基于模塊化設(shè)計的KN95全自動折疊口罩生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)研究*

倪明堂，趙健州，方浩賢，郭正元

（1.廣東華中科技大學工業(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?，F(xiàn)在行業(yè)的口罩機多種多樣，且大同小異，有一拖一口罩機、一拖二口罩機等，也有全自動折疊口罩機、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)備維護人員來保證口罩機的正常生產(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，將整機設(shè)計為由送料機、本體成型機、耳帶焊接機、折疊熔切機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。可自動完成布料穩(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，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構(gòu)實現(xiàn)。如圖4所示，設(shè)計的KN95口罩機的放卷料架設(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)機構(gòu)和張力調(diào)節(jié)機構(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進行主動放卷，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）當布料卷開始放料，由于放料速度大于生產(chǎn)時的進料速度，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)動電機停止，在這個過程中，布料一直保持緊繃的狀態(tài)；（2）當驅(qū)動電機停止旋轉(zhuǎn)后，進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，需要對機構(gòu)進行巧妙的設(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，鼻梁切刀對鼻梁進行切斷，然后鼻梁推料裝置推動鼻梁進入布料，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，當鼻梁推板運動至最后位置時，凸輪分割器剛好進入間歇位，給鼻梁送料預(yù)留時間。

鼻梁條機構(gòu)的巧妙設(shè)計不但可以使機構(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，在對口罩進行焊接耳帶時，需要焊接機構(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，焊接機構(gòu)快速返回進行下一次焊接。圖7所示為移動焊耳機構(gòu)模型圖。

圖8 耳帶焊接機構(gòu)

圖7 移動焊耳機構(gòu)

耳帶焊接機構(gòu)主要由耳帶送料機構(gòu)、耳帶拉取熔接機構(gòu)和耳帶剪切機構(gòu)組成，如圖8所示。其工作原理為：耳帶從送料機構(gòu)出來后，耳帶拉取機構(gòu)進行旋轉(zhuǎn)拉料，緊接著由耳帶剪刀機構(gòu)將耳帶剪斷，最后焊接機構(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，跟隨封邊機構(gòu)主要包括伺服電機、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，封邊機構(gòu)在伺服電機的控制下快速返回，進行下一次的焊接。

2.5 自動控制技術(shù)

采用高性能PLC作為主控制單元，對折疊口罩機進行全自動化控制，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)進行通信，PLC將設(shè)備運行狀態(tài)實時傳送到HMI進行顯示，HMI接受操作指令發(fā)送給PLC完成對相關(guān)機構(gòu)動作的控制，同時對異常狀態(tài)進行警告，并記錄維護維修日志，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)焊耳帶電機完成耳帶焊接動作；PLC通過SSCNETIII/H協(xié)議與主傳動電機驅(qū)動、耳帶焊接移動軸電機驅(qū)動、封邊移動軸電機驅(qū)動進行通信，控制相關(guān)機構(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。控制系統(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

圖11 控制系統(tǒng)主界面

隨著疫情發(fā)展，口罩機供需矛盾越顯突出，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行調(diào)整。調(diào)整后，該環(huán)節(jié)一次性合格率可以達到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，增加自動學習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，將整機設(shè)計為送料機、本體成型機、耳帶焊接機、折疊熔切機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。

（2）設(shè)計開發(fā)的布料放卷機構(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進行放料，以維持布料張力的穩(wěn)定。當缺料時亦可通過該傳感器的檢測信號進行報警提示。

（3）設(shè)計開發(fā)了凸輪機構(gòu)控制鼻梁條的定長進給與切斷。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。