一種新型平面口罩全自動化生產(chǎn)線的設(shè)計與實現(xiàn)

許 冠

（佛山市南海中南機(jī)械有限公司， 廣東佛山 528247）

0 引言

口罩是重要的衛(wèi)生防護(hù)物資，佩戴口罩對防止病毒傳染具有重要作用。自2020年初新冠疫情爆發(fā)以來，國內(nèi)外對口罩的需求急劇增加，整個口罩行業(yè)得到飛速發(fā)展。根據(jù)國內(nèi)防疫要求，出入公共場合要求佩戴口罩，對比KN95類口罩，平面口罩依據(jù)自身的特點成為出行首選的必備防護(hù)用具[1-3]。

在現(xiàn)有平面口罩的自動化生產(chǎn)過程中，鼻梁線的上料和焊接方式是影響產(chǎn)品合格率的主要影響因素之一?，F(xiàn)有技術(shù)中，鼻梁線從料卷中出發(fā)，經(jīng)輸送裝置帶動至口罩布料的鼻梁線焊接位置處，隨后輸送裝置上的切刀將鼻梁線切斷；接著在口罩布料的拉動下，切斷后的鼻梁線隨口罩布料同時向前移動，在焊接工位完成鼻梁線與口罩布料的焊接固定。技術(shù)痛點在于：由于鼻梁線被切斷后失去輸送動力，只能隨口罩布料的移動實現(xiàn)同步移動，易導(dǎo)致鼻梁線與口罩布料之間發(fā)生相對移動，從而降低了最終口罩的成品率；同時，由于設(shè)備的動力傳動機(jī)構(gòu)存在一定的傳動誤差，在持續(xù)生產(chǎn)一段時間后，鼻梁線的輸送進(jìn)度會落后于口罩布料的輸送進(jìn)度，也會影響鼻梁線落在口罩布料上的位置精度。為解決上述問題，傳統(tǒng)做法是通過人工將動力源以及相關(guān)的傳動機(jī)構(gòu)拆卸下來，再對鼻梁線的輸送機(jī)構(gòu)以及對應(yīng)的傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以實現(xiàn)輸送進(jìn)度的一致，但是這樣的調(diào)整方式，操作麻煩，效率低，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度，同時，經(jīng)常拆裝相關(guān)零部件，會對生產(chǎn)設(shè)備的使用壽命造成一定的影響。

本文為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，進(jìn)行口罩機(jī)主體結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計，提供一種新型平面口罩生產(chǎn)線設(shè)備，實現(xiàn)全自動化生產(chǎn)的同時，提高口罩加工的合格率和設(shè)備運行的持續(xù)穩(wěn)定性。

1 工藝流程

平面口罩全自動生產(chǎn)線設(shè)備按照生產(chǎn)工藝可分為布卷上料、褶皺成型、鼻梁線切斷植入、滾焊輪廓固定、切片、焊耳帶等工序，其生產(chǎn)工藝流程[3-5]如圖1所示。

圖1 平面口罩自動化生產(chǎn)線工藝流程

本文設(shè)計的平面口罩全自動化生產(chǎn)線設(shè)備主要由布卷上料模塊、褶皺成型模塊、鼻線上料模塊、焊接模塊、切片模塊和耳帶超聲波焊接模塊等核心機(jī)構(gòu)組成，如圖2～3所示。

圖2 平面口罩自動化生產(chǎn)線三維設(shè)計

2 關(guān)鍵技術(shù)

為提高口罩生產(chǎn)合格率和設(shè)備持續(xù)運行穩(wěn)定性，本文設(shè)計的全自動化生產(chǎn)線涉及多項核心技術(shù)，主要包括布料的放料控制技術(shù)、褶皺成型技術(shù)、鼻梁線上料技術(shù)和耳帶焊接技術(shù)等。

圖3 平面口罩自動化生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)分解

2.1 布料的放料控制技術(shù)

布料放料裝置和放料控制機(jī)構(gòu)如圖4 所示。布料上料通過牽引機(jī)構(gòu)進(jìn)行輸送，如圖4（a）所示。設(shè)計的平面口罩放料架設(shè)計4根放料軸。在動力源的驅(qū)動下，帶動布料卷轉(zhuǎn)動，讓口罩布料逐漸釋放出來，卷料繞著輥軸轉(zhuǎn)動。但是在輸送的過程中，由于卷料的慣性作用下，卷料隨著慣性提高自身轉(zhuǎn)動速度，從而加快了卷料的放料速度，導(dǎo)致輸送速度不可控，影響后續(xù)工序加工精度。為了解決上述問題，現(xiàn)有技術(shù)雖然在輥軸上設(shè)置阻尼機(jī)構(gòu)，但是，在停止卷料輸送時，在自身慣性作用下，阻尼機(jī)構(gòu)雖然減小了卷料的轉(zhuǎn)動速度，但是卷料還是會轉(zhuǎn)動，造成自動放料，使得布料褶皺，影響生產(chǎn)質(zhì)量。因此本文設(shè)計一種口罩卷料的放料控制機(jī)構(gòu)，如圖4（b）所示。該放料控制機(jī)構(gòu)可以防止卷料在放料輸送時，不會因自身慣性，導(dǎo)致輸送速度不可控；可以有效抵消卷料的慣性作用，從而提高后續(xù)工序的加工精度。

圖4 布料放料裝置和放料控制機(jī)構(gòu)

放料控制機(jī)構(gòu)工作原理是：工作時，在錘體的自身重力作用下，壓片發(fā)生形變且抵緊在卷料的表面，當(dāng)牽引機(jī)構(gòu)向前輸送布料時，卷料在自身慣性作用下會加快放料速度，由于壓片抵緊在卷料表面，卷料需要克服壓片的摩擦力轉(zhuǎn)動，該摩擦力可以抵消卷料因慣性產(chǎn)生的力，使得卷料可以平穩(wěn)地輸送；當(dāng)牽引機(jī)構(gòu)停止卷料輸送時，該摩擦力同樣抵消卷料因慣性產(chǎn)生的力，使得卷料停止運動，防止多余的布料向前輸送，使得布料發(fā)生褶皺，影響生產(chǎn)質(zhì)量。由于在輸送布料的過程中，壓片一直抵緊在卷料表面，該壓片可以將布料表面刮得更加平整順滑，從而可以有效提高口罩的生產(chǎn)質(zhì)量。其中壓片設(shè)計為弧形，其好處在于，這樣可以增加壓片與卷料的接觸面積，從而提高壓片與卷料之間的摩擦力，提高了阻尼效果，更加有效地抑制卷料因慣性產(chǎn)生的力。

2.2 褶皺成型技術(shù)

在現(xiàn)有平面口罩機(jī)罩面褶皺成型的過程中，在褶皺的加工之前，需要通過人工將前端的布料預(yù)先穿過褶皺組件，形成一個褶皺的開端，基于褶皺的開端，往后才能進(jìn)行連續(xù)的自動褶皺工作，自動化程度有待提高。本文針對平面口罩機(jī)設(shè)計的褶皺成型機(jī)構(gòu)，能夠使得布料自動開展褶皺工作，無需人工參與，自動化程度較高。其結(jié)構(gòu)上由安裝架和若干組設(shè)置在安裝架上的褶皺組件組成，如圖5所示。其中，褶皺組件分為第1褶皺件和第2褶皺件，沿著布料輸送方向，兩褶皺件的首端之間構(gòu)成用于避讓布料往下輸送的開口進(jìn)料端，兩褶皺件的末端之間構(gòu)成用于將布料擠壓成型的成型端，開口進(jìn)料端和成型端之間為用于在布料往前輸送的過程中將其進(jìn)行引導(dǎo)翻折的翻折端；安裝時，兩褶皺件的末端部位相對設(shè)置。根據(jù)實際需要，通過調(diào)節(jié)橫向和豎向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可分別實現(xiàn)褶皺件的水平和豎直位置的調(diào)節(jié)。

圖5 褶皺成型機(jī)構(gòu)

褶皺成型機(jī)構(gòu)的工作原理是：工作時，在輸送機(jī)構(gòu)的作用下，布料從開口進(jìn)料端進(jìn)入第1 褶皺件和第2 褶皺件之間，在往下輸送的過程中，第1褶皺件和第2褶皺件分別錯位且相對地對布料進(jìn)行導(dǎo)向，逐漸完成布料的翻折工作；接著布料以折疊的姿態(tài)通過成型端，從而完成褶皺工作，整個過程無需人工參與，自動化程度較高。

2.3 鼻梁線上料技術(shù)

鼻梁線的上料是整條口罩生產(chǎn)線的技術(shù)難點之一。如何保證鼻梁線切斷后移動到口罩布料焊接位置處，并不與布料發(fā)生相對移動，需要這一部分機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計了一種鼻梁線輸送裝置，其主要包括多個輸送組輪，驅(qū)動多個輸送組輪轉(zhuǎn)動的送線驅(qū)動機(jī)構(gòu)、主動送料機(jī)構(gòu)、切線組輪以及驅(qū)動切線組輪轉(zhuǎn)動的切線驅(qū)動機(jī)構(gòu)，如圖6所示。其工作原理為：送線驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動多個輸送組輪的送線輪轉(zhuǎn)動，帶動位于送線輪和支承輪之間的連續(xù)的鼻梁線向前移動；連續(xù)的鼻梁線經(jīng)過切線組輪，在裁切輪上的切線刀的作用下，將連續(xù)的鼻梁線切斷，形成單獨的鼻梁線；此時，在裁切輪的轉(zhuǎn)動過程中，對單獨的鼻梁線的后部繼續(xù)進(jìn)行輸送，使得單獨的鼻梁線繼續(xù)向前一小段距離，從而使得單獨的鼻梁線的前部移動至支承臺的口罩布料上，實現(xiàn)與口罩布料的對接；為避免單獨的鼻梁線在移動過程中掉落，在切線組輪與主動送料機(jī)構(gòu)之間設(shè)有前后兩側(cè)均呈圓弧形的中間導(dǎo)向件；隨后，在主動送料機(jī)構(gòu)的帶動下，送料輪轉(zhuǎn)動，從而帶動與口罩布料接合后的單獨的鼻梁線與口罩布料實現(xiàn)同步向前移動，確保被切斷后單獨的鼻梁線能夠順利繼續(xù)往前移動，避免鼻梁線缺乏動力而與口罩布料發(fā)生偏移。

圖6 鼻梁線輸送裝置結(jié)構(gòu)圖和中間導(dǎo)向件爆炸圖

在對單獨鼻梁線同步輸送過程中，為取得最佳的壓緊力完成多鼻梁線的輸送，可根據(jù)實際生產(chǎn)情況需要，通過高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變連接軸以及與連接軸連接的送料輪的高度和壓緊力來實現(xiàn)。

為保證鼻梁線與口罩的輸送同步性，傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計方面使多個輸送組輪均通過轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動連接在機(jī)架上，每個傳動軸上均設(shè)有傳動齒輪，且每個傳動齒輪之間均通過中間齒輪匹配連接。對裁切輪也通過轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動連接在機(jī)架上，同樣設(shè)有傳動齒輪和中間齒輪。這樣就實現(xiàn)一個動力源驅(qū)動所有輸送組輪的送線輪同步轉(zhuǎn)動。

為保證鼻梁線的穩(wěn)定輸送，設(shè)有矯正機(jī)構(gòu)，其中上壓輪與下頂輪形成的矯正通道，完成對連續(xù)鼻梁線的輸送狀態(tài)矯正，在上壓輪前后兩端設(shè)有的保護(hù)輪直徑大于上壓輪，對鼻梁線進(jìn)行一個限位，確保鼻梁線在兩個防護(hù)環(huán)之間移動，避免偏移脫落。

2.4 耳帶焊接技術(shù)

褶皺成型且鼻梁線固定植入后，首先進(jìn)入焊接模塊，通過焊接輥、焊接臺以及超聲波設(shè)備完成連續(xù)口罩本體邊緣焊接，隨后封邊后的口罩經(jīng)切片模塊完成本體的切割；最后經(jīng)夾緊傳送帶輸出到耳帶焊接裝置上。設(shè)計的耳帶焊接裝置主要包括伺服電機(jī)、超聲波焊接系統(tǒng)、耳帶上料機(jī)構(gòu)、單獨口罩本體輸送帶等，如圖7所示。其工作原理為：通過伺服電機(jī)控制系統(tǒng)實現(xiàn)本體口罩的單步定位輸送，在耳帶外邊焊接工位停止；耳帶上料機(jī)構(gòu)上線，水平移動機(jī)械轉(zhuǎn)手夾緊一端，氣缸推動下向快速前方移動；耳帶兩端夾取氣缸先旋轉(zhuǎn)180°，然后機(jī)械手抓夾緊兩端，剪線機(jī)構(gòu)剪斷連續(xù)耳帶一端，耳帶夾取氣缸旋轉(zhuǎn)復(fù)位，將單獨耳帶的兩端放置在超聲波焊接平臺，焊接桿和壓板下行，壓板壓住口罩本體防止移動，焊接桿將耳帶端頭壓實在口罩焊接位置，并完成超聲波焊接固定耳帶工作。壓板和焊接桿復(fù)位，焊接耳帶后的口罩向前移動，移動到耳帶內(nèi)翻機(jī)構(gòu)中，加溫加固口罩焊接帶一側(cè)；焊接固定完成后，口罩輸送到輸出傳送帶上并完成計數(shù)。

圖7 耳帶焊接模塊結(jié)構(gòu)

3 設(shè)備的制造和調(diào)試

為驗證平面口罩全自動化生產(chǎn)線加工的可行性，設(shè)計并制作出一套完善的自動控制系統(tǒng)。結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)要求和設(shè)備各機(jī)構(gòu)對動作實現(xiàn)的技術(shù)要求，采用PLC 作為主控制器，對整個口罩生產(chǎn)線進(jìn)行自動化控制。采用HMI 對生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集、運行狀態(tài)監(jiān)控和發(fā)送操作指令給PLC 等；變頻器實現(xiàn)交流電機(jī)的變頻調(diào)速，驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)的動作執(zhí)行；通過伺服電機(jī)驅(qū)動耳帶焊接輸送電機(jī)的旋轉(zhuǎn)；程序功能上設(shè)計內(nèi)容包括啟動、停止、故障報警、各機(jī)構(gòu)單元手自動控制等[6-10]。

完成調(diào)試后，一次性合格率可以達(dá)到99%以上，能滿足用戶的需要；由于輸送輪傳動機(jī)構(gòu)多采用機(jī)械傳動，整個生產(chǎn)線的持續(xù)運行穩(wěn)定性得到大大提高，圖8所示為設(shè)備現(xiàn)場生產(chǎn)場景。

圖8 平面口罩生產(chǎn)線現(xiàn)場生產(chǎn)場景

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的平面口罩全自動化生產(chǎn)線，整機(jī)分為布卷上料模塊、褶皺成型模塊、鼻梁線上料模塊、焊接模塊、切片模塊和耳帶超聲波焊接模塊等6個部分。立足解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高產(chǎn)品的成品率和持續(xù)運行穩(wěn)定性，展開關(guān)鍵技術(shù)結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新設(shè)計。生產(chǎn)實踐證明，研發(fā)的生產(chǎn)線設(shè)備在滿足客戶實際需求的同時，具有以下特點：

（1）主動送料機(jī)構(gòu)的設(shè)置，為切斷后的鼻梁線提供足夠的動力向前移動，避免與口罩布料發(fā)生相對移動，提高鼻梁線在口罩布料上的位置精度，從而提高口罩的生產(chǎn)成品率；

（2）將主動送料機(jī)構(gòu)設(shè)置在承接臺處，以及在主動送料機(jī)構(gòu)與裁切輪之間設(shè)置中間導(dǎo)向件，有利于鼻梁線與口罩布料的準(zhǔn)確接合，有利于裁切后的單獨鼻梁線順利過渡至支承臺上的口罩布料上，避免輸送過程中掉落；

（3）布料輸送和鼻梁線輸送同用一動力源，均通過傳動齒輪和中間齒輪進(jìn)行動力的輸出，保證了布料和鼻梁線的同步性移動；

（4）由于設(shè)備所有動作均通過PLC 控制程序來控制實現(xiàn)，整個口罩加工生產(chǎn)線只需安排1 名工人即可，同時通過HMI 監(jiān)視現(xiàn)場設(shè)備的工作狀態(tài)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集和進(jìn)行指令性操作等；

（5）生產(chǎn)線各組成機(jī)構(gòu)設(shè)計簡單合理，設(shè)備組裝和維護(hù)簡單，可大大節(jié)約維護(hù)檢修成本。