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1、第2 6 卷第3 期 2 0 0 5 年6 月 纺织学报 J o 哪a lo fT b x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 6 N o 3 J u n ，2 0 0 5 基于人机一体优化的手套编织机构的参数设计 张国凤1 2 ，李革2 ，俞高红2 ，赵匀2 ( 1 浙江大学生物系统工程与食品科学学院，浙江杭州3 1 0 0 2 9 ； 2 浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江杭州3 1 0 0 1 8 ) 摘要根据对手套编织机主运动机构的运动分析和建立的数学模型，在V i 蛐a lB 嬲i c6 0 上编写具有良好人机对 话的分析软件。利用该软件根据人的直觉思维、
2、逻辑思维和问题的优化目标，找出一系列能满足机构运动要求的 参数，并对每个参数的4 个较好水平作正交试验，最后用S A s 软件进行正交分析，找到一组最佳参数，通过运动仿 真与分析证明这组参数优于原来的参数。 关键词人机一体优化；手套编织机；正交分析；s A s 软件 中图分类号：r I s1 8 3 6文献标识码：A文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 【2 0 0 5 ) 0 3 0 0 6 9 0 4 P a r a I 眦t e r sd e s i g I l i n go fg l o v ek I l i t t i n gm h a l l i s mb 嬲e do n h
3、u m 粕- c o m p u t e ri n t e 阳c t i O 眦i nc o l l a b o 咫H o n z H A N GG u o f e n 9 1 ”，uG e 2 ，Y uG a o h o n 9 2 ，z H A oY u n 2 ( 1 c o z 妇o ，曰i o 渺细lE ，硒，聊咖口谢F o D d 如r 黜，秭巧泐w 沁倦毋，月a 噼幻u ，z 比洳昭 3 1 0 0 2 9 ，吼i 船；2 c o z 妇e 矿 胁如疵以E n 百n 扰而愕口以A 咖m m 面n ，z 协缸昭踟眈船渺矿& 据，l c eo 以死曲加姗y ，凰咖u ，z k 洳昭
4、3 1 0 0 1 8 ，蕊i ) A b s t r a c t A c c o r d i n gt ot h em o v e m e n ta n a l y s i sa J l dm a t l l e m a t i c a lm o d e l so f 出o v ek n i m n gm e c h 蛐i s m ，aa n a l y t i c a l f t w a r ew 鹊 p r o g m m m e d b yV i s u a lB a s i c6 0 i ss o f t w a r eh 鹊g o o d h u m 蛐_ c o m p u t
5、e ri I l t e r a c t i o I l si nc o a b o m t i o n B yt l l ei m u i t i v ea I l dl o 舀c a l t h o u g h to fh u m a n 锄dt l l et a r g e t o p t i m i z a t i o n ，m a n yg m u p s0 fp 锄m e t e r sw h i c hc o I l l ds 以s f yt h eq u e s to fm m s p l a J l t i n gw e r e f o u n dw i t ht l l e
6、s o f t w a 托 O n I l o g o n a l e x p e r i m e n th a db e e nm a d ew i t l lf o u rb e t t e rl e v e l s o fe v e r yp a m m e t e r Ab e s t g m u po f p a m m e t e r sh a db e e ne 髂i l yf o u n db yS A S ，w l l i c hp m v e dt h a ti t i sb e t t e rt l a nt l l o s e o fo I i g i n a lb y
7、d y n 册i cs i m l 】l a t i o na n da 1 1 a l y s i s I 【e yw o r d sh u m a I l - c o m p u t e ri n t e m c t i o n si nc o U a b o m t i o n ；d o v ek n i t t i n gm a c h i n e s ；o n h o g o n a la n a l y s i s ；S A Ss o f h a 托 手套编织机的主运动为针头板的往复直线运 动，该机构一般采用由一个曲柄滑块机构和一个五 连杆串联而成的串联机构。为减小针头板在高速往
8、复运动中的冲击、噪声，设计该机构时，应在满足针 头板一定的运动行程和运动速度前提下，使针头板 的加速度变化越小越好。 机构常用的设计方法是传统试凑法和优化方 法。传统试凑法得到的参数可以满足运动要求，但 不一定是最好的，因此，优化设计方法成为人们研究 的热点。但对于复杂的非线性约束优化问题，无论 是惩罚函数法、还是遗传算法( G e n e t i cA 1 9 0 r i t h m s ，简 称G A ) 、模拟退火算法( S i m u l a t i o nA 1 只o r i t h m s ，简称 s A ) 与神经网络( N e u 同N e t w o r k s ，简称N N
9、 ) 等其它现 代优化方法，若惩罚函数( 因子) 选择不当，优化结果 也不理想，常常会陷入局部最优解或者花费的时间 代价太大n 2 1 。笔者曾经利用遗传算法对该机构的 参数进行优化，但效果不佳。 本文利用人机一体优化的方法对该机构的主要 参数进行了优化。 1 主运动机构的运动分析及数学模型建立 图1 为手套机主运动机构简图。以点D 为坐 标原点，建立如图l 所示的坐标系x o y ，对机构进行 运动学分析，推得机构的位移、速度和加速度方程。 限于篇幅，这里仅给出铰点E 的位移、速度和加速 度方程。 1 1 主运动机构的位移方程 铰点E ( 即针头板) 的位移方程为 基金项目：国家重大基础研究
10、前期研究专项资助项目( 2 0 0 4 C C A 0 5 0 7 0 0 ) 作者简介：张国凤( 1 9 7 0 一) ，女，讲师，在读博士。主要研究领域为机构计算机辅助分析与设计，机构动力学，优化设计等。赵 匀，教授，博士生导师，通讯作者。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 【7 0 】纺织学报2 0 0 5 年第3 期 戈E = 2 1c 。8 口1 + 2 2c 。8 口2 + 茗c 8 + 1 z c Dc o s 口3 + z 5c o
11、s 口5( 1 ) h ：K J 式中，Z ；为杆件i 的长度；Z 为杆件3 上c 、D 两铰 点间的长度；a ；为杆件i 与菇轴正向的夹角；戈凹为 铰点c 、D 间的水平距离，为常量；K 为位置常量。 口：、口，、口，的方程略去，求解方法见文献 3 。 等嚣竺一) ( 2 ) z c D d3s i n a3 一z 5 d5 s i n 口5( 2 ) 岁E = 0 J 式中，d 。为曲柄的角速度；d ：= 一訾 d ，：一盟坐L 坐竽堡堕罢等生竺兰( z 阳为杆件3 a ，2 一i 五百五万一L 阳州什什j 上，、c 两铰点间的长度) ；d ，= 一警。 铰点E 的加速度方程为 茗E =
12、一z ld ；c o s a l f 2 d ：c o s 口2 一f 2 d2s i n a 2 一 f c 3s i n 口3 一厶珊d ；c o s 口3 一 f 5 d5 s i n a 5 一f 5 d ；c o s a5 少E = 0 式：盟专磐 一d ；z 4 一d ；z 船c o s ( 口3 一口4 ) 口3 2 1 i 尕i = 瓦厂一+ ( d ：z l c o s ( 口l a2 ) + d ；z 2 ) c o s a 4 Z 陀s i n ( 口3 一口4 ) c o s 口2 ( 3 ) d ；Z c Ds i n 口3 + d ；Z 5 s i n 口5 一d3
13、f c D c o s 口3 2 弋丽瓦一 1 3 主运动机构的设计要求 在手套编织机主运动机构的设计过程中，除满 足机构设计的一般条件外，还要满足如下要求：1 ) 针 头板在极限位置时的加速度要尽量小，以减小振动 和噪声；2 ) 针头板在往复直线运动过程中，速度变化 要尽量平缓，以保证纱线编织的均匀性；3 ) 针头板的 速度不能太低；4 ) 为使机器小型化，针头板的行程也 要控制在一定范围内。 由此，可以建立优化数学模型：目标函数取为 F ( 石) = 穷。一m i n ，设计变量取石= Z 。 Z ： z ， z 。z 。 7 ，上面的其余3 个约束条件可以根据前述的 数学模型写出它们的约
14、束方程，限于篇幅这里不再 列出。从前述的数学模型及约束方程看，目标函数 和约束方程都是复杂的混合变量非线性函数，是复 杂的约束优化问题。 2 基于人机一体优化的方法 人机一体优化就是采取以人为中心、人机一体 的技术路线，使人与机器各自执行自己最擅长的工 作，充分发挥各自的特点和优势，取长补短，从而设 计出最优方案H “J 。 要构建一个人机一体优化系统，必须构建一个 合适的人机接口交互式用户界面，使整个优化 过程可视化，以便用户对复杂模型进行直观的识别 判断，从而及时有效地对设计参数进行调整。 2 1 人机接口的仿真软件 利用前述对该机构的运动分析和建立的数学模 型，在v i s u a lB
15、 a s i c6 0 上编写具有良好的人机对话分 析软件。该软件的输入参数包括z 。、z ：、戈。、y 。、扎等 机构各杆件长度和固定铰点的位置参数。它能够根 据机构参数的变化实时地计算输出各关注点位移、速 度、加速度的极值，同时也可进行机构的运动模拟。 利用该软件，也可以进行人机交互设计。用户 根据经验输入一组参数，由计算机实时计算结果并 显示轨迹和进行运动模拟，再根据这些结果，用户就 可根据人的直觉思维、逻辑思维直接判断这组参数 的优良与否，从而实现人机一体优化。由于目标函 数和约束函数都是强非线性函数，很难掌握5 个输 入参数与它们的相关性，若只用该软件来优化，很难 得到最佳结果或要花
16、很大的时间代价，因此本文运 用正交分析的理论来快速得到最优解。 2 2 基于软件的正交试验及优化结果 2 2 1 因素的选择将5 个输入参数z ，、Z ：、f ，、f 。、 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 0 0 5 年第3 期 纺织学报 【7 1 】 f ，选定为正交试验的因素，考察的目标是s 。、i 孙 口。和口铡。4 个指标，S 。为针头板的行程，i 。、 口。、口，幽分别为针头板的平均速度、最大加速度、 杆件5 与省轴正向的最小夹角。根
17、据经验，各选取 4 个较佳的水平进行实验。表l 中列出了所选取的 5 个因素的4 个水平值。 裹1 因素和水平信息表 m 2 2 2基于软件的正交试验设计利用正交表 k ：( 4 5 ) 基于该软件上做正交试验，结果如表2 所示。 表2b 2 ( 4 5 ) 正交试验结果 2 2 3 基于S A S 软件的正交试验结果分析与比 较根据表3 的正交试验结果，下面用S A S 统计分 析软件的正交分析功能对各因素及其各水平对目标 值的影响进行分析门1 。限于篇幅，这里仅列出对目 标o 。一指标的分析结果，对其它目标的详细分析过 程略去。 1 ) 口。一与各因素显著性分析( 一般认为P r F 的概
18、率小于0 0 5 时为显著) 。由表3 可看出口。一与 Z ，、Z ：、Z ，和Z 4 相关。 表3 n 。一与各因素显著性分析结果 2 ) 因素Z 。、f ：、Z ，、Z 。、Z ，各水平对口。一指标的影 响情况见表4 ，分组中字母相同者表示因素各水平 对目标值的影响无显著差异。由表4 看出f 。、Z ：、Z ， 的各水平对o ；影响有显著差异。 综合上面的分析，可以得出各指标与各因子之 间的相关性。这样可以根据需要的目标快速地选择 参数。本文最后得到的最佳机构参数和目标结果见 表5 。 表4 因素各水平对o 。一指标的影响分析结果 因素水平 o E 。均值标准差s Dt 分组因素 水平 o
19、 E 。均值 标准差s Dt 分组 185 3 2 8 40 7 5O1 5 6 74 4 88 6 A185 8 5 6 75 7 505 9 2 02 4 26 lA 285 5 7 7 29 5 0O2 7 4 97 5 37 0B285 9 1 4 46 2 507 3 0 15 4 l7 6A d 386 1 6 2 35 0 0O3 2 4 74 4 97 0C386 0 3 0 01 5 008 4 9 08 8 92 8B 486 7 8 6 87 0 0O3 9 3 75 2 29 5D486 0 5 3 68 7 5O4 2 1 17 7 23 5B l86 1 6 1 l
20、6 0 00 8 1 1 42 1 63 8Al85 9 4 6 55 2 507 8 2 36 7 09 1A 286 0 4 2 38 3 757 3 8 24 5 4 8 6 B Z 5 2 85 9 5 4 64 8 75 7 2 0 00 0 41 1A 385 8 9 0 21 5 004 8 9 85 0 79 6C385 9 6 6 79 3 755 4 5 98 6 59 8A 485 7 6 1 l6 3 755 1 3 83 6 42 3D485 9 8 6 92 7 5O6 1 8 40 4 69 2A 186 2 5 6 78 6 25 7 5 0 53 9 06 7
21、A 286 0 6 3 56 5 0O7 0 6 78 8 68 4 B 1 说明：为实验次数 385 8 5 9 28 6 255 3 0 44 4 15 9C 485 6 7 5 28 5 005 0 0 75 6 20 2D 由表5 看出，在针头板行程| s 。、平均速度i 。基 本相同的情况下，优化组的最大加速度值却小于原 机构；且从优化前后针头板E 位移、速度、加速度曲 线图2 、3 看，原机构在曲柄位置为1 7 5 0 左右时，针头 板加速度变化较大，而优化组的加速度变化相对较 平缓，这将使机构的动力学性能有所改进。 表5 优化结果与原有机构参数和目标值的比较 万方数据 PDF W
22、atermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 【7 2 】 纺织学报 2 0 0 5 年第3 期 7 0 5 0 3 0 1 0 1 0 3 0 5 0 7 0 一一 ，、 ，、 叫 6 矿1 01 8 0 2 4 0 03 f 、一 一加速度m 薯2 一加速度d 椭一 到最好结果。 3 ) 本文的方法同样适合于其它机构参数优化和 其它复杂约束问题的优化，结合S A s 软件的正交分 析功能，可快速求得变量和目标之间的相关性，从而 更快找到问题的最优解。 图2 耋三磊瓣移、圈30
23、喜翕嚣移、参考文献：速度和加速度曲线速度和加速度曲线 3结论 1 ) 人机一体优化系统是利用人和计算机结合， 实现智能互补，以充分发挥人与计算机各自的优势， 利用人定性认识的整体效应及计算机定量表达的逻 辑推理能力，实现定性与定量表达的有机结合，从而 取得人机一体优化的良好效果。它是未来复杂优化 问题求解的发展方向之一。 2 ) 本文在优化中，是把5 个杆件长度作为优化 参数，利用前述人机接口仿真软件可以方便地把其 它任何有关机构参数作为优化参数，但在进行正交 试验和正交分析时，要根据优化参数和水平情况，适 当选取正交表，以保证在做较少次实验的前提下得 2 3 4 5 6 7 王国夫，孙尧，王
24、景敏，等混合G A 与s A 求解非线性约束优 化 J 哈尔滨工程大学学报，2 0 0 2 ，2 3 ( 6 ) ：7 3 7 6 王营非线性约束优化问题 J 辽宁工学院学报2 0 0 3 ，2 3 ( 1 ) ： 1 3 1 5 赵匀农业机械计算机辅助分析与设计 M 北京：清华大学 出版社，1 9 9 8 5 6 杨灿军，陈鹰人机一体化智能系统理论及应用研究探索 J 机械工程学报，2 0 0 0 ，3 6 ( 6 ) ：4 2 4 7 S h a h m u d iKE D e s i 辨b yc o n t i 叫o I mc o l l a b o 枷b e n ，e e nm n I
25、l a l 蚰d 如t 叫眦i 叩d m i z a t i o n J c o m p u t e rM o d e l i I I g & s i 眦l a t i o ni n E n 舀n e e r i I l g ，1 9 9 8 。1 2 4 1 3 9 S u n1 h m i n g ，Y uG u o - y 肌，kD i ，e ta 1 O p t i I I l i 龇i 仰d e s 哂f o r t h e n e x i b l e 船鲫砒I l ys y s I e n 坞i n c o r p o m t e dw 汕h u n 哪舯dI n h i m s
26、JJ J o 衄1 a lo fS 叫t l lC l l i mU l l i v e 玛i l y0 f h 肿l o 盱( N a t u 脚S c i 绷c e E d i t i ) ，2 0 0 1 ，2 9 ( 1 0 ) ：2 3 2 7 胡良平现代统计学与S A s 应用 M 北京：军事医学科学出 版社，2 0 0 0 1 c r 7 l _ _ _ | l 卜- _ l l | l - I - - 【”m _ | l qN _ I l - I _ | l - - 4 H - 一m - - _ - - 日- m 一I r | 。H 1 | 1H 。m ( 上接第6 8 页)
27、的效果。在J A T 6 1 0 织机中，其原综框边杆的疲劳寿 命较短，不能满足生产的要求。经过改进后的边杆， 改变了形状，减小了应力集中，降低了最大应力和应 力幅度，极大地提高了疲劳寿命，能够满足长时间连 续生产的要求。 参考文献： 1 姚卫星结构疲劳使命分析 M 北京：国防工业出版社， 2 0 0 3 7 5 8 6 2 李玉春，姚卫星高周疲劳裂纹萌生的非线性微观力学模型 3 4 5 6 7 J 南京航空航天大学学报，1 9 9 8 ，3 0 ( 3 ) ：2 6 1 2 6 7 邓增杰，周敬恩工程材料的断裂与疲劳 M 北京：机械工 业出版社，1 9 9 5 9 0 1 6 3 H e n
28、 z b e r gRW D e f 0 珊眦i o n 明dF r a c t u r eM e c l l a I I i c so fE n g i I l e e r i n g M e t e r i a l s M 3 一e d N e wY o r k ：J o h nw i l e ya n dS 0 璐，1 9 8 9 4 9 0 5 0 2 李兆霞损伤力学及其应用 M 北京：科学出版社，2 0 0 2 2 6 3 0 叶先磊，史亚杰A N s Y s 工程分析软件应用实例 M 北京： 清华大学出版社，2 0 0 3 4 0 6 4 1 0 王勖成，邵敏有限单元法基本原理和数值方法 M 北京： 清华大学出版社，1 9 9 7 3 8 8 8 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark