口罩機關鍵結構部件研究進展

蘭格瑤，張智雷，王成勇，趙 倩，鄭李娟，袁志山

（廣東工業大學機電工程學院，廣州 510006）

0 引言

圖1 不同形狀口罩

隨著2020年春節前夕新冠疫情的爆發，口罩作為重要的防護資源，面臨著緊迫的供需矛盾，也催生了口罩機設備的需求。口罩外形的差異（圖1）決定了口罩機設備的多樣性，市場上口罩機種類繁多、功能各異、良莠不齊，嚴重制約著口罩的生產效率。本文根據口罩生產工藝，對市場上口罩機的供放料裝置、鼻梁條固定裝置、耳帶焊接裝置、呼吸閥焊接裝置和檢測系統等關鍵結構部件進行分析，總結現有機構部件的功能和技術特點，以期對未來口罩機結構功能的研發提供指導。

口罩機是一個小眾行業，目前國外已基本不生產口罩設備。中國原有的棉紗口罩主要用縫紉機人工完成，在21世紀初期才開始仿制無紡布口罩自動生產設備，主要以中國臺灣技術為模板[1]。本文在中國知網檢索口罩相關的專利，獲得1 256 篇有關口罩生產設備的專利文獻，數據結果分析如圖2～3 所示，數據檢索截止日期為2020 年7 月6 日公開的專利文獻。從圖中可以看出，2002 年SARS 流行后10 年間，中國有關口罩生產設備的專利增長平穩，2013 年霧霾使相關專利迅速增長，2020 年新型冠狀病毒爆發使之達到新的高峰。中國是世界上重要的口罩生產和出口國，年產量占全球的50%，疫情爆發后，中國出口大量口罩和口罩機設備到日本、美國等地，但相關核心技術少，高端產品仍相對緊缺[2]。

圖2 專利申請總體趨勢圖

圖3 專利申請類別分布

1 放料裝置

口罩機的放料裝置有布料放料裝置、鼻梁條放料裝置和耳帶放料裝置，用于放置和輸送口罩生產所需物料，放料卷有水平或豎直設置，結構簡單。放料卷由最開始的被動放料發展到后來的主動放料，還添加了物料張緊裝置和缺料自停裝置，保證供料的平穩。

1.1 布料放料裝置

圖4所示為程爭卿等[3]發明的一種全自動折疊口罩機放料裝置。后來曾俊福等[4]在布料放卷桿后設置了電機通過齒輪傳動的方式驅動，改從動為主動放料，消除了從動放料時造成布料張力不一致的缺點，提高了成品的良品率以及整機工作的穩定性。其發明的一種全自動折疊口罩機[5]也延用了此主動放料裝置。張偉[6]在現有技術上進行改進，用5個不同高度的放料軸、放料調節單元和傳動單元一一對應，用于5層口罩的生產，避免了無紡布料輸送過程中的折彎現象，但結構較復雜。

圖4 上料裝置

圖5 布料輸送機構

韓立濤等[7]設計的功能口罩機用于杯型口罩的全自動生產，其布料的輸送機構如圖5所示，電機帶動齒條上下運動，單向飛輪正轉時驅動布料前進，反轉時停止不動，實現布料輸送和停止的切換，配合后續工位工作。提醒機構的轉軸會在布料用完后落入卡槽與接觸器接觸發出信號關閉電機，給使用者帶來很大方便。

陳育龍[8]發明了一種全自動立體口罩制造裝置，如圖6所示，可根據紗布厚度改變擠壓程度，避免尾部輸送時出現混亂或折疊的問題，且料輥拆卸方便。更換料輥時，可向外拉動左右兩側的豎板，使豎桿通過橫桿帶動豎板向外移動，同時拉伸彈簧，然后將具有紗布的料輥放置在與橫桿同一水平的高度，松開第一豎板，使彈簧的彈力帶動橫桿和卡塊向內移動，使卡塊插進料輥的內部，實現對料輥的支撐。使用者可轉動轉盤，通過螺桿帶動滑塊進行移動，調整壓輥對紗布的擠壓程度，以此來獲得不同程度的口罩，斜塊可將折疊的紗布重新鋪平。

圖6 布料輸送壓合裝置

1.2 鼻梁條放料裝置

鼻梁條放料裝置用于口罩鼻梁條的放置和運輸。圖7 所示為一種全自動杯型口罩機[9]的鼻梁條放料裝置，通過張力浮動桿和張力傳感器的配合可以控制放料電機實現鼻梁條的自動停放料，但是輸送過程不夠平穩。專利一種高速折疊口罩機[4]和一種全自動折疊口罩機[5]也提到了一種鼻梁條放料裝置，此裝置通過張緊輪調節鼻梁條在供料過程中的張緊程度，沒有使用傳感器來自動停放料，在使用過程中是連續放料狀態，通過PLC 控制系統手動停止工作，在快速、高產量的生產線上更為實用。

圖7 鼻梁條放料裝置

1.3 耳帶放料裝置

最初的口罩生產需要人工取定長的帶子并彎成一定形狀，按一定方向粘結在口罩本體上。圖8 所示的專利錐形口罩送帶機[10]采用定長造型和微張力變形光電控制，實現耳帶自動彎曲成形，無螺旋扭曲并能確定焊接的位置、方向和角度。但是成型工藝復雜，增加困難，不利于高速生產[11]。圖9 所示的耳帶輸送裝置，通過輸送電機驅動主動輪轉動向前送料，用耳帶張力浮動輪調節耳帶的張緊程度。此耳帶輸送裝置對鼻梁條放置裝置無要求，應用較廣，專利具有包裝與運輸功能的口罩加工裝置[12]、一種高速折疊口罩機[4]和一種全自動折疊口罩機[5]也采用這一耳帶輸送裝置。

圖9 耳帶輸送裝置

圖8 錐形口罩送帶機

2 鼻梁條固定裝置

為了增加口罩的包覆性，常在口罩的接觸鼻梁位置加入鼻梁條，使用時可以捏塑符合個人鼻梁形狀的曲度以貼合臉部表面達到減少縫隙的效果。一般一次性醫用口罩使用的是全塑鼻梁條，KN95口罩一般使用熱熔膠鼻梁條，也就是經常見到的鋁條鼻梁條。有的口罩還會安置一軟墊或海綿條于口罩布貼近鼻梁的接觸面上，以增加口罩的舒適度。鼻梁條固定由最初的膠條粘合方式發展為超聲波焊接方式，剪切的鼻梁條長度也由壓輥直徑決定到后來的手動可調，各機構都在朝著清潔化、方便化方向改進。

2.1 鼻梁條安裝裝置

圖10 所示為專利柳葉型口罩生產設備[13]提到的一種柳葉形口罩與定型鋼絲組裝裝置，定型鋼絲經裝置裁切適當長度并包覆于口罩布內，后經焊接裝置將包覆鋼絲的口罩布折邊封合，送到裁切裝置切成特定的形狀與尺寸。專利立體型口罩生產設備[14]中也使用了此結構。

圖10 口罩與定型鋼絲組裝機結構圖

圖11 鼻梁條輸放剪切裝置

圖11 所示為一種全自動杯型口罩機[9]的鼻梁條輸放剪切和焊接裝置。曲折的鼻梁條經過導向輪和校平輪組進行校平壓正，后經輸送輪組送至鼻梁條切刀組合切斷成形，切下來的廢料經軌道進入廢料收集盤儲存。剪切之后的成品鼻梁條被氣缸夾住由平移裝置送至熱熔裝置的導熱板上。熱熔裝置的加熱板可持續加熱并將熱量傳至導熱板加熱鼻梁條，氣缸推動導熱板與口罩貼合將鼻梁條焊接在口罩上。

李鋒[15]研制了一種精度高、加工范圍大且易于調整的口罩鼻梁條送料裝置。如圖12所示，新型鼻梁條裝置增加了一套作為鼻梁條導向、送料、切斷裝置(裝置I)動力源的間歇裝置(裝置II)，機構I 中的鼻梁條送料輪與間歇機構從動輪1 通過齒輪相聯并驅動機構I 同步送料，同時通過齒輪使刀輪2 同步轉動，刀輪轉動一周便將固定長度的鼻梁條切斷，并通過鼻夾導向座3 將梁條送至口罩的相應位置。調整相互重疊的兩凸輪張角，可以改變送入鼻梁條的長度。何立[16]發明的一種口罩機滾切傳動裝置也是采用刀輪與切刀地輥輪轉動接觸時實現鼻梁條的切斷，但是其需要通過刀輪的直徑大小來控制鼻梁條的長度。其還設計了一種用于口罩機的鼻梁條長度調節裝置[17]，通過偏心結構的主輔鼻梁條調試輪的旋轉實現調節鼻梁條長度的目的。高尚容等[18]則是在鼻線輸送裝置端連接時間繼電器，通過設定送料時間來控制鼻夾料送入長度。

圖12 新型自動鼻梁條裝置裝配圖

圖13 所示為吳仁杰[19]發明的口罩鼻線貼合裝置，應用于鼻線為鋁片、鐵片或其他金屬片，口罩為無紡布的口罩。送料機構將鼻線輸送至切線機構將鼻線切成小段，成型貼合機構將切斷的鼻線成型為鼻夾并黏貼在口罩上，此機構的刮膠裝置位于送料機構的側面，是將熱熔膠涂覆在鼻線上用于之后的鼻線黏貼，不夠環保潔凈。胡廉[20]設計的口罩外鼻線焊接裝置與圖13整體結構較為相似，鼻線也是先經切線機構后被取線夾夾取吸附于預焊座上，預焊座上設有用于吸住鼻線的磁性部件，避免了熱熔膠的使用，使工作臺更為整潔。

圖13 口罩鼻線貼合裝置

胡廉等[21]還設計了一種專用于折疊口罩的鼻線焊接裝置，通過槽來固定鼻梁條位置。如圖14所示，鼻線自放線盤上放出，經過放線導輥組引導矯正后穿過送線滑座上的限位槽，穿過焊頭安裝板上的通線槽后伸出于通槽上方，焊接時，壓線氣缸驅動壓線頭向下移動將鼻線壓緊于通線槽內，下壓氣缸驅動焊接頭向下移動，焊接頭上的切刀與通槽配合將伸出于通槽上方的鼻線切斷，下壓氣缸驅動焊接頭繼續下壓將被切斷的鼻線壓于口罩上，并與超聲波焊座配合將鼻線焊接于口罩上。

圖14 折疊口罩鼻線焊接裝置

圖15 所示為專利自動折疊魚型口罩機[22]的上鼻梁條裝置。為了將鼻梁條設置在魚型口罩面料上，壓輥上設置有與鼻梁條相匹配寬度和厚度的壓槽。底層口罩面料從輸送輥上輸送至鼻梁條傳送輪組的下方，鼻梁條從鼻梁條輸送塊通過鼻梁條傳送輪輸送至底層口罩面料的上面，頂層口罩面料從輸送輥輸送至壓輥的前端，與含有鼻梁條的底層口罩面料一起輸送至壓輥上，并通過壓槽將鼻梁條設置在所述口罩面料中再輸送至下一工序的焊接裝置。曾俊福等[23]發明的魚型口罩一拖二自動折疊機也提到了此上鼻梁條裝置。

圖15 魚型口罩機上鼻梁條裝置

圖16 鼻梁條安裝焊接裝置

圖16 所示為一種高速折疊口罩機[4]的鼻梁條安裝焊接裝置。多層口罩布料分別從布料導向裝置1和2中通過，鼻梁條從鼻梁條放料裝置放出，后被切斷裝置切成相等長度。推送裝置將鼻梁條推入多層布料之間，然后被拉料輪裝置拉進焊接裝置，并通過超聲波焊接成整體。該裝置也能夠通過手輪調節焊接輪和拉料輪的位置而適用于各種厚度的布料，并便于工人生產調試。專利一種全自動折疊口罩機[5]也使用了此鼻梁條安裝焊接裝置。

目前C 型口罩鼻梁條的供給基本都采用雙排等速凸輪結構來驅動，以滿足鼻梁條長度可調的需求，但是凸輪結構的剛性沖擊對傳動系統的穩定有一定的影響。圖17 所示為一種用于C 型全自動口罩機[24]的鼻梁條組裝置，該裝置將凸輪驅動由主動改為從動，主動輪通過鏈輪帶動凸輪旋轉，鏈輪安裝在固定軸上減少了凸輪運動產生的沖擊，降低了系統的整體誤差。送線輪旋轉一圈就是鼻梁條所需的長度，鼻梁條送到夾緊刀座時由鼻梁條切刀切斷，后經推送板推進布料內，流程簡單流暢。陳偉斌[25]的另一專利一種C型本體口罩成型機也采用了此鼻梁條組結構。

圖17 全自動口罩機鼻梁條組裝置

圖18 布料折邊熔接裝置

無紡布口罩生產過程中，鼻梁條在口罩布料的帶動下移動，其與口罩布料的相對位置容易發生偏移，造成熔接裝置無法對口罩布料的折邊部位進行順利熔接，影響口罩的封邊質量。鄭漢杰[26]設計了一種全自動口罩生產線的口罩布料封邊裝置，能確保將鼻梁條準確地加入口罩布料的折邊部位，如圖18所示，鼻梁條上料裝置將已剪切好的單個鼻梁條經料管送入口罩布料的折邊部位中，口罩布料含有鼻梁條一側的熔接輪上有條狀凹槽，能夠對該折邊部位中的鼻梁條進行限位，確保熔接輪能夠對口罩布料的折邊部位順利熔接。

圖19 所示為易永祥[27]發明的一種全自動口罩生產線上的送鼻梁條裝置，目前廣泛應用于平面口罩的生產。鼻梁條在送鼻梁輥和滾輪的作用下向前移動，在鼻梁條分切輥處被分切成所需的長度，然后進入卷邊器，在卷邊器的出口處和無紡布重合，鼻梁條和無紡布重合后，無紡布在卷邊器的作用下，邊緣卷起將鼻梁條包起。此裝置結構簡單、工作連續，但是裁切鼻梁條的長度由分切輥的直徑決定。游質兵[28]發明的口罩打片機也采用了此送鼻梁條裝置，周檬[29]認為此裝置生產出來的口罩容易落上灰塵和異物，不夠衛生，便在口罩布料壓合成型后增加了一個擦拭消毒裝置，酒精噴頭經軟管連接酒精液罐將酒精噴灑在布料上，之后進入上下兩個反方向轉動的海綿擦拭輥之間。

圖19 送鼻梁條裝置

2.2 軟墊/海綿條黏貼裝置

陳洪和[13]提到了柳葉型口罩機的一種軟墊貼合裝置，如圖20 所示，該裝置是在口罩布包藏定型鋼絲的位置黏貼一軟墊在貼近鼻梁的接觸面上。切斷輪將軟墊切為適當的長度后以凸輪輸入軟墊，背光紙去除輪將軟墊的背光紙除去使其貼合于口罩布上，增加了口罩的佩戴舒適度。專利立體型口罩生產設備[14]中也使用了此結構。

圖20 軟墊貼合裝置

陳偉斌[30]也發明了一種海綿條自動黏貼裝置，用于C 型口罩生產。如圖21所示，口罩布料被設置了2～3 個拐點，形成一定角度；卷料伺服電機拉動海綿條前行，海綿條分離裝置每次會剝離一個海綿條寬度的底紙使海綿條貼合在對應位置的口罩布料上，如此循環往復。海綿條的貼合位置由伺服電機根據口罩布料的運行速度匹配，與人工和半自動設備相比效率大幅提高，減少了物流成本，可與高速自動口罩設備同步生產。

圖21 海綿條自動黏貼裝置

圖22所示為專利一種全自動折疊口罩機[5]中應用的海綿條安裝裝置，帶有呼吸閥的布料通過避閥輥裝置后依次進入壓緊裝置1 和2。電機驅動海綿條送料裝置放卷，海綿條的一面具有黏性，有底紙粘合在上面。海綿料通過海綿料導輥輸送至海綿條托板上，當激光傳感器檢測到海綿條到位后，壓板壓緊海綿料，夾爪氣缸驅動兩個海綿夾爪夾起海綿條，上料電機通過上料旋轉軸驅動旋轉安裝座轉動，夾有海綿條的夾爪氣缸翻轉下方，壓板下壓壓緊海綿條，夾爪氣缸驅動兩個海綿夾爪松開海綿條，海綿條黏附在布料的底面上。圖23所示為上海綿條裝置和廢料回收裝置[5]。

圖22 海綿條安裝裝置

圖23 上海綿條裝置和廢料回收裝置

3 耳帶焊接裝置

口罩機切片完成后通過輸送到耳帶機進行耳帶的焊接，然后就可以進去質檢和消毒環節，最后包裝入庫等。耳帶機是提高生產效率，減少人力焊接耳帶的重要設備，包括耳帶剪切、焊接裝置，內耳帶口罩還需要配合翻邊系統，異形口罩和折疊口罩焊接完耳帶后還會設置一個對折裝置將口罩布料沿自身長度方向對折起來方便后續的成型焊接和成品裁切。

3.1 耳帶剪切裝置

圖24 所示為一種全自動杯型口罩[9]的耳帶長度調節剪切裝置。夾耳帶氣缸夾住耳帶后在電機帶動下沿導軌前進，達到合適的耳帶長度后剪刀便會進行剪切動作。然后固定長度的耳帶被抓取裝置抓走用于焊接。曾俊福等[23]人發明的魚型口罩一拖二自動折疊機耳帶裁切裝置和耳帶夾取裝置也是利用限位傳感器的方法剪切特定長度的耳帶。

圖24 耳帶長度調節剪切裝置

3.2 自動翻邊裝置

對于內耳帶焊接的口罩，在焊接耳帶前需要有一個翻邊機構將前面工序輸出的口罩本體進行翻邊，方便把耳帶焊接在口罩內測。

陳偉斌[31]發明了一種C型口罩用自動上帶翻邊焊接機，如圖25 所示，人工把口罩本體放在工位1，踩下腳踏開關，閉夾1、2 同時夾緊口罩，料盤走到工位2，夾帶拉帶裝置已將耳帶拉好剪短呈U型，料盤走到工位3，下模上升，壓帶氣缸下壓壓住帶子，翻邊裝置翻邊，上模下降完成焊接，料盤走到工位4時出料裝置將成品取出，料盤循環至工位1。該裝置自動化程度高，提高生產效率同時降低了生產成本。

圖25 自動上帶翻邊焊接裝置

許永炫[32]也發明了一種全自動翻轉口罩機用于耳帶內焊接的口罩生產，其翻轉裝置如圖26 所示，口罩本體經皮帶傳送裝置2 輸送到翻轉裝置的翻轉桿上，光纖感應裝置檢查到口罩輸送到位后，步進電機驅動翻轉帶裝置進行180°翻轉，再由皮帶傳送裝置2 輸出。此裝置可以提高效率、提升產品美觀度，有利于使產品品質更穩定。胡廉等[33]在翻轉裝置的下方設計了一個升降氣缸，通過PLC 控制器控制升降氣缸、翻轉電機和輸送馬達的工作，此裝置更加靈活，可以根據用戶需求生產耳帶正面或反面焊接的口罩。相比圖26 所示的翻轉機構，王嘉錫[34]發明的翻片機構效率更高，此機構通過兩個翻片架將傳送到A 位置的口罩片體間錯地翻轉至B和C 的位置，通過氣缸推動翻轉后的口罩片體到輸送帶上進入下一個工序。

圖26所示的口罩機翻轉裝置容易使口罩布纏在一起，影響后續的工作，彭春暉[35]提出了一種不會造成口罩布纏在一起，并且提高工作效率的全自動口罩機的翻轉機構。如圖27所示，連接軸1、2 非水平設置，口罩布頭端從連接軸1 底端穿過，緊貼輔助構件輥軸的表面，完成90°翻轉。然后口罩布由從連接軸2 穿到連接軸3，再次完成90°翻轉。此過程無需電力驅動，口罩布只需沿著3 個翻轉構件的連接軸（1、2、3）構成的既定軌線走，就能完成翻轉，不會造成口罩布纏在一起，影響工作效率。

圖26 全自動翻轉口罩機結構

圖27 一種全自動口罩機的翻轉機構

3.3 耳帶焊接裝置

早些時候的平面口罩耳帶是捆綁式的，如圖28所示的口罩，其焊接裝置是獨立的半自動或自動裝置，結構簡單。圖中是陳洪和[36]發明的水平綁帶口罩機，將口罩半成品置于輸送裝置的輸入端，口罩半成品較短的兩側邊條已包覆融合，鼻線輸出裝置將鼻線輸出至口罩半成品的一長側邊的表面與口罩半成品貼齊，再經綁帶輸出融合裝置將口罩兩側長邊包覆融合綁帶，并將一側邊的鼻線包覆于內，最后經裁切裝置將綁帶裁斷成適當長度，獲得成品口罩由輸送裝置的輸出端輸出。此種4 根開口式綁帶口罩穿戴不便，逐漸被市場淘汰。

早期采用人工超聲波焊接或釘書釘連接無紡布錐形口罩耳帶與本體，焊接質量因人而異，費時費力。2004 年尚無無紡布錐形口罩的自動化耳帶焊接機構，王安敏等[37]發明了無紡布錐形口罩耳帶焊接方法及操作機械手，采用模擬人工的機械手方式，用機械手手臂分別夾持并裁斷耳帶，然后送到焊接位置。但是該焊接機構復雜，速度較慢[11]。之后對于錐型口罩的耳帶焊接，還是延續了機械手焊接的形式。王安敏等[38]設計了一種定位準確、連接效果好、自動化程度高的無紡布錐形口罩耳帶自動焊接工作臺，如圖29所示，焊接工作臺面上有兩個口罩模對應兩個焊接工作位置，每個口罩模的兩個焊接點，焊接氣缸與口罩本體上焊接點相對應與工作臺底面成45°角。整個生產過程不再需要人工參與，有效保證了產品質量的一致性，提高了焊接效率。李軍英[39]還為此焊接工作臺設計了控制系統，采用狀態編程法消除了障礙信號。張慶愛等[9]設計的一種杯型口罩耳帶抓取和焊接裝置如圖30 所示，此焊接裝置豎直設置，配合耳帶抓取裝置實現杯型口罩耳帶的焊接。吳仁杰[40]也發明了一種杯型口罩耳帶焊接裝置，包括夾緊旋轉機構、超聲波焊接裝置、備線機構等，其備線機構設計類似于圖24，夾線旋轉機構類似于圖30的耳帶抓取裝置，其超聲波焊接裝置有兩個對稱設于夾線機構的兩側，用于耳帶焊接。

圖28 水平綁帶口罩機

圖29 焊接工作臺示意圖

圖30 耳帶抓取裝置和焊接裝置

初期的異型口罩焊接耳帶的裝置和工藝同樣復雜，如圖31～32所示為陳洪和[41]發明的立體型口罩耳帶接合設備。取料夾從輸送帶上取下口罩袋再通過撐開夾將口罩袋撐開，機械手臂夾持型鉆放入口罩袋內固定其外形，兩個機械手臂以定長支架連接，一手臂做夾取型鉆動作時，另一手臂將夾取的型鉆做放入口罩袋動作。口罩袋角點固定機負責將口罩袋的邊角向下壓平再向上折起壓合，利用接合機予以固定。耳帶從取料夾1進入，被虛夾、取料夾2靠近1夾緊耳帶向另一側移動，耳帶被拉開適當距離，回轉手臂1和2分別夾住耳帶兩端，截斷器將耳帶從取料夾1和回轉手臂1間剪短，兩回轉手臂向下將耳帶貼合在口罩袋外側，耳帶焊接器（同結合機）將耳帶固定。之后取出型鉆，成品異型口罩輸出。此機構在當時有效地提高了異型口罩生產效率。

圖31 進料輸送及型鉆置入機結構

圖32 角點固定機和耳帶結合機構

針對市場上現有無紡布平面口罩生產設備效率低，上耳帶工序不連續問題，陳水勝等[11]發明了仿形式平面口罩上耳帶方法及設備（圖33）。滾筒式上帶裝置包含耳帶仿形裝置、焊接滾輪、配氣盤及耳帶輸送裝置。工作時，耳帶隨著導向塊軌跡彎成所需曲線被負氣壓吸（正氣壓使分離）在溝槽內，滾輪轉動通過凸肋將耳帶焊接在口罩本體上。該設備無需光或電傳感器，產能達200 pcs/min。

圖33 仿形式平面口罩上帶設備

李鋒[1]設計了一種高速穩定型口罩耳帶焊接機械手，如圖34所示，機械手將口罩本體片的180°旋轉動作由機械剎車棘輪間歇運動改為步進電機用同步齒形皮帶傳動，通過光電傳感器檢測步進電機的旋轉角度進行精確定位，定位誤差精確到0.1°～0.2°，后經旋轉盤輸送裝置將耳帶送到平面口罩本體片上，再通過氣動裝置讓耳帶與超音波焊頭接觸完成一個口罩的耳帶焊接工作。該機械手動作合理、機械故障少、噪聲小，改進后的機器效率提高了1.6～1.8 倍，并使廢品率下降到1%以下。

圖34 機械手裝配主視圖

針對傳統焊接機使用及維護繁瑣不便，而且不能夠根據焊接需求，對口罩及耳帶進行固定，不能夠對焊接點位置的進行微調的問題，李偉宏[42]設計了一種用于口罩生產的高效耳帶焊接裝置。如圖35所示，通過伸縮桿的伸縮程度及T型滑塊在T型滑槽中的滑動，實現對焊接點位置的微調，調節最佳位置后，液壓泵運轉驅動下活塞桿下壓，焊接機的焊接頭穿過圓型通孔將耳帶焊接在口罩邊緣，同時實現4個焊接點的焊接操作。此機構的微調裝置可實現不同規格口罩的焊接，如成人和兒童口罩。

圖35 高效耳帶焊接裝置

現有的口罩一般都是兩端焊接有耳帶，每一條耳帶都是兩頭分別焊接在口罩的上下兩端，在某些使用場合，需要用到可以活動的環形耳帶，即耳帶形成一個圓環，耳帶需要能夠活動。因此，胡裕正等[43]發明了一種環形耳帶焊接裝置，圖36所示裝置是將裁切成定長的耳帶自動焊接成環形，氣缸齒條嚙合齒輪通過轉軸驅動旋轉耳帶夾夾住耳帶并且旋轉180°，使耳帶的兩個端頭位于耳帶焊接座上被超聲焊接裝置焊接成一個圓環，耳帶移動夾將焊接形成的環形耳帶移動送到口罩焊接工位，如圖37所示，口罩頭頂推塊的前端具有傾斜面并垂直口罩傳送軌道設置，當其由外向里推時，恰好可以將口罩的口罩頭推起并實現內折，內折后的口罩頭通過口罩焊接座和口罩焊接頭配合而焊接于口罩本體上，從而使口罩的口罩頭包裹住環形耳帶。此裝置實現了環形耳帶口罩的自動化連續生產，提高了生產效率。

圖36 耳帶焊接成環形裝置

圖37 環形耳帶與口罩本體焊接裝置

鄭漢杰[44]發明了一種全自動口罩生產線的口罩耳帶焊接裝置，廣泛應用于平面口罩的耳帶焊接工序。如圖38 所示，口罩本體處在兩個旋轉盤的正下方，耳帶通過耳帶輸料輥、耳帶導槽輸送到旋轉盤的一端耳帶夾持器處，將耳帶夾住，旋轉盤帶著耳帶做180°轉動，配合氣動剪刀將耳帶剪斷，而后耳帶被超聲波焊接熔接在口罩本體上。易永祥[27]發明的專利一種全自動口罩生產線也用到了類似的耳帶焊接裝置。

圖38 耳帶焊接裝置

圖39 一次性口罩膠合機構

張榮娜[45]發明的一種一次性口罩自動制造設備中的耳帶使用的是膠合的方法將耳帶固定在口罩片體上。如圖39 所示，面罩布料在輸送輥的驅動下經過膠合臺面，耳掛繩經輸出后被氣動夾頭拉向前方（此時內外撥桿分布在耳掛繩兩側），然后外撥桿向內移動使耳掛繩折成圖中形狀，上夾板和下夾板相互靠近將外撥桿和內撥桿之間的耳掛繩夾住。然后內撥桿和外撥桿相繼撤出復位，上夾板和下夾板夾住耳掛繩并向面罩布料靠近?？拷嬲植剂系亩鷴炖K被下降的壓條壓住并對膠合區位置進行點膠，點膠后耳掛繩粘到面罩布料上，隨后在輸送輥的驅動下移向橫切臺面進行切割。此裝置可以對一組耳帶進行膠合固定，但是膠合的方法不夠環保。

4 呼吸閥焊接裝置

呼吸閥口罩是為了人們的健康而設計的，用于對空氣中對人體有害的可見或不可見的物質進行過濾，從而不會給人體帶來不好的影響。在濕熱或通風較差或勞動量較大的工作環境，使用具有呼吸閥的口罩可幫助佩戴者在呼氣時更感舒適。呼吸閥一般采用超聲波焊接，包括沖孔、安裝等工序。

圖40所示為專利一種全自動折疊口罩機[5]提到的呼吸閥焊接裝置。呼吸閥焊接裝置用于在布料上焊接呼吸閥，拉料輪裝置將布料向前輸送至焊邊裝置，將布料上的閥孔的邊緣焊接預熔合，沖孔裝置將布料上閥孔焊接部位沖切分離，廢料通過出料管排除。布料繼續輸送至焊閥托板上，經超聲波將呼吸閥焊接在布料上。此裝置的呼吸閥上料是通過振動盤將呼吸閥排列輸出至呼吸閥輸送槽，通過攝像裝置拍攝呼吸閥輸送情況。張慶愛等[9]發明的全自動杯型口罩機中的沖孔裝置也采用超聲波的方式融掉焊接呼吸閥位置的口罩布料，由呼吸閥抓取與焊接裝置完成呼吸閥的焊接，結構更簡單。

圖40 呼吸閥焊接裝置

5 檢測系統

隨著口罩機智能化的發展，口罩機的控制系統不斷改進，越來越穩定可靠，顯著提升了口罩的生產效率。在線監測系統也逐漸應用到口罩生產過程中，對口罩產品的質量進行實時監控并嚴格篩選，提高了口罩產品的合格率。

戴安娜等[46]發明了一種口罩檢品機對口罩質量進行檢測，如圖41所示，口罩依次通過5個工位，工位1、2、3通過相機拍照、視覺檢測檢查口罩的外形尺寸、反面污漬、正面污漬，工位4上的氣缸對不良品進行剔除，工位5對合格品通過氣缸進行篩選。此口罩檢品機僅對口罩本體的尺寸及污漬進行檢測，對于耳帶、鼻梁條等尺寸及焊接質量沒有有效的檢測和篩選。

圖41 口罩檢品機結構圖

曾慶好等[47]發明一種無紡布口罩缺陷視覺檢測系統及方法。工作時圖像采集裝置采集無紡布口罩圖像并傳送至工控機，工控機將圖片轉換為灰度圖，并計算灰度圖與預設標準的偏差，然后依據定位信息判斷無紡布口罩是否存在缺陷，控制NG 處理裝置按照預設程序處理。該系統可檢測臟污缺陷、耳帶缺陷、產品重疊缺陷、鼻梁條缺陷，平均檢測精度達到98%以上，符合實際工業生產的應用。

圖42 無紡布口罩缺陷視覺檢測系統結構和方法流程圖

黃仙智[48]提供了一種口罩生產設備。其設備是在陳洪和[13]設計的柳葉型口罩生產設備上進行改進的，如圖43所示，用防塵罩罩住了整個設備，內部設置有吸塵裝置，能夠吸收工作產生的灰塵，避免影響產品質量。防塵罩頂部設有監測攝像頭，能夠對加工的口罩質量進行觀察，LED 燈能夠提高監測效果，照明設備是為了方便操作設備。

肖標[49]基于機器視覺和深度學習的原理方法設計了一套完整的無紡布口罩自動在線檢測系統，針對在口罩生產過程中出現的很多缺陷， 比如白絲、 蟲子、 污漬、 頭發、 破洞、鼻梁條缺陷、耳繩缺陷等進行自動在線檢測。肖標結合對抗式生成網絡和卷積神經網絡對無紡布缺陷進行在線檢測，基于霍夫變換對口罩進行定位和提取，利用分區域OTSU 進行區域分割，然后利用Canny 算子進行邊緣檢測， 提取出耳繩，利用灰度值統計以及口罩位置等先驗知識對口罩的耳繩缺陷、鼻梁條缺陷、其他缺陷進行檢測，使得系統對口罩缺陷的平均檢測檢測率達到了99.2%， 誤報率0.2%；還提出了一套完整的硬件系統來對無紡布口罩缺陷進行檢測。該檢測系統的硬件軟件半年內都可平穩運行，各方面指標都良好。

圖43 具有監測系統的口罩生產設備

6 結束語

本文按照口罩生產工藝，對涉及到的口罩機結構進行了詳細的研究對比，包括平面口罩機、杯型口罩（又稱錐形口罩）機、C型口罩（又稱折疊口罩）機、異形口罩（鴨嘴型口罩、魚型口罩又稱柳葉型口罩）機等?？谡值纳a經歷了人工手動縫制到分散加工，再到全自動化生產線的過程，口罩機的結構也向著簡單化、智能化、高產能的方向發展。2020新冠疫情爆發后，國內口罩和口罩設備生產產能急速提升，但是口罩和口罩機設備都面臨產能過剩的風險，高端產品仍相對緊缺。未來口罩機將實現放料、生產、包裝一體化，生產過程更加穩定連貫；對口罩的生產質量進行實時監控，及時發現并剔除這些不合格產品；生產過程清潔消毒保持干凈衛生；口罩機更加兼容，一臺口罩機可以生產兩種甚至多種類型的口罩，以滿足市場需求。