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1、基于遺傳算法的涂膠機(jī)器人裝夾優(yōu)化設(shè)計(jì) 【摘 要】本文針對(duì)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(jì)了一種自動(dòng)大底涂膠機(jī)器人，其中線性模組是保證涂膠機(jī)構(gòu)定位精度與運(yùn)動(dòng)精度的關(guān)鍵部件，嚴(yán)重影響著涂膠質(zhì)量與鞋子耐用性。為此，運(yùn)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(dòng)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(jī)器人；薄壁外框架；有限元方法；遺傳算法 1、引言（Introduction） 近年來，國(guó)內(nèi)的制鞋產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，中國(guó)已經(jīng)確立了世界制鞋大

2、國(guó)地位。與此同時(shí)，制鞋產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)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(gè)制鞋過程中是一個(gè)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(dòng)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(yán)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(shí)現(xiàn)涂膠工序自動(dòng)化的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)出合理的涂膠機(jī)器人和鞋大底曲面數(shù)據(jù)提取及涂膠軌跡的自動(dòng)生成。為此，國(guó)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(zhǔn)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(cè)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(diǎn)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鞋大底自動(dòng)涂膠動(dòng)作做了不少相應(yīng)的研究，但自動(dòng)大底涂膠機(jī)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(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。左力等人[3]發(fā)明了一種基于直線導(dǎo)軌的鞋大底自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)。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(dòng)方式難以有效地控制涂膠頭的運(yùn)動(dòng)精度。 因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)鞋底復(fù)雜表面輪廓的正確涂膠

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

5、表面的涂膠，涂膠機(jī)器人至少需要三個(gè)自由度：徑向移動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)涂膠機(jī)構(gòu)在徑向方向上的直線運(yùn)動(dòng)；垂直移動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)涂膠機(jī)構(gòu)在垂直方向上的直線運(yùn)動(dòng)；轉(zhuǎn)動(dòng)滑臺(tái)可繞固定底座旋轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)涂膠機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)涂膠機(jī)構(gòu)沿著鞋底輪廓表面的涂膠運(yùn)動(dòng)。 3、螺栓布局的優(yōu)化設(shè)計(jì)（The optimal design of bolt layout） 徑向移動(dòng)機(jī)構(gòu)外框架一方面為了克服自身重力及涂膠機(jī)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(huì)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(jìn)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(huì)相應(yīng)的增加，

6、也可能會(huì)導(dǎo)致徑向移動(dòng)機(jī)構(gòu)外框架的變形增大，從而影響滾動(dòng)絲杠的傳動(dòng)精度，降低涂膠機(jī)構(gòu)的定位精度和運(yùn)動(dòng)精度，影響滾動(dòng)絲杠的使用壽命。因此，合理選擇螺栓數(shù)目及其位置是實(shí)現(xiàn)涂膠動(dòng)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(jī)器人能更好的作業(yè)，設(shè)計(jì)其徑向移動(dòng)機(jī)構(gòu)外框架的總長(zhǎng)為1000mm，即涂膠機(jī)構(gòu)在徑向方向的行程為1000mm。標(biāo)準(zhǔn)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(duì)稱。第一組螺栓安裝孔的中心距離坐標(biāo)原點(diǎn)為100mm，第二組螺栓安裝孔的中線距離坐標(biāo)原點(diǎn)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(gè)夾緊螺栓，C

7、1、C2和C3、C4分別上下對(duì)稱，故只需確定C1和C3到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離。設(shè)C1與C3到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離分別為x1、x2。 利用遺傳算法優(yōu)化螺栓布局時(shí)，決策變量為螺栓C1、C3中心到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離x1和x2，取值范圍均為[0，1000]。采用20位的二進(jìn)制碼代表一個(gè)染色體，前10位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)表示x1的取值，后10位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)表示x2的取值。由于10位的二進(jìn)制代碼代表的十進(jìn)制數(shù)的取值范圍為[0，1024]，當(dāng)取二進(jìn)制代碼對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制的數(shù)在區(qū)間[1000，1024]時(shí)，即所取的值不在規(guī)定的取值范圍內(nèi)，則用1000代替當(dāng)前的二進(jìn)制編碼值。遺傳算法中采用比例選擇算子、單點(diǎn)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(yùn)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(shí)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(dāng)螺栓數(shù)目n=4時(shí)，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(jì)變量為C1

9、、C2到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離x1，C3、C4到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離x2及C5、C6到坐標(biāo)原點(diǎn)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(dāng)螺栓數(shù)目n=6時(shí)，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(jìn)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(yùn)算，在第20代取得最優(yōu)值，此時(shí)的平均最大變形為80.6μm，大于螺栓數(shù)目為6個(gè)的平均最大變形，這是因?yàn)殡m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(shí)也增加了對(duì)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(shí)的最大變形。 4、結(jié)語（Conclusions） （1）根據(jù)鞋廠要求，設(shè)計(jì)了一款具有3自由度的鞋業(yè)自動(dòng)大底涂膠機(jī)器人，其不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，而且效率極高，能代替人工進(jìn)行對(duì)復(fù)雜鞋大底的涂膠工藝。 （2）以影響滾珠絲杠傳動(dòng)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(xiàn) [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(dòng)生成方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44（8）：85-89+96. [3]左力，江洪道，張運(yùn)梅，徐廣澤.鞋大底自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī).中國(guó)：ZL200415505997[P].2004. 作者簡(jiǎn)介 李波（1988-），男，江西人。碩士生。研究領(lǐng)域：復(fù)雜機(jī)械裝備的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，切削加工仿真技術(shù)。 第 6 頁 共 6 頁