智能機械鞋底涂膠上鞋底裝置的研發與應用

沈德隆 張雪峰

【摘要】智能機械鞋底涂膠上鞋底裝置主要研發在制鞋噴涂機械的改進裝置，結合目前溫州地區制鞋企業的發展現狀：設備落后、制鞋成本上升、生產環境惡劣、有毒有害工種人員招工難等相關問題，結合制鞋噴膠的生產工藝特點。智能機械鞋底涂膠上鞋底裝置采用工業機械手和工業視覺檢測系統相結合的方式，代替現有的制鞋涂膠加工作業。

【關鍵詞】涂膠;機械;鞋底

目前在鞋革加工制造行業中，幾乎所有的涂膠工序都是由手工來完成的。隨著制造業對機器人裝備的需求及綠色環保和改善勞動者的工作環境要求越來越高，“制鞋刷膠機器人”的研究開發將對我國輕工支柱產業之一的制鞋行業產生巨大的經濟效益和社會效益。機器人控制器是機器人系統的核心部分，機器人性能的優劣，功能的強弱，與控制器密切相關，因此控制器一直備受各國機器人廠家的重視，發展較快。國內的機器人研究開發工作已有多年，取得了一些成果，并相繼應用于生產實際中。因此在機器人技術中引入涂膠工藝是勢在必行，目前各種涂膠機器人已經應用于生產。但是看似簡單的涂膠工藝，由于其過程涉及到氣體、液體等多種介質，而且所用的膠為非牛頓流體，其復雜多變的性能使得涂膠工藝變得復雜。這樣不僅刺激了生產商研究新的涂膠方法，而且也促進了他們在理論和實踐上對技術進行更深的研究，實現高精度，高穩定性的涂膠。

智能機械鞋底涂膠上鞋底裝置是浙江工貿職業技術學院校企合作辦與溫州一家制鞋機械有限公司共同協議準備研發的科技創新項目。智能機械鞋底涂膠上鞋底裝置主要是解決制鞋機械有限公司的鞋底涂膠的自動化改造部分與涂膠上鞋底部分的研發。我院教師團隊經過與精益制鞋機械有限公司的總工程師研討本裝置如果研發成功，可以廣泛應用到溫州制鞋的大中小企業。在制鞋工廠鞋底涂膠全部有人工手動完成，鞋底涂膠具有鞋體溫度高、毒性揮發強、與制鞋生產線的烤箱近等問題出現。現在制鞋工廠的鞋底涂膠工種很難找到員工。本裝置的研發可以徹底解決鞋底涂膠自動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。智能機械鞋底涂膠上鞋底裝置的研發對于溫州的制鞋工業來說應用前景廣闊。

結合目前溫州地區制鞋企業的發展現狀，設備落后、成本上升、生產環境惡劣、有毒有害工種人員招工難等相關問題，智能機械鞋底涂膠上鞋底裝置結合制鞋噴膠的生產工藝特點。采用工業機械手和工業視覺檢測系統相結合的方式，代替現有的制鞋涂膠加工作業。智能機械鞋底涂膠上鞋底裝置包括各個關節機構、X，Y，Z三個軸方向直線關節驅動裝置、五自由度機構的整體轉動關節機構、噴槍式涂膠執行器、工位轉換機構、輔助系統機構組成。對于機械鞋底涂膠機構設計工作空間小，一個工位只對一只鞋子進行定位與涂膠上鞋底的工裝。各個關節機構是連接不同關節的基本構件，各個關節機構能滿做鞋業涂膠的工作要求。考慮到對應鞋子長度方向的X向直線關節的運動比對應鞋子寬度方向的Y向直線關節的運動頻繁很多，因此確定用Y向直線關節帶動X向直線關節。同時考慮到X向直線關節很長，在Y向直線關節中添加一個輔助支撐，平衡垂直方向的力，防止結構扭曲。制鞋噴涂機械的驅動方式采用伺服電機驅動方式，伺服電機的控制具有精度高、體積小、無噪聲等優點，對于X，Y，Z軸三個方向的直線關節，采用伺服電機驅動連接滾珠絲杠傳動，不加減速機構電機與滾珠絲杠通過聯軸器直接相連。而對于用來調整末端執行器姿態的兩個轉動關節調整角度很小，并且要求的速度很低，選擇轉速較高的精度更高的伺服電機進行驅動。

X，Y，Z三個軸方向直線關節驅動裝置：對于X，Y，Z三軸方向直線關節采用一端驅動，一端輔助支撐的結構。X，Y，Z方向直線關節工作所需的最大負載扭矩、電機負載慣量、電機轉速、電機驅動的控制精度等相關參數。X，Y，Z三個軸方向直線關節驅動裝置選定伺服電機的基礎上，設計合適的聯軸器、直線導軌和滾珠絲杠等。并設計出機構中使用到的一系列非標準件，如底板、軸承座、電機座。以X軸為例說明每個軸之間的連接關系，對于X軸伺服電機通過聯軸器帶動滾珠絲杠的螺母沿X軸方向移動。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軸方向直線關節的底板，帶動Z軸方向直線關節沿X軸方向運動。

制鞋噴涂機械的涂膠執行器加在機械手末端，需要3個自由度使執行器到達空間任意位置，根據涂膠工藝還需要2個自由度來調整涂膠執行器的姿態。制鞋噴涂機械只要有5個自由度就能滿足涂膠要求。針對鞋業涂膠的工作要求，涂膠精度不高，但要求機器人有一定的剛度。由于鞋業涂膠要求的工作空間很小，只需覆蓋一只鞋子，仍然能滿做鞋業涂膠的工作要求。噴槍式涂膠執行器，不需要一直與鞋面的接觸程度，避免接觸力過大而導致轉動關節的反轉。涂膠軌跡是一條規則折線段。轉動關節的設計是為了在涂膠時調整末端涂膠執行器的姿態。涂膠時鞋子形狀都是比較規則，不需要側面涂膠。因此在整個涂膠過程轉動關節都沒有用上。同時由于轉動關節的機構限制，選擇的步進電機扭矩余量很小，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致的轉動關節的反轉。為了節省成本并且使機構更可靠，將轉動關節設計成手調式的。使用滾子式涂膠執行器時，涂膠的軌跡是一條規則折線段，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，在工作中不需要轉動關節的轉動來調整滾子姿態。智能機械鞋底涂膠上鞋底裝置工作過程設計為以下步驟：操作人員把鞋子安裝在夾具上;啟動機器人自動控制程序，從示教盒輸入任務或者從硬盤裝載任務;將執行機構包括膠刷和出膠頭移動到起始點上方，調整好位姿;出膠信號有效，延時。出膠頭噴膠在斜側面，保證機器人同時開始動作，用膠刷把膠涂均勻。軟件控制操作機走出程序中已經存在的路徑;保證軌跡精度;在上次的軌跡內部區域用膠刷來回涂刷，使得整個底部充滿膠水;停止出膠，延時，走完軌跡。回到起始點，或回到機器人設定位置零點，等待下一周期工作信號。

智能機械鞋底涂膠上鞋底裝置通過對作業環境、機械鞋底涂膠上鞋底裝置性能及涂膠工作過程的分析，智能機械鞋底涂膠上鞋底裝置工作狀況惡劣，干擾信號強，為此基于工控機的伺服和步進控制系統的組成，即電機控制模塊和供膠模塊。本裝置的控制系統可以分為PIC的多軸電機控制子系統和PCM供膠子系統。多軸電機控制子系統為機器人運動控制的主體，工控機通過PIC接口的電機控制卡來控制電機，從而使末端執行器工控機輸入的任務軌跡。工控機主要功能是為整個機構的建立任務，通過RS-232接口與涂膠系統通訊，傳遞任務文件和控制指令。供膠子系統是機器人涂膠作業中重要的組成部分，工控機通過單路I/O開關信號實現機器人的供膠子系統控制，供膠子系統采用壓力控制流量的方法，實現出膠量的精確控制。工控機通過工業攝像機和圖像采集卡監控系統運行，機械鞋底涂膠上鞋底裝置有豐富的人機接口，包括啟動、停止、急停、故障等各種按鈕方便工人操作。控制系統的構成框圖如圖1所示。

圖1 控制系統的構成框圖

機器涂膠首先要解決的問題是要保證涂膠質量，由于鞋的形狀較復雜，涂膠面的外形也不規則，而且每只鞋的尺碼不盡相同，因此涂膠質量不容易保證，這就需要較好的機器人控制器，較為有效的控制算法，及較好的出膠控制方法，在實際應用中能實現穩定、快速、高精度的涂膠作業。浙江工貿職業技術學院校企合作辦與精益制鞋機械有限公司共同協議準備研發的科技創新項目。本項目主要是解決精益制鞋機械有限公司的鞋底涂膠的自動化改造部分與涂膠上鞋底部分的研發。我院教師團隊經過與精益制鞋機械有限公司的總工程師研討本裝置如果研發成功，可以廣泛應用到溫州制鞋的大中小企業。通過本項目的研究，可以搭建一個實用的可靠性高的六自由度涂膠機器人的自動控制系統，研制出可以實現涂膠工藝的試驗平臺，并可以應用于生產提高生產率。技術特點如下：

1.智能機械鞋底涂膠上鞋底裝置采用三菱工業柔性機器人作為載體，實現自動鞋底噴膠技術，解決噴膠過程的均勻性、快速性、一致性等問題。改進后的制鞋噴涂機械提高產品質量和生產效率，以至提高企業的競爭力，同時使用機器人可以實現綠色加工，可以實現無毒安全作業。

2.智能機械鞋底涂膠上鞋底裝置對現有的制鞋的數據編寫機械手控制程序、通過視覺檢測系統檢測實際鞋的尺寸選擇相應的噴涂軌跡與噴涂方法、對在一些曲率轉彎處，膠膜厚度不均勻導致剝離強度局部降低等問題進行主要研發與改進。根據不同的軌跡曲線擁有不同的噴涂姿態要求，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。

3.智能機械鞋底涂膠上鞋底裝置的制鞋自動噴涂膠是根據鞋底邊緣的軌跡進行自動噴涂膠作業。整個機器人自動噴膠系統主要包括控制人機互動的控制中心、機器人運動控制器、視覺檢測系統、機器人加工模擬器、6自由度工業機器人、鞋楦裝夾平臺、及噴膠設備等。由人機互動界面作為運動控制中心，實現圖形設計信息與機器人控制中心控制器之間進行信息交互，經過對運動軌跡的提取、數據的處理與傳輸等模塊，控制整個系統的協調運作。

總結：智能機械鞋底涂膠上鞋底裝置是浙江工貿職業技術學院的電子工程系、汽機學院和輕工系的有實際工程工作經驗的教師組成的優秀團隊組成。精益制鞋機械有限公司是溫州最早一批的制鞋機械廠，他們的產品不但溫州的鞋廠廣泛的應用，省外的鞋廠也都在使用。我院的輕工系現有制鞋工業生產線和上上鞋底機械加工設備的裝置對于本項目的研發有很好的研究基礎，電子工程系有多年改造電氣控制機械的軟硬件條件，汽機學院的機械加工可以盡快實現機械鞋底涂膠上鞋底裝置零部件加工與調試，精益制鞋機械有限公司的總工程師與參與本項目研發與改造。所以智能機械鞋底涂膠上鞋底裝置的研發有很好的研發條件與技術。

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基金項目：浙江工貿職業技術學院-2013年學院教師重大科技創新項目（編號：G130204）。