倪明堂，趙健州，方浩賢，郭正元

（1.廣東華中科技大學(xué)工業(yè)技術(shù)研究院廣東省制造裝備數(shù)字化重點實驗室，廣東東莞 523808；2．廣東省智能機(jī)器人研究院，廣東東莞 523808）

0 引言

2020年初，新冠肺炎疫情突然爆發(fā)。根據(jù)相關(guān)權(quán)威研究，新型冠狀病毒肺炎主要通過飛沫、直接接觸等途徑傳播[1-3]，佩戴口罩是目前人民群眾預(yù)防該病毒的主要途徑之一。在疫情防控期間，市民外出至公共場所或出現(xiàn)發(fā)熱等癥狀均需戴口罩，既是道德義務(wù)，也是法律義務(wù)。因此，國家及各地政府均要求市民在疫情期間外出需佩戴口罩。

KN95口罩機(jī)是目前抗擊疫情緊缺的防疫物品生產(chǎn)設(shè)備，全國乃至全球需求量巨大且是剛需。現(xiàn)在行業(yè)的口罩機(jī)多種多樣，且大同小異，有一拖一口罩機(jī)、一拖二口罩機(jī)等，也有全自動折疊口罩機(jī)、全自動杯型口罩等，由于疫情爆發(fā)之前，口罩產(chǎn)能相對過剩，因此口罩機(jī)存貨不多，但設(shè)備通用性和穩(wěn)定性較差，通常是3、4個操作員配1臺生產(chǎn)設(shè)備。生產(chǎn)過程中存在的問題有：超聲波工作不穩(wěn)定；耳線帶焊接不牢固，容易掉；耳帶繞線轉(zhuǎn)盤遠(yuǎn)點位易丟失，使得轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動不到位，容易撞剪刀；啟動剪刀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高且易壞；滾切不穩(wěn)定，容易切不斷等。經(jīng)常需要設(shè)備維護(hù)人員來保證口罩機(jī)的正常生產(chǎn)與運行。

有鑒于此，本文設(shè)計一種面向模塊化設(shè)計的KN95全自動折疊口罩生產(chǎn)線，將整機(jī)設(shè)計為由送料機(jī)、本體成型機(jī)、耳帶焊接機(jī)、折疊熔切機(jī)4個模塊單元組成，各單元既可以獨立為一臺獨立設(shè)備，又能快速集成組合成自動化生產(chǎn)線全自動化生產(chǎn)，既能滿足手工、半自動、全自動等多種生產(chǎn)方式的設(shè)備功能需求，又可以實現(xiàn)對整條生產(chǎn)線的并行調(diào)試和快速維護(hù)?？勺詣油瓿刹剂戏€(wěn)定輸送、鼻梁條定長裁切，并導(dǎo)入至布料中，超聲波焊接壓花和耳帶焊接，折疊，封邊，裁切及廢料回收，最后將成型口罩輸送出料。

1 工藝流程

KN95全自動折疊口罩機(jī)按照生產(chǎn)工藝可分為：放料工序、鼻梁條切斷植入工序[4]、滾焊外輪廓工序、焊耳帶工序[5]、折疊工序、封邊、切斷工序等工序[6]。其生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 KN95全自動折疊口罩生產(chǎn)工藝流程

根據(jù)KN95折疊口罩的生產(chǎn)工藝流程，文本所設(shè)計的KN95全自動折疊口罩機(jī)，主要包含放卷料架、外輪廓滾焊及鼻梁條植入、移動焊耳、跟隨封邊、滾切收料等核心機(jī)構(gòu)，如圖2和圖3所示。

圖2 KN95全自動折疊口罩生產(chǎn)線設(shè)計圖

圖3 KN95全自動折疊口罩生產(chǎn)線機(jī)構(gòu)分解

2 關(guān)鍵技術(shù)

為穩(wěn)定生產(chǎn)符合要求的折疊口罩，本生產(chǎn)線涉及多項核心技術(shù)。主要包括布料放卷技術(shù)、鼻梁條切斷植入技術(shù)、移動焊耳技術(shù)、跟隨封邊技術(shù)和控制系統(tǒng)等。

2.1 布料放卷技術(shù)

布料放卷主要由放卷料架機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。如圖4所示，設(shè)計的KN95口罩機(jī)的放卷料架設(shè)計有6根放卷料軸，可滿足最多6層口罩的制作。每個放卷料軸設(shè)計有布料糾偏調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以避免在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)6層布料無法對齊及跑偏現(xiàn)象。

通過張力控制裝置反饋的信號控制放卷料軸的伺服電機(jī)進(jìn)行主動放卷，以維持布料在整個放卷過程中的張力穩(wěn)定。放卷料軸和張力控制裝置分別如圖5（a）和5（b）所示。其工作原理為：（1）當(dāng)布料卷開始放料，由于放料速度大于生產(chǎn)時的進(jìn)料速度，所以這時布料會開始變松，而旋轉(zhuǎn)桿左側(cè)的滾筒由于重力原因開始下墜，一直到感應(yīng)板被傳感器檢測到，這時布料卷的驅(qū)動電機(jī)停止，在這個過程中，布料一直保持緊繃的狀態(tài)；（2）當(dāng)驅(qū)動電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)后，進(jìn)料會使布料越來越緊，這時會拉動旋轉(zhuǎn)桿左側(cè)的滾筒逐漸往上，直到感應(yīng)板被上面的傳感器檢測到，布料卷開始放料；（3）重復(fù)以上過程以實現(xiàn)布料的連續(xù)放料。

圖4 放卷料架

圖5 放卷料軸和張力控制裝置

2.2 鼻梁條切斷植入技術(shù)

鼻梁在布料的植入是整條生產(chǎn)線的技術(shù)難點之一。如何保證鼻梁條的定長切斷及穩(wěn)定植入布料中正確的位置，需要對機(jī)構(gòu)進(jìn)行巧妙的設(shè)計。該主要包含鼻梁條放料裝置和鼻梁條切斷及推料裝置兩部分，如圖6所示。

圖6 鼻梁條放料機(jī)構(gòu)和鼻梁切斷及推料裝置

為實現(xiàn)鼻梁條的定長切斷，鼻梁條的送料裝置需要實現(xiàn)間歇送放料，即在切斷及推料進(jìn)布料的過程中，鼻梁條停止放料，以防發(fā)生鼻梁條堵塞的情況。在設(shè)計上，通過一對凸輪來實現(xiàn)該功能，調(diào)整兩凸輪的相對角度，使得凸輪旋轉(zhuǎn)一圈時鼻梁條剛好送出符合要求的長度。

鼻梁條放料完成后，鼻梁切刀對鼻梁進(jìn)行切斷，然后鼻梁推料裝置推動鼻梁進(jìn)入布料，實現(xiàn)鼻梁條在布料中的植入。鼻梁條的推料裝置為一曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，可通過曲柄的圓周轉(zhuǎn)動實現(xiàn)鼻梁推板的前后往復(fù)運動。鼻梁推板運動至最后位置時，需要進(jìn)行一段時間的停留，以方便鼻梁條再次送料并切斷。凸輪分割器的應(yīng)用則很好的解決了這一問題，當(dāng)鼻梁推板運動至最后位置時，凸輪分割器剛好進(jìn)入間歇位，給鼻梁送料預(yù)留時間。

鼻梁條機(jī)構(gòu)的巧妙設(shè)計不但可以使機(jī)構(gòu)運行更加穩(wěn)定，而且整個裝置只有一個動力源，極大地節(jié)省了成本。

2.3 移動焊耳技術(shù)

由于布料一直連續(xù)向前移動，在對口罩進(jìn)行焊接耳帶時，需要焊接機(jī)構(gòu)跟隨布料以同樣的速度一起向前運動。本設(shè)計采用高精度伺服驅(qū)動控制技術(shù)，獲取布料的運動速度，然后控制伺服電機(jī)以同樣的速度跟隨布料向前運動完成耳帶焊接，焊接完成后，焊接機(jī)構(gòu)快速返回進(jìn)行下一次焊接。圖7所示為移動焊耳機(jī)構(gòu)模型圖。

圖8 耳帶焊接機(jī)構(gòu)

圖7 移動焊耳機(jī)構(gòu)

耳帶焊接機(jī)構(gòu)主要由耳帶送料機(jī)構(gòu)、耳帶拉取熔接機(jī)構(gòu)和耳帶剪切機(jī)構(gòu)組成，如圖8所示。其工作原理為：耳帶從送料機(jī)構(gòu)出來后，耳帶拉取機(jī)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)拉料，緊接著由耳帶剪刀機(jī)構(gòu)將耳帶剪斷，最后焊接機(jī)構(gòu)在氣缸的帶動下下壓與超聲波焊頭配合將耳帶熔接在口罩本體上。

2.4 跟隨封邊技術(shù)

傳統(tǒng)封邊焊接過程需要停留，為解決布料一直持續(xù)向前運動的矛盾，同移動焊耳一樣，采用了伺服驅(qū)動控制技術(shù)，使封邊焊接系統(tǒng)與布料同速向前運動。如圖9所示，跟隨封邊機(jī)構(gòu)主要包括伺服電機(jī)、超聲波焊接系統(tǒng)、封邊齒模等。其工作原理為：封邊齒模在氣缸的動作下將布料壓在超聲波焊頭上，在焊頭的高頻振動下，產(chǎn)生大量的熱，將對折后的布料熔接在一起。焊接完成后，封邊機(jī)構(gòu)在伺服電機(jī)的控制下快速返回，進(jìn)行下一次的焊接。

2.5 自動控制技術(shù)

采用高性能PLC作為主控制單元，對折疊口罩機(jī)進(jìn)行全自動化控制，控制各工序按生產(chǎn)節(jié)拍可靠運行，折疊口罩機(jī)控制系統(tǒng)按照高效、穩(wěn)定、可兼容多規(guī)格折疊口罩生產(chǎn)要求。如圖10所示，HMI與PLC通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，PLC將設(shè)備運行狀態(tài)實時傳送到HMI進(jìn)行顯示，HMI接受操作指令發(fā)送給PLC完成對相關(guān)機(jī)構(gòu)動作的控制，同時對異常狀態(tài)進(jìn)行警告，并記錄維護(hù)維修日志，為生產(chǎn)線調(diào)試安裝提供便捷的操作功能，保障生產(chǎn)線安全穩(wěn)定可靠性運行；PLC通過脈沖接口控制左右旋轉(zhuǎn)焊耳帶電機(jī)完成耳帶焊接動作；PLC通過SSCNETIII/H協(xié)議與主傳動電機(jī)驅(qū)動、耳帶焊接移動軸電機(jī)驅(qū)動、封邊移動軸電機(jī)驅(qū)動進(jìn)行通信，控制相關(guān)機(jī)構(gòu)完成布料輸送、耳帶焊接、封邊動作的同步；PLC通過IO控制實現(xiàn)對卷料送料6個電機(jī)的調(diào)速控制、線體氣動元器件動作的控制，按照節(jié)拍實現(xiàn)各個工序動作控制的銜接?？刂葡到y(tǒng)的主界面如圖11所示。

圖9 跟隨封邊裝置

圖10 KN95口罩生產(chǎn)線控制系統(tǒng)

3 試驗結(jié)果及改進(jìn)

圖11 控制系統(tǒng)主界面

隨著疫情發(fā)展，口罩機(jī)供需矛盾越顯突出，由于新冠病毒疫情在全世界范圍內(nèi)爆發(fā)，導(dǎo)致國外對KN95口罩的需求量激增?；诒驹O(shè)計的生產(chǎn)線實現(xiàn)了50多臺套的銷售，其生產(chǎn)線的實物如圖12所示。

圖12 KN95全自動折疊口罩生產(chǎn)線

通過對所銷售的KN95全自動折疊口罩生產(chǎn)線的工藝質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，其鼻梁條切斷植入環(huán)節(jié)是較為薄弱的環(huán)節(jié)，需要現(xiàn)場針對用戶的實際情況進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后，該環(huán)節(jié)一次性合格率可以達(dá)到99.5%以上，能滿足用戶的需要；整個生產(chǎn)線穩(wěn)定后，良品率可達(dá)到98%以上。

針對自動化生產(chǎn)經(jīng)驗不豐富的客戶，本設(shè)計的生產(chǎn)線各單元可以獨立為一臺單個設(shè)備，采用半自動生產(chǎn)模式。這時候，通過增加人力的方式，將各個獨立的設(shè)備進(jìn)行柔性連接，各個獨立設(shè)備之間設(shè)置有一定量的口罩緩沖量，從而使得當(dāng)某個設(shè)備發(fā)生故障需要檢修的時候，其他設(shè)備依然可以正常工作，從而提升特殊時期的KN95口罩生產(chǎn)量。

另外，整個生產(chǎn)線還需要不斷提升其自動化與智能化水平，特別是智能化水平。比如，增加自動學(xué)習(xí)口罩生成過程中的故障排除方法，為用戶維修提供智能化參考，以促進(jìn)口罩產(chǎn)業(yè)鏈整體質(zhì)量，同時也將不斷優(yōu)化提升口罩機(jī)械的產(chǎn)品質(zhì)量，從而有效提升口罩的產(chǎn)品質(zhì)量。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計一種面向模塊化設(shè)計的KN95全自動折疊口罩生產(chǎn)線，將整機(jī)設(shè)計為送料機(jī)、本體成型機(jī)、耳帶焊接機(jī)、折疊熔切機(jī)4個模塊單元組成，通過驗證及實際使用，得出的主要結(jié)論如下。

（1）采用單元模塊化設(shè)計技術(shù)，可實現(xiàn)整線單元設(shè)備的快速拆分和組合集成，各單元既可以獨立為一臺獨立設(shè)備，又能快速集成組合成自動化生產(chǎn)線全自動化生產(chǎn)，既能滿足手工、半自動、全自動等多種生產(chǎn)方式的設(shè)備功能需求，又可以實現(xiàn)對整條生產(chǎn)線的并行調(diào)試和快速維護(hù)。

（2）設(shè)計開發(fā)的布料放卷機(jī)構(gòu)具備布料糾偏調(diào)節(jié)和張力調(diào)節(jié)功能，避免在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)布料對齊度差及跑偏問題。張力控制裝置設(shè)計有檢測擺桿擺動角度的接近開關(guān)傳感器，通過感知傳感器信號可控制放卷電機(jī)進(jìn)行放料，以維持布料張力的穩(wěn)定。當(dāng)缺料時亦可通過該傳感器的檢測信號進(jìn)行報警提示。

（3）設(shè)計開發(fā)了凸輪機(jī)構(gòu)控制鼻梁條的定長進(jìn)給與切斷。同時為保證鼻梁條穩(wěn)定快速插入布料，設(shè)計了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實現(xiàn)鼻梁條的插入與快速返回。曲柄滑塊與凸輪分割器的巧妙結(jié)合使用實現(xiàn)了鼻梁推板的間歇推料，與鼻梁送料交錯配合，完美穩(wěn)定地實現(xiàn)了鼻梁條的送料、切斷與推料插入。

（4）為節(jié)省耳帶焊接時間，設(shè)計開發(fā)了伺服驅(qū)動的絲桿直線運動平臺，在布料運動的同時，左、右兩套焊接系統(tǒng)追隨布料同步進(jìn)行耳帶旋轉(zhuǎn)拉線、剪斷、下壓焊接等操作，實現(xiàn)布料不停留焊接，極大地提高整個生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。