基于制鞋涂膠工藝的機(jī)器人噴涂速度控制研究

趙燕偉，鐘允暉，陳 建，余智勝，錢世峰

(1.特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(浙江工業(yè)大學(xué))，浙江杭州 310014)

(2.寧波江宸自動化裝備有限公司，浙江慈溪 315300)

基于制鞋涂膠工藝的機(jī)器人噴涂速度控制研究

趙燕偉1，鐘允暉1，陳 建1，余智勝1，錢世峰2

(1.特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(浙江工業(yè)大學(xué))，浙江杭州 310014)

(2.寧波江宸自動化裝備有限公司，浙江慈溪 315300)

針對在自動制鞋涂膠過程中只考慮噴涂軌跡的問題，提出了基于制鞋涂膠工藝的機(jī)器人噴涂速度控制方法。結(jié)合制鞋涂膠工藝，分析了膠膜厚度與剝離強(qiáng)度的關(guān)系及膠粘劑濃度與膠膜厚度的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了涂膠機(jī)器人噴涂速度控制方法，對機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的移動速度、噴涂姿態(tài)進(jìn)行了控制參數(shù)修正。最后以Staubli機(jī)器人為例進(jìn)行了噴涂實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，該控制方法可以更精確地反映膠膜厚度與速度的關(guān)系，提高制鞋涂膠質(zhì)量。

機(jī)械手;速度控制;制鞋涂膠;剝離強(qiáng)度

鞋類的制造一般經(jīng)過造型、裁斷以及裝配成型等工藝過程，其中制鞋裝配工藝是指把鞋幫和鞋底等部件裝配在一起而成為鞋產(chǎn)品的技術(shù)和方法。因?yàn)槟z粘鞋具有工藝簡單、效率高、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，所以市場上廣泛應(yīng)用膠粘工藝。2011年中國鞋類產(chǎn)量占全球65%，預(yù)計(jì)到2015年我國制鞋耗膠將達(dá)到36.82萬t［1］。同時，目前制鞋粘膠過程也有其自身缺陷，主要集中在以下幾點(diǎn):(1)基本靠手工涂膠，膠膜厚度無法穩(wěn)定控制，涂膠質(zhì)量得不到保證［2］。(2)膠水主要成分苯含劇毒，是強(qiáng)致癌物質(zhì)，嚴(yán)重威脅員工的身心健康［3］。(3)“勞工荒”問題，近幾年工業(yè)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)招工困難，人力成本急劇上升［4］。針對這一狀況，國內(nèi)外很多學(xué)者對自動涂膠做了研究，Kim［5］提出了一種基于鞋底三視圖和鞋面三維數(shù)據(jù)的自動提取噴涂軌跡的方法。HU等［6］提出一種應(yīng)用機(jī)器視覺掃描鞋底形狀自動生成軌跡的方法。武傳宇等［7］對鞋底信息的機(jī)器人噴膠軌跡的計(jì)算方法進(jìn)行了研究。胡小兵等［8］提出了基于蟻群算法的三維空間機(jī)器人路徑規(guī)劃。然而他們研究的重點(diǎn)大多集中在如何提取涂膠軌跡曲線信息，卻很少涉及到制鞋涂膠工藝信息。評價(jià)涂膠效果的主要參考依據(jù)是剝離強(qiáng)度，影響剝離強(qiáng)度最主要的因素為:膠膜厚度、膠膜寬度、膠膜均勻性等［9］。鞋底曲面是空間三維曲面，不同曲率曲線的變化會引起機(jī)械手速度激變，影響膠膜厚度和寬度的變化，從而降低剝離強(qiáng)度，最終影響成品鞋的質(zhì)量。

針對上述問題，本文首先討論了膠膜厚度與剝離強(qiáng)度的關(guān)系及膠黏劑濃度與膠膜厚度的關(guān)系，然后根據(jù)膠膜累積原理建立相應(yīng)的機(jī)器人速度控制模型，最后以Staubli機(jī)器人為例對所建立的速度模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

1 膠膜厚度與剝離強(qiáng)度的關(guān)系

剝離強(qiáng)度是用于檢驗(yàn)成品鞋鞋底與鞋幫之間粘合強(qiáng)度的指標(biāo)。根據(jù) GB/T3903.3－2011［10］剝離強(qiáng)度的試驗(yàn)方法，在剝離試驗(yàn)儀上進(jìn)行鞋底剝離強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果用剝離強(qiáng)度表示，剝離強(qiáng)度的計(jì)算公式:

式中:σ為剝離強(qiáng)度，N/cm;f為剝離力，N;d為刀口寬度，cm。圖1所示為典型的剝離強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析曲線圖。

圖1剝離強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析曲線圖

對材料進(jìn)行涂膠剝離強(qiáng)度試驗(yàn)［2］并進(jìn)行檢測，從被粘物的剝離強(qiáng)度檢測數(shù)據(jù)中可以看出，膠膜厚度與剝離強(qiáng)度有著密切的關(guān)系，膠膜厚度與其相對應(yīng)的剝離強(qiáng)度的關(guān)系見表1。當(dāng)膠膜厚度為0.2mm時，剝離強(qiáng)度最大，粘接效果最好。

表1 膠膜厚度與剝離強(qiáng)度關(guān)系

從表1中可以看出，被粘物的剝離強(qiáng)度并不是隨著膠膜厚度的增加而增加，而是先隨著膠膜厚度的增加，剝離強(qiáng)度增加，到達(dá)一定程度后，又會隨著膠膜厚度的增加，剝離強(qiáng)度反而降低。造成這種現(xiàn)象的原因主要有3個方面:(1)當(dāng)膠膜厚度過小時，膠黏劑用量少，粘合面呈“點(diǎn)接觸”，導(dǎo)致剝離強(qiáng)度偏低。(2)當(dāng)膠膜厚度適中，膠黏劑用量適中，膠膜呈連續(xù)狀態(tài)，剝離強(qiáng)度會比較高。(3)當(dāng)膠膜厚度過大，膠黏劑用量過多，由于膠層太厚，膠黏劑中的溶劑揮發(fā)不暢，當(dāng)膠液表面形成膜后，內(nèi)部的溶劑難以揮發(fā)，就會產(chǎn)生氣泡，從而降低剝離強(qiáng)度。

2 膠黏劑的濃度與膠膜厚度的關(guān)系

膠黏劑和被粘物之間進(jìn)行粘接的時候，膠黏劑會有一部分濕潤在被粘物當(dāng)中。目前，膠黏劑與被粘物之間的粘接理論主要有:吸附理論、擴(kuò)散理論、靜電理論、化學(xué)鍵理論和機(jī)械結(jié)合理論。對于膠黏劑與被粘物表面不管通過什么機(jī)理進(jìn)行粘接，所形成結(jié)合的前提都是兩者必須達(dá)到分子水平接觸，因此膠黏劑對被粘物表面良好濕潤是形成優(yōu)良膠接的必要條件。

由Poiseulle定律［3］可以得到描述液體在毛細(xì)管孔隙中的滲入計(jì)算公式:

式中:s為孔隙的滲透距離;η為膠黏劑黏度;p為毛細(xì)管壓力;t為時間;r為孔隙半徑。毛細(xì)管壓力的計(jì)算公式:

式中:γLV為膠黏劑的液－氣表面張力;θ為粘接材料之間的接觸角，如圖2所示。當(dāng)材料處于完全濕潤時，接觸角為0°。

圖2 粘接材料之間的接觸角

將式(3)帶入式(2)中，可得孔隙滲透深度隨時間的滲透距離公式為:

3 涂膠機(jī)器人速度控制

由上文的分析可知，機(jī)器人涂膠操作受到膠膜厚度、膠黏劑的濃度、濕潤深度等多種因素影響，其中膠膜厚度是影響鞋子質(zhì)量的最重要因素，而膠膜厚度的形成，又與機(jī)器人移動速度有關(guān)。在噴涂速度一定的情況下，當(dāng)機(jī)器人移動速度快時，單位時間內(nèi)形成的膠膜厚度比較薄;當(dāng)機(jī)器人移動速度比較慢時，單位時間內(nèi)形成的膠膜厚度比較厚。

在機(jī)器人涂膠過程中，涂膠膠膜厚度的形成與機(jī)器人移動速度、膠液從上到下的流速、膠液的濃度、烘干時間等因素有關(guān)。圖3所示為末端膠口形狀的三維模型。在動態(tài)涂膠移動過程中，可以將涂覆的模型簡化(如圖4所示)。

圖3 末端膠口形狀的三維模型

圖4 動態(tài)涂膠涂覆簡化模型

在材料上形成的膠膜厚度為h1，膠流速為v流，水平移動的速度為v移。在Δt內(nèi)涂覆的模型關(guān)系式:

而膠膜厚度形成還要受到膠液濕潤作用、膠液濃度大小及烘干作用的影響。因此結(jié)合前面分析，最終得到實(shí)際在被粘物上的膠膜厚度h2為:

式中:ρ溶膠為溶膠揮發(fā)前的密度;ρ膠為溶劑揮發(fā)后的干膠密度;m為膠水的濃度。

4 運(yùn)動涂膠實(shí)驗(yàn)

選取制鞋工廠中應(yīng)用最廣泛的混配型氯丁膠黏劑(CR)，型號為CR2461，選擇成年男鞋25號為涂膠樣品，根據(jù)沿條寬度選擇涂膠寬度為20mm，供膠系統(tǒng)參數(shù)見表2。

表2 供膠系統(tǒng)參數(shù)

在皮革材料上進(jìn)行涂膠膠膜厚度實(shí)驗(yàn)，控制涂膠移動速度為120mm/s，并在顯微鏡下進(jìn)行厚度測量。測量所得的數(shù)據(jù)見表 3，其整體均值為0.088mm。

表3 膠膜厚度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) mm

式(7)可以反映出當(dāng)噴槍流量速度v流固定時，膠膜厚度與機(jī)器人末端執(zhí)行器移動速度v移之間的關(guān)系。通過調(diào)節(jié)機(jī)器人末端執(zhí)行器的移動速度，可得到理想的膠膜厚度，圖5所示為膠膜厚度與機(jī)械手移動速度關(guān)系。

圖5 膠膜厚度與機(jī)械手移動速度關(guān)系

5 結(jié)束語

本文通過分析影響膠膜厚度均勻性的因素，建立了制鞋涂膠膠膜厚度及其均勻性與涂膠品質(zhì)的關(guān)系，并根據(jù)所需要的膠膜厚度及其均勻性要求，建立了噴涂速度控制模型。通過調(diào)節(jié)機(jī)械手的移動速度得到了理想中的膠膜厚度，提高了涂膠品質(zhì)。另外，本文研究對象為平面內(nèi)的鞋底曲線軌跡，對于三維空間變化更加復(fù)雜的軌跡，需要進(jìn)一步研究空間曲率對膠膜形態(tài)的影響，因此今后將對三維空間軌跡涂膠的膠膜均勻性控制進(jìn)行更深入的研究。

［1］沈但理.我國膠鞋/制鞋行業(yè)概況及用膠發(fā)展趨勢［J］.橡膠工業(yè)，2011，58(9):568－571.

［2］王朋，王海濤.工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用又一亮點(diǎn)——制鞋成型工藝［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2005(4):37－39.

［3］包其富，高越晗.點(diǎn)源分析模式法評價(jià)鞋用膠的危害程度［J］.勞動保護(hù)科學(xué)技術(shù)，1999，19(2):35－37.

［4］簡新華.“勞工荒”的原因、利弊分析與合理應(yīng)對［J］.中國經(jīng)濟(jì)問題，2010(3):9－13.

［5］Kim J Y.CAD－based automated robot programming in adhesive spray systems for shoe outsoles and uppers［J］.Journal of Robotic Systems，2004，21(11):625－634.

［6］Hu Zhongxu，Bicker Robert，Taylor Paul.Computer vision for shoe upper profile measurement via upper and sole conformal matching［J］.Optics and Lasers in Engineering，2006，45(1):183－190.

［7］武傳宇，賀磊盈，李秦川，等.基于CAD模型的鞋底噴膠軌跡生成方法［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2008，20(5):678－682.

［8］胡小兵，黃席樾.基于蟻群算法的三維空間機(jī)器人路徑規(guī)劃［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，27(8):132－135.

［9］弓太生.皮鞋工藝學(xué)［M］.北京:輕工業(yè)出版社，2006.

［10］閆宏偉，田旺.GB/T3903.3－2011《鞋類整鞋試驗(yàn)方法剝離強(qiáng)度》國家標(biāo)準(zhǔn)解讀［J］.中國皮革，2012，41(14):105－116.

Study on the Speed Control of Robot Spraying Based on Shoemaking Glue Process

ZHAO Yanwei1，ZHONG Yunhui1，CHEN Jian1，YU Zhisheng1，QIANG Shifeng2
(1.Zhejiang University of Technology，Zhejiang Hangzhou，310014，China)
(2.Ningbo Jiangchen Automation Equipment Ltd.，Co.Zhejiang Cixi，315300，China)

Aiming at the problem of only considering spray trajectory in the process of automatic shoemaking glue，it puts forward a method of speed control based on robot spraying craft.It analyzes the relationships of the film thickness and peeling strength，the adhesive concentration and film thickness with shoemaking glue process，sets up the control speed of glue－robot.The parameters of moving speed and spraying posture of robot endeffecter are corrected.Finally，it takes a Staubli robot as an example to carry out for spraying experiments，and the results show that the constructed control model can more accurately reflect the relationship between film thickness and robot moving speed，improve the quality of shoemaking glue.

Manipulator;Speed Control;Shoe Glue;Peel Strength

TH123.1

A

2095－509X(2013)03－0062－04

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.03.014

2012－07－19

浙江省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(2010R50002－11)

趙燕偉(1959—)，女，河南鄭州人，浙江工業(yè)大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論與方法、數(shù)字制造/數(shù)字裝備建模與仿真的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)、開放式數(shù)控技術(shù)開發(fā)與裝備智能化、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)字制造技術(shù)等。