（机械制造及其自动化专业论文）面向制鞋工艺的机器人涂胶运动控制及系统研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 面向制鞋工艺的机器人涂胶运动控制及系统研发 摘要 随着当今制鞋行业竞争的加剧以及人们对鞋类产品质量要求的不断提高，制鞋企业 在生产技术方面不断地面i 临新的挑战。制造装备的落后及经济环境的恶劣，使很多制鞋 企业面临着生存危机。本文在浙江省重大科技项目的资助下，针对手工涂胶中产生的涂 胶质量不稳定、生产效率低以及对工人身体健康造成严重威胁等问题展开了研究。论文 结合制鞋涂胶工艺，提出了采用工业机器人进行涂胶操作，以代替手工涂胶，节约生产 成本及提高涂胶质量，对实现制鞋生产自动化具有重要意义。本文主要做的研究成果如 下： l 、本文首先针对制鞋中的涂胶工艺进行了研究，根据研究分析得到胶膜厚度与剥 离强度之间的关系，然后结合胶膜与胶黏剂浓度、浸润等因素的关系，建立起了涂胶机 器人速度与胶膜厚度之间的模型，最后对模型进行了实验验证。 2 、针对运动涂胶路径的生成，本文提出了基于鞋样样本生成路径的方法。首先对 鞋样样本坐标系与机器人空间坐标系的统一进行了研究，然后对机器人在笛卡尔任务空 间中出现的奇异点问题进行了分析，提出了将点的三维问题转变成一维问题，并给出了 解决策略。接着，针对运动姿态问题进行了约定，使机器人运动得到了确定，最后针对 规划的路径进行了运动仿真验证。 3 、为了实现机器人末端涂胶执行器随着运动路径实时切向跟随，本文首先对涂胶 执行器的胶口处速度进行了分析，然后根据不同运动曲线路径生成了切向方向角，最后 对运动轨迹转节点处速度进行了规划，减小因为速度减速为零所造成的效率低以及胶膜 厚度过厚、涂胶不均匀。 4 、首先对控制系统进行了总体设计，然后结合机器人v a l 3 语言以及便于网络通 信服务开发的c 群语言，对控制器s o a p 通信进行了客户端开发，并封装成d l l 库。最 后在v i s u a lc + + 2 0 0 8m f c 上进行了系统程序设计开发，利用封装成d l l 库实现了对机 器人的控制。 关键词：制鞋涂胶，涂胶工艺，运动路径规划，速度规划，系统开发 浙江工业大学硕士学位论文 c o a t i n gr o b o tm o t i o nc o n t r o la n ds y s t e m d e v e l o p m e n tf o rs h o e m 队n gc r a f t a b s t r a c t w i t ht h ef i e r c ec o m p e t i t i o n 妇f o o t w e a ri n d u s t r ya n dt h e i n c r e a s i n g l yq u a l i t y r e q u i r e m e n t so fs h o e s ，t h ee n t e r p r i s e sa r ef a c i n gg r e a tc h a l l e n g e si ns h o e - m a k i n gt e c h n o l o g y s o m eo ft h e mm u s tf a c es u r i v a lc r i s i sb e c j 敝o ft h ep o o rm a n u f a c t u r i n ge q m p m e ma n dt h e s c u r v i n e s se c o n o m i ce n v i r o n m e n t t o w a r d st h ep r o b l e m so ft h ei n s t a b i l i t yo f c o a t i n gq u a l i t yi n t h em a n u a lc o a t i n gp r o c e s s , l o wp r o d u c t i v i t ya n ds e r i o u st h r e a tt ow o r k e r sb o d y , t h i sp a p e r d o e st h er e s e a r c ho nt h e ms u p p o r t e db yt h em a j o rs c i e n t i f i ca n dt c c h n o l o r yp r o j e c to f z h e j i a n g p r o v i n c e t h em e t h o di sp r o p o s e dw h i c hu s e si n d u s i r i a lc o a t i n gr o b o ti n s t e a do fm a n u a l c o a t i n g i tc a ns a v et h ep r o d u c t i o nc o s t sa n di m p r o v ec o a t i n gq u a l i t y t h a th a sa ni m p o r t a n t s i g n i f i c a n c ef o r 阳a 】逝t h es h o e - m a k i n ga u t o m a t i o n r e s u l t so f t h i ss t u d ya r ea sf o l l o w ： 1 t h i sp a p e rs t u d i e dt h ec o a t i n gt e c h n o l o g yo fs h o e m a k i n g , a n do nt h eb a s i so fr e s e a r c h a n da n a l y s i st h er e l a t i o n , b e t w e e nc o a t i n gt h i c k n e s sa n dp e e ls t r e n g t h , t h e ns t u d yt h er e l a t i o n w i t ha d h e s i v ec o n c e n t r a t i o ni n f i l t r a t i o na n do t h e rf a c t o r s ，u l t i m a t e l ys e tu pt h em o d e lb e t w e e n c o a t i n gr o b o t ss p e e da n dc o a t i n gt h i c k n e s s , a n dc o n d u c tt h ec o a t i n gt e s tm o d e l sv a l i d i t y 2 t h i sp a p e rp u tf o r w a r dam e t h o dt h a tg e n e r a t i n gp a t hb a s e do ns h o ed e s i g ns a m p l e a n da i m e da tt h ep a t ho fg l u em o v e m e n t a tt h es a m et i m e , w er e s e a r c h e dt h ei n t e g r a t i n go f c o o r d i n a t es y s t e mb e t w e e ns a m p l ea n dr o b o t m e a n w h i l e ，w es t u d yt h eb i z a r r ep i d i n ta p p e a r e d t h er o b o ti nt h et a s ks p a c eo fc a r t e s i a n t h i sp a p e rp r e s e n t e dt h a tt h ep r o b l e mo fp o 抽t t h r e e - d i m e n s i o n a lc a nc o n v e r s i o no n e - d i m e n s i o n a l a n dp r o p o s e das o l u t i o ns t r a t e g y t h e n , t h er o b o tm o t i o nh a sb e e nd e t e r m i n e db ya r r a n g i n gm o v e m e n tp o s t u r e f i n a l l yt h ep l a n n i n g p a t hw a st e s t e da n dv e r i f i e db y m e a n so fm o v es i m u l a t i o n 3 a tf i r s t t h i sp a p e ra n a l y z e dt h es p e e do fg l u ee n w o x l c eb e c a u s eo fi tw i l lm o v e a c c o m p a n yw i t hr e a lt i m et a n g e n t i a lm o t i o n t h e nt a n g e n t i a la n g l ew a sg e n e r a t e do nt h eb a s i s o fd i f f e r e n tm o v ec u r v e s t h ep a p e rp a n n e dt h es p e e da tv e l o c i t ys w i t c hn o d e ，a v o i d i n gl o w p r o d u c t i v i t ya n dt h eg l u ef i l mi st o ot h i no ru n i f o n nw h e nt h es p e e dd e c e l e r a t et oz g r o 4 f i r s t l y , t h ep a p e rd e s i g n e dt h ec o n t r o ls y s t e mo v e r a l l ，t h e nd e v e l o p e dt h ec l i e n t c o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e rc o m b i n e dt h er o b o tl a n g u a g ev a l 3a n dc 群l a n g u a g et h a ti s c o n v e n i e n tf o rt h es e r v i c eo fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n , a n dp a c k e di t 硒d l l b a n k f i n a l l y , w e a b s t r a c t d e v e l o p e dt h es y s t e mp r o g r a mb a s e do nv i s u a lc * 2 0 0 8m f c a n dr e a l i z e dt h ec o n t r o lo f r o b o tb yp a c k i n gd l lb a n k k e yw o r d s ：s h o eg l u e ，m o t i o np a t hp l a n n i n g ，v e l o c i t yp l a n n i n g , c o n t r o ls y s t e m i v 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 中国是世界上最大的鞋类制造国，据统计，有“中国鞋都 之称的温州作为我国中 低档鞋的主要生产基地l l 】，拥有鞋厂4 0 0 0 多家。中国出口欧盟的2 亿双鞋中有2 5 来 自温州，目前制鞋业已成为浙江省( 尤其是温州市) 的重要产业。中国鞋业低廉的人力 成本、强大的加工能力和优惠的国策吸引了大量外资的注入，成为了全球鞋业加工制造 的中流砥柱乃至成为世界鞋业加工产业链的重要组成部分。在国内外鞋类市场经济的激 烈竞争中，中国鞋业制造坚持品牌创新与集群发展，拥有了“鹿艺”、“康奈”、“奥康 、 “吉尔达 、“红蜻蜒”、“特丽雅”等一大批知名品牌。但是，在经过制鞋业多年来的蓬 勃发展后，如今在国内外市场遇到了许多问题：面临着后危机时代的洗礼，劳动力成本 上升，原材料价格上涨，人民币升值，欧盟对中国皮鞋类产品实施的反倾销措施【2 4 】等 等。这一系列问题使得企业市场空间越来越小。当今，又面对着国家宏观调控，货币信 贷收紧，使得中小型企业的资金链断开，资金不足，更使企业的生存雪上加霜。面对种 种严峻的生存威胁，制鞋企业开始把目光投向自身，从自身出现的问题上寻找解决之道。 如今制鞋企业中普遍暴露出的问题，主要有以下三条： 第一，自动化程度低，生产效率低下。 浙江省的绝大多数制鞋及鞋材生产企业仍以手工和简单机械为主，除极个别厂家从 英国、意大利等西方发达国家引进了较为先进的制鞋或鞋材生产设备( 如温州市鹿艺鞋 材公司从意大利引进3 台数字刻楦机) 外，浙江省的绝大多数制鞋及鞋材生产企业仍以 手工和简单机械为主【5 】，很多制鞋工序还是完全由工人手工完成的，工人劳动强度极大。 如下图所示为温州某制鞋厂鞋底手工上胶工序，依次为：砂磨起绒、喷刷处理剂及上胶。 图l 一1 上胶工序 第1 章绪论 第二，鞋子的质量差、舒适度差。 鞋子的质量水平和舒适度差，除了制鞋材料方面的原因外，制鞋工序中，特别是涂 胶工序，现阶段几乎都是由工人手工完成，无法保证涂胶的质量，对工人技术熟练程度 要求高。而且采用流水生产线时，不同工人涂胶质量有所不同。所以，对于鞋子的涂胶 质量难以保证。不合格的涂胶不仅破坏鞋的品质、美观，还会影响鞋子的舒适度。同时， 由于手工涂胶，无法控制涂胶的均匀性及合适的涂胶厚度，容易造成粘接不牢靠，易开 胶。 第三，制鞋业中的环境污染日益突出。 在涂胶工序中，胶黏剂中含有易挥发的“三苯 ( 苯、甲苯、二甲苯) 有毒物质。 大量的有毒气体不仅严重危害工人的身体健康，还带来了许多制鞋行业的职业病 6 - s ( 再 生障碍性贫血、不育症、呼吸道疾病、癌症等) ，而且对当地的环境也造成了极大的污 染。 制鞋业应该大力研究和推广涂胶工序的自动化程度，提高工艺水平、生产效率和产 品质量，保护工人身体健康，减少环境污染。目前，国内工业自动化涂胶设备已经有所 运用，现在已有汽车涂胶机、木工涂胶机、纺织涂胶机等。在制鞋工业中，针对粘合绑 脚工艺的设备有：自动喷胶绷前帮机、自动喷胶挤跟机等，主要是将胶喷到帮脚与内底 位置，对于胶量大小没有明确的控制，对于粘合外底的自动化设备还没有。在许多行业 中，采用工业机器人进行喷涂 9 - 1 2 1 ，在企业中应用已经广泛，而在制鞋业中对于这方面 的研究以及实际应用还是处于起步阶段。因此，研究采用机器人技术眇1 6 1 实现制鞋行业 中自动涂胶作业【1 弘1 9 1 有着多方面的意义： ( 1 ) 实现“绿色健康生产一，保护工人健康 使用机器人涂胶可以实现工人安全无毒操作，降低劳动强度，改善工作环境，而且 还可以合理控制用胶量，从而在节约原料的同时也降低了胶类化学品对周围环境的污 染。 ( 2 ) 实现自动化操作，提高产品质量稳定性 使用机器人涂胶，可以在大批量的生产过程中，克服人为因素对产品质量的影响， 解决涂胶工艺中的均匀性、一致性和快速性问题。相对于人工涂胶，在涂胶精度和稳定 性方面有巨大优势，可以极大提高产品质量和生产效率，增加企业利润。 ( 3 ) 缓解“劳工荒一压力，降低劳动成本 “劳工荒 2 0 - 2 4 造成的用人难，成本高的特点给企业造成严重困扰。根据工厂调研， 2 浙江工业大学硕士学位论文 使用机器人后可以减少一半操作工人。 1 2 国内外研究现状 1 2 1国外制鞋涂胶设备研究现状 在国外，各行业将工业机器人引入到企业工业生产以实现产业自动化的做法，已经 很普遍。工业机器人具有巨大的优点，在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复 的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、 涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完 成对人体有害物料的搬运或工艺操作。 在汽车制造领域，在涂装镀膜生产线上【2 ”7 1 ，用于喷涂工件表面的喷枪通常被置于 机器人的手臂上，即由喷漆机器人去完成对工件的喷涂作业。在医疗方面，机器人应用 也很广泛。例如：机器人手臂辅助腹腔镜在手术中的应用【2 羽，术前录制手术者的语音命 令于一个专用声卡中，并与机器人手臂装置进行语言交流。术中将术者声卡插入机器人 电脑中，使机器人只能识别手术者的语音命令。在航天领域，代替宇航员在外太空工作 的机械手发挥了重大的作用。例如：在美国n a s a 太空中心机器人研究小组开发的新型 航天机器人命名为r o b o n a u t 2 9 ，其关键是接近人形的设计被用于代替宇航员从事舱外工 作。( 如图1 2 所示) 图1 2 工业机器人在涂装、航天、医学上的应用 在国外，基于工业机器人在其它行业的广泛应用3 0 3 1 1 ，特别是采用工业机器人进行 喷涂应用技术已经很成熟【3 2 3 5 1 ，近些年来，国外制鞋行业也逐渐将工业机器人引入到鞋 类生产加工当中，实现了制鞋业生产自动化。s t a u b l i ( 史陶比尔) 工业机器人与其制 鞋业的合作伙伴自动化集成商a c t i s 丰雅公司哪3 7 】在这一领域已有多年的合作历史， 第1 章绪论 并成为这一领域的佼佼者。 a c t i s 丰雅公司为制鞋业引入自动化新概念，推出r b 系统( 精益制造与业绩评价 系统) ，应用高精度的工业机器人( 如图1 3 ) ，配以功能强大的r b 控制系统软件以及 设计精巧的专用工具，实现从入楦、打粗、上处理剂、喷底胶、喷面胶等一系列制鞋工 序的自动化操作。通过r b 系统软件和与芯片的沟通，使友好的人机界面可以动态显示 机器人的工作过程，使机器人可以根据不同鞋进行调整，有效地控制整个作业过程，机 器人和自动化程式的结合为稳定的质量提供了保证。制鞋是属于大批量生产单位，在这 样大批量的生产过程中，克服人为的因素对产品质量的影响是极为重要的，机器人在其 中所显现的优势也是显而易见的。 图1 3 制鞋涂胶工序工业机器人 对于供胶系统的选择，比较著名的主要有美国g r a c o ( 固瑞克) 公司、美国 n o r d s o n ( 诺信) 涂胶设备公司的产品。制鞋业涂胶机器人采用的供胶系统有冷胶和 热熔胶两种供胶方式，根据不同客户的要求配置供胶系统。供胶系统可以与机器人动作 衔接，正确完成布胶及供胶动作。 如图1 4 为供胶系统美国g r a c o 公司d 6 0 型供胶系统，它适应于强腐蚀、强磨蚀、 高黏度、有固体颗粒、有防爆要求、防破乳要求的流体输送，泵与液体接触的部分有多 种材质可供选择，适应范围非常广泛。对于各种腐蚀性液体、带颗粒、高粘度、易挥发、 易燃、易爆、剧毒的液体、临时倒罐等液体均能予以抽光吸尽。n o r d s o n 生产的供胶 系统主要用于对众多消费品及工业产品进行胶粘剂、密封剂和涂层涂敷作业的精密涂胶 设备。在产品制造组装及包装过程中，有各种高温或室温材料可供选择，从而最大限度 地满足客户要求。如图1 5 为c o b a l t 系列常温型桶装供胶系统，诺信桶装供胶系统能喷 涂很多种常温胶。可选配的系统能有效处理大桶或小桶装的单组份或多组分的黏合剂和 密封胶。使用桶装胶，根据用量的不同可以节省超过2 0 的成本。 4 浙江工业大学硕士学位论文 图1 - 4d 6 0 型供胶系统 图1 5c o b a l t 系列常温型桶装供胶系统 1 2 2 国内制鞋涂胶设备研究现状 随着现代粘胶技术的发展，涂胶设备经历了手动涂胶到机器涂胶的发展过程，虽在 一定程度上减轻了工人的劳动强度，提高了生产效率。可是当今的社会的竞争更加残酷， 简单的涂胶机器也已跟不上时代的发展。多功能、智能化的涂胶设备1 3 8 4 1 1 也已成为当今 涂胶行业的发展方向。特别是涂胶行业污染严重，胶的有毒性对人的身体健康有着巨大 的威胁，致癌率较高，更是加剧了对智能化设备的需求，以替代人的操作。国内对于涂 胶设备的研究已有很多，主要是在汽车喷涂、造纸、木材装饰等领域h 2 4 8 1 ( 如图1 - 6 、 1 7 ) 。 图l 石汽车涂胶机图1 7 木工涂胶机 在制鞋领域涂胶装备的研制中，国内主要以仿制为主，很少有自主知识产权的涂胶 装备，主要是一些特定的鞋机【4 9 】，而且设备功能单一。如1 8 所示为自动上胶前帮机( 主 要针对前帮绑脚处进行涂胶，而且还需要人手进行辅助) ，图1 - 9 为强力上胶机( 同样 第1 章绪论 的需要人手进行辅助涂胶) 。 图1 8自动上胶前帮机图1 - 9 强力上胶机 广泛采用工业机器人的多功能、智能化的装备仍旧很少，国内的主要以坐标工作台 式机器人为主，精确度不高、工作方式不灵活、可靠性差，与国外的相关技术仍有很大 的差距。如图1 1 0 为深圳自控技术有限公司的a x x o na s 5 0 0 系列涂胶机器人。 图1 1 0a x x o n a s 5 0 0 系列涂胶机器人 国外的先进涂装设备不光价格昂贵，而且对于国内企业实行技术封锁。将工业机器 人引入到制鞋业中实现产业自动化，是目前国内制鞋行业迫切需要解决的问题。 1 2 3制鞋涂胶关键技术国内外研究现状 采用工业机器人进行制鞋涂胶，是当今制鞋业研究热点。对此，国内外很多专家学 者对相关技术进行了研究。 由于制鞋生产的极大的需求，国外一些学者进行了很多关于制鞋涂胶自动化方面的 研究，并取得了一定的成果。如c p r e e c e 等【5 0 】为了实现制鞋涂胶自动化，研究了制鞋 工艺中的标记技术：b i c k e rr o b e r t 等【5 l 】提出了采用一种结构光计算机视觉系统，对鞋子 进行轮廓测量，然后输入到计算机中。获取数据后，由于轮廓的数据的不均衡及图像数 据误差，因此还要进行n u r b s 曲线的插值拟合。此种方法对于轨迹的获取具有一定的 6 浙江工业大学硕士学位论文 便利性，可是获取的数据不光数据误差比较大，而且不能直接进行轨迹生成，还需要进 行二次处理；k i m j y 等【5 2 】针对这一问题又提出了通过鞋底的三视图以及三维c a d 扫 描的方法生成涂胶轨迹路径，通过a u t oc a d 中宏命令进行数据关键点信息的提取生成 轨迹。对于鞋面数据采取激光扫描数据获取，然后再导入c a t i a 中进行轨迹生成。优 点是方法通用简单，但缺点是跨越平台间的误差不可控，而且效率比较低：n i s s u m 等【5 3 l 提出在虚拟环境下进行喷涂路径编程，通过双目视觉进行运动位置跟踪，确定胶枪的旋 转方向位置，以此确定喷涂轨迹路径。 在国内，针对涂胶路径的生成，一些专家学者做过研究。武传宇【矧针对数字化制鞋 生产的需要，提出了一种基于c a d 模型的鞋底喷胶轨迹自动生成方法；贺磊盈【5 5 】提出 了基于鞋底信息的机器人喷胶轨迹的计算方法，通过采用线结构光测量技术，并对运动 路径的方向确定做了研究；史伟民、陶维等【5 6 】提出了通过对前帮机进行改造，采用p l c 进行控制，使其可以针对帮面处进行涂胶。 对于涂胶路径的生成及对机构改进，国内外都有了一些研究。可是用于鞋业自动化 涂胶的另一技术胶的涂覆厚度控制研究很少。虽然可以检索到很多关于流体分配控 制方面的研究，但是都没有应用于自动供胶系统p 7 5 8 1 ，使用机器人技术完成自动涂胶工 作这方面的研究很少。因此本文提出结合涂胶工艺，采用工业机器人进行涂胶操作，并 对涂胶路径遇到的机器人奇异点及轨迹转接点处速度进行研究，最终开发相应的控制系 统。 1 3 本文的课题来源及主要研究内容 1 3 1课题来源 本课题来源于企业合作项目，以浙江省温州市申明制鞋机械有限公司为依托，研究 采用机器人技术实现制鞋行业中自动涂胶作业，解决涂胶工艺中均匀性、一致性和快速 性的问题，可以极大的提高产品质量和生产效率，增加企业利润。同时由于机器人进行 涂胶工作是封闭作业的，不仅可以降低工人工作强度，改善工人工作条件，而且可以实 现有害气体的合理排放，杜绝有害气体对工人身心健康和环境的危害，实现“绿色生产 。 1 3 2论文主要的研究内容及框架结构 根据本文研究内容，将论文分为六个章节进行展开。 第一章首先介绍本课题的研究背景及意义，通过阅读大量文献，针对国内外研究现 7 第l 章绪论 状进行了分析，最终提出结合涂胶工艺的涂胶控制系统开发的方案。 第二章首先针对涂胶工艺进行了分析，并在胶粘组合工艺中，针对鞋外底的胶粘组 合工序进行了研究。同时，以涂胶粘接的剥离强度指标为研究对象，对胶膜厚度与剥离 强度进行分析。通过分析胶黏剂浓度等因素的影响，最终建立起了机器人移动涂胶速度 与涂胶粘接的胶膜厚度之间模型关系，最后在涂胶实验中验证了模型。 第三章首先对涂胶样本分析，进行涂胶运动路径策略的生成。然后针对设计坐标系 与实际空间坐标系的统一问题进行了研究。接着对机器人在笛卡尔任务空间中的奇异点 提出了将点的三维问题转变成一维问题，并提出了解决策略。然后，针对运动姿态问题 进行了约定，使机器人运动得到了确定。最后针对规划的路径进行了运动仿真验证。 第四章首先由第二章速度与胶膜厚度关系模型得到，运动速度设置需满足一定的误 差要求。首先对胶口速度大小进行了分析，然后研究了涂胶胶口沿着路径轨迹的切向跟 随，并对涂胶胶口处速度进行了分析。针对涂胶轨迹段的转接点处速度加减速为零的问 题，进行了速度规划。最后在a d a i v l s 软件中进行了运动仿真，并进行了结果分析。 第五章首先对控制系统进行了总体设计，然后对控制系统软件的开发环境进行了介 绍。并对编制的控制系统的关键模块进行了分析。然后针对下位机机器人、控制器及上 位机软件之间的通信进行了说明，并对具体的实现技术进行了研究。 第六章对本文的工作进行了系统的总结，并对下一步的研究工作进行了展望。 论文整体框架及章节之间的关系如图1 1 1 所示： 8 面向制鞋工艺的机器人涂胶运动控制及系统研发 相鬻司严于篱劂运1l 系统平台建立及展望ll 规划研究 ll 尔矾。口肛一 第 1 章 绪 论 第 6 章 结 论 与 展 望 第2 章 涂胶工 艺分析 及机器 人臂速 度模型 的建立 第3 章 涂胶运 动路径 生成及 奇异点 位置规 划研究 张章 涂胶运 动切向 跟随及 转接点 速度规 划研究 第5 章 控制系 统软件 的编制 图1 1 l论文整体框架及章节之间的关系 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章基于机器人速度控制的涂胶工艺研究 2 1 胶粘组合工艺 鞋类的制造一般经过造型、裁断以及装配成型工艺【5 9 1 。其中关系到制鞋质量好坏以 及舒适度、美观性最为关键的一环是装配工艺。制鞋装配工艺 6 0 l 是指把鞋帮和鞋底等其 它鞋部件装配在一起而成为鞋产品的技术和方法。目前主要有胶粘组合工艺( 胶粘鞋工 艺，如图2 1 ) 、缝制鞋工艺、模压鞋工艺等多种类型。其中胶粘鞋工艺由于工艺简单、 生产周期短、生产效率高、制造成本低等优点，在制鞋装配工艺中应用最多。 图2 - 1 胶粘鞋工艺 9 第2 章基于涂胶工艺分析的机器人速度模型建立 在整个胶粘鞋工艺中，胶粘组合工艺是整个胶粘鞋工艺中最重要的组成部分，是使 用胶黏剂将帮脚、内底与外底结合在一起的加工工艺。其胶粘组合工序主要由前期准备 及帮脚处理工序、胶粘组合工序及压合外底工序组成。前两道工序是胶粘组合工序的最 重要的组成，主要是实现帮脚与内底、内底与外底的粘合。而压合外底工序是为了确保 粘合外底后，具有较高的剥离强度。 2 2 前期准备及帮脚处理工序 前期准备及帮脚处理工序主要加工工序流程为图2 2 所示，主要是外形的平整与帮 脚的粘合。将帮面和帮里的帮脚牢固地粘合在内底的反面叫做粘合帮脚。在帮脚与帮里 粘合之前，需要进行修剪里子余茬，目的是为了修剪多余的帮里、主根及内包头，使帮 里、主根及内包底在内底反面上的搭接量在合适的数值范围，一般将搭接量设置为4 m m 左右。如果搭接量过长，鞋里与内底的粘合宽度过大，就会减小帮面帮脚与内底的粘合 宽度，易造成开胶现象；若搭接量太小时，成品鞋在穿用过程中会出现鞋里抽出，产生 空松现象。 图2 - 2 加工工序流程 在进行粘合帮脚操作时，要注意涂胶的宽度与帮脚在内底上的搭接量一致，或略大 于搭接量。当涂胶太宽时，不仅费胶，而且多余的胶膜对以后的内底和外底的粘合起隔 离作用；刷胶太窄则会影响粘合牢度。 在鞋底处半内底位于内底之下时，需要将绷帮后的帮脚与半内底粘合。但是由于帮 脚有一定的厚度，会影响半内底与外底之间的严密粘合。因此，需要将半内底边缘进行 片剖处理，以掩盖绷帮帮脚。一般地，保持半内底与内底的周边相等，对半内底的前端 进行片剖处理，片宽1 5 r a m ，边口留厚0 4 r a m ，其余边宽l o - 1 5 m m ，且片边出口。若内 底硬度较大时，在裁断时将半内底周边缩小于底边l o m m ，周片只片宽3 5 m m ，边留厚 1 2 1 5 m m 即可，绷帮帮脚则与半内底顶搭接或少部分搭接( 如图2 3 所示) 。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 半 图2 - 3 帮脚与半内底搭接 涂胶完成后需要进行烘干活化，目的是为了更好的增加粘接强度。烘干的活化条件 一般为：温度5 0 6 0 0 c ，通过调整传送带的运转速度，控制每一节的烘干活化时间在 5 - 8 r a i n 左右，烘干到“指触干 。 完成平整帮脚、填底芯等操作后，需要对粘合面进行处理，处理方法包括砂磨起绒 和化学处理两种。砂磨粘合面的操作称为砂磨起绒，砂磨的对象包括帮脚和外底的粘合 面。砂磨起绒有利于增大材料的粘合面积，提高粘合强度，一般砂磨深度不超过底厚的 四分之一。对于有些不适合砂磨的材料，可以采用化学处理。使用化学处理剂溶解粘合 面上的隔离物质，为胶黏剂向被粘物内的扩散和渗透创造条件。处理剂能够在被粘物的 表面形成过渡层，这种过渡层既能与被粘物很好的相容，又与胶黏剂有很好的亲和力。 许多非极性材料与极性鞋用胶黏剂的粘合能力小，不能达到粘接要求，通过表面处理， 可以改变非极性材料的表面状态，使其表面产生能够与极性胶黏剂发生反应的活性点， 从而使被粘物之间产生粘合。 2 3 胶粘组合工序 在完成了前期准备工作和帮脚处理加工后，要进行涂胶、烘干活化及合外底的操作。 胶粘组合工序主要由涂胶、胶膜的烘干活化、粘合外底及压合工序组成。 涂胶要进行净化粘合面、配胶及涂胶操作。净化粘合面主要是除去粘合面上的粉尘、 油污、水分或者隔离膜等。否则，会大大降低粘合强度。在制鞋应用中，胶粘工序所用 胶黏剂【6 l 】主要有三种：氯丁胶、聚氨酯类及树脂胶，其主要性能及适用范围如下所示。 ( 1 ) 氯丁胶：由于制造工艺简单，粘着力强，性能稳定，国内外制鞋业广泛应用 在制作皮革、合成革帮面的绷帮复帮、面革与皮革底、天然橡胶成型底、轻胶底等鞋底 材料的帮低粘结。日本、东欧、澳大利亚、东南亚以及我国以应用氯丁胶黏剂为主。 氯丁胶是氯丁橡胶溶解在甲苯类溶剂中制成的，浓度为2 0 0 0 - 3 0 ，属于溶剂型胶黏 剂，有一定的毒性。与氯丁胶配合使用的固化剂是异氰酸脂类，最常用的液态固化剂是 第2 章基于涂胶工艺分析的机器人速度模型建立 三苯甲烷三异氰酸酯的二氯甲烷溶液( 2 0 ) 。溶剂型的氯丁胶有一定的毒性，具有刺 激性的气味。 ( 2 ) 聚氨酯胶：主要用于天然底革、合成革帮面与橡塑并用底及聚氨酯底等材料 间的粘合。与其配合使用的固化剂大多是以异氰酸酯为主要成分的亚泰化学材料，用量 为胶黏剂的3 - 5 。 ( 3 ) 树脂胶：鞋用树脂胶的主要成分是合成树脂。对不同成分的外底，可以使用 相应的树脂胶。如e v a 底可使用e v a 为主要成分的树脂胶，s b s 底可使用以s b s 为主 要成分的树脂胶等。 在进行完涂胶操作之后，需要对鞋子进行烘干活化操作。烘干活化可以加快胶黏剂 中溶剂或水分的挥发，缩短加工时间；促进胶黏剂分子向被粘物内部的扩散和渗透；降 低被粘物的硬度和弹性，增加可塑性，减小粘结时的反弹力，便于合外底后底型符合楦 底形体。 烘干完成之后，需要进行粘合外底操作，主要是外底与帮脚、内底( 或中底) 粘合 在一起。但粘合外底之后，还必须进行机器的压合，才能确保较高的剥离强度。压合的 作用主要是可以进一步排除粘结面间残留的空气，增大粘合面间的接触面积，提高其剥 离强度。 2 4 涂胶运动的机器人速度模型的建立 2 4 1胶膜厚度与剥离强度的关系 剥离强度是用于检验成品鞋鞋底与鞋帮之间的粘合强度。剥离试验是在剥离试验仪 上，按照g b t 3 9 0 3 3 9 4 1 6 2 1 剥离强度实验方法进行。将成品鞋装上鞋楦夹持在剥离试验 仪上，以剥离刀将鞋头处的外底与鞋帮从结合处剥开，测得剥开时所需的力为剥离力， 根据剥离力和剥离刀口宽度计算剥离强度。试验结果用剥离强度表示，计算方法如下( 图 2 _ 4 表示典型的剥离强度实验结果分析) ： 仃：一f( 2 1 )仃= 一 z - lj b 、 式中：仃为剥离强度( n c m ) ；f 为剥离力( n ) ；b 为刀口宽度( c m ) 。 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 层目慕离强友肘 l 八厂r 八人八 v v v ”平均_ 一 图2 _ 4 剥离强度实验结果分析 位移，- - 对材料进行涂胶剥离强度试验1 6 3 1 并进行检测，从被粘物的剥离强度检测数据中， 可以看出胶膜厚度与剥离强度有着密切的关系，如下表2 1 所示。当胶膜厚度为0 2 r a m 时，剥离强度最大，粘接效果最好。 表2 - 1 胶膜厚度与剥离强度关系 将上表实验数据绘制成相应的数据变化趋势图，如下图2 5 所示。可以看出，被粘 物的剥离强度并不是随着胶膜厚度的增加相应的增加，而是在胶膜厚度增大到一定数 值之前是增大的，当超过这个胶膜厚度值，又出现了剥离强度降低的现象。 嘲0 0 6e , t o曩悸啊哺蛹 潦艘蓐囊i 【棚i 吣 图2 - 5 涂胶厚度与剥离强度的关系 造成这种趋势的原因主要由以下三方面组成： ( 1 ) 当胶膜厚度过小时，胶黏剂用量少，粘合面呈“点接触 ，剥离强度低。 ( 2 ) 当胶膜厚度适中，胶黏剂用量适中，胶膜呈连续状态，剥离强度高。 1 3 撕 蛳 蛳 舶 靴 撕 栅 。 童。|i詈爱鼍蔫 第2 章基于涂胶工艺分析的机器人速度模型建立 ( 3 ) 当胶膜厚度过大，胶黏剂用量过多，由于胶层太厚，胶黏剂中的溶剂挥发不畅， 当胶液表面形成膜后，内部的溶剂难以挥发，就会产生气泡，从而降低剥离强度。 2 4 2胶黏剂的浓度与胶膜厚度的关系 胶黏剂的浓度越大，有效物质的含量也越高，在被粘物表面形成的胶膜也越厚，但 是胶黏剂的渗透能力反而降低；当胶黏剂的浓度降低时，在被粘物表面形成的胶膜也越 薄。原因是由于最终在被粘物上形成的胶膜是溶质形成的，溶剂最终会挥发。 当机器人的胶口进行涂胶时，假设在微小表面积缸上，起初涂胶的胶膜厚度抽， 当经过烘干操作溶剂挥发完全后，变成胶膜厚度吃，如图2 - 6 所示。氯丁胶溶胶挥发前 的密度为储胶，在溶剂挥发后的干胶密度为腋，设氯丁胶溶胶的浓度为m ，有挥发 前溶质的质量与挥发后质量相等，建立如下公式： 撇a s 铂刑邓帔a s h 2 h 2 - 盟：鱼：垡( 2 - 2 ) p 睃 图2 - 6 挥发前后胶膜厚度模型 2 4 3胶膜厚度与胶黏剂的浸润关系 胶黏剂和被沾物之间进行粘接的时候，胶黏剂会有一部分浸润在被沾物当中。目前， 胶黏剂与被沾物之间的粘接理论主要有：吸附理论、扩散理论、静电理论、化学键理论 和机械结合理论。对于胶黏剂与被沾物表面不管通过什么机理进行粘接，形成结合的前 提都是两者必须达到分子水平的接触，因此，胶黏剂对被粘物表面良好的湿润是形成优 良胶接的必要条件。 由p o i s e u l l e 定律晔】可以得到描述液体在毛细管孔隙中的渗入： 1 4 x 去= 鲁 ， x 一= 一 i z - j ， 出8 7 ， 、7 式中，x 为孔隙的渗透距离；，7 为胶黏剂黏度；p 为毛细压力；r 为时间；，为孔隙 浙江工业大学硕士学位论文 半径。毛细管压力如下给出： p ：2 y l v c o 盆( 2 - 4 ) ， 式中， 九y 为胶黏剂的液一气表面张力。9 为接触角，如图2 7 所示。当材料处于完全润 湿时，接触角为0 。 图2 - 7 接触角示意图 组合公式2 3 与公式2 - 4 ，可得孔隙渗透深度随时间的渗透距离公式2 5 ，x ( d 为： x 2 ( o ：r y _ l v - c o s of(2-5) 二r 2 4 4涂胶机器人速度控制模型 由前面的分析知道，机器人涂胶操作要受到胶膜厚度、胶黏剂的浓度、浸润深度等 多种因素的影响。而胶膜厚度对于鞋子的剥离强度具有重要的影响，是关乎鞋子质量的 最重要因素。对于胶膜厚度的形成，又与机器人移动速度有关。当移动速度快时，单位 时间形成的胶膜厚度比较薄；当机器人移动速度比较慢时，单位时间内形成的胶膜厚度 比较厚。 图2 - 8 末端胶口形状的三维模型 在机器人涂胶过程中，涂胶胶膜厚度的形成与机器人移动速度、胶液从上到下的流 速、胶液的浓度、烘干时间等因素有关。图2 8 为末端胶1 ：3 形状的三维模型，将涂覆的 1 5 第2 章基于涂胶工艺分析的机器人速度模型建立 模型简化为如图2 - 9 所示： v 洗+ v 移 图2 - 9 涂覆模型 其中a 为胶口长，b 为胶口宽，在材料上形成的胶膜厚度为啊，胶流速为v 采，水平 移动的速度为。在t 内涂覆的模型如下公式2 - 6 表示： t 慨t 曲i a ：堂 ( 2 6 ) v 移 但是胶膜厚度形成还要受到胶液浸润作用、胶液浓度大小及烘干作用的影响。因此 结合前面分析，最终得到实际在被沾物上的胶膜厚度为： 吃2 等芋t 警一卢r y l v c o s 0 2 r f ， 胀y 2 4 5 运动涂胶实验 选取制鞋工厂中应用最广泛的混配型氯丁胶黏剂( c r ) ，型号为c r 2 4 6 1 。其中门尼 粘度( 6 0 - - q 5 c p ) ，干胶密度约为1 2 5 9 c m s ，凝结前的密度约为( 1 1 0 - 1 1 2 4 9 c m 3 ) ， 其质量浓度约为3 0 ，常温下，与空气的界面张力约为3 0 m n m 。 采用t h - 2 0 0 4 k 型供胶系统，将供胶模式选为定量模式，供胶压力值为o 1 b a r ( i b a r - - i 0 1 9 7 2 k g e m 2 ) ，控制周期时间设置为0 2 s 。由于供胶系统是时间压力型供胶系统， 每个供胶周期内，流体迅速达到稳态嗍，由此可以得到均匀流速。设计胶口长度为3 0 r a m ， 宽度为2 m m ，最终得到均匀流速为5 m m s 。 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 ( a ) 第1 次实验 ( c ) 第3 次实验 r 蚧第2 次实验 图2 1 0 涂胶效果图 ( d ) 第4 次实验 在皮革材料上进行涂胶胶膜厚度实验，控制涂胶移动速度为1 2 0 m m s ，并在显微镜 下进行厚度测量。在i o x1 0 放大倍数下，进行多次涂胶实验，并对多处测量。其中发 亮部位为胶膜厚度，上图2 1 0 代表4 次涂胶效果图。 并将4 次实验数据绘制成表格，如表2 2 所示。 表2 - 2 胶膜厚度实验数据( 单位：m i l l ) 根据设置参数，带入公式求解得到理论胶膜厚度值为o 0 9 5 m m ，如图2 1 1 为各项 1 7 第2 章基于涂胶工艺分析的机器人速度模型建立 数值指标比较。 实验次教，次 图2 1 l 各项数值指标比较 如图2 - 1 1 所示，实验结果基本满足涂胶工艺要求，平均误差0 0 0 7 3 5 。 2 5 本章小结 本章首先针对胶粘组合工艺进行了分析，然后研究了胶粘制鞋的剥离强度与胶膜厚 度的关系，得出最佳的涂胶胶膜厚度。然后接着对胶膜厚度与胶黏剂浓度、液气表面 张力等因素的关系进行了研究，最终建立起了涂胶胶膜厚度与机器人涂胶速度之间的模 型关系，最后通过涂胶实验验证了模型的正确。 1 8 e山，售-晷整 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章涂胶运动路径规划研究 3 1 涂胶样本分析 由第二章工艺分析得知，胶粘组合工艺是整个胶粘鞋工艺中最重要的组成部分，是 使用胶黏剂将帮脚、内底与外底等部位结合在一起的加工工艺。因此，需要针对绑脚与 内底、内底与外底等处进行涂胶操作。由于涂胶部位的不同，得到的涂胶设计样本嘲 也有所不同，主要是半内底与内底、绑脚与内底或外底、内底与外底部位。如图3 1 为 2 5 0 号二型尺寸男鞋鞋底样本。 图3 - 12 5 0 号二型尺寸男鞋鞋底样本 半内底的长度一般为脚长的6 0 - - 6 8 之间，前端多为直线形，直线与底中线形成 8 0 0 的夹角，里怀在前，外怀在后，如图3 - 2 为2 5 0 号二型尺寸男鞋半内底示意图。 图3 - 22 5 0 号二型尺寸男鞋半内底 1 9 第3 章涂胶运动路径规划研究 绑脚与内底接触长度由前面工艺中介绍，其搭接量多为l o m m 左右( 如图3 - 3 所示) ， 具体的工艺数值，要根据不同鞋子的具体实际情况为准，原则上要保证沿着半内底分布。 图3 - 3 绑脚与内底 3 2 涂胶路径的生成策略 3 2 1 涂胶路径生成 对于涂胶机器人涂胶路径可以分为两部分路径的组合，如图3 _ 4 所示为机器人涂胶 运动路径。首先是由起点位置到达工作工位，也就是到达指定的涂胶运动工位起点，然 后机器人从此工位点沿着相应的轨迹约束，按照要求完成涂胶运动，然后依次到达下一 工位点，继续涂胶运动。最