防護(hù)服貼條機(jī)的結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭 力，陳偉升，黃 平

（1.中國(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司，廣州 510300；2.東莞市邁邦智能制衣設(shè)備有限公司，廣東東莞 523000）

0 引言

據(jù)中國(guó)縫制機(jī)械協(xié)會(huì)不完全統(tǒng)計(jì)，疫情之前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)防護(hù)服貼條機(jī)企業(yè)共有十余家，數(shù)量非常之少[1]。疫情發(fā)生之后，抗疫一線醫(yī)療防護(hù)服不斷告急，處于產(chǎn)業(yè)鏈上游的生產(chǎn)設(shè)備缺口非常之大，產(chǎn)能嚴(yán)重不足。醫(yī)用防護(hù)服是重要醫(yī)療物資，是保護(hù)醫(yī)護(hù)人員生命安全的關(guān)鍵屏障。而其中防護(hù)服貼條機(jī)又是醫(yī)用防護(hù)服增產(chǎn)擴(kuò)能的關(guān)鍵配套產(chǎn)品[2]。防護(hù)服貼條機(jī)通過(guò)熱風(fēng)對(duì)熱封膠帶進(jìn)行加溫（加熱），利用壓輪連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行加壓，將熱封膠帶粘合在防護(hù)服（或其他產(chǎn)品）的縫口上，以達(dá)密封的目的與效果[3]。

另一方面，目前，防護(hù)服貼條機(jī)無(wú)論是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，亦或是生產(chǎn)制造過(guò)程中都缺少對(duì)應(yīng)國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，缺乏統(tǒng)一的科學(xué)評(píng)價(jià)要求，因此造成了機(jī)器的質(zhì)量水平參差不齊的現(xiàn)象，導(dǎo)致了防護(hù)服密封效果不能完全滿足要求，從而不僅在國(guó)家經(jīng)濟(jì)上帶來(lái)?yè)p失，更會(huì)影響廣大群眾，特別是醫(yī)護(hù)人員的生命安全[4]。

因此，為了實(shí)現(xiàn)更好的密封效果，隔離病菌和有害超細(xì)粉塵等，保證醫(yī)護(hù)人員的安全和保持環(huán)境清潔。在做了大量針對(duì)防護(hù)服貼條機(jī)的國(guó)內(nèi)外研究與調(diào)研的基礎(chǔ)上，并且已經(jīng)通過(guò)實(shí)踐證明了可行性的情況下，本文將主要講述如何科學(xué)地設(shè)計(jì)并優(yōu)化防護(hù)服貼條機(jī)的硬件設(shè)備以及軟件系統(tǒng)，從而提高貼條機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)能以及完善相應(yīng)的控制系統(tǒng)[5-6]。

1 工作原理

防護(hù)服貼條機(jī)主要的工作原理：在加熱密封膠帶后，膠帶上的粘合劑黏性會(huì)變得活躍，再將其加壓貼合于防水涂層或織物封口疊層上。待膠帶冷卻后，膠帶與封口便可以緊密地粘合在一起。封口的粘合強(qiáng)度能夠阻擋加壓水滲入接縫，這便制成了防水縫口[7]。

本文設(shè)計(jì)的防護(hù)服貼條機(jī)能夠準(zhǔn)確地控制所產(chǎn)生的熱風(fēng)溫度，并可以直接加熱密封膠帶的粘合劑?？椢锛凹訜岷蟮哪z帶會(huì)受壓被輸送入上下輪的旋轉(zhuǎn)滾軸上，上下輪的線速度稱之為密封縫合速度。

在密封過(guò)程中，熱風(fēng)從風(fēng)嘴噴出，因?yàn)閷?shí)際到達(dá)膠帶表面的熱風(fēng)是風(fēng)嘴所噴出的熱空氣及周圍空氣的混合氣體，故氣體到達(dá)膠帶的實(shí)際溫度低于風(fēng)嘴的溫度?？梢?jiàn)，風(fēng)嘴與膠帶之間的距離越近，熱風(fēng)中所混合的周圍空氣比例越低；另一方面，提高熱風(fēng)的流量也可減少周圍空氣混入的比例，從而提高接觸膠帶的熱風(fēng)溫度。因此，風(fēng)嘴位置的設(shè)計(jì)及熱器流量的控制是防護(hù)服貼條機(jī)工作效率及工作質(zhì)量的重要考核因素[8]。

綜上所述，影響縫口密封縫合的主要因素：熱風(fēng)溫度；密封縫合速度；風(fēng)嘴氣壓；空氣流量；風(fēng)嘴位置。以上條件的合理設(shè)計(jì)，將直接影響密封縫合的準(zhǔn)確性、快速性、科學(xué)性，在防護(hù)服貼條機(jī)的設(shè)計(jì)中需綜合考慮所有因素。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1所示為防護(hù)服貼條機(jī)各部件組成的總裝配圖。防護(hù)服貼條機(jī)的重要結(jié)構(gòu)包括加熱器、加熱器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、上下壓輪組件、機(jī)架主體4大部分。其中的核心部分就是加熱器部分及其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，而加熱器機(jī)構(gòu)核心零部件是發(fā)熱管及其外圍U型導(dǎo)風(fēng)管，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的核心組件是擺動(dòng)機(jī)構(gòu)及其連接結(jié)構(gòu)件選材。

圖1 防護(hù)服貼條機(jī)三維模型

在本文設(shè)計(jì)中，對(duì)防護(hù)服各重要組成結(jié)構(gòu)主要做了如下的設(shè)計(jì)以及優(yōu)化，從而提高機(jī)器的產(chǎn)能和質(zhì)量。

2.1 加熱器組件

加熱器組件的功能是把壓縮空氣加熱到所需溫度，圖2所示為壓縮空氣加熱線路。主要優(yōu)化了空氣流通管道的設(shè)計(jì)，采用U型的外圍導(dǎo)風(fēng)管。壓縮空氣經(jīng)U型管道后再留進(jìn)發(fā)熱管內(nèi)部，然后再流經(jīng)風(fēng)嘴吹出加熱膠條。該設(shè)計(jì)利用最外圍的壓縮空氣有效降低了加熱器外圍導(dǎo)風(fēng)管的溫度，從而更好地保護(hù)使用者的安全。同時(shí)因壓縮空氣經(jīng)過(guò)了外圍循環(huán)從而達(dá)到了預(yù)熱的效果，使得加熱效率更高。

圖2 壓縮空氣加熱線路

如圖3所示，發(fā)熱管是加熱器最為核心的部件，本文設(shè)計(jì)的防護(hù)服貼條機(jī)優(yōu)化了發(fā)熱管的發(fā)熱絲繞制，從原來(lái)的單根一種發(fā)熱絲繞制改為2種規(guī)格發(fā)繞絲繞制，對(duì)發(fā)熱管尾部發(fā)熱絲進(jìn)行加粗并與前端相連接，在不大幅度增加功率的同時(shí)，有效地減少發(fā)熱管尾部因溫度過(guò)高而燒壞，從而增加了發(fā)熱管的壽命。

圖3 發(fā)熱絲燒制

2.2 加熱器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

加熱器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能主要是把加熱器及風(fēng)嘴快速平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動(dòng)到所需位置加熱膠帶，圖4所示為加熱器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配示意圖。本文設(shè)計(jì)的防護(hù)服貼條機(jī)優(yōu)化了兩軸氣動(dòng)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的單軸氣缸擺動(dòng)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性不足，對(duì)膠條的適用性不夠廣，并且容易出現(xiàn)貼條兩端折皺等工藝缺陷；同時(shí)，在制造工藝上選用了質(zhì)量更好的材質(zhì)為工程塑料的免維護(hù)滑動(dòng)軸承及平面軸承，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的深溝球軸承和平面推力球軸承的組合。

圖4 加熱器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)三維裝配示意圖

2.3 機(jī)架主體機(jī)構(gòu)

機(jī)架的主體結(jié)構(gòu)主要是按照了上下壓輪組件及其它電氣氣動(dòng)組件，圖5所示為機(jī)架主體的結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)圖。本文設(shè)計(jì)的防護(hù)服貼條機(jī)優(yōu)化了整體的外觀設(shè)計(jì)，在保證上下壓輪組件安裝位置合適的前提下，將機(jī)身結(jié)構(gòu)整體向后移，使得操作臺(tái)右側(cè)整體的操作空間更寬敞，從而在進(jìn)行防護(hù)服壓膠時(shí)有著更高的效率，進(jìn)而提高防護(hù)服貼條的產(chǎn)能。

圖5 機(jī)架主體結(jié)構(gòu)的整體三維圖

3 控制系統(tǒng)

圖6所示是本文設(shè)計(jì)的防護(hù)服貼條機(jī)控制系統(tǒng)[9-11]的主頁(yè)面，具體功能如下。

圖6 防護(hù)服貼條機(jī)控制系統(tǒng)主頁(yè)面

（1）可以直接設(shè)置貼條件密封速度。

（2）風(fēng)嘴溫度設(shè)定按鍵，按鈕上直接顯示設(shè)定溫度。點(diǎn)擊按鈕會(huì)彈出數(shù)字鍵盤，可以方便地進(jìn)行溫度的設(shè)定。

（3）風(fēng)嘴鎖定啟動(dòng)和取消按鈕，可以在穿膠條時(shí)使用，防止錯(cuò)誤操作造成安全問(wèn)題。

（4）顯示風(fēng)嘴當(dāng)前實(shí)際溫度，為用戶操作時(shí)提供指示。

（5）可以進(jìn)行上下壓輪差速設(shè)定，差速較大時(shí)（小于90%或大于110%），滾輪之間一定要放置一塊織物，否則會(huì)導(dǎo)致傳輸系統(tǒng)壓力過(guò)大而損壞機(jī)器部件。

（6）風(fēng)嘴加熱器的開(kāi)關(guān)按鍵，當(dāng)加熱器打開(kāi)時(shí)，會(huì)顯示“發(fā)熱開(kāi)啟”的字樣。

（7）可以進(jìn)行防護(hù)服貼條機(jī)倒車的操作。

（8）實(shí)現(xiàn)貼條的剪帶功能。

（9）控制防護(hù)服貼條機(jī)帶夾得落帶功能。

（10～12）可設(shè)置風(fēng)嘴壓力值，通過(guò)調(diào)節(jié)壓力數(shù)值和單位實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)嘴壓力的精確控制。

（13）可進(jìn)行壓輪壓力值的控制，通過(guò)設(shè)置準(zhǔn)確的壓輪壓力實(shí)現(xiàn)貼條的壓力控制。

（14～17）點(diǎn)擊之后打開(kāi)新界面進(jìn)行對(duì)應(yīng)功能設(shè)定，實(shí)現(xiàn)防護(hù)服貼條過(guò)程的精確控制。

另外，本文設(shè)計(jì)的防護(hù)服貼條機(jī)還能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)定長(zhǎng)剪帶，如圖7所示，可以設(shè)置需要進(jìn)行剪帶的數(shù)量，最多可以設(shè)置10段，并且能夠分別設(shè)置每段的長(zhǎng)度；同時(shí)，剪帶過(guò)程還考慮了帶頭補(bǔ)償長(zhǎng)度和定長(zhǎng)補(bǔ)償長(zhǎng)度。如果定長(zhǎng)剪帶的每段長(zhǎng)度的設(shè)定值小于帶頭設(shè)定的送帶長(zhǎng)度，設(shè)定值會(huì)自動(dòng)修改為帶頭長(zhǎng)度。

圖7 定長(zhǎng)剪帶設(shè)定頁(yè)面

最后，本文設(shè)計(jì)的防護(hù)服貼條機(jī)還帶有監(jiān)控系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)，如圖8～9所示。

圖8 監(jiān)控界面

圖9 警報(bào)界面

（1）監(jiān)控系統(tǒng)能夠檢測(cè)機(jī)器各個(gè)輸入輸出點(diǎn)的工作情況，例如上輪氣缸測(cè)試、發(fā)熱固態(tài)繼電器測(cè)試、擺槍氣缸測(cè)試、剪刀氣缸測(cè)試、帶夾氣缸測(cè)試等。

（2）貼條機(jī)各重要部位安裝有傳感器，監(jiān)控系統(tǒng)能夠進(jìn)行多種故障警報(bào)，例如溫度傳感器異常警報(bào)、送帶器異常警報(bào)、風(fēng)嘴壓力過(guò)低警報(bào)、加熱異常等。

4 創(chuàng)新性與先進(jìn)性

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)方案的不斷調(diào)整以及在試制過(guò)程中對(duì)制造工藝的摸索，通過(guò)改進(jìn)工藝技術(shù)、供應(yīng)鏈協(xié)同、加工配套等工作，本文設(shè)計(jì)出的防護(hù)服貼條機(jī)，相比傳統(tǒng)的貼條機(jī)，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用U型外圍導(dǎo)風(fēng)管，有效降低了加熱器外圍導(dǎo)風(fēng)管的溫度，更好地保護(hù)使用者安全，同時(shí)使加熱效率更高；另外，設(shè)計(jì)也優(yōu)化了發(fā)熱管的發(fā)熱絲繞制，從原來(lái)的單根一種發(fā)熱絲繞制改為兩種規(guī)格發(fā)繞絲繞制，增加了發(fā)熱管的壽命；并采用全新的外觀設(shè)計(jì)，使得操作空間更加寬敞。

最重要的一點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的防護(hù)服貼條機(jī)還采用了模塊化的設(shè)計(jì)，機(jī)器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，用戶可通過(guò)軌跡追蹤和微電腦檢測(cè)，迅速找出問(wèn)題所在并直接更換新的模塊，使得故障機(jī)器可以很快重新投入工作。模塊化的設(shè)計(jì)極大地減少了用戶在安裝、使用和維修環(huán)節(jié)上的時(shí)間成本，省人省力并且高效，具有極大的創(chuàng)新性和先進(jìn)性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分別從軟硬件的角度簡(jiǎn)要地介紹了新型防護(hù)服貼條機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化過(guò)程，該款貼條機(jī)能準(zhǔn)確控制所產(chǎn)生的熱風(fēng)溫度，并直接加熱密封膠帶的粘合劑，織物及加熱后的膠帶會(huì)受壓被輸送入上下輪的旋轉(zhuǎn)滾軸上，實(shí)現(xiàn)密封。上下輪不同速度的調(diào)節(jié)適用于不同彈性物料；復(fù)合式風(fēng)嘴運(yùn)動(dòng)軌跡讓膠帶起頭和中間停機(jī)過(guò)程時(shí)的溫度更平均，因此產(chǎn)品會(huì)更為優(yōu)質(zhì)；自動(dòng)送帶機(jī)構(gòu)使得切割裁片與膠條貼合更平順，針對(duì)彈性物料可靈活控制尺寸；通過(guò)可編程控制器（PLC），操作簡(jiǎn)單穩(wěn)定，貼合程序分段（帶頭、帶中、帶尾）設(shè)置參數(shù)更靈活。

該款防護(hù)服貼條機(jī)已經(jīng)投入了正式的生產(chǎn)和銷售，并且也以該貼條機(jī)為基礎(chǔ)也制定了首個(gè)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了貼條機(jī)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這將有助于提升我國(guó)醫(yī)用防護(hù)服制作的質(zhì)量水平。

隨著全球疫情還在持續(xù)，各國(guó)對(duì)防疫裝備的需求有增無(wú)減，我國(guó)對(duì)海外的防護(hù)服及裝備的出口量迅速增加，并且受疫情影響很多服裝廠轉(zhuǎn)型生產(chǎn)防護(hù)服，所以該款新型防護(hù)服貼條機(jī)的研制將為我國(guó)甚至全球疫情防控大局提供設(shè)備保障。