一種機器人制鞋涂膠系統設計與仿真研究*

陳 罡，嚴 楠，李立軍

（1.寧波職業技術學院 機電工程學院，浙江 寧波 315800；2.寧波慈星股份有限公司，浙江 慈溪 315300）

0 引言

我國為鞋業出口大國，但相對于發達國家，鞋類產品的品質以及生產效率都較低［1－2］。在制鞋工序中，涂膠工序是影響制鞋質量的關鍵因素之一。現階段，我國制鞋涂膠工作基本都是由工人手工完成。伴隨著勞動力成本的急劇上升，增加了制鞋企業生產成本。同時，手工涂膠存在效率低、涂膠質量不穩定（尤其在某些要求嚴格的場合，手工涂膠幾乎無法達到要求的質量）、工作車間環境惡劣等問題［3－4］。這些因素直接制約著我國制鞋企業高質量的發展，因此，實現涂膠工藝的機器人自動操作對提高整個制鞋裝備的自動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器人涂膠制鞋系統方案。通過實驗仿真，對機器人涂膠的軌跡規劃、運行節拍等重要參數進行了驗證，為后續設計及設備測試提供了重要參考。

1 機器人制鞋涂膠系統總體設計

機器人制鞋涂膠系統主要由機器人自動上料系統、視覺檢測系統、涂膠系統及相關輔助系統組成，其總體布局如圖1所示。

圖1 機器人制鞋涂膠系統布局

1.1 機器人涂膠系統主要組成

1.1.1 機器人自動上料系統

機器人自動上料系統主要包含上料機器人、工裝定位裝置等設備。根據圖1布局，工裝托盤采用輸送線供送，機器人將裝有待涂膠鞋底的托盤搬運至輸送線上，并對鞋底進行定位與夾緊。當鞋底托盤到達機器人涂膠工位時，傳感器檢測到鞋底工裝托盤，由頂升機構將托盤進行舉升。為提高定位精度，托盤與舉升機構采用定位銷進行二次定位。

1.1.2 視覺檢測系統

視覺檢測系統主要由視覺相機、光源、視覺控制器等部分組成。機器人噴涂軌跡自適應的視覺策略如圖2所示，視覺相機首先對鞋底涂膠位置進行圖像采集，所得圖像軌跡通過與鞋底涂膠標準輪廓進行比對，得出偏移量，并將其坐標數據通過網絡通信方式傳送給機器人控制系統，得出現有鞋底的涂膠實際位置，以保證鞋底涂膠效果，提高涂膠系統的可靠性［7－8］。

圖2 機器人噴涂軌跡自適應的視覺策略

1.1.3 涂膠系統

涂膠系統主要由涂膠機器人、供膠系統、柱塞泵、加熱系統、涂膠槍、膠量檢測系統和觸摸屏等組成。

供膠系統采用A、B膠（1∶1）配比進行組合供膠，膠桶A、B上分別有氣路加壓，推動膠桶供膠。本系統通過采用柱塞泵進行定量抽送，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，將采集信號反饋給供膠控制系統，當儲膠量減少到最低設定值時，控制系統進行報警反饋，提示換膠，從而保證生產的穩定性及可靠性。

圖3 供膠系統示意圖

1.2 涂膠系統工藝

機器人自動化涂膠系統主要工藝流程如圖4所示。

機器人完成涂膠后，視覺系統進行二次拍照，并檢測涂膠位置是否準確。若合格，則隨輸送線流動到下一工位；若不合格，則將其搬運剔除。

2 實驗仿真

2.1 實驗模型

針對機器人自動涂膠系統，主要分析涂膠軌跡和機器人運行速度兩個因素。涂膠軌跡反映了涂膠的精度；而機器人運行的速度則影響鞋底涂膠膠水的覆蓋量及涂膠生產節拍。機器人制鞋涂膠仿真模型如圖5所示，基于DELMIA軟件仿真平臺，對某六軸工業機器人臂進行建模仿真。

圖4 機器人制鞋涂膠工藝流程

圖5 機器人制鞋涂膠仿真模型

通過視覺系統采集鞋底軌跡圖像，控制系統對鞋底涂膠軌跡進行離散化數據處理與轉化，可得涂膠軌跡視覺采集點的空間坐標（X，Y，Z）如表1所示。

2.2 實驗結果

視覺系統將機械臂運動的期望目標點（見表1）傳給機器人系統，通過路徑規劃運算，確定所需中間點的位置和數量，使機器人到達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確性，機器人運動采用連續軌跡（CP）進行路徑規劃。根據表1數據對機器人仿真，結果如圖6所示。

由圖6可知，在運動過程中機器人實現了無碰撞路徑規劃，機器人末端執行器Tool點運行時涂膠點均可達，且軌跡光滑、連續，涂膠軌跡滿足允許涂膠誤差要求；根據仿真結果，機器人運行節拍26.2s（機器人運行全速的90%），可滿足現有涂膠工藝節拍要求。

表1 鞋底涂膠軌跡視覺采集點的空間坐標 mm

圖6 機器人涂膠仿真軌跡

3 結語

與傳統的制鞋涂膠生產模式相比，本文提出的機器人自動涂膠系統顯著提高了制鞋涂膠的效率，涂膠穩定，精度較高，同時可兼容多種涂膠的產品，實現了制鞋涂膠工藝的柔性化生產，同時實現了從目前傳統工藝制鞋涂膠生產向現代智能化、高度自動化的制鞋流水線的發展。

通過仿真實驗，驗證了機器人運行軌跡及節拍等關鍵參數，為后續樣機的進一步開發與調試提供了重要參考，縮短了設計周期，并節約了成本。需要指出的是，在驗證運行節拍時，本文未對膠槍出膠速度與機器人運行速度對鞋底的落膠量的雙重疊加影響進行有效驗證。因此，在實際生產中，機器人的運行速度應在參考本實驗的基礎上，根據鞋底實際落膠量進行合理優化，以保證涂膠效果達到最佳。