智能機(jī)械鞋底涂膠上鞋底裝置的研發(fā)與應(yīng)用

沈德隆 張雪峰

【摘要】智能機(jī)械鞋底涂膠上鞋底裝置主要研發(fā)在制鞋噴涂機(jī)械的改進(jìn)裝置，結(jié)合目前溫州地區(qū)制鞋企業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀：設(shè)備落后、制鞋成本上升、生產(chǎn)環(huán)境惡劣、有毒有害工種人員招工難等相關(guān)問題，結(jié)合制鞋噴膠的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)。智能機(jī)械鞋底涂膠上鞋底裝置采用工業(yè)機(jī)械手和工業(yè)視覺檢測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合的方式，代替現(xiàn)有的制鞋涂膠加工作業(yè)。

【關(guān)鍵詞】涂膠;機(jī)械;鞋底

目前在鞋革加工制造行業(yè)中，幾乎所有的涂膠工序都是由手工來完成的。隨著制造業(yè)對(duì)機(jī)器人裝備的需求及綠色環(huán)保和改善勞動(dòng)者的工作環(huán)境要求越來越高，“制鞋刷膠機(jī)器人”的研究開發(fā)將對(duì)我國輕工支柱產(chǎn)業(yè)之一的制鞋行業(yè)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。機(jī)器人控制器是機(jī)器人系統(tǒng)的核心部分，機(jī)器人性能的優(yōu)劣，功能的強(qiáng)弱，與控制器密切相關(guān)，因此控制器一直備受各國機(jī)器人廠家的重視，發(fā)展較快。國內(nèi)的機(jī)器人研究開發(fā)工作已有多年，取得了一些成果，并相繼應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中。因此在機(jī)器人技術(shù)中引入涂膠工藝是勢(shì)在必行，目前各種涂膠機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)。但是看似簡(jiǎn)單的涂膠工藝，由于其過程涉及到氣體、液體等多種介質(zhì)，而且所用的膠為非牛頓流體，其復(fù)雜多變的性能使得涂膠工藝變得復(fù)雜。這樣不僅刺激了生產(chǎn)商研究新的涂膠方法，而且也促進(jìn)了他們?cè)诶碚摵蛯?shí)踐上對(duì)技術(shù)進(jìn)行更深的研究，實(shí)現(xiàn)高精度，高穩(wěn)定性的涂膠。

智能機(jī)械鞋底涂膠上鞋底裝置是浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校企合作辦與溫州一家制鞋機(jī)械有限公司共同協(xié)議準(zhǔn)備研發(fā)的科技創(chuàng)新項(xiàng)目。智能機(jī)械鞋底涂膠上鞋底裝置主要是解決制鞋機(jī)械有限公司的鞋底涂膠的自動(dòng)化改造部分與涂膠上鞋底部分的研發(fā)。我院教師團(tuán)隊(duì)經(jīng)過與精益制鞋機(jī)械有限公司的總工程師研討本裝置如果研發(fā)成功，可以廣泛應(yīng)用到溫州制鞋的大中小企業(yè)。在制鞋工廠鞋底涂膠全部有人工手動(dòng)完成，鞋底涂膠具有鞋體溫度高、毒性揮發(fā)強(qiáng)、與制鞋生產(chǎn)線的烤箱近等問題出現(xiàn)?，F(xiàn)在制鞋工廠的鞋底涂膠工種很難找到員工。本裝置的研發(fā)可以徹底解決鞋底涂膠自動(dòng)化并且無人參與操作。大大降低了制鞋工廠的用工成本與安全隱患。智能機(jī)械鞋底涂膠上鞋底裝置的研發(fā)對(duì)于溫州的制鞋工業(yè)來說應(yīng)用前景廣闊。

結(jié)合目前溫州地區(qū)制鞋企業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)備落后、成本上升、生產(chǎn)環(huán)境惡劣、有毒有害工種人員招工難等相關(guān)問題，智能機(jī)械鞋底涂膠上鞋底裝置結(jié)合制鞋噴膠的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)。采用工業(yè)機(jī)械手和工業(yè)視覺檢測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合的方式，代替現(xiàn)有的制鞋涂膠加工作業(yè)。智能機(jī)械鞋底涂膠上鞋底裝置包括各個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、X，Y，Z三個(gè)軸方向直線關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置、五自由度機(jī)構(gòu)的整體轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、噴槍式涂膠執(zhí)行器、工位轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、輔助系統(tǒng)機(jī)構(gòu)組成。對(duì)于機(jī)械鞋底涂膠機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)工作空間小，一個(gè)工位只對(duì)一只鞋子進(jìn)行定位與涂膠上鞋底的工裝。各個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)是連接不同關(guān)節(jié)的基本構(gòu)件，各個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)能滿做鞋業(yè)涂膠的工作要求。考慮到對(duì)應(yīng)鞋子長度方向的X向直線關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)比對(duì)應(yīng)鞋子寬度方向的Y向直線關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)頻繁很多，因此確定用Y向直線關(guān)節(jié)帶動(dòng)X向直線關(guān)節(jié)。同時(shí)考慮到X向直線關(guān)節(jié)很長，在Y向直線關(guān)節(jié)中添加一個(gè)輔助支撐，平衡垂直方向的力，防止結(jié)構(gòu)扭曲。制鞋噴涂機(jī)械的驅(qū)動(dòng)方式采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，伺服電機(jī)的控制具有精度高、體積小、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于X，Y，Z軸三個(gè)方向的直線關(guān)節(jié)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)連接滾珠絲杠傳動(dòng)，不加減速機(jī)構(gòu)電機(jī)與滾珠絲杠通過聯(lián)軸器直接相連。而對(duì)于用來調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)調(diào)整角度很小，并且要求的速度很低，選擇轉(zhuǎn)速較高的精度更高的伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

X，Y，Z三個(gè)軸方向直線關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置：對(duì)于X，Y，Z三軸方向直線關(guān)節(jié)采用一端驅(qū)動(dòng)，一端輔助支撐的結(jié)構(gòu)。X，Y，Z方向直線關(guān)節(jié)工作所需的最大負(fù)載扭矩、電機(jī)負(fù)載慣量、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制精度等相關(guān)參數(shù)。X，Y，Z三個(gè)軸方向直線關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置選定伺服電機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)合適的聯(lián)軸器、直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠等。并設(shè)計(jì)出機(jī)構(gòu)中使用到的一系列非標(biāo)準(zhǔn)件，如底板、軸承座、電機(jī)座。以X軸為例說明每個(gè)軸之間的連接關(guān)系，對(duì)于X軸伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠的螺母沿X軸方向移動(dòng)。X軸方向連接塊一端與螺母連接另一端與滑塊連接，并通過連接Z軸方向直線關(guān)節(jié)的底板，帶動(dòng)Z軸方向直線關(guān)節(jié)沿X軸方向運(yùn)動(dòng)。

制鞋噴涂機(jī)械的涂膠執(zhí)行器加在機(jī)械手末端，需要3個(gè)自由度使執(zhí)行器到達(dá)空間任意位置，根據(jù)涂膠工藝還需要2個(gè)自由度來調(diào)整涂膠執(zhí)行器的姿態(tài)。制鞋噴涂機(jī)械只要有5個(gè)自由度就能滿足涂膠要求。針對(duì)鞋業(yè)涂膠的工作要求，涂膠精度不高，但要求機(jī)器人有一定的剛度。由于鞋業(yè)涂膠要求的工作空間很小，只需覆蓋一只鞋子，仍然能滿做鞋業(yè)涂膠的工作要求。噴槍式涂膠執(zhí)行器，不需要一直與鞋面的接觸程度，避免接觸力過大而導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的反轉(zhuǎn)。涂膠軌跡是一條規(guī)則折線段。轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)是為了在涂膠時(shí)調(diào)整末端涂膠執(zhí)行器的姿態(tài)。涂膠時(shí)鞋子形狀都是比較規(guī)則，不需要側(cè)面涂膠。因此在整個(gè)涂膠過程轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)都沒有用上。同時(shí)由于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)限制，選擇的步進(jìn)電機(jī)扭矩余量很小，必須注意刷子或滾子與涂膠鞋面的接觸程度。避免接觸力過大而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的反轉(zhuǎn)。為了節(jié)省成本并且使機(jī)構(gòu)更可靠，將轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)成手調(diào)式的。使用滾子式涂膠執(zhí)行器時(shí)，涂膠的軌跡是一條規(guī)則折線段，卡具裝夾的鞋子都是沿同一方向放置的，只要滾子的裝夾與它保持平行，在工作中不需要轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)來調(diào)整滾子姿態(tài)。智能機(jī)械鞋底涂膠上鞋底裝置工作過程設(shè)計(jì)為以下步驟：操作人員把鞋子安裝在夾具上;啟動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)控制程序，從示教盒輸入任務(wù)或者從硬盤裝載任務(wù);將執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括膠刷和出膠頭移動(dòng)到起始點(diǎn)上方，調(diào)整好位姿;出膠信號(hào)有效，延時(shí)。出膠頭噴膠在斜側(cè)面，保證機(jī)器人同時(shí)開始動(dòng)作，用膠刷把膠涂均勻。軟件控制操作機(jī)走出程序中已經(jīng)存在的路徑;保證軌跡精度;在上次的軌跡內(nèi)部區(qū)域用膠刷來回涂刷，使得整個(gè)底部充滿膠水;停止出膠，延時(shí)，走完軌跡?；氐狡鹗键c(diǎn)，或回到機(jī)器人設(shè)定位置零點(diǎn)，等待下一周期工作信號(hào)。

智能機(jī)械鞋底涂膠上鞋底裝置通過對(duì)作業(yè)環(huán)境、機(jī)械鞋底涂膠上鞋底裝置性能及涂膠工作過程的分析，智能機(jī)械鞋底涂膠上鞋底裝置工作狀況惡劣，干擾信號(hào)強(qiáng)，為此基于工控機(jī)的伺服和步進(jìn)控制系統(tǒng)的組成，即電機(jī)控制模塊和供膠模塊。本裝置的控制系統(tǒng)可以分為PIC的多軸電機(jī)控制子系統(tǒng)和PCM供膠子系統(tǒng)。多軸電機(jī)控制子系統(tǒng)為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的主體，工控機(jī)通過PIC接口的電機(jī)控制卡來控制電機(jī)，從而使末端執(zhí)行器工控機(jī)輸入的任務(wù)軌跡。工控機(jī)主要功能是為整個(gè)機(jī)構(gòu)的建立任務(wù)，通過RS-232接口與涂膠系統(tǒng)通訊，傳遞任務(wù)文件和控制指令。供膠子系統(tǒng)是機(jī)器人涂膠作業(yè)中重要的組成部分，工控機(jī)通過單路I/O開關(guān)信號(hào)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的供膠子系統(tǒng)控制，供膠子系統(tǒng)采用壓力控制流量的方法，實(shí)現(xiàn)出膠量的精確控制。工控機(jī)通過工業(yè)攝像機(jī)和圖像采集卡監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行，機(jī)械鞋底涂膠上鞋底裝置有豐富的人機(jī)接口，包括啟動(dòng)、停止、急停、故障等各種按鈕方便工人操作?？刂葡到y(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)的構(gòu)成框圖

機(jī)器涂膠首先要解決的問題是要保證涂膠質(zhì)量，由于鞋的形狀較復(fù)雜，涂膠面的外形也不規(guī)則，而且每只鞋的尺碼不盡相同，因此涂膠質(zhì)量不容易保證，這就需要較好的機(jī)器人控制器，較為有效的控制算法，及較好的出膠控制方法，在實(shí)際應(yīng)用中能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、快速、高精度的涂膠作業(yè)。浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校企合作辦與精益制鞋機(jī)械有限公司共同協(xié)議準(zhǔn)備研發(fā)的科技創(chuàng)新項(xiàng)目。本項(xiàng)目主要是解決精益制鞋機(jī)械有限公司的鞋底涂膠的自動(dòng)化改造部分與涂膠上鞋底部分的研發(fā)。我院教師團(tuán)隊(duì)經(jīng)過與精益制鞋機(jī)械有限公司的總工程師研討本裝置如果研發(fā)成功，可以廣泛應(yīng)用到溫州制鞋的大中小企業(yè)。通過本項(xiàng)目的研究，可以搭建一個(gè)實(shí)用的可靠性高的六自由度涂膠機(jī)器人的自動(dòng)控制系統(tǒng)，研制出可以實(shí)現(xiàn)涂膠工藝的試驗(yàn)平臺(tái)，并可以應(yīng)用于生產(chǎn)提高生產(chǎn)率。技術(shù)特點(diǎn)如下：

1.智能機(jī)械鞋底涂膠上鞋底裝置采用三菱工業(yè)柔性機(jī)器人作為載體，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鞋底噴膠技術(shù)，解決噴膠過程的均勻性、快速性、一致性等問題。改進(jìn)后的制鞋噴涂機(jī)械提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，以至提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)使用機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)綠色加工，可以實(shí)現(xiàn)無毒安全作業(yè)。

2.智能機(jī)械鞋底涂膠上鞋底裝置對(duì)現(xiàn)有的制鞋的數(shù)據(jù)編寫機(jī)械手控制程序、通過視覺檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)實(shí)際鞋的尺寸選擇相應(yīng)的噴涂軌跡與噴涂方法、對(duì)在一些曲率轉(zhuǎn)彎處，膠膜厚度不均勻?qū)е聞冸x強(qiáng)度局部降低等問題進(jìn)行主要研發(fā)與改進(jìn)。根據(jù)不同的軌跡曲線擁有不同的噴涂姿態(tài)要求，解決了空間三維軌跡噴膠膠膜均勻性的問題，提高了噴涂品質(zhì)。

3.智能機(jī)械鞋底涂膠上鞋底裝置的制鞋自動(dòng)噴涂膠是根據(jù)鞋底邊緣的軌跡進(jìn)行自動(dòng)噴涂膠作業(yè)。整個(gè)機(jī)器人自動(dòng)噴膠系統(tǒng)主要包括控制人機(jī)互動(dòng)的控制中心、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器、視覺檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)器人加工模擬器、6自由度工業(yè)機(jī)器人、鞋楦裝夾平臺(tái)、及噴膠設(shè)備等。由人機(jī)互動(dòng)界面作為運(yùn)動(dòng)控制中心，實(shí)現(xiàn)圖形設(shè)計(jì)信息與機(jī)器人控制中心控制器之間進(jìn)行信息交互，經(jīng)過對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的提取、數(shù)據(jù)的處理與傳輸?shù)饶K，控制整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)作。

總結(jié)：智能機(jī)械鞋底涂膠上鞋底裝置是浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院的電子工程系、汽機(jī)學(xué)院和輕工系的有實(shí)際工程工作經(jīng)驗(yàn)的教師組成的優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)組成。精益制鞋機(jī)械有限公司是溫州最早一批的制鞋機(jī)械廠，他們的產(chǎn)品不但溫州的鞋廠廣泛的應(yīng)用，省外的鞋廠也都在使用。我院的輕工系現(xiàn)有制鞋工業(yè)生產(chǎn)線和上上鞋底機(jī)械加工設(shè)備的裝置對(duì)于本項(xiàng)目的研發(fā)有很好的研究基礎(chǔ)，電子工程系有多年改造電氣控制機(jī)械的軟硬件條件，汽機(jī)學(xué)院的機(jī)械加工可以盡快實(shí)現(xiàn)機(jī)械鞋底涂膠上鞋底裝置零部件加工與調(diào)試，精益制鞋機(jī)械有限公司的總工程師與參與本項(xiàng)目研發(fā)與改造。所以智能機(jī)械鞋底涂膠上鞋底裝置的研發(fā)有很好的研發(fā)條件與技術(shù)。

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