（机械电子工程专业论文）服装自动裁剪系统结构设计与优化研究.pdf

摘要 摘要 本文主要研究与设计了服装自动化裁剪系统，包括机械系统、电气控制系 统、关键零件振动模态分析和结构优化措施。机械系统讨论了总体方案、传动与 支撑、曲柄滑块机构、裁剪头、辅助系统等。电气控制研究了运动控制和气动真 空系统。随后针对本裁剪系统的移动横架进行了振动模态分析，掌握了其固有频 率的内在规律，研究讨论了相应的结构优化方案。 本文首先讨论了机械系统总体设计方案，提出基于机械刀片高速往复振动的 裁剪方式。结合系统技术要求，制订了裁剪工作流程。在对比分析各种传动与交 撑方式的特点，综合考虑成本、精度、维护性等基础上，确定了以同步带、齿轮 齿条为系统的主要传动方案，以精密直线运动球轴承导轨为主要支撑方式。然后 详细阐述了本裁剪系统核心工作机构一裁剪头的设计，包括刀片振动切割与自动 转角机构、自动瘩刀机构、迸刀机构。对驱动刀片高速振动的曲柄滑块机构进行 了运动学分析和仿真验算。给出了整机动力装置选型过程，最后讨论了裁剪辅助 系统。 电气控制部分构架了采用c a n 总线的以p c 机和输入输出模块为基础，基于 运动控制卡加马达驱动器和伺服、步迸马达的运动控制系统，讨论了气动与真空 系统的组成和工作原理，实现机、电、气的协调控制。 移动横架是整个裁剪系统至关重要的一部分，是工作台x 、y 方向运动的纽 带，也是裁剪头的运动机座，其性能关系到裁剪工作的精确定位、系统的快速响 应和稳定运行。本文以振动理论为基础，利用有限元软件a n s y s 对移动横架迸行 了模态分析，通过计算得到横架前十阶的固有频率和振型，给出了频率数据表和 变形图。在此基础上，运用视械优化设计方法，对横架迸行结构优化。分析了结 构参数与固有频率之间的敏感度关系，并以横架的固有频率为目标，以横架结构 参数为设计变量，建立了优化数学模型。在a n s y s 中编写了完整的优化计算程序 并运算，获取的相关数据、曲线、图表证明，优化研究实现了结构改进的预期目 标。 关键词；服装裁剪；裁床；优化设计；模态分析 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nh a sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e da u t o m a t i cf a b r i cc u t t e r ，i n c l u d i n g m e c h a n i c a ls y s t e m ，e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，v i b r a t i o nm o d a la n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o n o n k e yp a r t t h em e c h a n i c a ls y s t e m h a sd i s c u s s e dt o t a l s c h e m e ，t r a n s m i s s i o n ， s u s t e n t a t i o n ，s l i d e r - c r a n km e c h a n i s m ，c u t t i n gh e a d a n da u x i l i a r ys y s t e m e l e c t r i c a l c o n t r o ls y s t e mh a ss t u d i e dm o t i o nc o n t r o la n dp n e u m a t i ca n dv a c u u ms y s t e m t h e n v i b r a t i o nm o d a la n a l y s i so nm o v i n gb e a mo ft h ec u t t e ri sp e r f o r m e d ，i n t r i n s i cr u l eo f n a t u r a lf r e q u e n c yo ft h eb e a mi sf o u n do u ta n dac o r r e s p o n d i n go p t i m i z a t i o nd e s i g ni s g i y e n t h ed i s s e r t a t i o nf i r s t l yd i s c u s s e st o t a ls c h e m eo fm e c h a n i c a ls y s t e m ，i n t r o d u c e sa m e t h o do fc u t t i n gb a s e do nh i g hs p e e dm o v e m e n to fb l a d e w o r kf l o wo fc u t t i n gi s m a d e a c c o r d i n g t ot e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s b a s e do nc o m p a r i s o no fm e t h o d so f t r a n s m i s s i o na n ds u s t e n t a t i o n ，l o wc o s t ，p r e c i s i o na n dm a i n t a i n a b i l i t y , t i m i n gb e l t d r i v i n ga n dg e a r r a c kd r i v i n ga r ea d o p t e da st r a n s m i s s i o ns c h e m ea n dl i n e a rb u s h i n g r a i l i sa d o p t e da ss u s t e n t a t i o ns c h e m ef o rt h ec u t t i n gs y s t e m t h e nak e ym e c h a n i s m - - c u t t i n gh e a di sr e s e a r c h e d ，w h i c hi sc o m p o s e do fb l a d e v i b r a t i o nc u t t i n ga n da u t o m a t i c r o t a t i n gm e c h a n i s m ，g r i n d i n gm e c h a n i s ma n db l a d e f e e d i n gm e c h a n i s m k i n e m a t i c s a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no ns l i d e r - c r a n km e c h a n i s ma r ef i n i s h e d f i n a l l ys e l e c t i o no f d r i v i n gd e v i c e sa n ds t r u c t u r eo fa u x i l i a r ys y s t e ma r ed e s c r i b e d af r a m eo fm o t i o nc o n t r o lc o m p o s e do fp c ，i om o d u l e ，m o t i o nc o n t r o lc a r d ， s 科 v om o t o ra n ds t e p p i n gm o t o rb a s e do nc a nb u si se s t a b l i s h e di ne l e c t r i c a lc o n t r o l s y s t e m ，t h ep r i n c i p l eo fp n e u m a t i ca n dv a c u u ms y s t e ma r es t u d i e da n dg i y e n ，a sar e s u l t ， t h i si n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mr e a l i z e sm e c h a n i c a l ，e l e c t r i ca n d p n e u m a t i ch a r m o n y m o v i n gb e a mi sav e r yi m p o r t a n tp a r to ft h ec u t t i n gs y s t e m ，w h i c hi sab r i d g e l i n k i n gx a x i sa n dya x i sm o v e m e n to fw o r k b e n c ha n daf r a m ef o u n d a t i o nf o rc u t t i n g h e a d ，i t sp e r f o r m a n c ei n f l u e n c e sp o i n t i n gp r e c i s i o no fc u t t i n g ，q u i c kr e s p o n s eo ft h e s y s t e m ，s t a b i l i t yo fm o v e m e n t b a s e do nt h e o r yo fv i b r a t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e s m o d a lo ft h eb e a mu s i n ga n s y s a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fc a l c u l a t i n go nt e ns e t so f n a t u r a lf r e q u e n c ya n dm o d a lv i b r a t i o n ，t r a n s f o r m a t i o nf i g u r e sa n dd a t at a b l ea r es h o w e d i i l 奎三些查茎二兰堡：! ：兰竺兰兰 t h e na n a l y s i so ns e n s i t i v i t yr e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dn a t u r a l f r e q u e n c y o fb e a mi sp e r f o r m e d ，a n da no p t i m i z a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d ，i nw h i c ht h e o b j e c t i v ei sn a t u r a lf r e q u e n c yo fb e a ma n dd e s i g nv a r i a b l ei ss t r u c t u r ep a r a m e t e r so f b e a m t h i sd i s s e r t a t i o ng i v e sap r o g r a mo ft h eo p t i m i z a t i o np r o c e s si na n s y s d a t a f r o ms o l v i n gt h ep r o g r a ms h o wt h a to p t i m i z a t i o nr e a c h e st h ea n t i c i p a t i v ea i mf o r i m p r o , l f e m e n to ns t r u c t u r e k e y w o r d s = f a b r i cc u t t i n g ；a u t oc u t t e r ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；m o d a la n a l y s i s 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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，不包 含本人或其他用途使用过的成果。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，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字： 指导教师签字： 渺1 年6 只2 _ e t 第一章绪论 1 1 课题研究背景与意义 1 1 1 服装工业背景 第一章绪论 服装工业是我国的支柱型产业之一，在国民经济中占有非常重要的地位。加 入世贸后，我国的服装外贸和服装内销市场在未来相当长一段时间内都被看好。 随着社会经济的发展，人们生活水平和文化修养的提高，人们的衣着消费也发生了 变化，由最初的盲目的从众变为追求品牌和个性，款式上既显示个性又具有时代特 色。服装穿着品味的提高，促使服装业向多品种、小批量、短周期、高质量方向发 展，而服装c a d c a m 技术正适应服装业的发展特点，具有对市场的快速反应能力，成 为服装企业面对市场竞争的有效工具。2 0 世纪6 0 年代初，自美国g e r b e r ( 格柏) 公司率先将c a d 技术应用于服装加工领域并形成了一种新的技术产业以来，服装 c a d c a m 技术得到了飞速的发展，这项技术在服装工业从“劳动密集型”向“技术 密集型”转化过程中起到了承前启后的作用m m m 。c a d c a m 技术推动服装工业迅速 发展主要表现在三大方面：缩短了新产品的开发周期，从而提高了劳动生产效率； 提高了产品设计、产品精度，从而提高了产品质量；节省人力、物力、空间和时间。 从而降低了成本。因此，在许多工业技术发达的欧美国家，服装c a d c a m 系统在服 装企业中拥有率高达7 0 以上，在我国台湾服装c a d c a m 技术拥有率也达到3 0 。 与国外相比，我国开展服装c a d c a m 技术研究与应用起步较晚，服装行业自动 化程度较低。虽然目前我国服装产量居世界首位，但绝大多数服装企业依然主要 依靠人工来完成生产，全国五万多家服装企业c a d c a m 的普及率尚不到7 ，与发达 国家的差距非常明显，这对于我国服装企业应对经济全球化趋势的冲击是极为不利 的。 1 1 2 服装c a m 装备 服装c a m 设备的主要功能是利用服装c a d 系统的衣片设计与排料的数字化信 广东t 业大学t 学硕。f ：学位论文 息直接与自动生产制造系统联机作业，制成n c ( 数字控制) 加工指令，控制自动 生产制造系统。服装c a m 设备主要包括：宽幅面绘图仪、自动裁剪机 电脑裁 床) 、铺布机、自动打标机等。 服装裁剪，是服装生产制造的重要工序之一。传统意义上来说，是指将样板 排料图纸覆盖在层叠的布料上，使用各种机型的裁剪机将布料裁成衣片“，。从旧式 的简单的手推电动式裁剪机到现代大型电脑控制的服装裁床是一个巨大的转变， 称为计算机数字控制自动裁剪系统( a u t oc u t t e r ) 电脑裁床由计算机控制，直 接接收c a d 的设计信息，省去了打板工序。机器对布料自动进行裁剪，彻底改变 了服装人工裁剪的方法，极大地提高服装裁剪效率，其裁剪效率是任何其它裁剪 方式无法摆比的“t 。 作为溶入了先进信息技术的典型机电一体化产品，全自动电脑裁床是服装生 产企业从工业时代向信息对代过度的标志性设备，是计算机辅助制造( c a m ) 的实 际应用。电脑裁床的高效使用还必须配有电脑拉布杌( c a s ) 、电脑吊挂系统 ( c i s ) 等硬件和服装设计系统( c a d ) 等软件豹支持，这些设备所组成的系统为 制衣企业的生产环节( 缝制、后整理除外) 提供了完美的解决方案“1 。目前全世界 能够推出商业化裁床的厂商主要有美国g e r b e r 公司、p g m 公司、加拿大p a d 公 司、法国l e c t r a 公司、西班牙i n v e s t r o n i c a 公司、德国a s s y s t 公司和日本川 上、高冈公司”1 。 1 1 3 开展服装c a m 核心装备研究的意义 中国名牌战略推进委员会公布了中国名牌产品。十一五”重点培育指导目 录，确定了从2 0 0 6 2 0 1 0 年每年的中国名牌产品重点培育范围。其中，高档服 装裁剪整烫类缝制机械被列入机械类2 0 0 8 年目录名单。中高档服装裁剪整烫类缝 割机械属于成线成套设备，科技含量商，价格昂贵，是提升我国服装产业档次水 平和创建中国世界服装品牌的重要支撑力量。 我国现今约有五万家各种规模的服装企业。截止2 0 0 5 年的服装产品出口额达 4 3 0 亿美元，强劲的发展势头带动了服装行业对先进高效的c a m 设备的巨大需求。 目前，国内拥有电脑裁床系统的服装企业总数上大约在5 0 家左右，这相对于企业 总数近5 万的服装行业来说还有很大的上升空间。但是，电脑裁床是一种技术含 量较高的机电一体化产品，其机械结构复杂，运动速度极快，例如德国艾斯特夯 2 马公司的t u r b oc u t2 5 0 1 型裁床最大裁剪速度高达1 2 0 米分钟，平均有效裁剪速 度达1 5 米分钟，裁床被认为是裁剪设备中技术含量较高、研制难度较大的一种机 器，目前国内企业、科研单位还没有完全掌握生产此类设备的技术。因此，我国 颇具潜力而近乎空白的裁床市场受到了国外电脑裁床系统生产商的高度重视，纷 纷开拓中国市场，展开激烈竞争，而国内技术起步较晚，结果就是现今国内市场 上的裁床1 0 0 为国外进口产品。国外品牌的电脑裁床，性能稳定，速度快，精度 高，故障少，但价格非常昂贵，一般欧美的系统不会少于2 0 0 万，日本系统也会 接近2 0 0 万。且维修不方便，费时费力，造成一些大企业“买了怕用，用了怕 坏，坏了怕修”的怪现象，而中小型企业则根本不敢问津。我国服装业是典型的 传统劳动密集型产业，国内服装企业计算机技术应用并不广泛，信息化程度较 低，c a d c a m 市场广阔，潜力巨大。据统计，目前我国电脑裁床现有社会装机总量 不足百台，市场空缺很大。如果每套电脑裁床按人民币1 0 0 万元算，每个企业配 备一套，全国约有5 0 0 0 0 家服装企业，那么整个市场规模将是m ： 5 0 0 0 0 x1 0 0 万= 5 0 0 亿元人民币 据专家预测，现在有1 0 的服装企业具备电脑裁床的购买能力，以后每年会有 3 左右的企业计划购买电脑裁床，那么，未来5 年的电脑裁床的市场规模为： 5 0 0 0 0 x 1 0 x ( 1 + 3 ) 5 x 1 0 0 万= 5 8 亿元人民币 因此，开发具有完全自主知识产权的国产服装电脑裁床，替代进口产品，将 有广阔的市场前景。 以自动裁剪系统为代表的服装c a m 的应用可大大提高服装裁剪生产效率，提 高裁剪的质量，它们代表着服装裁剪的发展方向，标志着一个国家的服装裁剪设备 制造水平。随着服装制造业的发展，这些产品将会逐步取代目前常规使用的裁剪 设备。所以，本课题研究的服装裁剪系统结构设计与优化，对于全面掌握具有自 主知识产权的先进服装c a m 设备，使我国制造的服装裁剪设备制造赶上国际先进 水平，成为世界制造强国，具有重要的理论价值和现实意义。 1 2 本课题国内外研究现状 欧美、日本等国在服装裁床开发与制造领域掌握着先进的技术，通过几十年 的发展积累了大量的经验，无论是在技术研发领域，还是在市场开拓方面都处于 广东丁业大学t 学硕l 二学位论文 行业领先地位。作为世界上最早研发出裁床的公司，美国格柏科技有限公司在这 一市场占有举足轻重的地位，其产品也体现了当今裁床发展的最高水平，国内市 场占有率高达6 2 ，一些名牌服装生产商均是其用户，如上海海螺集团、杉杉集 团、雅戈儿集团、温州报喜鸟服饰等。以格柏的典型产品d c s 2 5 0 0 为例，其主要 技术参数为最大裁剪速度1 1m s ，加速度0 5 9 ，裁剪精度几千分之一英寸，有 效裁剪长度2 7 3 5 6 埘，有效裁剪宽度0 9 l 一4 3 l n ，裁剪头具有多工位工具 架，一次可安装三个工具和一支笔，可裁剪布料、复合材料、皮革、工业面料 等，可见其性能是十分优异的一1 格桕公司最近发布了第一款在中国本土制造的裁 床x l c t 0 0 0 ，最大裁剪厚度可达7 0 埘m ，适合多种织物类型，具有智能变频蒸汽系 统和空气浮选平台。 国内在服装c a d c a m 方面的研究起步相对较晚，但发展势头良好，取得了一 定成果。与服装c a m 不同，经过十多年的高速发展，国内服装c a d 开发商已经不 少，约l o 家左右，他们是宏华、时高、航天7 1 0 、樵夫、日升天辰、爱科、扬格 等，其中以航天7 1 0 、扬格、爱科等表现突出，具备了一定的与进口c a d 产品竞争 的能力，国内用户较多。 从服装c a m 特别是自动裁剪系统方面的论文来看，宁波大学李国富等研究了 数控服装裁剪机的控制系统“”。上海大学张建宏等对基于可编程多轴运动控制器 ( p m a c ) 的开放式裁剪机进行了一定的研究“。西安交通大学的丁文捷探讨了基 于格柏裁床的数字程序控制技术二次开发“”。2 0 0 3 年福州大学吴盛逵在他的硕士 论文中研究了以激光为切割方式的服装c a d c a m 系统，阐述了整机结构设计、激 光光学装置、硬件控制等“”。浙江大学的朱年军探讨了用于皮革的裁剪机控制系 统设计“”。中国服装研究设计中心的金宁、刘山等研究开发了用于服装裁剪的开 放式服装c a d 排料数据转换软件，能将国内外主流服装c a d 的排料数据进行相互 转换，自动将c a d 排料图形数据转换为自动裁床的数据命令，下达操作指令；在 c a m 工作站屏幕上实现模拟自动裁剪过程，达到加工指令预检目的，直接向裁床发 送裁剪命令。 基于市场的导向作用，国内的服装机械生产商也在谋划自动化裁剪产品的蓝 图，积极进军这新兴领域。深圳盈宁科技有限公司与日本株式会社高鸟合资组 建了上海高鸟机电科技有限公司，专注于自动裁剪产品的开发和生产，已推出了 t a c 系列的多种型号裁床，但系统一些核心部件仍然要依靠从日本迸口，关键技术 4 第一章绪论 来自日本高鸟，离实现真正意义上的自主知识产权产品还有一定距离“”。国内一 些公司如广东粤铭激光集团公司还开发了不同于传统机械刀片式的激光裁床，并 已投入市场。激光裁床与进口的自动机械式裁床相比，主要是裁剪的动力执行方 式不同，前者采用激光，后者采用刀片“”。激光裁床在目前尚不能完全替代自动 裁床，是因为其裁剪的物料要求材质偏硬，对于普通的柔软服装布料裁剪效果还 不理想，但这仍不失为一个有益的尝试。 一个完整的服装裁剪系统由三大部分组成：机械硬件、电气控制、软件系 统，因此先进机电一体化技术都在裁剪系统中得到了最充分的体现和应用。机械 硬件搭建了系统的骨架，是裁剪作业的最终执行者。电气控制是软件系统与机械 硬件联系的纽带。软件系统模块包含了与服装c a d 软件的接口和对裁剪作业的控 制。通过搭建兼容性优异的数据接口，裁床可与各种c a d 实现数据文件的输入输 出，支持的格式包括d x f 、h p g l 、i g e s 等，然后通过编译生成裁剪路径文件和动 作控制程序，完成裁剪作业“”【l ”。 服装行业和市场激烈竞争的特点决定了今后服装裁剪系统的发展趋势必然是 朝着高速、高精度、开放式、柔性化的方向前进。随着各种新型加工手段和复合 型材料的不断出现，机械零部件的加工质量和性能将达到新的高度；从3 2 位向6 4 位处理迈进，从单核向双核甚至多核演变，电子技术也将经历一次新的革命；软 件技术也在向着更大的运算规模、更高的效率和更人性化、智能化的目标前进。 作为这些先进技术的综合体现，自动裁剪系统综合性能也将实现质的飞跃，前景 十分光明。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题研究的服装自动裁剪系统是本人在深圳艾逖恩机电有限公司实习期 间，与公司合作共同完成的。本人主要负责整机机械系统总体设计和详细设计以 及部分控制系统研究，因此本课题涉及服装裁剪系统整体机械硬件和电气控制系 统方案，主要内容包括： 1 、根据系统功能要求，确定机械总体方案和裁剪工作流程，以此为基础开展 系统的详细机械设计和硬件结构构架。 2 、研究系统传动、支撑、动力执行、电气控制以及辅助功能模块，重点阐述 5 奎二些盔兰二兰堡! ：兰堡笙三 裁剪核心部分一裁剪头的设计，针对驱动裁剪刀片高速振动工作的机构进行理论 分析与数学建模研究，并采用仿真工具进行验证，以获得合理可靠的驱动装置。 3 、以振动理论为基础，结合有限元分析，对裁剪系统物理样机的关键结构一 移动横架进行模态分析。求解出横架基于实际载荷情况下的固有频率和振型数 据。 4 、按照机械优化设计的思想，对有可能与系统发生共振倾向的大型零部件进 行结构优化，通过在a n s y s 中建模、加载约束条件、求解，编写一个完整的优化 分析程序，来获得优化后的结构参数，为改善零部件振动特性和整机性能提供依 据。 文中涉及到的一些设计思路，设计方案，控制方法，分析手段以及实现策略 等，能够为其他相关服装机械，或一些典型的机电一体化设备的研制与开发提供 一定的参考。 6 第二章机械系统结构设计 第二章机械系统结构设计 2 1 机械系统总体设计方案 机电一体化技术是从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技 术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一 门新科学技术。与一般的机械系统相比，机电一体化系统除要求具有较高的定位 精度外，还应具有良好的动态响应特性，即响应要快、稳定性要好。为确保机械 系统的传动精度和工作稳定性，在设计中，常提出无间隙、低摩擦、低惯量、高 刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。 图2 1 机电一体化系统构成 f i g 2 - ls t r u c t u r eo f m e c h a t r o n i c ss y s t e m 服装裁剪系统作为典型的机电一体化系统，其裁剪过程一般是先将服装布料 展开平铺并固定在一个平台上，然后用切割工具将布料按照预先设计的任意形状 进行裁剪。按裁剪布料的方式分为接触式和非接触式；根据裁剪头的动力形式不 同有压力水切割、激光刀、机械刀n ” ( 1 ) 压力水切割：切割精度较高，能准确地切割衣片的圆角、尖角，切割速 度快，但设备复杂、笨重，造价成本高，故障处理难度大，而且不能用于切割能 吸水的布料，使用范围有较多的局限性，法国l e c t r a 公司曾经开发过一些产品是 压力水切割的，但后来都不用了。 ( 2 ) 激光式切割：材料适用范围小，速度慢，且切割温度、光束控制难度 大，造价成本高，耗材高，维护保养不易。 7 广东t 业大学下学硕士学位论文 ( 3 ) 机械刀片切割：操作简单，速度快，易于维护，耗材价格低，但切割时 难以处理布料的圆角、尖角，需进行让刀或二次进刀。 根据项目研究需要，本系统确定主要技术要求如表2 - 1 所示： 表2 - 1 裁剪系统技术指标 t a b 2 一lt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o no fa u t oc u t t e r 指标参数 有效裁剪长度( x 方向) 6 m 有效裁剪宽度( y 方向) 1 6 m 裁剪深度 | o m m 最大裁剪速度 6 0 m m i n 刀片振动速度 3 m s 经过综合比较各种方式的优缺点，采用接触式机械刀片裁剪是最合适的。工 作时，布料固定，裁剪头在平面移动。因此，工作台应分为x 、y 两个运动方向， 布料可通过真空覆膜进行吸附固定，可确保切割时布料平整地固定在工作台上。 服装裁剪系统总体机械结构方案如下：系统由工作台、裁剪头、移动横架及 真空吸附装置构成，工作台分为x 、y 两个运动方向，移动横架为y 轴，裁剪头可 在其上移动，移动横架在工作台上沿x 轴运动，真空吸附装置放在工作台机架 下，如图2 - 2 所示。 t z 作奇 图2 2 裁剪系统简图 f i g 2 2s k e t c ho fa u t oc u t t e r 8 第二章机械系统结构设计 2 2 系统传动与支撑方案 根据总体方案，结合技术要求和调研资料，确定如下的裁剪流程。 图2 3 裁剪工作流程 f i g 2 - 3w o r kf l o wo fc u t t i n g x 、y 方向的直线运动可以通过将马达的主轴旋转转换为直线进给来实现。在 从旋转到直线的变换形式中，主要有丝杠传动、齿轮齿条机构、带传动、链传动 等。其中，丝杠传动精度高，运动平稳，轴向刚度高( 即通过适当预紧课消除丝 杆与螺母之间的轴向间隙) ，不易磨损，使用寿命长，效率高，低磨损率，高定 位精度，结构工艺复杂，经济性差，还有一点就是不能自锁，需要采用制动等措 施。另外，x 方向传动距离接近7 米，y 方向传动接近2 米，要制造满足这样长距 离要求的丝杠不仅加工难度极大，而且成本也是极其昂贵的。链传动不能保持瞬 时传动比恒定，工作时噪音大，磨损后易发生跳齿，不适用于急速反向传动的场 合。带传动具有结构简单，传动平稳、造价低廉、不需要润滑以及缓冲吸振等特 9 点，尤其是同步带传动，是一种综合了普通带传动和链轮，链条传动优点的一种 新型传动。它在带的工作面及带轮外周上均有啮合齿，通过带齿和轮齿作啮合传 动。为保证带和带轮作无滑移的同步传动，其齿形带采用了承载后无弹性变形的 高强力材料，以保证带的节距不变。因此，同步带具有以下优点：传动比准确( 啮 合传动) ，传动效率高，可达9 8 ，节能效果明显，动态性能好，能吸震，噪声 小，使用保养方便，不需要润滑，耐油，耐磨性和抗老化好，能在各高温、尘灰 等恶劣环境下工作，在精度要求高的系统中应用广泛。齿轮齿条机构瞬时传动比 恒定，速度和传递功率范围大，结构紧凑，传动效率高，可用于从低速到高速的 许多场合“”“”。 综合各传动形式特点，初步决定x 方向传动采用齿轮齿条机构，y 方向传动采 用同步带形式。 本系统结构支撑采用常用的导轨支撑形式。按其接触面的摩擦性质，导轨可 分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨、弹性摩擦导轨。由于直线运动方 式的限制，本系统主要考虑滑动导轨和滚动导轨。但滑动导轨摩擦系数比较大， 在长距离的运动中会造成较大阻力，影响运动速度和寿命，所以决定采用滚动导 轨。 滚动导轨包括滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨、直线运动球轴承导轨和滚动 轴承滚动导轨。其中，直线运动球轴承导轨运动轻便、灵活，精度高，价格较 低，维护方便，更换省事，摩擦系数很小( 0 0 0 3 0 0 0 5 ) ，即使在低速下也不 会出现爬行现象，因而可以使运动部件获得很高的定位精度。鉴于这些突出的优 点，初步决定选择这种导轨为结构的主要支撑方案。 2 3 对心曲柄滑块机构设计 实现高速往复式机械传动的常用机构主要有凸轮机构和平面连杆系中的曲柄滑 块机构。凸轮机构按整周转动和非整周转动的方式，有两种实现从动件往复运动 的方法：整周转动，在工作段依靠升程轮廓完成运动轨迹，而在非工作段即凸轮 基圆处是需要外加归位装置如弹簧等，使从动件完成回程运动；非整周转动，主 要靠凸轮连续正反转，使从动件在升程轮廓的驱使下完成往复运动。前者机构的 缺点是容易造成归位装置疲劳时效，后者则需要驱动马达在极短时间内高速正反 1 0 第二章机械系统结构设计 转，对马达物理性能和控制信号输出速率要求极高，容易造成马达的损坏。曲柄 滑块机构可在不增减零部件的情况下，根据控制信号任意实现整周或非整周转 动，可靠性高，零件加工容易，而凸轮制造和成本均较曲柄滑块高，因此本机选 择对心曲柄滑块机构实现裁刀的高速往复移动，下面研究其具体设计。 图2 4 曲柄滑块机构运动简图 f i g 2 - 4k i n e m a t i c ss k e t c ho fs l i d e r - c r a n km e c h a n i s m 曲柄滑块机构的运动简图如图2 4 所示m - 。 其中： 胄一曲柄长度( 0 a ) d 一曲柄质心 一d 点距回转中心的距离 一曲柄等速回转角速度 广东t 业大学t 学硕_ f 学位论文 一连杆长度( a b ) c 一连秆质心 l c 点距连杆和滑块铰接点b 的距离 s o 一滑块下死点 置一滑块上死点 现把反作为滑块位移s 的起点，由图2 - 4 可知滑块位移和曲柄转角之间的关系 可表达为“”： s = ( r + ) 一( r c o s a + l c o s p ) ( 2 1 ) 由三角函数对角公式有： x o t = 研，定义五= 兰，则 ：上 ( 2 2 ) s i nj 0 s i n a c o s 卢= 正磊巧= 正刁面亏 s = r c - 一c o s 口，+ 三c - 一x l - 2 2s i n 2 a ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 通常五 o 3 ，故对上式可进行简化，根号部分用泰勒级数展开，并取前两项， 得： 厮小三肌；n 2 盯 二 s = r c t c o s 口，j 三c 一c o s z 口， 则滑块速度为 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 矿：堕：r ( s i n a + 兰s i n 2 口) ( 2 7 ) d t 、 2 7 第二章机械系统结构设计 滑块的加速度为 吩= d _ v = 脚2 r ( c o s o ! + 五c o s 2 口) ( 2 8 ) 吩2 百2 脚 0 2 驯 z 轴伺服马达工作时，带动曲柄旋转，连杆作平面复合运动，滑块则作往复直 线移动。把连杆运动进一步分解为随滑块直线移动和绕铰链口的转动两部分。设连 杆相对滑块的转动角速度为，因滑块尽作直线移动，故为连杆的绝对角速 度。 因为= f ，口= 研，r s i nc z = l s i n p 所以。c o s = 五c o s 口，则a = 罂c o s j 由于a 一般小于0 3 ，所以可近似认为c o s p * 1 ，则 吼5 = a c o c o s a ( 2 9 ) 工作时由于连杆边随滑块直线移动，又绕滑块上的铰接点口摆动。所以，质心 c 点的加速度分量有呜、呸t 、4 2 一三项，其中： 铲之警一g ( 0 2 1 , s i n 口 ( 2 1 0 ) 吒r2 彳一8 口 懈 a 2 。= t o z 口= 五2 国2 之c o s 口 ( 2 1 1 ) 曲柄以等角速度旋转，故曲柄质心d 点的向心加速度a 。为： q = r o o , 2 ( 2 1 2 ) 系统技术指标要求裁剪厚度为1 0 m m ，即裁刀切入布料的深度为1 0 m m 。当裁 刀进行刃磨作业时，刀片需要距离布料一定高度，为安全起见同时确保曲柄部分 结构紧凑，设计曲柄长度为r = 1 2 m m ，连杆长度l = 6 3 r a m 。z 轴振动伺服马达的额 定转速为3 0 0 0 r m i n ，则曲柄角速度为国= 3 1 4 r a d s 。 銮：= ! ! ：查兰二茎堡：兰竺丝；兰 根据以上分析和初始数据，在s i m u l i n k 中建立曲柄滑块运动学仿真模型，如 图2 5 所示。 图2 5 曲柄滑块机构运动学仿真模型 f i g 2 - 5s i m u l a t i o nm o d e lo fk i n e m a t i c so fs l i d e r c r a n km e c h a n i s m 运行仿真模型，得到如图2 - 6 所示的滑块运动特性曲线。 一 ： z 二 i 至 s 羞 舞箨 赫呈菰 图2 - 6 滑块运动特性曲线 f i g 2 - 6m o t i o nc u r v eo fs l i d e r 1 4 第二章机械系统结构设计 仿真曲线表明，滑块单向行程为s = 2 4 m m ，在直线运动过程中最大速度为 3 8 3 m s ，最大加速度为1 4 0 9 m s 2 ，完成一次往复需0 0 2 j ，即一分钟可完成3 0 0 0 次往复运动。可以看出，工作时滑块处于高速运动状态，并且根据设计目的，它 还承担着夹持裁刀，传递裁剪力的任务，因此它的运动定位精度和平稳性对裁剪 质量影响重大。受安装空间的限制和工况的要求。滑块的支撑件选用的是微型滚 动直线导轨，为保证正常作业，有必要了解其承受载荷情况，验算使用寿命。 微型滚动直线导轨的型号为日本t h k 公司的r s r - 9 z 型，具有精度高，结构紧 凑，噪音小，成本低等优点，其外形如图2 7 所示。 图2 7 直线导轨 f i g 2 7l i n e a rg u i d e 支撑导轨采取垂直安装方式，导轨滑块运动时受到的轴向载荷可不予考虑， 主要研究径向、横向的力作用m ，导轨与滑块在惯性力作用下所受载荷示意图如图 2 8 所示 图2 8 导轨受力示意图 f i g 2 8s k e t c ho fl o a d so nt h eg u i d e 其中l 为导轨滑块1 ，2 之间距离，s 为曲柄滑块重心到连杆驱动力作用点之 广东t 业，i = 学t 学硕f ：学位论文 间的径向距离( 计算横向载荷时为它们之间的横向距离) ，m g 为曲柄滑块部件和 导轨滑块所受总重力( 分析时认为集中于重心处) 。由于曲柄滑块运动时没有匀 速阶段，故在加速和减速时的载荷为： p _ - m ( 9 8 + a ) s( 2 1 3 ) 2 l 其中： p 一导轨滑块上的载荷( n )m 一曲柄滑块部件和导轨滑块总质量( 硌) a 一曲柄滑块加速度( m s 2 ) 由于设计的曲柄滑块外形对称，其重心与连杆驱动力作用点处在同一平面， 即横向距离为0 ，根据上式知此时横向载荷为0 。对于径向载荷，按照最坏情况， 即加速度最大时求解。曲柄滑块部件和导轨滑块总质量m = 2 6 k g ，4 = 1 4 0 9 m s 2 ， 曲柄滑块重心到连杆驱动力作用点之间的径向距离s = 1 0 m m ，导轨滑块1 、2 之间 距离l = 3 2 r a m ，代入式( 2 1 3 ) 中，锝p = 5 7 6 3 9 n 。 导轨额定寿命为： 厶。叫嘉广5 0 ( k m ) q 1 4 ) 换算成以小时数为单位的寿命为： 厶。= 面厶而o x l 0 3 石 ( 2 1 5 ) 其中导轨基本额定动载荷c - - 1 4 7 k n ，载荷系数丘= 1 2 ，曲柄滑块行程 t = 2 4 r a m ，滑块每分钟往复次数开= 3 0 0 0 次分钟，代入这些数据计算，得： 厶o = 5 5 9 2 3 d h 寸。裁剪作业按7 天x 2 4 d x 时制进行，滚动直线导轨寿命厶。一6 3 年。据 调研，目前自动裁剪系统的大修年限一般为5 年，因此曲柄滑块支撑直线导轨寿 命可以满足正常使用要求。 通过对曲柄滑块机构进行运动学仿真和导轨使用寿命验算，说明裁剪头曲柄 滑块机构的设计是合理与可行的。 1 6 第二章机械系统结构设计 2 4 裁剪头结构设计 裁剪头是服装裁剪系统的主要工作机构，也是整个系统中结构最复杂、布局 最紧凑、功能要求最高的部分，是机械、电控、软件三者联合作用下的直接执行 机构。根据裁剪流程的要求，详细设计了本系统裁剪头的各功能模块。图2 - 9 为 裁剪头布局图。 图2 - 9 裁剪头布局图 f i g 2 - 9l a y o u to fc u t t i n gh e a d 图2 1 0 裁剪刀片 f i g 2 10c u t t i n gb l a d e 广东t 业人学t 学硕 ：学位论文 2 4 。1 刀片振动切割与转角机构 裁剪系统所用刀片为细长薄形刀片。刀口为v 字形，如图2 一1 0 所示，布料的 裁剪依靠裁剪刀片的高速上下振动来实现，设计时采用上面讨论过的曲柄滑块机构 实现刀片的上下往复运动，如图2 - 1 1 所示。 图2 - 1 1 曲柄滑块机构 f i g 2 11c r a n k s l i d e rm e c h a n i s m 图2 - 1 2 转角机构 f i g 2 - 1 2r o t a t i n gm e c h a n i s m 第二章机械系统结构设计 图2 - 1 1 中连杆一端与偏心轮端面上的凸台通过滚动轴承连接，另一端与滑块 座用轴承连接。滑块座固定在直线导轨上，可沿垂直于工作台平面的z 轴运动。 偏心轮固定在马达主轴上。这样偏心轮、连杆、滑块座、直线导轨就形成了一个 曲柄滑块机构，滑块座内置一个双列向心推力球轴承，其中装有轴形夹具，工作时 夹紧刀片，从而实现了裁剪刀片的上下往复振动。 从曲柄滑块机构的运动特性看，整个机构除了做上下往复运动，在上下方向有 力和速度、加速度外，还有连杆施加给滑块座的左右方向的力，并且这个运动的速 度一直在不停的变化，所以存在着加速度。偏心轮在高、低点位置，运动有突变，加 速度很大，这就产生了极大的惯性冲击，如长期使用，将对裁剪机的寿命、精度破坏 极大。由于采用了滚动直线导轨，可以对此冲击进行较好的抵御。 由于裁剪刀有一定的宽度，所以在裁剪过程中裁剪刀的刀刃必须随裁剪线路的 变化随时调整姿态，始终与裁剪方向保持一致。裁剪刀姿态控制由转角机构实现。 图2 1 2 中，当裁剪刀需要进行曲线作业时，转角马达按裁剪曲线的方向，通过齿轮 副带动裁剪刀片实现转角。 2 4 2 自动磨刀机构 经过一定时间的裁剪作业后，裁剪会比较吃力，裁下来的布料存在较多的缕丝， 这是因为裁剪刀片变钝，需要进行磨刀m ，。为了提高