郭如峰 梅雪川 梁藝瀚 葉 敏

（國(guó)機(jī)智能科技有限公司，廣州 510535）

工業(yè)雙面膠廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、家電、包裝等行業(yè)，目前工廠主要通過(guò)人工作業(yè)方式進(jìn)行生產(chǎn)，該方法不僅工作效率低，而且粘貼質(zhì)量不穩(wěn)定，影響產(chǎn)品生產(chǎn)效率及質(zhì)量[1]。近年來(lái)，隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展，雙面膠粘貼自動(dòng)化研究也在不斷深入，相比較國(guó)內(nèi)，國(guó)外起步較早，且研究?jī)?nèi)容豐富，例如雙面膠自動(dòng)輸送、自動(dòng)裁切和自動(dòng)粘貼等[2]。國(guó)內(nèi)主要集中在特定應(yīng)用場(chǎng)景的機(jī)械結(jié)構(gòu)研究，比如專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于生產(chǎn)快遞文件類(lèi)包裝袋領(lǐng)域的自動(dòng)貼雙面膠裝置、LED燈帶背面的自動(dòng)粘貼雙面膠機(jī)等[3]。目前可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際且自動(dòng)化程度高的設(shè)備仍較少，難以滿足市場(chǎng)需求，本論文依托工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，開(kāi)發(fā)出一套自動(dòng)化程度高、通用性強(qiáng)、可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的自動(dòng)化粘貼雙面膠機(jī)器人系統(tǒng)，并通過(guò)粘貼實(shí)驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行分析[4]。

1 機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)粘貼雙面膠機(jī)器人系統(tǒng)主要由工作臺(tái)架、三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人、貼雙面膠機(jī)、旋轉(zhuǎn)變位臺(tái)和人機(jī)交互系統(tǒng)等部件構(gòu)成，如圖1所示。工作臺(tái)架由方鋼焊接而成，機(jī)器人機(jī)械硬件和電氣元件均安裝在工作臺(tái)架上，通過(guò)硬件和軟件的系統(tǒng)集成，形成一套完整的自動(dòng)粘貼雙面膠機(jī)器人系統(tǒng)[5]。人工預(yù)先對(duì)機(jī)器人的粘貼軌跡進(jìn)行編程，按下運(yùn)行按鈕后，機(jī)器人將復(fù)現(xiàn)編程軌跡，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，完成自動(dòng)粘貼雙面膠的任務(wù)[6]。

圖1 自動(dòng)粘貼雙面膠機(jī)器人系統(tǒng)

1.1 三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人

工業(yè)雙面膠多為平面粘貼，主要分為橫條、縱條或斜條，完成粘貼動(dòng)作至少需三個(gè)自由度，故可選擇三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人作為軌跡行走機(jī)構(gòu)[7]。直角坐標(biāo)機(jī)器人采用龍門(mén)式搭建，由Y1軸、Y2軸、X軸和Z軸組成，如圖2所示，其中Y1軸和X軸均采用滾珠絲桿直線模組，各由一個(gè)伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，單軸重復(fù)定位精度為0.025mm，最快直線運(yùn)動(dòng)速度為800mm/s；Y2軸采用滑塊導(dǎo)軌組合，本身無(wú)動(dòng)力，為隨動(dòng)軸；Z軸采用單桿氣缸為動(dòng)力源，末端搭載貼雙面膠機(jī)。各軸間通過(guò)連接件連接固定，并由四個(gè)立柱支撐，機(jī)器人具備X、Y、Z三個(gè)方向自由度，貼雙面膠機(jī)可在行程范圍內(nèi)沿這三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。

圖2 龍門(mén)式直角坐標(biāo)機(jī)器人

1.2 貼雙面膠機(jī)

貼雙面膠機(jī)由主板、送膠紙模塊、緩沖模塊、收離型紙模塊、保壓模塊、自動(dòng)裁切模塊、壓膠輪和檢測(cè)傳感器組成，如圖3所示。送膠紙模塊用于安裝雙面膠盤(pán)；收離型紙模塊可對(duì)離型紙進(jìn)行回收；緩沖模塊可減小壓膠輪與工件間的作用力；保壓模塊可對(duì)工件持續(xù)施加下壓力，限制工件朝Z方向運(yùn)動(dòng)；自動(dòng)裁切模塊可將雙面膠切斷；壓膠輪可將雙面膠貼附在工件表面；傳感器可檢測(cè)雙面膠是否異?；蛉绷?。

貼雙面膠機(jī)動(dòng)作原理如圖4所示，貼雙面膠機(jī)搭載在直角坐標(biāo)機(jī)器人的Z軸上，可上下運(yùn)動(dòng)；雙面膠盤(pán)安裝在送膠紙模塊上，通過(guò)壓膠輪牽引至收離型紙模塊；粘貼開(kāi)始時(shí)，貼雙面膠機(jī)下降，壓膠輪將雙面膠貼附在工件表面；當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓膠輪隨之移動(dòng)，牽引雙面膠從送膠紙模塊送出。送膠紙主軸與收離型紙主軸間通過(guò)圓皮帶傳動(dòng)，雙面膠送出帶動(dòng)收離型紙模塊轉(zhuǎn)動(dòng)，其結(jié)果是膠肉貼附在工件上，而離型紙纏繞在收離型紙模塊上。粘貼結(jié)束后，雙面膠機(jī)上升，自動(dòng)裁切模塊將膠肉切斷，而離型紙未切斷，可繼續(xù)進(jìn)行下一次自動(dòng)粘貼操作。

圖3 貼雙面膠機(jī)

圖4 貼雙面膠機(jī)動(dòng)作原理

由于雙面膠盤(pán)直徑在粘貼過(guò)程中不斷減小，收離型紙直徑不斷增大，且機(jī)器人移動(dòng)速度保持不變，那么隨著粘貼的進(jìn)行，送膠紙主軸與收離型紙主軸轉(zhuǎn)速將出現(xiàn)不平衡狀態(tài)，即出雙面膠速度與回收離型紙速度將不一致，導(dǎo)致雙面膠卷曲、或者重疊[8]。本文采用圓皮帶傳動(dòng)法解決上述問(wèn)題，圓皮帶為彈性體，可緩沖載荷，具有彈性滑動(dòng)特點(diǎn)，當(dāng)兩個(gè)主軸的轉(zhuǎn)速變化到圓皮帶臨界載荷時(shí)，圓皮帶與帶輪間發(fā)生打滑，使兩個(gè)主軸轉(zhuǎn)速重新回歸到平衡狀態(tài)。

1.3 旋轉(zhuǎn)變位臺(tái)

旋轉(zhuǎn)變位臺(tái)包括旋轉(zhuǎn)氣缸和定位工裝，如圖5所示。定位工裝根據(jù)工件的形狀特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，限制工件X、Y、Z三個(gè)方向自由度；定位工裝固定安裝在旋轉(zhuǎn)氣缸上，通過(guò)調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度可實(shí)現(xiàn)多角度的粘貼效果。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝要求，系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)X、Y軸直線模組精確位置控制，同時(shí)又要實(shí)現(xiàn)Z軸氣缸、切刀氣缸以及旋轉(zhuǎn)氣缸準(zhǔn)時(shí)控制。本系統(tǒng)采用三菱FX3U-32MT PLC設(shè)備，其Y0、Y1、Y2三個(gè)輸出口支持高速脈沖輸出，該P(yáng)LC設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、支持多種通信方式，可以滿足上述工藝控制要求[9]。PLC通過(guò)伺服電機(jī)和定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)兩直線模組精確位置控制以及電磁閥準(zhǔn)時(shí)關(guān)閉功能，使各氣缸動(dòng)作控制準(zhǔn)時(shí)。PLC通過(guò)RS232與觸摸屏進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。本系統(tǒng)硬件配置如圖6所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)變位臺(tái)

圖6 控制系統(tǒng)硬件配置

2.2 控制原理

本系統(tǒng)有手動(dòng)調(diào)試、自動(dòng)運(yùn)行和程序示教三種模式，其中手動(dòng)模式用于調(diào)試設(shè)備，實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)點(diǎn)動(dòng)控制；自動(dòng)運(yùn)行則用于執(zhí)行預(yù)設(shè)程序；程序示教主要用于用戶設(shè)計(jì)程序。

為了存儲(chǔ)程序示教位置與動(dòng)作準(zhǔn)確，需劃分一部分?jǐn)?shù)據(jù)存器存儲(chǔ)示教數(shù)據(jù)。針對(duì)本系統(tǒng)選定的PLC，將數(shù)據(jù)寄存器D1000到D7999共7000個(gè)寄存器用作示教數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，共設(shè)置35套程序可供存儲(chǔ)，每套程序占200個(gè)寄存器。以此可推出，第N套程序的程序起始位置為第1000＋（N-1）×200個(gè)寄存器。

數(shù)據(jù)寄存器均為16位，而由于X、Y軸位置數(shù)據(jù)是浮點(diǎn)數(shù)，因此每個(gè)位置點(diǎn)各占2個(gè)寄存器存儲(chǔ)空間，運(yùn)行速度采用寄存器的前12位存儲(chǔ)，第四位留空。后三位用于存儲(chǔ)三個(gè)氣缸動(dòng)作。各套程序的寄存器地址見(jiàn)表1所示。

通過(guò)表1可知，第N套程序則從D1000+（N-1）開(kāi)始存儲(chǔ)，這種保存方式方便尋址，結(jié)構(gòu)清晰明了。用戶可根據(jù)不同的工藝要求，在示教模式下示教好對(duì)應(yīng)工藝程序，便可在自動(dòng)模式下執(zhí)行所選擇的示教程序。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 機(jī)器人試驗(yàn)

利用本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)粘貼雙面膠機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)粘貼試驗(yàn)，測(cè)試設(shè)備性能。工件選擇普通鋼板，烤漆處理，雙面膠使用3M公司的普通泡棉類(lèi)雙面膠，試驗(yàn)條件如表2所示。

表1 各套程序的寄存器地址

表2 機(jī)器人自動(dòng)粘貼雙面膠試驗(yàn)條件

根據(jù)表2的試驗(yàn)條件，機(jī)器人運(yùn)行情況如圖7所示，試驗(yàn)表明該機(jī)器人具備自動(dòng)粘貼、自動(dòng)剝離離型紙和自動(dòng)切斷功能，自動(dòng)化程度高，且能進(jìn)行多角度粘貼雙面膠操作。

圖7 設(shè)備運(yùn)行情況

3.2 參數(shù)檢測(cè)

根據(jù)表2試驗(yàn)條件，按照以下步驟對(duì)設(shè)備重復(fù)定位精度和粘貼直線度精度進(jìn)行測(cè)試：利用機(jī)器人編程一條100mm的粘貼長(zhǎng)度，運(yùn)行速度為300mm/s，重復(fù)運(yùn)行10次，使用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量這10條軌跡的對(duì)應(yīng)值，如圖8所示

圖8 粘貼試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)示意圖

以工件左邊為基準(zhǔn)，測(cè)量S、E點(diǎn)到基準(zhǔn)的距離L1；以上邊為基準(zhǔn)，測(cè)量A、B、C點(diǎn)到基準(zhǔn)的距離L2，檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 性能參數(shù)檢測(cè)值結(jié)果

3.3 參數(shù)計(jì)算

3.3.1 重復(fù)定位精度

本設(shè)備采用數(shù)控機(jī)床的重復(fù)定位精度計(jì)算方法，即在相同條件下重復(fù)運(yùn)行設(shè)備，測(cè)量每次的定位值δ0，δ1，δ2，...，然后求出這些定位值中的最大差值，繼而取最大差值的1/2，取±后值即為重復(fù)定位精度，如式（1）所示[10]。

3.3.2 粘貼直線度精度。

采用導(dǎo)軌直線度精度的計(jì)算方法，即采用最小條件法和兩端連線法來(lái)評(píng)定直線度[11]。將兩端點(diǎn)連線，通過(guò)最高點(diǎn)作與該直線平行的直線，在兩條直線包容的區(qū)域，最高點(diǎn)沿Z軸到兩端點(diǎn)連線的距離即為直線度誤差，如圖9所示。

圖9 兩端連線法計(jì)算直線度精度

3.4 結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算重復(fù)定位精度如式（2）所示。

計(jì)算直線度精度如式（3）所示。

故本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)粘貼雙面膠機(jī)器人，系統(tǒng)重復(fù)定位精度為±0.9mm，直線度精度為1.04mm/100mm，可知影響重復(fù)定位精度的因素主要有三點(diǎn)：第一，直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計(jì)誤差和裝配誤差；第二，機(jī)器人Z軸采用氣缸驅(qū)動(dòng)方式導(dǎo)致單軸精度較低；第三，工件表面不平整導(dǎo)致雙面膠伸縮率不一致，影響每次切斷長(zhǎng)度。

影響直線度精度的因素同樣有三點(diǎn)：第一，雙面膠盤(pán)中心與回收離型紙圓盤(pán)中心不在同一直線上；第二，壓膠輪上未設(shè)計(jì)定位雙面膠的相關(guān)機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致雙面膠在粘貼過(guò)程中處于可活動(dòng)狀態(tài)；第三，工件表面不平整導(dǎo)致雙面膠伸縮率不一致。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套可搭載機(jī)器人末端的貼雙面膠機(jī)，對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了描述和分析，并通過(guò)硬件和軟件系統(tǒng)的集成，使該套自動(dòng)粘貼雙面膠機(jī)器人系統(tǒng)具備自動(dòng)粘貼、自動(dòng)剝離離型紙、自動(dòng)切斷及多角度粘貼等功能，自動(dòng)化程度與通用性顯著增強(qiáng)，可應(yīng)用于工廠實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。通過(guò)機(jī)器人試驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)器人的自動(dòng)化粘貼雙面膠功能可靠，對(duì)其性能參數(shù)進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果為重復(fù)定位精度為±0.9mm，直線度精度為1.04mm/100mm。