一種機器人制鞋涂膠系統(tǒng)設(shè)計與仿真研究*

陳 罡，嚴 楠，李立軍

（1.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(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?，F(xiàn)階段，我國制鞋涂膠工作基本都是由工人手工完成。伴隨著勞動力成本的急劇上升，增加了制鞋企業(yè)生產(chǎn)成本。同時，手工涂膠存在效率低、涂膠質(zhì)量不穩(wěn)定（尤其在某些要求嚴格的場合，手工涂膠幾乎無法達到要求的質(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，實現(xiàn)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(tǒng)方案。通過實驗仿真，對機器人涂膠的軌跡規(guī)劃、運行節(jié)拍等重要參數(shù)進行了驗證，為后續(xù)設(shè)計及設(shè)備測試提供了重要參考。

1 機器人制鞋涂膠系統(tǒng)總體設(shè)計

機器人制鞋涂膠系統(tǒng)主要由機器人自動上料系統(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 機器人制鞋涂膠系統(tǒng)布局

1.1 機器人涂膠系統(tǒng)主要組成

1.1.1 機器人自動上料系統(tǒng)

機器人自動上料系統(tǒng)主要包含上料機器人、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(gòu)將托盤進行舉升。為提高定位精度，托盤與舉升機構(gòu)采用定位銷進行二次定位。

1.1.2 視覺檢測系統(tǒng)

視覺檢測系統(tǒng)主要由視覺相機、光源、視覺控制器等部分組成。機器人噴涂軌跡自適應(yīng)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(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)通信方式傳送給機器人控制系統(tǒng)，得出現(xiàn)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(tǒng)的可靠性［7－8］。

圖2 機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(tǒng)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(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，將采集信號反饋給供膠控制系統(tǒng)，當儲膠量減少到最低設(shè)定值時，控制系統(tǒng)進行報警反饋，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

機器人自動化涂膠系統(tǒng)主要工藝流程如圖4所示。

機器人完成涂膠后，視覺系統(tǒng)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?zāi)Ｐ?/h3>

針對機器人自動涂膠系統(tǒng)，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(chǎn)節(jié)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(yè)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(tǒng)采集鞋底軌跡圖像，控制系統(tǒng)對鞋底涂膠軌跡進行離散化數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)化，可得涂膠軌跡視覺采集點的空間坐標（X，Y，Z）如表1所示。

2.2 實驗結(jié)果

視覺系統(tǒng)將機械臂運動的期望目標點（見表1）傳給機器人系統(tǒng)，通過路徑規(guī)劃運算，確定所需中間點的位置和數(shù)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(xù)軌跡（CP）進行路徑規(guī)劃。根據(jù)表1數(shù)據(jù)對機器人仿真，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，在運動過程中機器人實現(xiàn)了無碰撞路徑規(guī)劃，機器人末端執(zhí)行器Tool點運行時涂膠點均可達，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，機器人運行節(jié)拍26.2s（機器人運行全速的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的空間坐標 mm

圖6 機器人涂膠仿真軌跡

3 結(jié)語

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

通過仿真實驗，驗證了機器人運行軌跡及節(jié)拍等關(guān)鍵參數(shù)，為后續(xù)樣機的進一步開發(fā)與調(diào)試提供了重要參考，縮短了設(shè)計周期，并節(jié)約了成本。需要指出的是，在驗證運行節(jié)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(chǎn)中，機器人的運行速度應(yīng)在參考本實驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)鞋底實際落膠量進行合理優(yōu)化，以保證涂膠效果達到最佳。