基于遺傳算法的涂膠機器人裝夾優(yōu)化設(shè)計

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1、基于遺傳算法的涂膠機器人裝夾優(yōu)化設(shè)計 【摘 要】本文針對鞋業(yè)大底人工涂膠過程中出現(xiàn)的效率低下、黏膠劑有毒等問題，設(shè)計了一種自動大底涂膠機器人，其中線性模組是保證涂膠機構(gòu)定位精度與運動精度的關(guān)鍵部件，嚴重影響著涂膠質(zhì)量與鞋子耐用性。為此，運用有限元仿真技術(shù)與遺傳算法確定螺栓的最佳數(shù)目及其布局，以使線性模組薄壁外框架變形最小，保證滾珠絲杠的傳動精度與使用壽命，確保涂膠的均勻性，提高鞋子的耐用性。 【關(guān)鍵詞】涂膠機器人；薄壁外框架；有限元方法；遺傳算法 1、引言（Introduction） 近年來，國內(nèi)的制鞋產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，中國已經(jīng)確立了世界制鞋大

2、國地位。與此同時，制鞋產(chǎn)業(yè)的自動化水平低，日益成為本行業(yè)發(fā)展的瓶頸，特別是鞋大底涂膠工序。鞋大底涂膠工序在整個制鞋過程中是一個非常重要的環(huán)節(jié)，它決定了鞋子的耐用性。然而，目前鞋大底噴膠工序多數(shù)采用手工或半自動化操作，生產(chǎn)效率低；涂膠過程中黏膠劑揮發(fā)出來的有毒氣體也嚴重威脅到工人的健康，很大程度上制約了制鞋行業(yè)的健康發(fā)展。 實現(xiàn)涂膠工序自動化的關(guān)鍵在于設(shè)計出合理的涂膠機器人和鞋大底曲面數(shù)據(jù)提取及涂膠軌跡的自動生成。為此，國內(nèi)外學(xué)者做了許多富有成效的研究。Kwon[1]提出了一種基于鞋大底平面輪廓線的涂膠軌跡生成方法。但生成的涂膠軌跡是平面曲線，不能準確地反應(yīng)鞋大底情況。武傳宇等人[2

3、]提出了一種基于線結(jié)構(gòu)光掃描鞋底曲面的方法，利用線結(jié)構(gòu)光三維測量原理，掃描套在鞋幫上的鞋楦底面，獲得表示鞋底曲面信息的點云數(shù)據(jù)，從而可快速提取鞋底曲面數(shù)據(jù)，生成涂膠軌跡。 雖然國內(nèi)外學(xué)者對鞋大底自動涂膠動作做了不少相應(yīng)的研究，但自動大底涂膠機器人仍然沒有應(yīng)用到具體的鞋廠。觀其原因，主要是由于大部分學(xué)者都致力于鞋底曲面數(shù)據(jù)的提取及涂膠軌跡的生成，忽略了最基本的涂膠機器人的機構(gòu)設(shè)計。左力等人[3]發(fā)明了一種基于直線導(dǎo)軌的鞋大底自動點膠機。然而，離散型的上膠方式不但工作效率低下，而且直線導(dǎo)軌的傳動方式難以有效地控制涂膠頭的運動精度。 因此，為了實現(xiàn)對鞋底復(fù)雜表面輪廓的正確涂膠

4、，設(shè)計了一個具有3自由度的滾珠絲杠傳動式噴涂機器人。從保證涂膠過程中涂膠機構(gòu)定位精度及其運動精度的角度出發(fā)，利用有限元方法和遺傳算法，對固定線性模組的螺栓數(shù)目及其布局進行了優(yōu)化，減小了線性模組的變形，提高了滾珠絲杠在運動過程中的傳動精度，提高了涂膠的均勻性，增強了鞋子的粘結(jié)質(zhì)量。 2、涂膠機器人的總體設(shè)計 （The overall design of spraying robot） 該涂膠機器人機構(gòu)（圖1）由固定底座、轉(zhuǎn)動滑臺、導(dǎo)軌、垂直移動機構(gòu)、徑向移動機構(gòu)和涂膠機構(gòu)組成，其中移動機構(gòu)是由線性模組構(gòu)成，涂膠機構(gòu)安裝在徑向移動機構(gòu)的負載滑塊上。為了滿足鞋大底

5、表面的涂膠，涂膠機器人至少需要三個自由度：徑向移動機構(gòu)實現(xiàn)涂膠機構(gòu)在徑向方向上的直線運動；垂直移動機構(gòu)實現(xiàn)涂膠機構(gòu)在垂直方向上的直線運動；轉(zhuǎn)動滑臺可繞固定底座旋轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)涂膠機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動，最終實現(xiàn)涂膠機構(gòu)沿著鞋底輪廓表面的涂膠運動。 3、螺栓布局的優(yōu)化設(shè)計（The optimal design of bolt layout） 徑向移動機構(gòu)外框架一方面為了克服自身重力及涂膠機構(gòu)的涂膠力，在垂直方向上容易產(chǎn)生變形；另一方面其通過螺栓連接亦會增加外框架的變形。如果連接的螺栓數(shù)目過多，雖然可以進一步的固定住外框架，但是隨著螺栓數(shù)目的增加，其螺栓的扭矩力和夾緊力也會相應(yīng)的增加，

6、也可能會導(dǎo)致徑向移動機構(gòu)外框架的變形增大，從而影響滾動絲杠的傳動精度，降低涂膠機構(gòu)的定位精度和運動精度，影響滾動絲杠的使用壽命。因此，合理選擇螺栓數(shù)目及其位置是實現(xiàn)涂膠動作順利完成的首要問題。 3.1螺栓數(shù)目為4的布局優(yōu)化 為了涂膠機器人能更好的作業(yè)，設(shè)計其徑向移動機構(gòu)外框架的總長為1000mm，即涂膠機構(gòu)在徑向方向的行程為1000mm。標準線性模組外框架上有五組螺栓安裝孔，每組螺栓安裝孔為上下對稱。第一組螺栓安裝孔的中心距離坐標原點為100mm，第二組螺栓安裝孔的中線距離坐標原點為300mm，每相鄰兩組螺栓安裝孔之間的間距為200mm。用C1到C4模擬4個夾緊螺栓，C

7、1、C2和C3、C4分別上下對稱，故只需確定C1和C3到坐標原點的距離。設(shè)C1與C3到坐標原點的距離分別為x1、x2。 利用遺傳算法優(yōu)化螺栓布局時，決策變量為螺栓C1、C3中心到坐標原點的距離x1和x2，取值范圍均為[0，1000]。采用20位的二進制碼代表一個染色體，前10位轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)表示x1的取值，后10位轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)表示x2的取值。由于10位的二進制代碼代表的十進制數(shù)的取值范圍為[0，1024]，當取二進制代碼對應(yīng)的十進制的數(shù)在區(qū)間[1000，1024]時，即所取的值不在規(guī)定的取值范圍內(nèi)，則用1000代替當前的二進制編碼值。遺傳算法中采用比例選擇算子、單點交叉算子及基本

8、位變異算子。交叉概率為0.7，變異概率為0.03，群體的規(guī)模為16。利用有限元方法分析線性模組的外框架在垂直方向上的變形。遺傳算法經(jīng)過26代運算，在第21代外框架的平均最大變形166.8μm為最小，如圖2（a）所示。此時x1和x2的取值分別為224mm和867mm。由于線性模組框上的螺栓孔為均勻分布的，根據(jù)“最靠近原則”選擇第二組和第五組螺栓孔為夾緊孔。 3.2螺栓數(shù)目為6的布局優(yōu)化 當螺栓數(shù)目n=4時，外框架的最大變形發(fā)生在第二組和第五組螺栓夾緊孔之間，故可以在第二組和第五組之間增加一組螺栓，以便減小外框架的變形。設(shè)在外框架上增加一組螺栓C5及C6，這樣設(shè)計變量為C1

9、、C2到坐標原點的距離x1，C3、C4到坐標原點的距離x2及C5、C6到坐標原點的距離x3。這樣，x1、x2及x3的取值范圍應(yīng)為0 3.3螺栓數(shù)目為8的布局優(yōu)化 當螺栓數(shù)目n=6時，外框架的最大變形為55.7μm。若要繼續(xù)減小涂膠過程中外框架的變形，則應(yīng)進一步通過增加螺栓夾具的數(shù)目。根據(jù)以上步驟可以得出，遺傳算法經(jīng)過24代運算，在第20代取得最優(yōu)值，此時的平均最大變形為80.6μm，大于螺栓數(shù)目為6個的平均最大變形，這是因為雖然增加螺栓數(shù)目可以減小外框架垂直方向上的變形，但是由于增加螺栓數(shù)目的同時也增加了對外框架的夾緊力。這樣，增加夾緊力產(chǎn)生的變形大于增加螺栓數(shù)目而減小

10、的變形。所以，最終的最大變形大于螺栓n=6時的最大變形。 4、結(jié)語（Conclusions） （1）根據(jù)鞋廠要求，設(shè)計了一款具有3自由度的鞋業(yè)自動大底涂膠機器人，其不僅結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，而且效率極高，能代替人工進行對復(fù)雜鞋大底的涂膠工藝。 （2）以影響滾珠絲杠傳動精度的薄壁外框架的螺栓布局有限元模型為基礎(chǔ)，然后利用遺傳算法優(yōu)化螺栓數(shù)目及夾緊位置。由此可見，螺栓數(shù)目不是越多越好，也不是越少越好。 參考文獻 [1]Kown D S， Song S K. A method for generating a cementing trajectory of a shoe sole：UK，GB2413402[P].2005. [2]武傳宇，賀磊盈，李秦川，胡旭東.鞋底曲面數(shù)據(jù)提取與噴膠軌跡的自動生成方法[J].機械工程學(xué)報，2008，44（8）：85-89+96. [3]左力，江洪道，張運梅，徐廣澤.鞋大底自動點膠機.中國：ZL200415505997[P].2004. 作者簡介 李波（1988-），男，江西人。碩士生。研究領(lǐng)域：復(fù)雜機械裝備的設(shè)計及優(yōu)化，切削加工仿真技術(shù)。 第 6 頁 共 6 頁