起落，配合样片裁剪。经过调研得知，皮革裁剪过程中，一般使 用圆片裁刀、直刀、成型冲刀三种刀具，其中圆片刀供正常裁剪使用，直刀用于 1 2 浙江大学硕士学位论文 皮革数控裁剪系统裁剪控制技术研究 裁剪皮革样片小的过渡弧线，成型冲刀则用来打孔。裁刀的旋转控制采用伺服电 机实现。 裁刀的起落控制方式有机械式和气动式。机械式的裁刀起落控制可以采用丝 杠螺母副或者曲柄滑块等机构实现，但是机械式刀具起落控制起落速度( 特别是 采用丝杠螺母副) 比较慢，而且刀具起落行程很难调整，行程一旦确定，刀头裁 剪压力无法调节，生产适应性较差，不能满足要求。气动式的裁刀起落控制，通 过双作用气缸来实现起落，不仅运动速度快，而且刀具起落的速度控制、刀头压 力调节都比较方便，起落行程可根据实际裁剪情况自动调节，可以满足裁剪系统 要求。因此，采用气动式裁刀起落控制方式。 4 装夹定位方式 皮革裁剪时，为了防止皮革在工作台上面滑动，需要设计定位与固持系统， 以实现皮革的自动裁剪。一般柔性材料裁剪时，基本采用“前规”或者“侧规” 的方法来定位夹紧。但是由于皮革边缘形状的不规则性，不能采用常规的定位方 法。通过对国外同类型裁剪机的了解，在皮革数控裁剪系统中采用大面积真空吸 附的方法实现裁剪时的皮革定位。 使用具有一定容积的空腔，在空腔的一面开大量微孔，并以这面作为工作台 面，然后在工作台面上放置一层软质多孔板，使用真空泵将空腔抽取到一定的真 空度，这样在工作台面内外将产生压力差，将皮革铺放在多孔工作台面上，并铺 以塑料薄膜，在压力差作用下皮革将被吸附在多孔工作台面上，这种方法有效地 解决了该裁剪系统中皮革的装夹定位难题，可以有效地保证皮革切割断口完全分 离。真空吸附皮革限制了裁剪过程中皮革在裁剪方向上的两个自由度，避免了装 夹对裁剪精度的影响，同时与传统裁剪定位方法相比，在刀具行走方向变更时不 需要重新装夹，有利于提高裁剪效率。 2 2 3 皮革数控裁剪系统的主要设计参数 在皮革数控裁剪系统总体设计方案的基础上，结合国外先进皮革数控裁剪系 统技术参数，确定了所研制的裁剪系统的主要设计参数，并列举了格伯公司的 t a u r u sx d 裁剪系统产品参数进行参考【3 ”。 浙江大学硕士学位论文皮革数控裁剪系统裁剪控制技术研究 2 1 美国g e r b e r 公司t a u r u sx d 裁床主要技术参数 外形结构双工作台最大裁剪速度1 2 7 m s 真空泵2 个大流量最大裁剪加速度 1 0 1 6 r a s a 裁刀4 把，1 支标记笔伺服电机 交流无刷电机 裁剪控制p c 机机床尺寸2 7 4 m x7 3 1 m 捧样自动或人工安装面积 3 6 m 7 3 l m 操作系统w i n d o w sx p p r o 工作台高度 o ，8 2 - _ 0 8 5 m 处理器 i n t o lo r a m d 皮革扫描0 5 m m 裁剪对象皮革、布、薄膜等读入数据格式 n c 、d x f 、l g e s 真空压缩机 2 个9 k v a ( 1 0 h p ) 生产数据管理每张皮革生产日志 电源3 相1 9 0 - 2 2 0 v a c驱动系统1 5 a ( 单相) 2 2 0 v a c 空气压缩机 1 4 1 5 1 p r 0 5 5 8 3 b a r 裁剪效率1 5 张皮革纠、时 表2 2 本课题组研制的裁剪机主要技术参数要求 外形结构双工作台最人裁剪速度 l0 m s 真空泵1 个1 6 0 l h境丈裁剪加速度 1 0 0 m s 裁刀3 把裁刀伺服电机i k w 交流伺服电机 裁剪控制运动控制器插入p c 机机器外形尺寸 4 1 0 8 1 0 m 捧样自动或者人- 安装面积4 0 x 8 0 m 操作系统 w i n d o w sx pp r o 工作台高度 08 0 到0 8 5 m 空气压缩机0 6 m 3 m i n0 8 m p a 裁剪精度 0 5 m m 裁剪对象皮革等软性材料数据格式n c 、d x f 处理器 i n t e lp e n t i u m42 4 g 裁剪效率1 5 张皮革d , 时 2 3 皮革数控裁剪控制系统的硬件设计 2 3 1 控制系统硬件结构 皮革数控裁剪控制系统主要包括：工业控