专利名称：端拾器的自动优化设计方法
技术领域：
本发明属机械设计领域，具体涉及一种冲压线端拾器的自动优化设计的方法。
背景技术：
端拾器是一种安装在输送机械手上的由杆件和吸盘或夹持器组成的抓取机构，在冲压线上，冲压件通过端拾器从一个工位输送到下一个工位，输送过程是通过机械手将端拾器移动到合适的位置，将吸盘和冲压件接触，然后通过抽真空，将冲压件紧密吸附到端拾器上，然后通过机械手和端拾器将冲压件从模具中取出输送到下一工位。
端拾器是由主杆、副杆、连接臂、转向关节和吸盘组成，其中标准杆件和连接臂的长度是呈系列，也就是说其长度不是连续的，而是呈间隔的。通常的设计方法是通过设计人员在CAD环境中，手工进行装配，需要不断地匹配调整才能完成初步的设计，使设计周期加长。而且没有办法进行精确的设计，只能得出相关部件的一个参考尺寸，通常都选择很大的保险系数。现场进行安装调试时，用试凑法进行装配，往往根据实际情况对设计方案进行很大的修改，过长的杆件要进行裁减，造成安装调试时间长，工件材料的浪费。
发明内容
本发明的目的在于提出一种通过采用自动优化的方法，自动设计端拾器的空间结构和装配形式，从而大大缩短设计周期、提高设计质量，使安装装配不再需要对标准杆件进行的裁减，降低安装时间和成本的端拾器的自动优化设计方法。
本发明提出的端拾器的自动优化设计方法，其具体步骤如下(1)定位冲压件的空间位置一般是定位在冲压机床模具中；(2)定位机械手臂的初始空间位置将机械手臂定位在一个合适的初始位置；(3)选择主杆并安装在机械手臂上；(4)在冲压件上选取合适的吸盘安装点将端拾器的空间结构看作是具有5自由度空间结构，通过坐标变换或机器人运动学得到一个非线性多元方程组，解这个多元方程组从而得到组件的空间定位信息，得到吸盘的型号；(5)选择副杆的类型和初步的安装位置；(6)选择连接到不同副杆上的吸盘点建立杆件和吸盘点的对应关系，选择具体的点安转在相应的副杆上；(7)安装不可移动的吸盘点采用迭代法，通过移动副杆的位置，选取标准的吸盘；
(8)安装其他的吸盘点采用迭代法在冲压件曲面上移动吸盘点的位置；(9)模拟仿真模拟仿真端拾器的运动是否和模具及压机之间存在干涉问题，有干涉，则进行调整，直到满足要求；(10)生成装配图和物料表，操作完成。
本发明中，端拾器的组成部件如图1所示，由主杆、副杆、吸盘、传感器、夹紧器、连接臂、机械手臂组成，机械手臂通过快速夹紧器将主杆夹持在夹紧器中，副杆通过夹紧器和主杆连接在一起，连接臂将副杆和转向关节连接在一起，最后转向关节和吸盘安装在一起，即得一个完整的端拾器，其中，主杆和副杆采用普通的杆件。
本发明中，图2是系统的坐标定义示意图。以一个吸盘的安装为例，设系统的坐标原点在主杆和副杆连接处，坐标系的定义如图2，设计的目标就是在合适的位置和角度安装连接臂，转向关节和吸盘，使吸盘的底面中心和冲压件上选择的吸盘点重合。其中x1为连接臂在副杆上的安装位置，x2为连接臂绕副杆转动的角度，x3为连接臂的长度，x4为连接臂关节转动的角度，x5为转向关节转动的角度，这些量都是未知的，需要在设计中确定。D1为连接臂轴线到副杆轴线的距离，D2为连接臂轴线到转向关节轴线的距离，D3为吸盘轴线到转向关节中心的距离，D4为吸盘的高度，这些量是所选的部件相关的几何尺寸(如图2所示)为已知量，在设计前就可确定。P点为冲压件上选取的吸盘点，其坐标和法向量已知(px，py，pz，I，J，K)。
本发明提出的吸盘空间结构的自动设计，采用坐标变换法或机器人运动学方法进行设计。
1、采用坐标变换法将坐标系经过一系列的平移和旋转变换，最后将坐标变换到基础坐标系中。首先定义坐标系O8，O8以P点为原点，P点法向矢量方向为Y坐标方向，O7为转向关节和连接臂关节端的中心，O8中的坐标转换到O7中的变换为B7＝[1000；010-D4；001D3；0001]；(其中D3的正负号由转向关节和吸盘的安装位置确定)同理推导出O7到O6，O6到O5，O5到O4，O4到O3，O3到O2，O2到O1，O1到O的坐标变换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]；这样O8到O的坐标变换为T＝(B1×(B2×(B3×(B4×(B5×(B6×(B7)))))))由此可以得到如下六个方程组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；是个非线性多元方程组，其中x1为连接臂在副杆上的安装位置，x2为连接臂绕副杆转动的角度，x3为连接臂的长度，x4为连接臂关节转动的角度，x5为转向关节转动的角度，求解出这五个未知数，即可得到端拾器的空间结构。
本发明采用Matlab优化工具箱中fsolve函数进行求解，其中非线性多元方程组为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函数需要一个未知数的初始值，以便Matlab快速给出一个优化解，设初始值为x0[x1，x2，x3，x4，x5]按一下方法确定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个未知数[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)；这样5个未知变量就可求出解来。
2、机器人运动学方法在机器人领域对多杆机构的运动学研究的理论和成果很多，可以将本发明涉及的端拾器看成机器人的运动机构，采用机器人的方法对端拾器进行自动化设计。如图2，将其看成是5坐标的机器人，其中x1、x4为直线运动，其他坐标为旋转运动，按照D-H方法，手臂末端矩阵为T＝[Xx Yx Zx px，Xy Yy Zy py，Xz Yz Zz pz，0001]；所得方程组的求解同方法1，可以采用同样的方法解这个非线性多元方程组。
二、固定吸盘点对副杆位置进行调整不能移动的吸盘点通常是周围有障碍或空洞，不便移动盘点。如计算出的连接臂是152.5mm，而系列中接近只有150mm，175mm连接臂，这样只有移动副杆的位置，来满足要求。本发明采用迭代法进行计算，具体步骤如下(如图3所示)1、选择长度接近的连接臂，并计算长度误差ΔL；2、计算误差是否小于规定的阈值ε，小于则结束，否则进行下一步计算；3、计算副杆移动的位移量ΔX副杆沿x轴方向位移，ΔX＝ΔL×COS(x2)；4、返回步骤(1)，重新按照新的副杆位置进行自动安装计算。
三、移动吸盘点方法通常通过移动吸盘点来进行调整，适应连接臂系列的长度，具体步骤如下(如图4所示)1、选择长度接近的连接臂，并计算长度误差ΔL；2、计算误差是否小于规定的阈值ε，小于则结束，否则进行下一步计算；3、计算吸盘点移动的位移量ΔXx轴方向位移，ΔX＝ΔL×COS(x2)，然后根据曲面方程重新计算吸盘点P(px，py，pz，I，J，K)；4、返回步骤(1)，重新按照新的吸盘点进行自动安装计算。
本发明是针对冲压线端拾器的自动设计而提出，但其基本原理对所有类似结构的运输工件的工夹具都有意义，其优点主要使用户的设计工作变得非常简单，设计者只要在冲压件上选取吸盘的安装位置和吸盘型号，并将机械手臂移动到合适的位置，然后由系统自动地根据优化算法得到端拾器的结构和相关尺寸，从而保证设计出的端拾器在实际装配中的同一，不需要对组件进行加工裁减，直接组装完成。本发明采用自动优化算法，从而得到一个适应标准杆件长度系列的精确解。本发明使端拾器的设计自动化，优化端拾器的空间结构，降低设计难度和设计时间，提高设计质量，所选取的元件不需要再进行加工裁减，就可装配成实际应用的端拾器。由于在设计时就能保证每个吸盘点的误差在要求的范围内，从而提高安装质量，保证端拾器的正常可靠工作。
图1为端拾器的结构示意图。
图2为坐标定义示意图。
图3为移动副杆流程图。
图4为移动吸盘点流程图。
图中标号1为机械手臂，2为快速夹紧器，3为主杆，4为副杆，5为连接臂，6为转向关节，7为吸盘，8为传感器，9为夹紧器。
具体实施例方式
下面通过实施例进一步说明本发明。
实施例1，实现系统是在CATIA V5 R14 CAD软件的基础上采用VB进行二次开发的，启动用VB开发的软件后，系统自动启动CATIA软件，然后按照前述的设计步骤进行1、调入压机、机械手、模具和冲压件的三维模型到CATIA中，部件之间的位置关系在模具设计前事先确定好；2、机械手初始的位置为事先确定，如果需要调整，可通过软件提供的按键在CATIA中移动机械手，将机械手调整到合适的位置；3、由设计人员选择端拾器标准件的品牌，然后选择合适型号的主杆进行安装，系统自动将主杆安装到机械手上；4、在冲压件上确定要安装吸盘的点，通过软件提供的功能直接在冲压件上点击鼠标选择安装吸盘的点，然后选择吸盘的型号，这样就确定了初始变量D1＝25.5；D2＝12.7；D3＝27.501；D4＝69.350；如下是在冲压件上选择的吸盘点的坐标(x，y，z)吸盘1坐标(-32.410 776.589 448.445)吸盘2坐标(129.589 756.106 260.944)
吸盘3坐标(99.589 716.153 -324.057)这些点是冲压件曲面上的点，系统自动求出曲面上该点的法线方向，该方向为安装吸盘的轴线方向。法线上据该点20mm的点坐标为吸盘1坐标(-33.796 796.537 448.063)吸盘2坐标(134.593 775.451 260.078)吸盘3坐标(106.469 734.768 -326.539)5、在主杆上选点安装副杆，本实施例中只安装一根副杆，副杆上参考点的坐标为(38.581 939.75 -10)6、将吸盘点和要连接的副杆关联，这样系统会自动将这些和副杆关联的点安装到副杆上，将这三个点都和副杆关联；7、本例中没有选择不可移动固定的吸盘点，固定点的调整方法见图3所示，它是通过调整副杆的位置来适应标准件系列的；8、启动自动安装功能，系统自动采用本发明的算法进行计算，通过调用Matlab将优化所得的吸盘新的安装点位置，各个标准件的空间安装位置坐标传递给CATIA，系统自动将这些标准件安装到指定的位置，最后得到吸盘的坐标为吸盘1坐标1(-44.289 775.745 448.445)吸盘2坐标1(125.589 757.115 260.944)吸盘3坐标1(99.590 716.153 -324.057)，优化的连接臂的长度吸盘1对应的连接臂长125mm，吸盘2对应的连接臂长150mm，吸盘3对应的连接臂长175mm。
(连接臂长系列为相差25mm的系列)；9、模拟仿真移动机械手带动端拾器运动，模拟仿真端拾器的运动是否和模具及压机之间存在干涉问题，有干涉，则进行调整，甚至重新进行设计直到满足要求；10、最后生成装配图和物料表，完成端拾器的设计工作。
权利要求
1.一种端拾器的自动优化设计方法，其特征在于具体步骤如下(1)在冲压机床模具中定位冲压件的空间位置；(2)定位机械手臂的初始空间位置，将机械手臂定位在一个合适的初始位置；(3)选择主杆并安装在机械手臂上；(4)在冲压件上选取合适的吸盘安装点将端拾器的空间结构看作是具有5自由度空间结构，通过坐标变换或机器人运动学得到一个非线性多元方程组，解这个多元方程组从而得到组件的空间定位信息，得到吸盘的型号；(5)选择副杆的类型和初步的安装位置；(6)选择连接到不同副杆上的吸盘点建立杆件和吸盘点的对应关系，选择具体的点安转在相应的副杆上；(7)安装不可移动的吸盘点采用迭代法，通过移动副杆的位置，选取标准的吸盘；(8)安装其他的吸盘点采用迭代法在冲压件曲面上移动吸盘点的位置；(9)模拟仿真模拟仿真端拾器的运动是否和模具及压机之间存在干涉问题，有干涉，则进行调整，直到满足要求；(10)生成装配图和物料表，操作完成。
2.根据权利要求1所述的端拾器的自动优化设计方法，其特征在于吸盘空间结构的设计，采用坐标变换法或机器人运动学方法，其具体步骤如下(1)采用坐标变换法将坐标系经过一系列的平移和旋转变换，最后将坐标变换到基础坐标系中，定义坐标系O8，O8以P点为原点，P点法向矢量方向为Y坐标方向，O7为转向关节和连接臂关节端的中心，O8中的坐标转换到O7中的变换为B7＝[1000；010-D4；001D3；0001]；其中D3的正负号由转向关节和吸盘的安装位置确定，同理推导出O7到O6，O6到O5，O5到O4，O4到O3，O3到O2，O2到O1，O1到O的坐标变换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]；得到手臂末端矩阵T为T＝(B1×(B2×(B3×(B4×(B5×(B6×(B7)))))))(2)采用机器人运动学方法，得到手臂末端矩阵为T＝[Xx Yx Zx px，Xy Yy Zy py，Xz Yz Zz pz，0001]；由此得到如下方程组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为连接臂轴线到副杆轴线的距离，D2为连接臂轴线到转向关节轴线的距离，D3为吸盘轴线到转向关节中心的距离，D4为吸盘的高度，这些量是所选的部件相关的几何尺寸，P点为冲压件上选取的吸盘点，其坐标和法向量已知(px，Py，pz，I，J，K)。其中x1为连接臂在副杆上的安装位置，x2为连接臂绕副杆转动的角度，x3为连接臂的长度，x4为连接臂关节转动的角度，x5为转向关节转动的角度，求解出这五个未知数，即可得到端拾器的空间结构。
3.根据权利要求1所述的端拾器的自动优化设计方法，其特征在于固定吸盘点对副杆位置进行调整采用迭代法得到，具体步骤如下(1)选择长度接近的连接臂，并计算长度误差ΔL，；(2)计算误差是否小于规定的阈值ε，小于则结束，否则进行下一步计算；(3)计算副杆移动的位移量ΔX副杆沿x轴方向位移，ΔX＝ΔL×COS(x2)；(4)返回步骤(1)，重新按照新的副杆位置进行自动安装计算；其中，x2为连接臂绕副杆转动的角度。
4.根据权利要求1所述的端拾器的自动优化设计方法，其特征在于移动吸盘点方法，具体步骤如下(1)选择长度接近的连接臂，并计算长度误差ΔL；(2)计算误差是否小于规定的阈值ε，小于则结束，否则进行下一步计算；(3)计算吸盘点移动的位移量ΔXx轴方向位移，ΔX＝ΔL×COS(x2)，然后根据曲面方程重新计算吸盘点P(px，py，pz，I，J，K)；(4)返回步骤(1)，重新按照新的吸盘点进行自动安装计算；其中，x2为连接臂绕副杆转动的角度。
全文摘要
本发明属于机械设计领域，具体涉及一种端拾器的自动优化设计设计。在对CAD系统进行二次开发的基础上，采用自动优化的算法，将端拾器的空间结构看作是具有5自由度空间结构，通过坐标变换或机器人运动学得到一个非线性多元方程组，解这个多元方程组从而得到组件的空间定位信息，得到吸盘的型号；采用迭代法，通过移动副杆的位置，选取标准的吸盘；采用迭代法在冲压件曲面上移动吸盘点的位置，确定移动吸盘的位置，从而得到一个适应标准杆件长度系列的精确解。本发明优化了端拾器的空间结构，降低设计难度和设计时间，提高设计质量，所选取的元件不需要再进行加工裁减，就可装配成实际应用的端拾器。由于在设计时就能保证每个吸盘点的误差在要求的范围内，从而提高了安装质量，保证了端拾器的正常可靠工作，缩短生产准备时间，提高生产效率，降低生产成本。
文档编号G06F17/50GK1987868SQ20051011182
公开日2007年6月27日 申请日期2005年12月22日 优先权日2005年12月22日
发明者樊留群, 马玉敏, 赵荣泳, 朱志浩 申请人:同济大学