專利名稱：端拾器的自動優(yōu)化設計方法
技術領域：
本發(fā)明屬機械設計領域，具體涉及一種沖壓線端拾器的自動優(yōu)化設計的方法。
背景技術：
端拾器是一種安裝在輸送機械手上的由桿件和吸盤或夾持器組成的抓取機構，在沖壓線上，沖壓件通過端拾器從一個工位輸送到下一個工位，輸送過程是通過機械手將端拾器移動到合適的位置，將吸盤和沖壓件接觸，然后通過抽真空，將沖壓件緊密吸附到端拾器上，然后通過機械手和端拾器將沖壓件從模具中取出輸送到下一工位。
端拾器是由主桿、副桿、連接臂、轉(zhuǎn)向關節(jié)和吸盤組成，其中標準桿件和連接臂的長度是呈系列，也就是說其長度不是連續(xù)的，而是呈間隔的。通常的設計方法是通過設計人員在CAD環(huán)境中，手工進行裝配，需要不斷地匹配調(diào)整才能完成初步的設計，使設計周期加長。而且沒有辦法進行精確的設計，只能得出相關部件的一個參考尺寸，通常都選擇很大的保險系數(shù)?，F(xiàn)場進行安裝調(diào)試時，用試湊法進行裝配，往往根據(jù)實際情況對設計方案進行很大的修改，過長的桿件要進行裁減，造成安裝調(diào)試時間長，工件材料的浪費。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種通過采用自動優(yōu)化的方法，自動設計端拾器的空間結構和裝配形式，從而大大縮短設計周期、提高設計質(zhì)量，使安裝裝配不再需要對標準桿件進行的裁減，降低安裝時間和成本的端拾器的自動優(yōu)化設計方法。
本發(fā)明提出的端拾器的自動優(yōu)化設計方法，其具體步驟如下(1)定位沖壓件的空間位置一般是定位在沖壓機床模具中；(2)定位機械手臂的初始空間位置將機械手臂定位在一個合適的初始位置；(3)選擇主桿并安裝在機械手臂上；(4)在沖壓件上選取合適的吸盤安裝點將端拾器的空間結構看作是具有5自由度空間結構，通過坐標變換或機器人運動學得到一個非線性多元方程組，解這個多元方程組從而得到組件的空間定位信息，得到吸盤的型號；(5)選擇副桿的類型和初步的安裝位置；(6)選擇連接到不同副桿上的吸盤點建立桿件和吸盤點的對應關系，選擇具體的點安轉(zhuǎn)在相應的副桿上；(7)安裝不可移動的吸盤點采用迭代法，通過移動副桿的位置，選取標準的吸盤；
(8)安裝其他的吸盤點采用迭代法在沖壓件曲面上移動吸盤點的位置；(9)模擬仿真模擬仿真端拾器的運動是否和模具及壓機之間存在干涉問題，有干涉，則進行調(diào)整，直到滿足要求；(10)生成裝配圖和物料表，操作完成。
本發(fā)明中，端拾器的組成部件如圖1所示，由主桿、副桿、吸盤、傳感器、夾緊器、連接臂、機械手臂組成，機械手臂通過快速夾緊器將主桿夾持在夾緊器中，副桿通過夾緊器和主桿連接在一起，連接臂將副桿和轉(zhuǎn)向關節(jié)連接在一起，最后轉(zhuǎn)向關節(jié)和吸盤安裝在一起，即得一個完整的端拾器，其中，主桿和副桿采用普通的桿件。
本發(fā)明中，圖2是系統(tǒng)的坐標定義示意圖。以一個吸盤的安裝為例，設系統(tǒng)的坐標原點在主桿和副桿連接處，坐標系的定義如圖2，設計的目標就是在合適的位置和角度安裝連接臂，轉(zhuǎn)向關節(jié)和吸盤，使吸盤的底面中心和沖壓件上選擇的吸盤點重合。其中x1為連接臂在副桿上的安裝位置，x2為連接臂繞副桿轉(zhuǎn)動的角度，x3為連接臂的長度，x4為連接臂關節(jié)轉(zhuǎn)動的角度，x5為轉(zhuǎn)向關節(jié)轉(zhuǎn)動的角度，這些量都是未知的，需要在設計中確定。D1為連接臂軸線到副桿軸線的距離，D2為連接臂軸線到轉(zhuǎn)向關節(jié)軸線的距離，D3為吸盤軸線到轉(zhuǎn)向關節(jié)中心的距離，D4為吸盤的高度，這些量是所選的部件相關的幾何尺寸(如圖2所示)為已知量，在設計前就可確定。P點為沖壓件上選取的吸盤點，其坐標和法向量已知(px，py，pz，I，J，K)。
本發(fā)明提出的吸盤空間結構的自動設計，采用坐標變換法或機器人運動學方法進行設計。
1、采用坐標變換法將坐標系經(jīng)過一系列的平移和旋轉(zhuǎn)變換，最后將坐標變換到基礎坐標系中。首先定義坐標系O8，O8以P點為原點，P點法向矢量方向為Y坐標方向，O7為轉(zhuǎn)向關節(jié)和連接臂關節(jié)端的中心，O8中的坐標轉(zhuǎn)換到O7中的變換為B7＝[1000；010-D4；001D3；0001]；(其中D3的正負號由轉(zhuǎn)向關節(jié)和吸盤的安裝位置確定)同理推導出O7到O6，O6到O5，O5到O4，O4到O3，O3到O2，O2到O1，O1到O的坐標變換B6＝[cos(x5)-sin(x5)00；sin(x5)cos(x5)00；0010；0001]；B5＝[1000；010-D2；0010；0001]；B4＝[1000；0 cos(x4)-sin(x4)0；0 sin(x4)cos(x4)0；0001]；B3＝[100x3；010-D1；0010；0001]；
B2＝[cos(x2)-sin(x2)00；sin(x2)cos(x2)00；0010；0001]；B1＝[1000；0100；001x1；0001]；這樣O8到O的坐標變換為T＝(B1×(B2×(B3×(B4×(B5×(B6×(B7)))))))由此可以得到如下六個方程組cos(x(2))×(sin(x(5))×D4+x(3))-sin(x(2))×(cos(x(4))×(-cos(x(5))×D4-D2)-sin(x(4))×D3-D1)＝px；sin(x(2))×(sin(x(5))×D4+x(3))+cos(x(2))×(cos(x(4))×(-cos(x(5))×D4-D2)-sin(x(4))×D3-D1)＝py；sin(x(4))×(-cos(x(5))×D4-D2)+cos(x(4))×D3+x(1)＝pz；-cos(x(2))×sin(x(5))-sin(x(2))×cos(x(4))×cos(x(5))＝I；-sin(x(2))×sin(x(5))+cos(x(2))×cos(x(4))×cos(x(5))＝J；sin(x(4))×cos(x(5))＝K；是個非線性多元方程組，其中x1為連接臂在副桿上的安裝位置，x2為連接臂繞副桿轉(zhuǎn)動的角度，x3為連接臂的長度，x4為連接臂關節(jié)轉(zhuǎn)動的角度，x5為轉(zhuǎn)向關節(jié)轉(zhuǎn)動的角度，求解出這五個未知數(shù)，即可得到端拾器的空間結構。
本發(fā)明采用Matlab優(yōu)化工具箱中fsolve函數(shù)進行求解，其中非線性多元方程組為functiony＝myfun(x，px，py，pz，I，J，K，D1，D2，D3，D4)y(1)＝cos(x(2))×(sin(x(5))×D4+x(3))-sin(x(2))×(cos(x(4))×(-cos(x(5))×D4-D2)-sin(x(4))×D3-D1)-px；y(2)＝sin(x(2))×(sin(x(5))×D4+x(3))+cos(x(2))×(cos(x(4))×(-cos(x(5))×D4-D2)-sin(x(4))×D3-D1)-py；y(3)＝sin(x(4))×(-cos(x(5))×D4-D2)+cos(x(4))×D3+x(1)-pz；y(4)＝-cos(x(2))×sin(x(5))-sin(x(2))×cos(x(4))×cos(x(5))-I；y(5)＝-sin(x(2))×sin(x(5))+cos(x(2))×cos(x(4))×cos(x(5))-Jy(6)＝sin(x(4))×cos(x(5))-K；y＝[y(1)y(2)y(3)y(4)y(5)y(6)]；fsolve函數(shù)需要一個未知數(shù)的初始值，以便Matlab快速給出一個優(yōu)化解，設初始值為x0[x1，x2，x3，x4，x5]按一下方法確定x0＝[(zp-D3)，-atan((abs(py)-D4)/px)，sign(px)×sqrt(px^2+(abs(py-D4)^2))，atan(K/J)，-(atan(I/J)+(atan((abs(py)-D4)/px)))]如下Matlab程序就可求解出5個未知數(shù)[x]＝fsolve(@myfun，x0，，px，py，pz，I，J，K，D1，D2，D3，D4)
x1＝x(1)；x2＝x(2)；x3＝x(3)；x4＝x(4)；x5＝x(5)；這樣5個未知變量就可求出解來。
2、機器人運動學方法在機器人領域?qū)Χ鄺U機構的運動學研究的理論和成果很多，可以將本發(fā)明涉及的端拾器看成機器人的運動機構，采用機器人的方法對端拾器進行自動化設計。如圖2，將其看成是5坐標的機器人，其中x1、x4為直線運動，其他坐標為旋轉(zhuǎn)運動，按照D-H方法，手臂末端矩陣為T＝[Xx Yx Zx px，Xy Yy Zy py，Xz Yz Zz pz，0001]；所得方程組的求解同方法1，可以采用同樣的方法解這個非線性多元方程組。
二、固定吸盤點對副桿位置進行調(diào)整不能移動的吸盤點通常是周圍有障礙或空洞，不便移動盤點。如計算出的連接臂是152.5mm，而系列中接近只有150mm，175mm連接臂，這樣只有移動副桿的位置，來滿足要求。本發(fā)明采用迭代法進行計算，具體步驟如下(如圖3所示)1、選擇長度接近的連接臂，并計算長度誤差ΔL；2、計算誤差是否小于規(guī)定的閾值ε，小于則結束，否則進行下一步計算；3、計算副桿移動的位移量ΔX副桿沿x軸方向位移，ΔX＝ΔL×COS(x2)；4、返回步驟(1)，重新按照新的副桿位置進行自動安裝計算。
三、移動吸盤點方法通常通過移動吸盤點來進行調(diào)整，適應連接臂系列的長度，具體步驟如下(如圖4所示)1、選擇長度接近的連接臂，并計算長度誤差ΔL；2、計算誤差是否小于規(guī)定的閾值ε，小于則結束，否則進行下一步計算；3、計算吸盤點移動的位移量ΔXx軸方向位移，ΔX＝ΔL×COS(x2)，然后根據(jù)曲面方程重新計算吸盤點P(px，py，pz，I，J，K)；4、返回步驟(1)，重新按照新的吸盤點進行自動安裝計算。
本發(fā)明是針對沖壓線端拾器的自動設計而提出，但其基本原理對所有類似結構的運輸工件的工夾具都有意義，其優(yōu)點主要使用戶的設計工作變得非常簡單，設計者只要在沖壓件上選取吸盤的安裝位置和吸盤型號，并將機械手臂移動到合適的位置，然后由系統(tǒng)自動地根據(jù)優(yōu)化算法得到端拾器的結構和相關尺寸，從而保證設計出的端拾器在實際裝配中的同一，不需要對組件進行加工裁減，直接組裝完成。本發(fā)明采用自動優(yōu)化算法，從而得到一個適應標準桿件長度系列的精確解。本發(fā)明使端拾器的設計自動化，優(yōu)化端拾器的空間結構，降低設計難度和設計時間，提高設計質(zhì)量，所選取的元件不需要再進行加工裁減，就可裝配成實際應用的端拾器。由于在設計時就能保證每個吸盤點的誤差在要求的范圍內(nèi)，從而提高安裝質(zhì)量，保證端拾器的正?？煽抗ぷ?。


圖1為端拾器的結構示意圖。
圖2為坐標定義示意圖。
圖3為移動副桿流程圖。
圖4為移動吸盤點流程圖。
圖中標號1為機械手臂，2為快速夾緊器，3為主桿，4為副桿，5為連接臂，6為轉(zhuǎn)向關節(jié)，7為吸盤，8為傳感器，9為夾緊器。
具體實施例方式
下面通過實施例進一步說明本發(fā)明。
實施例1，實現(xiàn)系統(tǒng)是在CATIA V5 R14 CAD軟件的基礎上采用VB進行二次開發(fā)的，啟動用VB開發(fā)的軟件后，系統(tǒng)自動啟動CATIA軟件，然后按照前述的設計步驟進行1、調(diào)入壓機、機械手、模具和沖壓件的三維模型到CATIA中，部件之間的位置關系在模具設計前事先確定好；2、機械手初始的位置為事先確定，如果需要調(diào)整，可通過軟件提供的按鍵在CATIA中移動機械手，將機械手調(diào)整到合適的位置；3、由設計人員選擇端拾器標準件的品牌，然后選擇合適型號的主桿進行安裝，系統(tǒng)自動將主桿安裝到機械手上；4、在沖壓件上確定要安裝吸盤的點，通過軟件提供的功能直接在沖壓件上點擊鼠標選擇安裝吸盤的點，然后選擇吸盤的型號，這樣就確定了初始變量D1＝25.5；D2＝12.7；D3＝27.501；D4＝69.350；如下是在沖壓件上選擇的吸盤點的坐標(x，y，z)吸盤1坐標(-32.410 776.589 448.445)吸盤2坐標(129.589 756.106 260.944)
吸盤3坐標(99.589 716.153 -324.057)這些點是沖壓件曲面上的點，系統(tǒng)自動求出曲面上該點的法線方向，該方向為安裝吸盤的軸線方向。法線上據(jù)該點20mm的點坐標為吸盤1坐標(-33.796 796.537 448.063)吸盤2坐標(134.593 775.451 260.078)吸盤3坐標(106.469 734.768 -326.539)5、在主桿上選點安裝副桿，本實施例中只安裝一根副桿，副桿上參考點的坐標為(38.581 939.75 -10)6、將吸盤點和要連接的副桿關聯(lián)，這樣系統(tǒng)會自動將這些和副桿關聯(lián)的點安裝到副桿上，將這三個點都和副桿關聯(lián)；7、本例中沒有選擇不可移動固定的吸盤點，固定點的調(diào)整方法見圖3所示，它是通過調(diào)整副桿的位置來適應標準件系列的；8、啟動自動安裝功能，系統(tǒng)自動采用本發(fā)明的算法進行計算，通過調(diào)用Matlab將優(yōu)化所得的吸盤新的安裝點位置，各個標準件的空間安裝位置坐標傳遞給CATIA，系統(tǒng)自動將這些標準件安裝到指定的位置，最后得到吸盤的坐標為吸盤1坐標1(-44.289 775.745 448.445)吸盤2坐標1(125.589 757.115 260.944)吸盤3坐標1(99.590 716.153 -324.057)，優(yōu)化的連接臂的長度吸盤1對應的連接臂長125mm，吸盤2對應的連接臂長150mm，吸盤3對應的連接臂長175mm。
(連接臂長系列為相差25mm的系列)；9、模擬仿真移動機械手帶動端拾器運動，模擬仿真端拾器的運動是否和模具及壓機之間存在干涉問題，有干涉，則進行調(diào)整，甚至重新進行設計直到滿足要求；10、最后生成裝配圖和物料表，完成端拾器的設計工作。
權利要求
1.一種端拾器的自動優(yōu)化設計方法，其特征在于具體步驟如下(1)在沖壓機床模具中定位沖壓件的空間位置；(2)定位機械手臂的初始空間位置，將機械手臂定位在一個合適的初始位置；(3)選擇主桿并安裝在機械手臂上；(4)在沖壓件上選取合適的吸盤安裝點將端拾器的空間結構看作是具有5自由度空間結構，通過坐標變換或機器人運動學得到一個非線性多元方程組，解這個多元方程組從而得到組件的空間定位信息，得到吸盤的型號；(5)選擇副桿的類型和初步的安裝位置；(6)選擇連接到不同副桿上的吸盤點建立桿件和吸盤點的對應關系，選擇具體的點安轉(zhuǎn)在相應的副桿上；(7)安裝不可移動的吸盤點采用迭代法，通過移動副桿的位置，選取標準的吸盤；(8)安裝其他的吸盤點采用迭代法在沖壓件曲面上移動吸盤點的位置；(9)模擬仿真模擬仿真端拾器的運動是否和模具及壓機之間存在干涉問題，有干涉，則進行調(diào)整，直到滿足要求；(10)生成裝配圖和物料表，操作完成。
2.根據(jù)權利要求1所述的端拾器的自動優(yōu)化設計方法，其特征在于吸盤空間結構的設計，采用坐標變換法或機器人運動學方法，其具體步驟如下(1)采用坐標變換法將坐標系經(jīng)過一系列的平移和旋轉(zhuǎn)變換，最后將坐標變換到基礎坐標系中，定義坐標系O8，O8以P點為原點，P點法向矢量方向為Y坐標方向，O7為轉(zhuǎn)向關節(jié)和連接臂關節(jié)端的中心，O8中的坐標轉(zhuǎn)換到O7中的變換為B7＝[1000；010-D4；001D3；0001]；其中D3的正負號由轉(zhuǎn)向關節(jié)和吸盤的安裝位置確定，同理推導出O7到O6，O6到O5，O5到O4，O4到O3，O3到O2，O2到O1，O1到O的坐標變換B6＝[cos(x5)-sin(x5)00；sin(x5)cos(x5)00；0010；0001]；B5＝[1000；010-D2；0010；0001]；B4＝[1000；0cos(x4)-sin(x4)0；0sin(x4)cos(x4)0；0001]；B3＝[100x3；010-D1；0010；0001]；B2＝[cos(x2)-sin(x2)00；sin(x2)cos(x2)00；0010；0001]；B1＝[1000；0100；001x1；0001]；得到手臂末端矩陣T為T＝(B1×(B2×(B3×(B4×(B5×(B6×(B7)))))))(2)采用機器人運動學方法，得到手臂末端矩陣為T＝[Xx Yx Zx px，Xy Yy Zy py，Xz Yz Zz pz，0001]；由此得到如下方程組cos(x(2))×(sin(x(5))×D4+x(3))-sin(x(2))×(cos(x(4))×(-cos(x(5))×D4-D2)-sin(x(4))×D3-D1)＝px；sin(x(2))×(sin(x(5))×D4+x(3))+cos(x(2))×(cos(x(4))×(-cos(x(5))×D4-D2)-sin(x(4))×D3-D1)＝py；sin(x(4))×(-cos(x(5))×D4-D2)+cos(x(4))×D3+x(1)＝pz；-cos(x(2))×sin(x(5))-sin(x(2))×cos(x(4))×cos(x(5))＝I；-sin(x(2))×sin(x(5))+cos(x(2))×cos(x(4))×cos(x(5))＝J；sin(x(4))×cos(x(5))＝K；D1為連接臂軸線到副桿軸線的距離，D2為連接臂軸線到轉(zhuǎn)向關節(jié)軸線的距離，D3為吸盤軸線到轉(zhuǎn)向關節(jié)中心的距離，D4為吸盤的高度，這些量是所選的部件相關的幾何尺寸，P點為沖壓件上選取的吸盤點，其坐標和法向量已知(px，Py，pz，I，J，K)。其中x1為連接臂在副桿上的安裝位置，x2為連接臂繞副桿轉(zhuǎn)動的角度，x3為連接臂的長度，x4為連接臂關節(jié)轉(zhuǎn)動的角度，x5為轉(zhuǎn)向關節(jié)轉(zhuǎn)動的角度，求解出這五個未知數(shù)，即可得到端拾器的空間結構。
3.根據(jù)權利要求1所述的端拾器的自動優(yōu)化設計方法，其特征在于固定吸盤點對副桿位置進行調(diào)整采用迭代法得到，具體步驟如下(1)選擇長度接近的連接臂，并計算長度誤差ΔL，；(2)計算誤差是否小于規(guī)定的閾值ε，小于則結束，否則進行下一步計算；(3)計算副桿移動的位移量ΔX副桿沿x軸方向位移，ΔX＝ΔL×COS(x2)；(4)返回步驟(1)，重新按照新的副桿位置進行自動安裝計算；其中，x2為連接臂繞副桿轉(zhuǎn)動的角度。
4.根據(jù)權利要求1所述的端拾器的自動優(yōu)化設計方法，其特征在于移動吸盤點方法，具體步驟如下(1)選擇長度接近的連接臂，并計算長度誤差ΔL；(2)計算誤差是否小于規(guī)定的閾值ε，小于則結束，否則進行下一步計算；(3)計算吸盤點移動的位移量ΔXx軸方向位移，ΔX＝ΔL×COS(x2)，然后根據(jù)曲面方程重新計算吸盤點P(px，py，pz，I，J，K)；(4)返回步驟(1)，重新按照新的吸盤點進行自動安裝計算；其中，x2為連接臂繞副桿轉(zhuǎn)動的角度。
全文摘要
本發(fā)明屬于機械設計領域，具體涉及一種端拾器的自動優(yōu)化設計設計。在對CAD系統(tǒng)進行二次開發(fā)的基礎上，采用自動優(yōu)化的算法，將端拾器的空間結構看作是具有5自由度空間結構，通過坐標變換或機器人運動學得到一個非線性多元方程組，解這個多元方程組從而得到組件的空間定位信息，得到吸盤的型號；采用迭代法，通過移動副桿的位置，選取標準的吸盤；采用迭代法在沖壓件曲面上移動吸盤點的位置，確定移動吸盤的位置，從而得到一個適應標準桿件長度系列的精確解。本發(fā)明優(yōu)化了端拾器的空間結構，降低設計難度和設計時間，提高設計質(zhì)量，所選取的元件不需要再進行加工裁減，就可裝配成實際應用的端拾器。由于在設計時就能保證每個吸盤點的誤差在要求的范圍內(nèi)，從而提高了安裝質(zhì)量，保證了端拾器的正?？煽抗ぷ鳎s短生產(chǎn)準備時間，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。
文檔編號G06F17/50GK1987868SQ20051011182
公開日2007年6月27日 申請日期2005年12月22日 優(yōu)先權日2005年12月22日
發(fā)明者樊留群, 馬玉敏, 趙榮泳, 朱志浩 申請人:同濟大學