一種機(jī)器人制鞋涂膠系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究*

陳 罡，嚴(yán) 楠，李立軍

（1.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 寧波 315800；2.寧波慈星股份有限公司，浙江 慈溪 315300）

0 引言

我國為鞋業(yè)出口大國，但相對于發(fā)達(dá)國家，鞋類產(chǎn)品的品質(zhì)以及生產(chǎn)效率都較低［1－2］。在制鞋工序中，涂膠工序是影響制鞋質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。現(xiàn)階段，我國制鞋涂膠工作基本都是由工人手工完成。伴隨著勞動(dòng)力成本的急劇上升，增加了制鞋企業(yè)生產(chǎn)成本。同時(shí)，手工涂膠存在效率低、涂膠質(zhì)量不穩(wěn)定（尤其在某些要求嚴(yán)格的場合，手工涂膠幾乎無法達(dá)到要求的質(zhì)量）、工作車間環(huán)境惡劣等問題［3－4］。這些因素直接制約著我國制鞋企業(yè)高質(zhì)量的發(fā)展，因此，實(shí)現(xiàn)涂膠工藝的機(jī)器人自動(dòng)操作對提高整個(gè)制鞋裝備的自動(dòng)化水平有著極其重要的意義［5－6］。

針對上述問題，本文提出了一種新型機(jī)器人涂膠制鞋系統(tǒng)方案。通過實(shí)驗(yàn)仿真，對機(jī)器人涂膠的軌跡規(guī)劃、運(yùn)行節(jié)拍等重要參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，為后續(xù)設(shè)計(jì)及設(shè)備測試提供了重要參考。

1 機(jī)器人制鞋涂膠系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

機(jī)器人制鞋涂膠系統(tǒng)主要由機(jī)器人自動(dòng)上料系統(tǒng)、視覺檢測系統(tǒng)、涂膠系統(tǒng)及相關(guān)輔助系統(tǒng)組成，其總體布局如圖1所示。

圖1 機(jī)器人制鞋涂膠系統(tǒng)布局

1.1 機(jī)器人涂膠系統(tǒng)主要組成

1.1.1 機(jī)器人自動(dòng)上料系統(tǒng)

機(jī)器人自動(dòng)上料系統(tǒng)主要包含上料機(jī)器人、工裝定位裝置等設(shè)備。根據(jù)圖1布局，工裝托盤采用輸送線供送，機(jī)器人將裝有待涂膠鞋底的托盤搬運(yùn)至輸送線上，并對鞋底進(jìn)行定位與夾緊。當(dāng)鞋底托盤到達(dá)機(jī)器人涂膠工位時(shí)，傳感器檢測到鞋底工裝托盤，由頂升機(jī)構(gòu)將托盤進(jìn)行舉升。為提高定位精度，托盤與舉升機(jī)構(gòu)采用定位銷進(jìn)行二次定位。

1.1.2 視覺檢測系統(tǒng)

視覺檢測系統(tǒng)主要由視覺相機(jī)、光源、視覺控制器等部分組成。機(jī)器人噴涂軌跡自適應(yīng)的視覺策略如圖2所示，視覺相機(jī)首先對鞋底涂膠位置進(jìn)行圖像采集，所得圖像軌跡通過與鞋底涂膠標(biāo)準(zhǔn)輪廓進(jìn)行比對，得出偏移量，并將其坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)通信方式傳送給機(jī)器人控制系統(tǒng)，得出現(xiàn)有鞋底的涂膠實(shí)際位置，以保證鞋底涂膠效果，提高涂膠系統(tǒng)的可靠性［7－8］。

圖2 機(jī)器人噴涂軌跡自適應(yīng)的視覺策略

1.1.3 涂膠系統(tǒng)

涂膠系統(tǒng)主要由涂膠機(jī)器人、供膠系統(tǒng)、柱塞泵、加熱系統(tǒng)、涂膠槍、膠量檢測系統(tǒng)和觸摸屏等組成。

供膠系統(tǒng)采用A、B膠（1∶1）配比進(jìn)行組合供膠，膠桶A、B上分別有氣路加壓，推動(dòng)膠桶供膠。本系統(tǒng)通過采用柱塞泵進(jìn)行定量抽送，配備加熱器對膠水軟管通道加熱，以保證供膠系統(tǒng)的流暢性及噴出膠水黏度，從而保證其良好性能［9］。供膠系統(tǒng)如圖3所示，活塞桿位置隨著膠桶膠量減少而降低，通過光電傳感器檢測活塞桿所在位置，將采集信號(hào)反饋給供膠控制系統(tǒng)，當(dāng)儲(chǔ)膠量減少到最低設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警反饋，提示換膠，從而保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性及可靠性。

圖3 供膠系統(tǒng)示意圖

1.2 涂膠系統(tǒng)工藝

機(jī)器人自動(dòng)化涂膠系統(tǒng)主要工藝流程如圖4所示。

機(jī)器人完成涂膠后，視覺系統(tǒng)進(jìn)行二次拍照，并檢測涂膠位置是否準(zhǔn)確。若合格，則隨輸送線流動(dòng)到下一工位；若不合格，則將其搬運(yùn)剔除。

2 實(shí)驗(yàn)仿真

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

針對機(jī)器人自動(dòng)涂膠系統(tǒng)，主要分析涂膠軌跡和機(jī)器人運(yùn)行速度兩個(gè)因素。涂膠軌跡反映了涂膠的精度；而機(jī)器人運(yùn)行的速度則影響鞋底涂膠膠水的覆蓋量及涂膠生產(chǎn)節(jié)拍。機(jī)器人制鞋涂膠仿真模型如圖5所示，基于DELMIA軟件仿真平臺(tái)，對某六軸工業(yè)機(jī)器人臂進(jìn)行建模仿真。

圖4 機(jī)器人制鞋涂膠工藝流程

圖5 機(jī)器人制鞋涂膠仿真模型

通過視覺系統(tǒng)采集鞋底軌跡圖像，控制系統(tǒng)對鞋底涂膠軌跡進(jìn)行離散化數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)化，可得涂膠軌跡視覺采集點(diǎn)的空間坐標(biāo)（X，Y，Z）如表1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

視覺系統(tǒng)將機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的期望目標(biāo)點(diǎn)（見表1）傳給機(jī)器人系統(tǒng)，通過路徑規(guī)劃運(yùn)算，確定所需中間點(diǎn)的位置和數(shù)量，使機(jī)器人到達(dá)涂膠軌跡位置而不碰到任何障礙。考慮到鞋底軌跡多為弧線，為保證涂膠軌跡的準(zhǔn)確性，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)采用連續(xù)軌跡（CP）進(jìn)行路徑規(guī)劃。根據(jù)表1數(shù)據(jù)對機(jī)器人仿真，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，在運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了無碰撞路徑規(guī)劃，機(jī)器人末端執(zhí)行器Tool點(diǎn)運(yùn)行時(shí)涂膠點(diǎn)均可達(dá)，且軌跡光滑、連續(xù)，涂膠軌跡滿足允許涂膠誤差要求；根據(jù)仿真結(jié)果，機(jī)器人運(yùn)行節(jié)拍26.2s（機(jī)器人運(yùn)行全速的90%），可滿足現(xiàn)有涂膠工藝節(jié)拍要求。

表1 鞋底涂膠軌跡視覺采集點(diǎn)的空間坐標(biāo) mm

圖6 機(jī)器人涂膠仿真軌跡

3 結(jié)語

與傳統(tǒng)的制鞋涂膠生產(chǎn)模式相比，本文提出的機(jī)器人自動(dòng)涂膠系統(tǒng)顯著提高了制鞋涂膠的效率，涂膠穩(wěn)定，精度較高，同時(shí)可兼容多種涂膠的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了制鞋涂膠工藝的柔性化生產(chǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了從目前傳統(tǒng)工藝制鞋涂膠生產(chǎn)向現(xiàn)代智能化、高度自動(dòng)化的制鞋流水線的發(fā)展。

通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了機(jī)器人運(yùn)行軌跡及節(jié)拍等關(guān)鍵參數(shù)，為后續(xù)樣機(jī)的進(jìn)一步開發(fā)與調(diào)試提供了重要參考，縮短了設(shè)計(jì)周期，并節(jié)約了成本。需要指出的是，在驗(yàn)證運(yùn)行節(jié)拍時(shí)，本文未對膠槍出膠速度與機(jī)器人運(yùn)行速度對鞋底的落膠量的雙重疊加影響進(jìn)行有效驗(yàn)證。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)器人的運(yùn)行速度應(yīng)在參考本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)鞋底實(shí)際落膠量進(jìn)行合理優(yōu)化，以保證涂膠效果達(dá)到最佳。