自动粘贴双面胶机器人的系统设计与性能分析

郭如峰 梅雪川 梁艺瀚 叶 敏

（国机智能科技有限公司，广州 510535）

工业双面胶广泛应用于汽车、家电、包装等行业，目前工厂主要通过人工作业方式进行生产，该方法不仅工作效率低，而且粘贴质量不稳定，影响产品生产效率及质量[1]。近年来，随着工业机器人技术发展，双面胶粘贴自动化研究也在不断深入，相比较国内，国外起步较早，且研究内容丰富，例如双面胶自动输送、自动裁切和自动粘贴等[2]。国内主要集中在特定应用场景的机械结构研究，比如专门应用于生产快递文件类包装袋领域的自动贴双面胶装置、LED灯带背面的自动粘贴双面胶机等[3]。目前可应用于现场实际且自动化程度高的设备仍较少，难以满足市场需求，本论文依托工业机器人技术，开发出一套自动化程度高、通用性强、可应用于现场生产的自动化粘贴双面胶机器人系统，并通过粘贴实验对其性能进行分析[4]。

1 机器人系统总体设计

自动粘贴双面胶机器人系统主要由工作台架、三自由度直角坐标机器人、贴双面胶机、旋转变位台和人机交互系统等部件构成，如图1所示。工作台架由方钢焊接而成，机器人机械硬件和电气元件均安装在工作台架上，通过硬件和软件的系统集成，形成一套完整的自动粘贴双面胶机器人系统[5]。人工预先对机器人的粘贴轨迹进行编程，按下运行按钮后，机器人将复现编程轨迹，执行相应动作，完成自动粘贴双面胶的任务[6]。

图1 自动粘贴双面胶机器人系统

1.1 三自由度直角坐标机器人

工业双面胶多为平面粘贴，主要分为横条、纵条或斜条，完成粘贴动作至少需三个自由度，故可选择三自由度直角坐标机器人作为轨迹行走机构[7]。直角坐标机器人采用龙门式搭建，由Y1轴、Y2轴、X轴和Z轴组成，如图2所示，其中Y1轴和X轴均采用滚珠丝杆直线模组，各由一个伺服电机独立驱动，单轴重复定位精度为0.025mm，最快直线运动速度为800mm/s；Y2轴采用滑块导轨组合，本身无动力，为随动轴；Z轴采用单杆气缸为动力源，末端搭载贴双面胶机。各轴间通过连接件连接固定，并由四个立柱支撑，机器人具备X、Y、Z三个方向自由度，贴双面胶机可在行程范围内沿这三个方向运动。

图2 龙门式直角坐标机器人

1.2 贴双面胶机

贴双面胶机由主板、送胶纸模块、缓冲模块、收离型纸模块、保压模块、自动裁切模块、压胶轮和检测传感器组成，如图3所示。送胶纸模块用于安装双面胶盘；收离型纸模块可对离型纸进行回收；缓冲模块可减小压胶轮与工件间的作用力；保压模块可对工件持续施加下压力，限制工件朝Z方向运动；自动裁切模块可将双面胶切断；压胶轮可将双面胶贴附在工件表面；传感器可检测双面胶是否异常或缺料。

贴双面胶机动作原理如图4所示，贴双面胶机搭载在直角坐标机器人的Z轴上，可上下运动；双面胶盘安装在送胶纸模块上，通过压胶轮牵引至收离型纸模块；粘贴开始时，贴双面胶机下降，压胶轮将双面胶贴附在工件表面；当机器人运动时，压胶轮随之移动，牵引双面胶从送胶纸模块送出。送胶纸主轴与收离型纸主轴间通过圆皮带传动，双面胶送出带动收离型纸模块转动，其结果是胶肉贴附在工件上，而离型纸缠绕在收离型纸模块上。粘贴结束后，双面胶机上升，自动裁切模块将胶肉切断，而离型纸未切断，可继续进行下一次自动粘贴操作。

图3 贴双面胶机

图4 贴双面胶机动作原理

由于双面胶盘直径在粘贴过程中不断减小，收离型纸直径不断增大，且机器人移动速度保持不变，那么随着粘贴的进行，送胶纸主轴与收离型纸主轴转速将出现不平衡状态，即出双面胶速度与回收离型纸速度将不一致，导致双面胶卷曲、或者重叠[8]。本文采用圆皮带传动法解决上述问题，圆皮带为弹性体，可缓冲载荷，具有弹性滑动特点，当两个主轴的转速变化到圆皮带临界载荷时，圆皮带与带轮间发生打滑，使两个主轴转速重新回归到平衡状态。

1.3 旋转变位台

旋转变位台包括旋转气缸和定位工装，如图5所示。定位工装根据工件的形状特点进行设计，限制工件X、Y、Z三个方向自由度；定位工装固定安装在旋转气缸上，通过调整旋转角度可实现多角度的粘贴效果。

2 控制系统设计

2.1 控制系统硬件设计

根据工艺要求，系统需实现X、Y轴直线模组精确位置控制，同时又要实现Z轴气缸、切刀气缸以及旋转气缸准时控制。本系统采用三菱FX3U-32MT PLC设备，其Y0、Y1、Y2三个输出口支持高速脉冲输出，该PLC设备结构紧凑、支持多种通信方式，可以满足上述工艺控制要求[9]。PLC通过伺服电机和定时器，实现两直线模组精确位置控制以及电磁阀准时关闭功能，使各气缸动作控制准时。PLC通过RS232与触摸屏进行通信，实现人机交互。本系统硬件配置如图6所示。

图5 旋转变位台

图6 控制系统硬件配置

2.2 控制原理

本系统有手动调试、自动运行和程序示教三种模式，其中手动模式用于调试设备，实现各执行机构点动控制；自动运行则用于执行预设程序；程序示教主要用于用户设计程序。

为了存储程序示教位置与动作准确，需划分一部分数据存器存储示教数据。针对本系统选定的PLC，将数据寄存器D1000到D7999共7000个寄存器用作示教数据的存储，共设置35套程序可供存储，每套程序占200个寄存器。以此可推出，第N套程序的程序起始位置为第1000＋（N-1）×200个寄存器。

数据寄存器均为16位，而由于X、Y轴位置数据是浮点数，因此每个位置点各占2个寄存器存储空间，运行速度采用寄存器的前12位存储，第四位留空。后三位用于存储三个气缸动作。各套程序的寄存器地址见表1所示。

通过表1可知，第N套程序则从D1000+（N-1）开始存储，这种保存方式方便寻址，结构清晰明了。用户可根据不同的工艺要求，在示教模式下示教好对应工艺程序，便可在自动模式下执行所选择的示教程序。

3 试验结果与分析

3.1 机器人试验

利用本文设计的自动粘贴双面胶机器人系统进行自动粘贴试验，测试设备性能。工件选择普通钢板，烤漆处理，双面胶使用3M公司的普通泡棉类双面胶，试验条件如表2所示。

表1 各套程序的寄存器地址

表2 机器人自动粘贴双面胶试验条件

根据表2的试验条件，机器人运行情况如图7所示，试验表明该机器人具备自动粘贴、自动剥离离型纸和自动切断功能，自动化程度高，且能进行多角度粘贴双面胶操作。

图7 设备运行情况

3.2 参数检测

根据表2试验条件，按照以下步骤对设备重复定位精度和粘贴直线度精度进行测试：利用机器人编程一条100mm的粘贴长度，运行速度为300mm/s，重复运行10次，使用游标卡尺分别测量这10条轨迹的对应值，如图8所示

图8 粘贴试验测量点示意图

以工件左边为基准，测量S、E点到基准的距离L1；以上边为基准，测量A、B、C点到基准的距离L2，检测试验结果如表3所示。

表3 性能参数检测值结果

3.3 参数计算

3.3.1 重复定位精度

本设备采用数控机床的重复定位精度计算方法，即在相同条件下重复运行设备，测量每次的定位值δ0，δ1，δ2，...，然后求出这些定位值中的最大差值，继而取最大差值的1/2，取±后值即为重复定位精度，如式（1）所示[10]。

3.3.2 粘贴直线度精度。

采用导轨直线度精度的计算方法，即采用最小条件法和两端连线法来评定直线度[11]。将两端点连线，通过最高点作与该直线平行的直线，在两条直线包容的区域，最高点沿Z轴到两端点连线的距离即为直线度误差，如图9所示。

图9 两端连线法计算直线度精度

3.4 结果分析

根据试验结果，计算重复定位精度如式（2）所示。

计算直线度精度如式（3）所示。

故本文设计的自动粘贴双面胶机器人，系统重复定位精度为±0.9mm，直线度精度为1.04mm/100mm，可知影响重复定位精度的因素主要有三点：第一，直角坐标机器人的设计误差和装配误差；第二，机器人Z轴采用气缸驱动方式导致单轴精度较低；第三，工件表面不平整导致双面胶伸缩率不一致，影响每次切断长度。

影响直线度精度的因素同样有三点：第一，双面胶盘中心与回收离型纸圆盘中心不在同一直线上；第二，压胶轮上未设计定位双面胶的相关机构，导致双面胶在粘贴过程中处于可活动状态；第三，工件表面不平整导致双面胶伸缩率不一致。

4 结论

本文设计了一套可搭载机器人末端的贴双面胶机，对其机械结构和工作原理进行了描述和分析，并通过硬件和软件系统的集成，使该套自动粘贴双面胶机器人系统具备自动粘贴、自动剥离离型纸、自动切断及多角度粘贴等功能，自动化程度与通用性显著增强，可应用于工厂实现自动化生产。通过机器人试验验证了机器人的自动化粘贴双面胶功能可靠，对其性能参数进行了检测，结果为重复定位精度为±0.9mm，直线度精度为1.04mm/100mm。