1、外 文 翻 译原文： An optimization design of a weft insertion mechanism for rapier looms 译文2： 一种剑杆织机引纬机构的优化设计 一种剑杆织机引纬机构的优化设计作者：竺志超，方志和国籍：中国出处：杭州，浙江理工大学，310033摘要：通过分析一个组合式空间六杆引纬机构，建立了用于优化设计的实用模型，并且提出了惩罚策略的修改方案，所以遗传算法可以很好的用于非线性约束机构的优化设计。并讨论了设计结果。关键词：组合机构 引纬运动 优化设计 遗传算法作为剑杆织布机五个主要机构其中之一，在设计织机时，引纬很关键。因为其性能将直接影
2、响整个织机的工作性能及其织物的质量。目前，联动机构往往用于将传统织机到改造成无梭织机，因为联动机构的制造精度要求比凸轮的那一种更容易达到，尤其是在传统织机中有一个较低的速度。然而，我们都知道，由于许多限制因素，联动机构是不那么容易设计为凸轮形式的，在这里，我们研究一个组合式空间六杆引纬机构。引纬运动的工作原理如图1所示的一个引纬机构。它是一个由三个部分组成的联合机构，它包括：一个平面四杆ABCD，一个RSSR机构DCEF和一个平面齿轮系。从内扇形齿轮齿轮到小齿轮和其剑杆轮，其上的轴是固定。当以顺时针与恒定角速度驱动曲轴AB旋转时，该扇形齿轮通过六连杆组合机构发生摆动，所以剑杆轮剑头往复运动驱动
3、引入纬纱，由以下步骤可以得到的剑杆织机的位移： 首先，在平面四杆机构ABCD中，表示在初始位置的曲柄转角。当如图1所示，曲柄AB与连杆BC相符合时，可得 （1） （2）这里的，是AD，AB，BC，CD各个杆的长度。所以从文献1我们可以得到动力学技术参数，和，然后，由空间RSSR机构可得到摆臂的输入运动 （3）图1 剑杆织机引纬运动的草图因此，根据投影分析方法，我们可以得到运动学参数，和。最后，通过一对齿轮传动，能得到剑头的运动学参数，包括位移，速度和加速度： （4）一个引纬机构的优化设计模型引纬运动或剑头运动，对于实现引纬机构功能都很重要。虽然引纬运动设计的关键是了解制造加工的要求，但是引纬运
4、动被联动装置的特性限制了，不能任意设计。为了获得理想的运动，我们采用一种优化技术来设计这一机构。剑头所设计的运动有一些设计变量： （5）每个参数在机构的空间范围内都有其对应的上、下极限，即，边界约束条件在一个引纬运动中，当剑杆进出梭口时的慢行程和主动运动，当夹钳在梭口中心时的整个行程和纬纱转移时间，还有它的最大加速度等都是最重要的。加速度最大值会影响动态性能，需要加以控制，而其他参数应满足编织加工的需要，如图2所示，和，和，和是时间角度以及剑杆头进出梭口时的相应的位移，并且它的行程达到最大。和分别指筘幅和纬纱转接行程。一般的，剑杆头进入梭口的时间角大约为75，剑杆头离开梭口的时间角大约为285
5、它们对应的实际位移分别为和。时间角允许的范围是175到190，然后考虑限制因素的允许范围，根据织造加工建立剑头运动的约束条件： （6）图2 引纬的工艺参数在满足该编织加工约束条件的前提下，我们应该尽可能减少剑头的最大加速值，降低剑杆织机驱动系统的动载荷和整个织机的振动。所以，建立优化目标函数： （7）这个函数比一般的基于错误的剑杆位移曲线的更简洁并且优化计算还能够加快此外，由联动机构来看，约束函数应该包括机构组成条件，即在运动学计算中一个任意曲柄的转角的自由基值必须大于零，以及许用传动角的条件。一种引纬机构的优化策略上述优化模型是一个非线性优化问题，为此要使用遗传算法。把设计变量当做染色体，
6、采用浮点数编码向量，向量的维数等于要解决的尺寸，这样我们就能够避免二进制编码和解码过程，因此提高该算法的运行效率。我们采取惩罚战略，即，对优化问题：最大值，影响因素；1，2，q，适合的评价函数如下 (8)处罚函数 （9）是一个用于调整惩罚程度的参数，是关于限制的违约量，在关于约束的群体中是最大的违约量。因此，我们可以将不可行解保持在每一代种群中使遗传搜索在可行域和/或不可行域达到最佳点。在遗传和进化期间，我们使用一个精英模型，确保在选择，交叉和变异后的最佳个体进入下一代。得到一个新的下一代。我们使用比例选择，即，根据染色体的概率来选择，通过随机操作确定它是否进入新的人口中。交叉算子是一个算术交
7、叉，如果父亲一代属于一个凸集，那么它们均属于同一个凸集的儿子一代。突变算子是非均匀的，所以如果父亲是在上限和下限区域之间，发生变异的下一代，也存在于同一个域。每一个最初的染色体是根据设计参数的边界约束随机产生，即染色体中的基因被写为 （10）随机函数产生一个在区间 0，1 的随机值，所有由公式（10）产生的染色体满足边界约束条件，边界条件形成的域是凸集，我们从上述提到的算子的交叉和变异性质知道新一代必须满足边界约束。所以在整个搜索中我们不允许边界约束惩罚。对于一些不符合连锁形成的约束的染色体采取排斥策略，用新的染色体复制替换它们。另外，当其他特征约束不合格时，采用惩罚策略，但惩罚函数可以有不同
8、的形式。得到合理的惩罚因子是非常困难的，它与我们讨论的具体问题有关通常要采取测试。如果因子不合适，有可能是个别不令人满意的约束特性比满足的更好，以至于搜索可能聚集在可行域中。目前，有一些方法可以解决这个问题，例如，鲍威尔介绍的额外的惩罚项，其原则是扩大不可行个体的惩罚，使它们的适应度体不会比可行域内个别最坏的要好。因为机制设计问题的一个最佳点往往存在约束边界，如图3所示，这样对待不可行个体将导致失去很多有用的信息。对这一问题文献4提出了一个算法， 现在，我们引入一个基于以下分析的改进过的惩罚策略：（一）保持不可行点，例如，其目标函数的值比可行域中的任何一点都要好并使得惩罚更小，因为在约束边界上
9、从这些不可行点它可能找到最佳的点。（二）任何两个不可行点，近一点的是在约束边界，有着更好的值。因此，可以定义适应度评价函数： （11）是连续的，是目前可行范围中最好的目标函数值，由于点不属于，故比更好，为了获得更小的惩罚设在搜索过程中最有效地阻挡这些不可行解，即获得对搜索更有用的信息，有益于算法的收敛。惩罚函数基于“一个点离可行域越远惩罚就越大”这一原则建立的，是搜索逐渐接近边界。图3 种群中的个体分布引纬机构的设计结果转换最小化目标函数（7）到最大化目标函数，并通过加法使函数值变合理 （12）确保目标函数值在遗传算法的整个搜索过程中大于零，是正的常数，等于2600。最优化时，令种群数量为4
10、0；最大进化代数；交叉概率；变异概率，另外。搜索结束后，最佳点是 它的目标函数是比前一个更好，它的惩罚策略做了修改和三个约束相互作用，而修改之前它只有一个约束界面。根据优化后的版本，引纬机构的剑杆的位移，加速度如图4所示。剑杆头进出梭口的位移分别为316mm和315mm，剑杆头的最大位移是1440mm，而织机的转向角为190。所以，所有的参数值满足织造加工的需求。图4 优化设计后的引纬运动进化搜索的跟踪过程如图5所示，曲线（a）表示之间每一代的优化合理性值和进化代数的关系，曲线（b）表示每一个种群的平均合理性（包括不可行点）和净化代数的关系。图5种群的最初十代不满足约束条件，大约八十代后搜索收
11、敛。图5 遗传算法的收敛过程以上的实际应用表明：（一）通过采用现代设计方法遗传算法复杂的引纬机构设计是可行的，（二）本文介绍的处罚方法使得遗传算法更有效和更普遍的解决数值优化问题的非线性约束参考文献:1 华大年等主编机构分析与设计，纺织工业出版社，北京，1985，28，181186.2 玄光男等著，汪定伟等译遗传算法与工程设计，科学出版社，北京，2000，3942.3 MichalewiczZGenetic AlgonthmsData Structures =Evolution Programs3nd edSpringer-Verlag，New York，1996.4 林丹等，软件学报，2001，12(4)，628632.11
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