全自動(dòng)折疊型口罩機(jī)關(guān)鍵部件的分析與設(shè)計(jì)

（陜西沛愉包裝科技研究院，西安 710077）

0 引言

近期，新型冠狀病毒在全球快速傳播，導(dǎo)致口罩、呼吸機(jī)等相關(guān)醫(yī)用產(chǎn)品和醫(yī)療設(shè)備短缺，口罩供不應(yīng)求，市場(chǎng)急需增加口罩生產(chǎn)設(shè)備。為解決此問(wèn)題，國(guó)內(nèi)部分大型制造企業(yè)及部分民營(yíng)自動(dòng)化設(shè)備企業(yè)均開(kāi)始研發(fā)設(shè)計(jì)口罩機(jī)，短時(shí)間各式各樣的半自動(dòng)口罩機(jī)和全自動(dòng)口罩機(jī)數(shù)量劇增，縱觀設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀況，無(wú)論是全自動(dòng)平面型口罩設(shè)備還是全自動(dòng)折疊型如圖1所示。

圖1 折疊型口罩圖樣Fig.1 Folding type mask pattern

口罩機(jī)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行均有待提高，尤其是一些關(guān)鍵部件的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。本文主要針對(duì)全自動(dòng)折疊型口罩機(jī)的鼻夾自動(dòng)裁切與放置部件進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。

1 全自動(dòng)折疊型口罩機(jī)的工藝

本文所設(shè)計(jì)的全自動(dòng)折疊型口罩機(jī)是指口罩由五層布組成且內(nèi)置鼻夾型設(shè)備，主要組成部分如圖2所示，口罩生產(chǎn)順序，從左到由，原材料由氣漲軸組件定位固定在料架上，每層布料經(jīng)過(guò)若干個(gè)導(dǎo)向輥導(dǎo)向后進(jìn)入糾偏系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)布料自動(dòng)糾偏功能，解決目前市場(chǎng)上自動(dòng)口罩機(jī)因布料走偏自動(dòng)化程度低的的問(wèn)題，同時(shí)提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性并增強(qiáng)口罩成型后的美觀性。布料走向如圖2所示，下層四層布料合并后進(jìn)入鼻夾放置區(qū)，已裁好的鼻夾自動(dòng)放置于四層合并后的布料上，頂層布料將鼻夾包裹并進(jìn)入超聲印花區(qū)域［1］，經(jīng)超聲印花后口罩完成平面成型且鼻夾內(nèi)置固定。平面成型后的口罩運(yùn)行至左、右口罩帶超聲焊接工位，因五層布料是連續(xù)不間斷運(yùn)行，口罩帶超聲焊接部件須設(shè)計(jì)往復(fù)跟蹤裝置，與布料運(yùn)行的線速度相匹配，完成左、右口罩帶超聲焊接后進(jìn)入折疊成型；布料運(yùn)行過(guò)程中由折疊成型模具實(shí)現(xiàn)自動(dòng)折疊成型，再運(yùn)行至成型超聲焊接工位完成折疊型折縫焊接。切刀和成型超聲焊接之間設(shè)計(jì)有相位調(diào)節(jié)裝置，通過(guò)其裝置微調(diào)布料前后相位［2］，保證切刀軌跡和折縫超聲熔合軌跡的一致性，通過(guò)旋轉(zhuǎn)切刀將口罩從布料上按照預(yù)設(shè)形狀切除，完成折疊型口罩生產(chǎn)過(guò)程［3］。

圖2 折疊型口罩機(jī)整機(jī)圖Fig.2 Assembly drawing of folding type mask machine

2 內(nèi)置鼻夾自動(dòng)裁切與放置的分析與設(shè)計(jì)

2.1 鼻夾自動(dòng)裁切與放置部件關(guān)鍵點(diǎn)分析

折疊型口罩使用的鼻夾均為雙芯鼻夾［4］，原材料以纏繞盤狀形式放置于料架上，進(jìn)入自動(dòng)裁切前須校直消除應(yīng)力，否則裁切后的鼻夾成彎曲狀態(tài)，難以被順暢送入鼻夾放置區(qū)，設(shè)備無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)鼻夾在口罩上的定位不準(zhǔn)，因此裁切之前設(shè)計(jì)有多組鼻夾校直輪，鼻夾經(jīng)過(guò)多組校直輪后，彎曲應(yīng)力基本消除，鼻夾也被牽引拉直。其次，因整機(jī)采用機(jī)械內(nèi)傳動(dòng)，同時(shí)鼻夾裁切長(zhǎng)度要實(shí)現(xiàn)可調(diào)，故鼻夾牽引傳動(dòng)采用兩塊扇形輪疊加方式，通過(guò)調(diào)整兩個(gè)扇形輪的夾角實(shí)現(xiàn)鼻夾裁切長(zhǎng)短。除此之外，帶緩沖的裁切裝置也是至關(guān)重要，目前市場(chǎng)上口罩機(jī)裁切裝置是通過(guò)斜口刀片與下刀模硬撞擊剪斷，通過(guò)推板將鼻夾送至鼻夾放置區(qū)，裁切偶爾會(huì)有裁切不完全斷開(kāi)情況出現(xiàn)，導(dǎo)致設(shè)備故障停機(jī)；其次撞擊噪音大，刀具使用壽命短。新設(shè)計(jì)的帶緩沖裁切裝置實(shí)現(xiàn)了裁切穩(wěn)定，且刀具使用壽命長(zhǎng)，裁切噪音低。

2.2 鼻夾裁切與放置傳動(dòng)分析與設(shè)計(jì)

如圖3所示，鼻夾的牽引、裁切和放置通過(guò)兩分度凸輪分割器將外部傳入的動(dòng)力分離為連續(xù)運(yùn)動(dòng)和間歇傳動(dòng)，牽引和裁切的動(dòng)力主動(dòng)軸和凸輪分割器入力軸同軸，即為連續(xù)運(yùn)動(dòng)；鼻夾推送放置由凸輪分割器出力軸傳動(dòng)，即為間歇運(yùn)動(dòng)。通過(guò)兩塊扇形輪調(diào)整夾角實(shí)現(xiàn)鼻夾按預(yù)設(shè)長(zhǎng)度牽引傳送，凸輪分割器出力軸的間歇運(yùn)動(dòng)由同步帶傳至曲柄滑塊機(jī)構(gòu)完成鼻夾推送與放置。如圖3、圖4所示，經(jīng)過(guò)校直輪的鼻夾在通過(guò)牽引主動(dòng)輪和牽引被動(dòng)輪共同作用被送至裁切位置，牽引主動(dòng)輪和牽引被動(dòng)輪直徑相等。假設(shè)主動(dòng)牽引輪和鼻夾無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，扇形輪與牽引主動(dòng)輪無(wú)打滑，兩個(gè)扇形輪相位重合后有效夾角（與牽引主動(dòng)輪相接觸弧長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的圓心角）為θ，半徑為R，裁切后的鼻夾最短長(zhǎng)度尺寸D。即裁切后鼻夾最短要求的長(zhǎng)度等于扇形輪與牽引主動(dòng)輪相接觸的弧長(zhǎng)，故D=R θ。圖4所示狀態(tài)為兩個(gè)扇形輪相位重合，如需加長(zhǎng)裁切后的鼻夾長(zhǎng)度，只需要調(diào)整兩個(gè)扇形輪的相位，相當(dāng)于角增加。上述得知，鼻夾推送放置為間歇運(yùn)動(dòng)，由于采用的的是兩分度凸輪分割器，為滿足鼻梁條的放置周期與裁切周期相對(duì)應(yīng)，故主動(dòng)同步帶輪齒數(shù)是被動(dòng)同步帶輪齒數(shù)的2倍，同時(shí)須保證圖示尺寸2A＞C，A為曲柄旋轉(zhuǎn)半徑尺寸，C為裁切后的鼻夾需要推送至放置區(qū)之間的距離。

圖3 鼻夾裁切與放置部件圖Fig.3 Nose clip trim and components arrangement drawing

圖4 B-B剖視圖Fig.4 B-B section view

2.3 帶緩沖的裁切裝置的分析與設(shè)計(jì)

帶緩沖的鼻夾裁切裝置運(yùn)行周期與其放置周期相對(duì)應(yīng)。主要有擺臂、緩沖頭、刀、刀模、壓縮彈簧、緩沖過(guò)渡塊、彈性不銹鋼棒等組成，緩沖頭和刀固定為一體，緩沖過(guò)渡塊底部安裝有復(fù)位壓縮彈簧，彈性不銹鋼棒一段固定在緩沖頭上。每運(yùn)行一個(gè)口罩周期內(nèi)擺臂旋轉(zhuǎn)一周，撞機(jī)緩沖頭時(shí)帶動(dòng)刀快速向下運(yùn)動(dòng)，由于刀模固定，當(dāng)?shù)犊诤偷赌Ｖ饾u接近并交錯(cuò)時(shí)，鼻夾瞬間被裁切，同時(shí)緩沖過(guò)渡塊也被下壓；當(dāng)擺臂離開(kāi)緩沖頭時(shí)，由于壓縮彈簧的作用，緩沖過(guò)渡塊上移至刀模水平位置，便于后續(xù)鼻夾送入，同時(shí)彈性不銹鋼棒的作用瞬間將刀復(fù)位至初始狀態(tài)，完成一次鼻梁條自動(dòng)裁切［5］。

3 結(jié)語(yǔ)

新型設(shè)計(jì)帶緩沖的鼻夾裁切裝置裁切穩(wěn)定，避免了裁切不完全斷開(kāi)的現(xiàn)象，刀具使用壽命長(zhǎng)，大大提高了全自動(dòng)折疊型口罩機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)也便于鼻夾長(zhǎng)度調(diào)整，全自動(dòng)化程度高，口罩美觀性強(qiáng)，獲得用戶一致的好評(píng)。