基于制鞋涂胶工艺的机器人喷涂速度控制研究

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鞋类的制造-般经过造型、裁断以及装配成型等工艺过程，其中制鞋装配工艺是指把鞋帮和鞋底等部件装配在-起而成为鞋产品的技术和方法。

因为胶粘鞋具有工艺简单、效率高、制造成本低等优点，所以市场上广泛应用胶粘工艺。2011年中国鞋类产量占全球65%，预计到 2015年我国制鞋耗胶将达到36.82万 t。同时，目前制鞋粘胶过程也有其自身缺陷，主要集中在以下几点：(1)基本靠手工涂胶，胶膜厚度无法稳定控制，涂胶质量得不到保证拉J。(2)胶水主要成分苯含剧毒，是强致癌物质，严重威胁员工的身心降 ]。(3)劳工荒”问题，近几年工业的迅猛发展，出现招工困难，人力成本急剧上升 J。针对这-状况，国内外很多学者对自动涂胶做了研究，Kim5 提出了-种基于鞋底三视图和鞋面三维数据的自动提取喷涂轨迹的方法。HU等 提出-种应用机器视觉扫描鞋底形状 自动生成轨迹的方法。武传宇等 对鞋底信息的机器人喷胶轨迹的计算方法进行了研究。胡小兵等 提出了基于蚁群算法的三维空间机器人路径规划。然而他们研究的重点大多集中在如何提取涂胶轨迹曲线信息，却很少涉及到制鞋涂胶工艺信息。评价涂胶效果的主要参考依据是剥离强度，影响剥离强度最主要的因素为：胶膜厚度、胶膜宽度 、胶膜均匀性等 J。鞋底曲面是空间三维曲面，不同曲率曲线的变化会引起机械手速度激变，影响胶膜厚度和宽度的变化，从而降低剥离强度，最终影响成品鞋的质量。

针对上述问题，本文首先讨论了胶膜厚度与剥离强度的关系及胶黏剂浓度与胶膜厚度的关系，然后根据胶膜累积原理建立相应的机器人速度控制模型，最后以 Staubli机器人为例对所建立的速度模型进行了实验。

l 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粘合强度的指标。根据 GB/T3903.3-201l叫剥离强度的试验方法，在剥离试验仪上进行鞋底剥离强度试验，试验结果用剥离强度表示，剥离强度的计算公式：：f， (1)Ⅱ式中：or为剥离强度，N/cm；f为剥离力，N；d为刀口宽度，cm。图 1所示为典型的剥离强度试验结果分析曲线图。

层问剥离强度/N图1 剥离强度试验结果分析曲线图力值位移/mm收稿日期：2012-07-l9基金项目：浙江省重点科技创新团队资助项目(2010R50002-11)作者简介：赵燕伟(1959-)，女，河南郑州人，浙江工业大学教授，主要研究方向为数字化产品设计理论与方法、数字制造/数字装备建模与仿真的基础理论和关键技术 、开放式数控技术开发与装备智能化、网络环境下的数字制造技术等。

· 62 ·2013年第3期 赵燕伟，等：基于制鞋涂胶工艺的机器人喷涂速度控制研究对材料进行涂胶剥离强度试验 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，胶膜厚度与其相对应的剥离强度的关系见表 1。当胶膜厚度为0.2mm时，剥离强度最大，粘接效果最好。

表 1 胶膜厚度与剥离强度关系胶膜厚度/ram 0.02 0.05 0.07 0.13 0.加 0.21 O.25 O.26 O.30鼍 。273.。舾.。 .。锄.。研.0 48.。32.0 3 。

从表 1中可以看出，被粘物的剥离强度并不是随着胶膜厚度的增加而增加，而是先随着胶膜厚度的增加，剥离强度增加，到达-定程度后，又会随着胶膜厚度的增加，剥离强度反而降低。造成这种现象的原因主要有 3个方面：(1)当胶膜厚度过小时，胶黏剂用量少，粘合面呈点接触”，导致剥离强度偏低。(2)当胶膜厚度适中，胶黏剂用量适中，胶膜呈连续状态，剥离强度会比较高。(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。

图2 粘接材料之间的接触角将式(3)带人式(2)中，可得孑L隙渗透深度随时间的渗透距离公式为：s ：-rT LvC-OSOt (4)/-，1"/3 涂胶机器人速度控制由上文的分析可知，机器人涂胶操作受到胶膜厚度、胶黏剂的浓度、湿润深度等多种因素影响，其中胶膜厚度是影响鞋子质量的最重要因素，而胶膜厚度的形成，又与机器人移动速度有关。在喷涂速度-定的情况下，当机器人移动速度快时，单位时间内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。

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3所示为末端胶口形状的三维模型。在动态涂胶移动过程中，可以将涂覆的模型简化(如图4所示)。

2 胶黏剂的浓度与胶膜厚度的关系胶黏剂和被粘物之间进行粘接的时候，胶黏剂会有-部分湿润在被粘物当中。目前，胶黏剂与被粘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 胶口长剂与被粘物表面不管通过什么机理进行粘接，所形成结合的前提都是两者必须达到分子水平接触，因此胶黏剂对被粘物表面良好湿润是形成优 良胶接的必要条件。

由Poiseule定律 可以得到描述液体在毛细管孔隙中的渗入计算公式：。 - ，(It- 8∞ 、式中：s为孔隙的渗透距离； 为胶黏剂黏度；p为毛细管压力；为时间；r为孔隙半径。毛细管压力的计算公式：：2-TLvCOSOP (3) - Lj式中：y 为胶黏剂的液 -气表面张力； 为粘接材料之间的接触角，如图2所示。当材料处于完全湿润时，接触角为O。。

图3 末端胶 口形状的三维模型图4 动态涂胶涂覆 简化模型· 63·2013年第42卷 机械设计与制造工程在材料上形成的胶膜厚度为 h ，胶流速为 流，水平移动的速度为 移。在 内涂覆的模型关系式：流At X ab 移At X ahl (5)h ： (6)移而胶膜厚度形成还要受到胶液湿润作用、胶液浓度大邪烘干作用的影响。因此结合前面分析，最终得到实际在被粘物上的胶膜厚度 h 为：h腿 ×( -。 p胶 移/ × ) (7) 2田式中：P溶胶为溶胶挥发前的密度；p胶为溶剂挥发后的干胶密度；m为胶水的浓度。

4 运动涂胶实验选取制鞋工厂中应用最广泛的混配型氯逗黏剂(CR)，型号为 CR2461，选择成年男鞋 25号为涂胶样品，根据沿条宽度选择涂胶宽度为 20mm，供胶系统参数见表 2。

表 2 供胶系统参数参数 数值粘度"/cpp镕腔/(gcm- )p腔/(g·cm )浓度m/%空气张力/(ran·m.1)/(mls )供胶系统控制周期/8胶口长度/ram胶口宽度/nun供胶压力值/bar60-751.1O～1.121.25303O25rH-2O04K0.22O20.1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 120mm/s，并在显微镜下进行厚度测量。测 量所 得 的数 据 见表 3，其 整体 均值 为0.088ram。

表 3 胶膜厚度实验数据 mm次数 部位3O.1120.O650.15OO.O93lO.O750.055O.O920.0772O.O650.O640.0850.08840.082O.O75O.O95O.1205O.O960.07 5O.O980.085平均值0.0860.068O.1o40.093式(7)可以反映出当喷枪流量速度 流固定· 64 ·时，胶膜厚度与机器人末端执行器移动速度 移之间的关系。通过调节机器人末端执行器的移动速度，可得到理想的胶膜厚度，图5所示为胶膜厚度与机械手移动速度关系。

日暑蹬速度/(mm )图5 胶膜厚度与机械手移动速度关系5 结束语本文通过分析影响胶膜厚度均匀性的因素，建立了制鞋涂胶胶膜厚度及其均匀性与涂胶品质的关系，并根据所需要的胶膜厚度及其均匀性要求，建立了喷涂速度控制模型。通过调节机械手的移动速度得到了理想 中的胶膜厚度，提高了涂胶品质。另外，本文研究对象为平面内的鞋底曲线轨迹，对于三维空间变化更加复杂的轨迹，需要进-步研究空间曲率对胶膜形态的影响，因此今后将对三维空间轨迹涂胶的胶膜均匀性控制进行更深入的研究。