段海峰，顏 建，張建強(qiáng)，龍勇坤

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東 廣州 510800）

1 引言

隨著社會(huì)生活質(zhì)量的提高，私家車已經(jīng)成為一個(gè)家庭的常用代步工具，汽車皮革產(chǎn)品的需求量也越來(lái)越大，其中汽車真皮座椅的市場(chǎng)占有率為75.8%。汽車皮革產(chǎn)品內(nèi)部海綿與皮革常采用膠水粘合的方法固定在一起；由于汽車皮革零部件的海綿和皮革軟、輕且形狀復(fù)雜，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)企業(yè)還是采用手工膠水粘合的方法進(jìn)行粘合，工人師傅需要采用手工的方法將海綿和皮革粘合在一起；這種手工粘合的方法不但效率低，而且粘合質(zhì)量不高，現(xiàn)在市面上還沒(méi)發(fā)現(xiàn)一種適用的自動(dòng)化設(shè)備和系統(tǒng)，故急需要一套高效的自動(dòng)粘合裝置和系統(tǒng)來(lái)彌補(bǔ)這個(gè)空白[1-2]。

2 汽車皮革部件自動(dòng)化粘合系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)

應(yīng)用自動(dòng)化控制技術(shù)設(shè)計(jì)一套以膠水自動(dòng)攪拌及供料裝置，海綿傳送裝置和視覺(jué)工業(yè)機(jī)器人為主體的自動(dòng)粘合系統(tǒng)；該系統(tǒng)以汽車零部件扶手部位中海綿和皮革粘合為例，如圖1所示。

圖1 典型汽車零部件海綿粘合皮革原理圖Fig.1 Schematic Diagram of Typical Automotive Parts Sponge Bonded Leather

粘合工藝流程和場(chǎng)地規(guī)劃設(shè)計(jì)，如圖2所示。自動(dòng)攪拌及供料裝置可以進(jìn)行膠水的自動(dòng)攪拌和供料，其膠水出口安裝在噴膠水視覺(jué)機(jī)器人手爪部位，通過(guò)機(jī)器人視覺(jué)原理實(shí)現(xiàn)膠水成型噴膠；再由搬運(yùn)機(jī)器人將另一部分相對(duì)應(yīng)的皮革部件放置在已經(jīng)噴膠的海棉上進(jìn)行粘合；傳送裝置將粘合好的汽車皮革部件傳送到固化區(qū)域進(jìn)行膠水高溫固化，最終實(shí)現(xiàn)汽車皮革內(nèi)部海綿與皮革的全自動(dòng)化粘合工作[3-4]。

圖2 汽車皮革部件自動(dòng)化粘合系統(tǒng)的工藝方案及場(chǎng)地規(guī)劃示意圖Fig.2 Schematic Diagram of the Process Plan and Site Planning of the Automotive Leather Parts Automated Bonding System

3 膠水自動(dòng)攪拌及供料裝置設(shè)計(jì)

整套系統(tǒng)中，膠水是海綿和皮革的粘合劑，工作時(shí)，膠水粘性較大且容易凝固，需要經(jīng)常攪拌（多采用手工攪拌方式），手工攪拌方法不但慢且不夠均勻，影響粘合質(zhì)量；系統(tǒng)設(shè)計(jì)了膠水的自動(dòng)攪拌及供料裝置，如圖3所示。通過(guò)水泵將膠水桶里的膠水抽入膠水?dāng)嚢柩b置，攪拌葉輪旋轉(zhuǎn)進(jìn)行攪拌，攪拌好的膠水通過(guò)膠水流出軟管流向工業(yè)機(jī)器人手爪末端的出膠口處，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴膠。本套系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩條線，可以為兩個(gè)粘合機(jī)器人提供粘合膠水，提高其生產(chǎn)效率。

圖3 膠水的自動(dòng)攪拌及供料裝置Fig.3 Automatic Stirring and Feeding Device for Glue

4 傳送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車皮革零部件內(nèi)部海綿輕且軟，不方便裝夾和固定，傳送比較困難，這也是皮革海綿難以自動(dòng)化傳送的一個(gè)緣由；系統(tǒng)設(shè)計(jì)了專門的傳送系統(tǒng)，共分為四大部分：送料部分、傳送及粘合部分、下料部分和膠水固化部分。

4.1 汽車皮革零部件內(nèi)部海綿送料部分設(shè)計(jì)

產(chǎn)品不同，皮革內(nèi)部海綿的形狀也不一樣，不過(guò)工作原理類似，這里選用的是汽車扶手部件，如圖1所示。整套系統(tǒng)是將海綿和皮革按照對(duì)應(yīng)位置粘合在一起，海綿的形狀通常為振動(dòng)刀切割而成，共20層，如圖4所示。初始狀態(tài)為20層的海綿放在上下推板上，通過(guò)電機(jī)和絲杠傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)海綿上下動(dòng)作的控制；讓海綿一層一層的向上移動(dòng)，再通過(guò)高頻振動(dòng)裝置高頻振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上層海綿和下層海綿的脫離，再依靠推動(dòng)裝置推動(dòng)松動(dòng)的海綿，將其推送到傳送部分。

圖4 皮革內(nèi)部海綿送料裝置Fig.4 Leather Internal Sponge Feeding Device

4.2 傳送及粘合部分設(shè)計(jì)

海綿是一種十分輕的材料，一般傳送帶很難實(shí)現(xiàn)海綿材料的傳送，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了專門的傳送裝置，如圖5所示；該傳送裝置采用了鏈條三軸聯(lián)動(dòng)和皮帶傳動(dòng)相結(jié)合的傳動(dòng)方法，為了保證海綿能穩(wěn)定的固定在傳送帶上，傳送裝置里添加了兩個(gè)大氣動(dòng)吸盤，在傳動(dòng)的過(guò)程中，兩個(gè)大吸盤會(huì)給海綿一個(gè)向下的吸力，便于海綿更好地固定在傳送帶上，保證傳送裝置上粘合皮革材料海棉和皮革不會(huì)錯(cuò)位；另傳送裝置末端專門設(shè)計(jì)了一個(gè)卸料轉(zhuǎn)板，當(dāng)海綿和皮革粘合好后，卸料轉(zhuǎn)板便會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，將粘合好的海綿和皮革推入卸料裝置。

圖5 傳送裝置（海綿和皮革粘合區(qū)域）Fig.5 Conveyor（Sponge and Leather Bonding Area）

4.3 卸料裝置設(shè)計(jì)

卸料裝置和送料裝置結(jié)構(gòu)類似，不同的是卸料裝置的上下推板將一層一層的下移，收納粘合好的海綿和皮革，當(dāng)收納了20個(gè)產(chǎn)品以后，自動(dòng)擋板便會(huì)打開，駕到高溫固化裝置入口，再由整體式推板將20個(gè)產(chǎn)品一起推入高溫固化裝置，進(jìn)行膠水高溫固化，同時(shí)上下推板回到初始位置，如圖6所示。

圖6 卸料裝置Fig.6 Discharge Device

4.4 膠水固化裝置設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出，該膠水在60℃的溫度環(huán)境下固化10min，可以得到較好的粘合質(zhì)量；該系統(tǒng)里設(shè)計(jì)了高溫固化裝置，如圖7所示。該裝置采用普通的加熱棒加熱，輔以探熱針檢測(cè)裝置以及控制元件，可以實(shí)現(xiàn)溫度和保溫時(shí)間的控制；當(dāng)粘合好的海綿和皮革送入高溫固化裝置后，開始計(jì)時(shí)；10min以后，膠水固化裝置中的自動(dòng)門板便會(huì)打開，固化好的產(chǎn)品送入后面的工序，自動(dòng)門板恢復(fù)到原位，等待下一次固化。

圖7 膠水固化裝置Fig.7 Glue Curing Device

4.5 傳送系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)及工藝原理

將各部分裝置統(tǒng)一連接起來(lái)，如圖8所示。切割好的海綿材料先放入送料裝置，然后通過(guò)送料部分送入傳送部分，接著在傳送裝置上進(jìn)行皮革粘合，完成后推入卸料部分，當(dāng)卸料部分收納到一定數(shù)量后再推入膠水固化部分，實(shí)行膠水的固化處理，具體傳送系統(tǒng)的工作原理細(xì)節(jié)，如圖9所示。配上合適的自動(dòng)化控制系統(tǒng)便可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)[5-6]。

圖8 海綿皮革傳送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.8 Structural Design of Sponge Leather Conveying System

圖9 傳送系統(tǒng)工作原理圖Fig.9 Transmission System Working Principle Diagram

5 海綿皮革視覺(jué)機(jī)器人粘合設(shè)計(jì)

5.1 海綿皮革視覺(jué)機(jī)器人粘合整體結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計(jì)

汽車皮革部件自動(dòng)化粘合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖10 所示。該系統(tǒng)包含了兩條粘合線，由自動(dòng)膠水?dāng)嚢柩b置統(tǒng)一供應(yīng)膠水；較傳送系統(tǒng)新加了皮革自動(dòng)提供平臺(tái)2個(gè)、噴膠水視覺(jué)機(jī)器人2個(gè)和搬運(yùn)及粘合機(jī)器人2個(gè)；當(dāng)傳送系統(tǒng)中光電開關(guān)感應(yīng)到海綿部件時(shí)，噴膠水視覺(jué)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)開始工作；校核到對(duì)應(yīng)位置時(shí)噴頭部分將膠水噴到海綿指定位置，完成噴膠水動(dòng)作；與此同時(shí)，搬運(yùn)及粘合機(jī)器人吸附平臺(tái)上的皮革部件并將其搬運(yùn)到粘合位置，等到噴完膠水的海綿到達(dá)指定位置時(shí)，便開始粘合動(dòng)作（同樣采用視覺(jué)系統(tǒng)校核相對(duì)位置）[7]。

圖10 基于視覺(jué)機(jī)器人的汽車皮革部件自動(dòng)化粘合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.10 Structural Design of Automated Bonding System for Automotive Leather Parts Based on Visual Robot

5.2 噴膠氣動(dòng)機(jī)械手爪和膠水粘合氣動(dòng)機(jī)械手爪設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的核心目標(biāo)是將海綿按照位置要求粘合在皮革上，為此設(shè)計(jì)了噴膠氣動(dòng)機(jī)械手爪和膠水粘合氣動(dòng)機(jī)械手爪兩個(gè)氣動(dòng)手爪，如圖11、圖12 所示。噴膠氣動(dòng)機(jī)械手爪設(shè)計(jì)了膠水活塞，可以在膠水容器中上下滑動(dòng)，滑動(dòng)的過(guò)程中可以帶動(dòng)膠水的流入和推出，從而實(shí)現(xiàn)成型噴頭噴出和海綿形狀一樣的成型膠水帶，便于粘合[8-9]。

圖11 噴膠氣動(dòng)機(jī)械手爪Fig.11 Spray Pneumatic Pneumatic Gripper

圖12 膠水粘合氣動(dòng)機(jī)械手爪Fig.12 Glue Bonding Pneumatic Mechanical Gripper

根據(jù)噴膠氣動(dòng)機(jī)械手爪設(shè)計(jì)，氣缸需要完成推出膠水和吸取膠水兩種功能，且機(jī)械手爪需要輕便，故選用輕型固定式雙作用式氣缸；實(shí)驗(yàn)得出推出膠水和吸取膠水至少需要1800N 和1500N的推力和拉力，設(shè)定系統(tǒng)選用的氣壓為0.8MPa；

普通雙功能氣缸的理論推力（N）為：

式中：D—缸徑（mm）；

p—?dú)飧椎墓ぷ鲏毫Γ∕Pa）；

F推—實(shí)際推力；

η—負(fù)載率，取0.8。

理論拉力（N）為：

式中：d—活塞桿直徑（mm）時(shí)，估算時(shí)可令d=0.3D；

F推—實(shí)際拉力。

由于選擇的缸徑應(yīng)該大于D推和D拉，故選擇希沃機(jī)械氣缸，型號(hào)為SC125×63的輕型固定式雙作用式氣缸。

當(dāng)海綿噴上膠水以后，海綿便會(huì)隨著傳送帶移動(dòng)到粘合位置；與此同時(shí)，噴膠氣動(dòng)機(jī)械手爪開始工作，先利用手爪中的吸盤將皮革吸附起來(lái)，接著搬運(yùn)到粘合位置，確認(rèn)好和海綿的相對(duì)位置以后，再將皮革放下，并利用成型推桿進(jìn)行一次輕微的壓緊動(dòng)作（便于粘合），從而完成粘合動(dòng)作[10]。

膠水粘合氣動(dòng)機(jī)械手爪中，皮革需要吸盤吸持進(jìn)行搬運(yùn)，吸盤的數(shù)量和大小是由被吸取的工件的數(shù)量及重量決定。吸盤直徑的計(jì)算公式，如式（3）所示。

式中：D—吸盤的理論直徑（mm）；m—吸吊物重量（kg）；經(jīng)測(cè)量：皮革體積為89.2cm3，密度為1g/cm3，皮革質(zhì)量為0.09kg；t—安全系數(shù)；吸盤垂直吸附時(shí)，t≥8；水平吸附時(shí)，t≥4；在此，t取值為8；p—吸盤內(nèi)的真空度（-MPa）；采用噴射式真空發(fā)生器時(shí)，真空吸盤內(nèi)的真空度一般設(shè)定為真空發(fā)生器最大真空度的（63～95）%范圍內(nèi)選擇；經(jīng)查手冊(cè)并計(jì)算取吸盤內(nèi)的真空度為-67kPa，即-0.067MPa；n—吸盤數(shù)量；

根據(jù)皮革的外形特點(diǎn)，確定使用5個(gè)吸盤吸取一件皮革，所以n取5。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，吸盤直徑取為6mm。

根據(jù)理論和生產(chǎn)實(shí)際實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為保證真空吸盤在吸持制件的過(guò)程中能吸附牢固，其中需要考慮一定的安全系數(shù)，一般取值為T=2.5。也就是理論提升重量/實(shí)際提升重量＞2.5。

在一般的真空壓力-40kPa下，直徑為6mm的真空吸盤能產(chǎn)生的理論垂直提升力為1.13N，如表1所示。在本設(shè)計(jì)中，需要吸持的制件總重量為0.09kg。

表1 吸盤的理論垂直提升力（N）Tab.1 The Oretical Vertical Lifting Force of the Suction Cup（N）

故選用直徑為6mm的真空吸盤可安全順利地完成吸持搬運(yùn)任務(wù)。

5.3 系統(tǒng)視覺(jué)控制原理

系統(tǒng)中，海綿噴膠，皮革和海綿的粘合動(dòng)作是核心，為此系統(tǒng)里設(shè)計(jì)了噴膠氣動(dòng)機(jī)械手爪和膠水粘合氣動(dòng)機(jī)械手爪，如圖11～圖12所示。為保證噴膠水和粘合的位置精度，兩個(gè)手爪上都需要安裝視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)噴膠和粘合的動(dòng)作進(jìn)行位置校核。

本系統(tǒng)采用輪廓線和區(qū)域?qū)Ρ确治鰣D像的機(jī)器視覺(jué)原理進(jìn)行噴膠和粘合工作；視覺(jué)系統(tǒng)將圖像分割成兩部分，如圖13 所示。視覺(jué)氣動(dòng)噴膠機(jī)械手和皮革吸附粘合機(jī)械手的下端都有2個(gè)視覺(jué)攝像頭，工作過(guò)程中，兩個(gè)攝像頭會(huì)不斷地對(duì)海綿A、B區(qū)域進(jìn)行拍照，將拍到的圖片傳送到存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，并和存儲(chǔ)器內(nèi)的模型（A、B模型中加粗輪廓線）進(jìn)行比較匹配，海綿和傳送帶的材質(zhì)、顏色都不同，可以進(jìn)行特征（輪廓線和區(qū)域）識(shí)別，從而確定機(jī)械手爪的位置是否合適；如不合適，按照模型和拍照區(qū)域的對(duì)比情況，運(yùn)用預(yù)處理、邊緣檢測(cè)、輪廓線構(gòu)成、對(duì)象建模和匹配等技術(shù)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)結(jié)果控制機(jī)器人部分做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，直到位置合適為止[11-12]。

圖13 視覺(jué)機(jī)器人校核海綿皮革位置原理圖Fig.13 Visual Robot Calibration of the Position of the Sponge Leather

6 應(yīng)用價(jià)值分析

該系統(tǒng)是針對(duì)海綿、皮革粘合工作多為人工操作的一種自動(dòng)化設(shè)計(jì)，目的是提高該行業(yè)的自動(dòng)化程度和降低成本；做一個(gè)簡(jiǎn)單的人工成本計(jì)算：假設(shè)一個(gè)工人每月工資5000元，一條線需要噴膠、粘合工人各一人，每天3班倒工作；假設(shè)設(shè)備工作效率是人工的雙倍；本系統(tǒng)可以同時(shí)完成兩條線的工作，而每個(gè)系統(tǒng)只需一個(gè)人維護(hù)就好，故一個(gè)月可以節(jié)省人工費(fèi)為：5000×（2×3×2×2-1）=115000元，每年可以節(jié)省人工1380000元，而這套系統(tǒng)制造下來(lái)的成本也就100萬(wàn)左右，所以一年就可以回本，故這套系統(tǒng)有著較高的應(yīng)用價(jià)值。

7 結(jié)論

本系統(tǒng)采用機(jī)器人視覺(jué)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)完成以前由工人的眼睛來(lái)完成的工作，輔以對(duì)應(yīng)的自動(dòng)化設(shè)備，完成海綿和皮革的上料、傳送、卸料、噴膠、粘合、固化一系列的工作；相比人工粘合，機(jī)器視覺(jué)可以大大提高海綿、皮革粘合的自動(dòng)化程度、質(zhì)量和效率，更是可以大大降低人工成本，且對(duì)其他形狀的海棉、皮革粘合工作都可以起到很大的借鑒作用，相信對(duì)整個(gè)海綿皮革行業(yè)的發(fā)展都能起到一定的推動(dòng)作用。