智能服装裁割机中运动控制系统的研究与开发硕士学位论文.doc
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1、硕士学位论文论文题目:智能服装裁割机中运动控制系统的研究与开发 Dissertation Submitted to Zhejiang University of Technologyfor the Degree of MasterResearch and Development of Motion Control Systems in Intelligent Cloth Cutting MachineCandidate: Lin ShilinAdvisor: Professor Yu LiCollege of Information EngineeringZhejiang University
2、 of TechnologyNov 2008学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本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
3、用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名:日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所提交的学位论文是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外,本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果,也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。作者签名:日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学
4、校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本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和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密,在_年解密后适用本授权书。2、不保密。(请在以上相应方框内打“”)作者签名:日期: 年 月 日导师签名:日期: 年 月 日浙江工业大学硕士学位论文智能服装裁割机中运动控制系统的研究与开发摘 要经济全球化及企业的自动化生产管理,让自动化技术得到越来越广泛的应用。服装产业有着巨大的市场,面对快速变化的客户需求,服装企业的生产效率和生产成本的高低决定了企业的竞争力。服装裁
5、割机作为服装加工的重要工具,其性能决定了生产效率,服装裁割机的智能化将推动服装产业的快速发展。为提高服装裁割机的加工速度和加工精度,缩短加工时间,本文在查阅较多国内外相关文献的基础上,对服装裁割机运动控制系统进行了研究,其中的关键点是:1、如何对服装裁割机的刀具空行程路径进行优化,以缩短刀具空行程路径;2、采用何种合适的控制方法对切割多条连续线段时的速度进行控制,以提高加工速度。本文的研究内容和取得的结果如下:1、介绍了DSP处理器TMS320F2812的结构及其可利用资源、步进电机驱动器M542的主要引脚及功能,并构建了以DSP为主芯片的运动控制器硬件平台,其中包括电源模块、串口通信模块、位
6、置检测模块。2、设计刀具空行程路径的优化算法。路径优化时考虑切割轮廓顺序受限,轮廓数多且各个轮廓的点数不同的情况,将遗传算法和启发式搜索方法相结合,设计了特殊的染色体、交叉和变异因子,并且能够自适应的改变交叉和变异概率。3、采用5段S曲线预处理方法对多段线段的加工速度进行控制,考虑了拐角处对速度的限制,使得在加工过程中尽可能地保持高速,并让速度过渡平滑,避免机床的柔性冲击。4、在上位机上编写了一个应用软件,包括了PLT文件读写模块、路径优化算法模块、串口通信模块和数据显示与编辑模块;在DSP上实现了速度控制算法及插补算法。5、最后,对本文进行总结,并提出了一些进一步研究的问题。关键词:运动控制
7、,路径优化,速度控制,插补算法vRESEARCH AND DEVELOPMENT OF MOTION CONTROL SYSTEMS IN INTELLIGENT CLOTH CUTTING MACHINEABSTRACTAutomatic technologies are used more and more because of globalization of economy and automatic management of enterprises. The market of costume industry is huge but the competition is fier
8、ce. It is very important to enhance producing efficiency and reduce costs of product in front of fast demands of customers. Cloth cutting machine which performance decides the efficiency of an enterprise is a main kind of facilities in clothing manufacturing, and its intelligence will force the deve
9、lopment of the costume industry.For enhancing the speed and precision of the cloth cutting machine, this thesis study its motion control systems based on reviewing the corresponding results in existing literatures. The key of the study is how to optimize the path for shortening the trace of the cutt
10、er and how to control the speed of the cutter for reducing the time spent. The main work and contribution of the thesis are as follows:Firstly, the structure and the resource of DSP processor named TMS320F2812 are introduced. Main pins and its function of step motor driver named M542 are referred as
11、 well. Then the hardware platform of the motion controller is built including the power, serial communication and position measurement.Secondly, an optimization algorithm is proposed under condition that profiles should be cut from inner to outer layer. Uncertainness of the number of profiles and ho
12、w many points on profiles makes the problem more complex. So the genetic algorithm (GA) combined with effective heuristic is designed to find a minimum-cost tour passing through one node from each cluster. The special chromosome, crossover operation, mutation operation and the self-adaptive strategy
13、 are presented in the proposed algorithm.Thirdly, the speed limitation when the cutter pass through the corner between two lines is considered, and in order to make sure that the speed changes smoothly and maintain a high value when processing the stuff, a preprocess method with “S” curve divided in
14、to five segments is used in the speed control. The method will avoid the flexible clash of the cloth cutting machine.Fourthly, an application is completed including the function of reading PLT files, tool-path optimization, serial communication, data show and edit. And the speed control algorithm an
15、d interpolation method are carried out on the DSP processor.Finally, the work accomplished in this thesis is briefly summarized and some remarks on further improvement of the motion control systems are also presented.Key Words: motion control, tool-path optimization, speed control, interpolation目 录摘
16、要i第1章 绪论11.1 引言11.2 背景及意义11.3 国内外研究现状31.4 本文的工作7第2章 服装裁割机运动控制系统硬件结构设计与实现92.1 服装裁割机整体系统结构92.2 DSP处理器TMS320F2812102.3 步进电机驱动器M542112.4 运动控制模块的硬件设计与实现132.4.1 电源模块设计142.4.2 串口通信模块设计142.4.3 位置信号检测模块152.4.4 TMS320F2812信号162.4.5 系统电路板及实物图16第3章 裁割机运动路径优化183.1 路径优化问题的提出183.2 遗传算法203.2.1 遗传算法原理203.2.2 遗传算法的特点
17、213.3 路径优化算法设计223.3.1 确定轮廓包含关系表223.3.2 路径模型243.3.3 染色体编码与解码253.3.4 选择因子设计273.3.5 变异因子设计283.3.6 交叉因子设计283.3.7 自适应机制303.3.8 启发式搜索30第4章 裁割机运动速度控制324.1 速度控制问题的提出324.2 S曲线速度控制344.3 多段线段的速度控制394.4 速度控制仿真434.5 插补算法46第5章 服装裁割机运动控制系统的软件设计与实现495.1 上位机软件设计与实现495.1.1 PLT文件读写模块495.1.2 路径优化算法模块515.1.3 串口通信模块555.1
18、.4 数据显示与编辑模块565.1.5 软件界面与应用示例575.2 速度控制与插补算法软件设计与实现615.2.1 速度控制的软件设计与实现615.2.2 插补算法的软件设计与实现64第6章 总结与展望676.1 研究工作总结676.2 展望68参考文献69致谢72攻读学位期间参加的科研项目和成果73第1章 绪 论1.1 引言工业化进程的加速和自动化技术的越来越广泛应用将促成企业生产设备的更新及生产效率的大幅提高。我国的服装行业有巨大的市场,要适应客户需求的快速变化,就需要有快速的生产流程。服装裁割机作为服装加工的重要工具,其性能决定了生产效率。对服装裁割机运动控制系统的研究有利于改善裁割机
19、的工作效能,从而提高企业的竞争力。1.2 背景及意义随着经济全球化进程的加速推进,中国服装产业的发展既面临着难得的历史机遇,也面临着来自国内外的双重竞争和挑战。自上世纪80年代以来,我国服装产业发展出现了突飞猛进的势头;但与此同时也出现了许多问题,其中一个就是服装产业的自动化水平不高,结构质量比较低下,没有形成集研发、设计、制造、销售等于一体的纵向产业链,也没有形成区域间联动发展的横向产业链。纵观我国的服装市场,国际顶级服装大牌纷纷进驻中国,并牢牢地垄断着高端市场,国内的品牌无法与他们抗衡;而在市场潜力更大的中档市场上,更多的国际中低档品牌,甚至在国外不值一提的小品牌也纷沓而至,抢滩中国,在国
20、内合作伙伴的帮助下,迅速地扩大着他们的市场份额。而中国的品牌服装企业则在价格战、宣传战、广告战中消耗着实力,但却得不到消费者的青睐。究其原因,除了我们的企业在设计创意、市场运作、品牌管理等诸多方面的差距外,最重要的原因就是企业生产过程的自动化水平不高,集中表现在裁割工艺落后,服装CAD/CAM(计算机辅助设计和制造)自动化裁割系统普及水平低,因此出现技术附加值低,低档次类似产品的恶性竞争1。我国服装制造业虽名列世界前茅,但企业规模太小,制造过程自动化水平不高,难以产生规模效益,在与跨国大公司的竞争中,难以取得市场优势。制造业自动化设备的落后,特别是没有配备必要的自动化成套系统,导致生产效率低下
21、。我国制造业的人均劳动生产率远远落后于发达国家,仅为美国的1/25、日本的1/26、德国的1/20。产业主体技术依靠国外,有自主知识产权的产品少,依附于国外企业的组装业比重大。按不完全统计,目前全国有10多万家服装类企业,3万多家制鞋企业,5万多家皮衣企业,2万家箱包企业,沙发和工艺品玩具类企业也有3万家,从业人员将近2000多万,每年创造产值将近8000亿人民币。仅仅浙江省服装企业就有2万多家,2005年浙江服装制造业完成产值达1000多亿人民币,占浙江GDP比重的8%。加上鞋业、沙发、箱包、工艺品等估计超过2000亿人民币,但目前大多数都是手工制作的劳动密集型企业,工作效率低,缺少科技含量
22、。在欧美、日本等发达国家的服装、鞋、箱包等加工企业中,自动化裁割系统CAD/CAM的使用率已经高达7080%以上,哪怕是只有四、五十人的小工厂也有CAM自动裁割机在使用;而在中国,目前服装、鞋、箱包等CAD/CAM的普及率尚不足6%,而自动裁割机CAM的普及率更不到0.3%!目前性能优良、功能较为完备的服装CAD/CAM系统几乎全部依赖进口。国外较为著名的品牌如美国格柏(Gerber),法国力克(Lectra)和加拿大派特(PAD)等已经占据了大部分的市场份额2。就自动化裁割设备来说,由于设备成本和维护成本较高,目前国内只有少数资金雄厚的大型服装企业引进了这类自动化程度较高的先进服装裁割设备。
23、绝大多数企业基本上仍采用手工裁割的加工方法。虽然也有一些企业及研究单位开发了一些服装计算机辅助设计系统。但主要都局限在服装CAD软件的开发上。服装裁割系统是一个由多项高技术集成的、复杂的机电一体化系统对提高服装面料利用率和裁割效率具有明显作用,由于其结构复杂、机电集成度高、控制难度大,在国内至今还没有性能完备的产品供应。国内涉足自动化裁割领域的企业大都以代理国外产品为主,目前都还没有研发出大型的智能裁割机系统(包括刀具和激光)。目前越来越多企业已经开始关注服装制造业的自动化装备领域,并且越来越重视拥有自主知识产权的产品的开发,主要有:戈力远、柯瑞、经纬、奥科等。但普遍规模较小、研发力量落后。其
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