智能机械鞋底涂胶上鞋底装置的研发与应用

沈德隆 张雪峰

【摘要】智能机械鞋底涂胶上鞋底装置主要研发在制鞋喷涂机械的改进装置，结合目前温州地区制鞋企业的发展现状：设备落后、制鞋成本上升、生产环境恶劣、有毒有害工种人员招工难等相关问题，结合制鞋喷胶的生产工艺特点。智能机械鞋底涂胶上鞋底装置采用工业机械手和工业视觉检测系统相结合的方式，代替现有的制鞋涂胶加工作业。

【关键词】涂胶;机械;鞋底

目前在鞋革加工制造行业中，几乎所有的涂胶工序都是由手工来完成的。随着制造业对机器人装备的需求及绿色环保和改善劳动者的工作环境要求越来越高，“制鞋刷胶机器人”的研究开发将对我国轻工支柱产业之一的制鞋行业产生巨大的经济效益和社会效益。机器人控制器是机器人系统的核心部分，机器人性能的优劣，功能的强弱，与控制器密切相关，因此控制器一直备受各国机器人厂家的重视，发展较快。国内的机器人研究开发工作已有多年，取得了一些成果，并相继应用于生产实际中。因此在机器人技术中引入涂胶工艺是势在必行，目前各种涂胶机器人已经应用于生产。但是看似简单的涂胶工艺，由于其过程涉及到气体、液体等多种介质，而且所用的胶为非牛顿流体，其复杂多变的性能使得涂胶工艺变得复杂。这样不仅刺激了生产商研究新的涂胶方法，而且也促进了他们在理论和实践上对技术进行更深的研究，实现高精度，高稳定性的涂胶。

智能机械鞋底涂胶上鞋底装置是浙江工贸职业技术学院校企合作办与温州一家制鞋机械有限公司共同协议准备研发的科技创新项目。智能机械鞋底涂胶上鞋底装置主要是解决制鞋机械有限公司的鞋底涂胶的自动化改造部分与涂胶上鞋底部分的研发。我院教师团队经过与精益制鞋机械有限公司的总工程师研讨本装置如果研发成功，可以广泛应用到温州制鞋的大中小企业。在制鞋工厂鞋底涂胶全部有人工手动完成，鞋底涂胶具有鞋体温度高、毒性挥发强、与制鞋生产线的烤箱近等问题出现。现在制鞋工厂的鞋底涂胶工种很难找到员工。本装置的研发可以彻底解决鞋底涂胶自动化并且无人参与操作。大大降低了制鞋工厂的用工成本与安全隐患。智能机械鞋底涂胶上鞋底装置的研发对于温州的制鞋工业来说应用前景广阔。

结合目前温州地区制鞋企业的发展现状，设备落后、成本上升、生产环境恶劣、有毒有害工种人员招工难等相关问题，智能机械鞋底涂胶上鞋底装置结合制鞋喷胶的生产工艺特点。采用工业机械手和工业视觉检测系统相结合的方式，代替现有的制鞋涂胶加工作业。智能机械鞋底涂胶上鞋底装置包括各个关节机构、X，Y，Z三个轴方向直线关节驱动装置、五自由度机构的整体转动关节机构、喷枪式涂胶执行器、工位转换机构、辅助系统机构组成。对于机械鞋底涂胶机构设计工作空间小，一个工位只对一只鞋子进行定位与涂胶上鞋底的工装。各个关节机构是连接不同关节的基本构件，各个关節机构能满做鞋业涂胶的工作要求。考虑到对应鞋子长度方向的X向直线关节的运动比对应鞋子宽度方向的Y向直线关节的运动频繁很多，因此确定用Y向直线关节带动X向直线关节。同时考虑到X向直线关节很长，在Y向直线关节中添加一个辅助支撑，平衡垂直方向的力，防止结构扭曲。制鞋喷涂机械的驱动方式采用伺服电机驱动方式，伺服电机的控制具有精度高、体积小、无噪声等优点，对于X，Y，Z轴三个方向的直线关节，采用伺服电机驱动连接滚珠丝杠传动，不加减速机构电机与滚珠丝杠通过联轴器直接相连。而对于用来调整末端执行器姿态的两个转动关节调整角度很小，并且要求的速度很低，选择转速较高的精度更高的伺服电机进行驱动。

X，Y，Z三个轴方向直线关节驱动装置：对于X，Y，Z三轴方向直线关节采用一端驱动，一端辅助支撑的结构。X，Y，Z方向直线关节工作所需的最大负载扭矩、电机负载惯量、电机转速、电机驱动的控制精度等相关参数。X，Y，Z三个轴方向直线关节驱动装置选定伺服电机的基础上，设计合适的联轴器、直线导轨和滚珠丝杠等。并设计出机构中使用到的一系列非标准件，如底板、轴承座、电机座。以X轴为例说明每个轴之间的连接关系，对于X轴伺服电机通过联轴器带动滚珠丝杠的螺母沿X轴方向移动。X轴方向连接块一端与螺母连接另一端与滑块连接，并通过连接Z轴方向直线关节的底板，带动Z轴方向直线关节沿X轴方向运动。

制鞋喷涂机械的涂胶执行器加在机械手末端，需要3个自由度使执行器到达空间任意位置，根据涂胶工艺还需要2个自由度来调整涂胶执行器的姿态。制鞋喷涂机械只要有5个自由度就能满足涂胶要求。针对鞋业涂胶的工作要求，涂胶精度不高，但要求机器人有一定的刚度。由于鞋业涂胶要求的工作空间很小，只需覆盖一只鞋子，仍然能满做鞋业涂胶的工作要求。喷枪式涂胶执行器，不需要一直与鞋面的接触程度，避免接触力过大而导致转动关节的反转。涂胶轨迹是一条规则折线段。转动关节的设计是为了在涂胶时调整末端涂胶执行器的姿态。涂胶时鞋子形状都是比较规则，不需要侧面涂胶。因此在整个涂胶过程转动关节都没有用上。同时由于转动关节的机构限制，选择的步进电机扭矩余量很小，必须注意刷子或滚子与涂胶鞋面的接触程度。避免接触力过大而导致的转动关节的反转。为了节省成本并且使机构更可靠，将转动关节设计成手调式的。使用滚子式涂胶执行器时，涂胶的轨迹是一条规则折线段，卡具装夹的鞋子都是沿同一方向放置的，只要滚子的装夹与它保持平行，在工作中不需要转动关节的转动来调整滚子姿态。智能机械鞋底涂胶上鞋底装置工作过程设计为以下步骤：操作人员把鞋子安装在夹具上;启动机器人自动控制程序，从示教盒输入任务或者从硬盘装载任务;将执行机构包括胶刷和出胶头移动到起始点上方，调整好位姿;出胶信号有效，延时。出胶头喷胶在斜侧面，保证机器人同时开始动作，用胶刷把胶涂均匀。软件控制操作机走出程序中已经存在的路径;保证轨迹精度;在上次的轨迹内部区域用胶刷来回涂刷，使得整个底部充满胶水;停止出胶，延时，走完轨迹。回到起始点，或回到机器人设定位置零点，等待下一周期工作信号。

智能机械鞋底涂胶上鞋底装置通过对作业环境、机械鞋底涂胶上鞋底装置性能及涂胶工作过程的分析，智能机械鞋底涂胶上鞋底装置工作状况恶劣，干扰信号强，为此基于工控机的伺服和步进控制系统的组成，即电机控制模块和供胶模块。本装置的控制系统可以分为PIC的多轴电机控制子系统和PCM供胶子系统。多轴电机控制子系统为机器人运动控制的主体，工控机通过PIC接口的电机控制卡来控制电机，从而使末端执行器工控机输入的任务轨迹。工控机主要功能是为整个机构的建立任务，通过RS-232接口与涂胶系统通讯，传递任务文件和控制指令。供胶子系统是机器人涂胶作业中重要的组成部分，工控机通过单路I/O开关信号实现机器人的供胶子系统控制，供胶子系统采用压力控制流量的方法，实现出胶量的精确控制。工控机通过工业摄像机和图像采集卡监控系统运行，机械鞋底涂胶上鞋底装置有丰富的人机接口，包括启动、停止、急停、故障等各种按钮方便工人操作。控制系统的构成框图如图1所示。

图1 控制系统的构成框图

机器涂胶首先要解决的问题是要保证涂胶质量，由于鞋的形状较复杂，涂胶面的外形也不规则，而且每只鞋的尺码不尽相同，因此涂胶质量不容易保证，这就需要较好的机器人控制器，较为有效的控制算法，及较好的出胶控制方法，在实际应用中能实现稳定、快速、高精度的涂胶作业。浙江工贸职业技术学院校企合作办与精益制鞋机械有限公司共同协议准备研发的科技创新项目。本项目主要是解决精益制鞋机械有限公司的鞋底涂胶的自动化改造部分与涂胶上鞋底部分的研发。我院教师团队经过与精益制鞋机械有限公司的总工程师研讨本装置如果研发成功，可以广泛应用到温州制鞋的大中小企业。通过本项目的研究，可以搭建一个实用的可靠性高的六自由度涂胶机器人的自动控制系统，研制出可以实现涂胶工艺的试验平台，并可以应用于生产提高生产率。技术特点如下：

1.智能机械鞋底涂胶上鞋底装置采用三菱工业柔性机器人作为载体，实现自动鞋底喷胶技术，解决喷胶过程的均匀性、快速性、一致性等问题。改进后的制鞋喷涂机械提高产品质量和生产效率，以至提高企业的竞争力，同时使用机器人可以实现绿色加工，可以实现无毒安全作业。

2.智能机械鞋底涂胶上鞋底装置对现有的制鞋的数据编写机械手控制程序、通过视觉检测系统检测实际鞋的尺寸选择相应的喷涂轨迹与喷涂方法、对在一些曲率转彎处，胶膜厚度不均匀导致剥离强度局部降低等问题进行主要研发与改进。根据不同的轨迹曲线拥有不同的喷涂姿态要求，解决了空间三维轨迹喷胶胶膜均匀性的问题，提高了喷涂品质。

3.智能机械鞋底涂胶上鞋底装置的制鞋自动喷涂胶是根据鞋底边缘的轨迹进行自动喷涂胶作业。整个机器人自动喷胶系统主要包括控制人机互动的控制中心、机器人运动控制器、视觉检测系统、机器人加工模拟器、6自由度工业机器人、鞋楦装夹平台、及喷胶设备等。由人机互动界面作为运动控制中心，实现图形设计信息与机器人控制中心控制器之间进行信息交互，经过对运动轨迹的提取、数据的处理与传输等模块，控制整个系统的协调运作。

总结：智能机械鞋底涂胶上鞋底装置是浙江工贸职业技术学院的电子工程系、汽机学院和轻工系的有实际工程工作经验的教师组成的优秀团队组成。精益制鞋机械有限公司是温州最早一批的制鞋机械厂，他们的产品不但温州的鞋厂广泛的应用，省外的鞋厂也都在使用。我院的轻工系现有制鞋工业生产线和上上鞋底机械加工设备的装置对于本项目的研发有很好的研究基础，电子工程系有多年改造电气控制机械的软硬件条件，汽机学院的机械加工可以尽快实现机械鞋底涂胶上鞋底装置零部件加工与调试，精益制鞋机械有限公司的总工程师与参与本项目研发与改造。所以智能机械鞋底涂胶上鞋底装置的研发有很好的研发条件与技术。

参考文献

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基金项目：浙江工贸职业技术学院-2013年学院教师重大科技创新项目（编号：G130204）。