一种机器人制鞋涂胶系统设计与仿真研究*

陈 罡，严 楠，李立军

（1.宁波职业技术学院 机电工程学院，浙江 宁波 315800；2.宁波慈星股份有限公司，浙江 慈溪 315300）

0 引言

我国为鞋业出口大国，但相对于发达国家，鞋类产品的品质以及生产效率都较低［1－2］。在制鞋工序中，涂胶工序是影响制鞋质量的关键因素之一。现阶段，我国制鞋涂胶工作基本都是由工人手工完成。伴随着劳动力成本的急剧上升，增加了制鞋企业生产成本。同时，手工涂胶存在效率低、涂胶质量不稳定（尤其在某些要求严格的场合，手工涂胶几乎无法达到要求的质量）、工作车间环境恶劣等问题［3－4］。这些因素直接制约着我国制鞋企业高质量的发展，因此，实现涂胶工艺的机器人自动操作对提高整个制鞋装备的自动化水平有着极其重要的意义［5－6］。

针对上述问题，本文提出了一种新型机器人涂胶制鞋系统方案。通过实验仿真，对机器人涂胶的轨迹规划、运行节拍等重要参数进行了验证，为后续设计及设备测试提供了重要参考。

1 机器人制鞋涂胶系统总体设计

机器人制鞋涂胶系统主要由机器人自动上料系统、视觉检测系统、涂胶系统及相关辅助系统组成，其总体布局如图1所示。

图1 机器人制鞋涂胶系统布局

1.1 机器人涂胶系统主要组成

1.1.1 机器人自动上料系统

机器人自动上料系统主要包含上料机器人、工装定位装置等设备。根据图1布局，工装托盘采用输送线供送，机器人将装有待涂胶鞋底的托盘搬运至输送线上，并对鞋底进行定位与夹紧。当鞋底托盘到达机器人涂胶工位时，传感器检测到鞋底工装托盘，由顶升机构将托盘进行举升。为提高定位精度，托盘与举升机构采用定位销进行二次定位。

1.1.2 视觉检测系统

视觉检测系统主要由视觉相机、光源、视觉控制器等部分组成。机器人喷涂轨迹自适应的视觉策略如图2所示，视觉相机首先对鞋底涂胶位置进行图像采集，所得图像轨迹通过与鞋底涂胶标准轮廓进行比对，得出偏移量，并将其坐标数据通过网络通信方式传送给机器人控制系统，得出现有鞋底的涂胶实际位置，以保证鞋底涂胶效果，提高涂胶系统的可靠性［7－8］。

图2 机器人喷涂轨迹自适应的视觉策略

1.1.3 涂胶系统

涂胶系统主要由涂胶机器人、供胶系统、柱塞泵、加热系统、涂胶枪、胶量检测系统和触摸屏等组成。

供胶系统采用A、B胶（1∶1）配比进行组合供胶，胶桶A、B上分别有气路加压，推动胶桶供胶。本系统通过采用柱塞泵进行定量抽送，配备加热器对胶水软管通道加热，以保证供胶系统的流畅性及喷出胶水黏度，从而保证其良好性能［9］。供胶系统如图3所示，活塞杆位置随着胶桶胶量减少而降低，通过光电传感器检测活塞杆所在位置，将采集信号反馈给供胶控制系统，当储胶量减少到最低设定值时，控制系统进行报警反馈，提示换胶，从而保证生产的稳定性及可靠性。

图3 供胶系统示意图

1.2 涂胶系统工艺

机器人自动化涂胶系统主要工艺流程如图4所示。

机器人完成涂胶后，视觉系统进行二次拍照，并检测涂胶位置是否准确。若合格，则随输送线流动到下一工位；若不合格，则将其搬运剔除。

2 实验仿真

2.1 实验模型

针对机器人自动涂胶系统，主要分析涂胶轨迹和机器人运行速度两个因素。涂胶轨迹反映了涂胶的精度；而机器人运行的速度则影响鞋底涂胶胶水的覆盖量及涂胶生产节拍。机器人制鞋涂胶仿真模型如图5所示，基于DELMIA软件仿真平台，对某六轴工业机器人臂进行建模仿真。

图4 机器人制鞋涂胶工艺流程

图5 机器人制鞋涂胶仿真模型

通过视觉系统采集鞋底轨迹图像，控制系统对鞋底涂胶轨迹进行离散化数据处理与转化，可得涂胶轨迹视觉采集点的空间坐标（X，Y，Z）如表1所示。

2.2 实验结果

视觉系统将机械臂运动的期望目标点（见表1）传给机器人系统，通过路径规划运算，确定所需中间点的位置和数量，使机器人到达涂胶轨迹位置而不碰到任何障碍。考虑到鞋底轨迹多为弧线，为保证涂胶轨迹的准确性，机器人运动采用连续轨迹（CP）进行路径规划。根据表1数据对机器人仿真，结果如图6所示。

由图6可知，在运动过程中机器人实现了无碰撞路径规划，机器人末端执行器Tool点运行时涂胶点均可达，且轨迹光滑、连续，涂胶轨迹满足允许涂胶误差要求；根据仿真结果，机器人运行节拍26.2s（机器人运行全速的90%），可满足现有涂胶工艺节拍要求。

表1 鞋底涂胶轨迹视觉采集点的空间坐标 mm

图6 机器人涂胶仿真轨迹

3 结语

与传统的制鞋涂胶生产模式相比，本文提出的机器人自动涂胶系统显著提高了制鞋涂胶的效率，涂胶稳定，精度较高，同时可兼容多种涂胶的产品，实现了制鞋涂胶工艺的柔性化生产，同时实现了从目前传统工艺制鞋涂胶生产向现代智能化、高度自动化的制鞋流水线的发展。

通过仿真实验，验证了机器人运行轨迹及节拍等关键参数，为后续样机的进一步开发与调试提供了重要参考，缩短了设计周期，并节约了成本。需要指出的是，在验证运行节拍时，本文未对胶枪出胶速度与机器人运行速度对鞋底的落胶量的双重叠加影响进行有效验证。因此，在实际生产中，机器人的运行速度应在参考本实验的基础上，根据鞋底实际落胶量进行合理优化，以保证涂胶效果达到最佳。