全自動折疊型口罩機關鍵部件的分析與設計

（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，導致口罩、呼吸機等相關醫用產品和醫療設備短缺，口罩供不應求，市場急需增加口罩生產設備。為解決此問題，國內部分大型制造企業及部分民營自動化設備企業均開始研發設計口罩機，短時間各式各樣的半自動口罩機和全自動口罩機數量劇增，縱觀設備實際運行狀況，無論是全自動平面型口罩設備還是全自動折疊型如圖1所示。

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

口罩機的連續穩定運行均有待提高，尤其是一些關鍵部件的穩定性設計。本文主要針對全自動折疊型口罩機的鼻夾自動裁切與放置部件進行分析與設計。

1 全自動折疊型口罩機的工藝

本文所設計的全自動折疊型口罩機是指口罩由五層布組成且內置鼻夾型設備，主要組成部分如圖2所示，口罩生產順序，從左到由，原材料由氣漲軸組件定位固定在料架上，每層布料經過若干個導向輥導向后進入糾偏系統，實現布料自動糾偏功能，解決目前市場上自動口罩機因布料走偏自動化程度低的的問題，同時提高了設備運行的穩定性并增強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入鼻夾放置區，已裁好的鼻夾自動放置于四層合并后的布料上，頂層布料將鼻夾包裹并進入超聲印花區域［1］，經超聲印花后口罩完成平面成型且鼻夾內置固定。平面成型后的口罩運行至左、右口罩帶超聲焊接工位，因五層布料是連續不間斷運行，口罩帶超聲焊接部件須設計往復跟蹤裝置，與布料運行的線速度相匹配，完成左、右口罩帶超聲焊接后進入折疊成型；布料運行過程中由折疊成型模具實現自動折疊成型，再運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計有相位調節裝置，通過其裝置微調布料前后相位［2］，保證切刀軌跡和折縫超聲熔合軌跡的一致性，通過旋轉切刀將口罩從布料上按照預設形狀切除，完成折疊型口罩生產過程［3］。

圖2 折疊型口罩機整機圖Fig.2 Assembly drawing of folding type mask machine

2 內置鼻夾自動裁切與放置的分析與設計

2.1 鼻夾自動裁切與放置部件關鍵點分析

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，進入自動裁切前須校直消除應力，否則裁切后的鼻夾成彎曲狀態，難以被順暢送入鼻夾放置區，設備無法穩定運行，同時鼻夾在口罩上的定位不準，因此裁切之前設計有多組鼻夾校直輪，鼻夾經過多組校直輪后，彎曲應力基本消除，鼻夾也被牽引拉直。其次，因整機采用機械內傳動，同時鼻夾裁切長度要實現可調，故鼻夾牽引傳動采用兩塊扇形輪疊加方式，通過調整兩個扇形輪的夾角實現鼻夾裁切長短。除此之外，帶緩沖的裁切裝置也是至關重要，目前市場上口罩機裁切裝置是通過斜口刀片與下刀模硬撞擊剪斷，通過推板將鼻夾送至鼻夾放置區，裁切偶爾會有裁切不完全斷開情況出現，導致設備故障停機；其次撞擊噪音大，刀具使用壽命短。新設計的帶緩沖裁切裝置實現了裁切穩定，且刀具使用壽命長，裁切噪音低。

2.2 鼻夾裁切與放置傳動分析與設計

如圖3所示，鼻夾的牽引、裁切和放置通過兩分度凸輪分割器將外部傳入的動力分離為連續運動和間歇傳動，牽引和裁切的動力主動軸和凸輪分割器入力軸同軸，即為連續運動；鼻夾推送放置由凸輪分割器出力軸傳動，即為間歇運動。通過兩塊扇形輪調整夾角實現鼻夾按預設長度牽引傳送，凸輪分割器出力軸的間歇運動由同步帶傳至曲柄滑塊機構完成鼻夾推送與放置。如圖3、圖4所示，經過校直輪的鼻夾在通過牽引主動輪和牽引被動輪共同作用被送至裁切位置，牽引主動輪和牽引被動輪直徑相等。假設主動牽引輪和鼻夾無相對運動，扇形輪與牽引主動輪無打滑，兩個扇形輪相位重合后有效夾角（與牽引主動輪相接觸弧長所對應的圓心角）為θ，半徑為R，裁切后的鼻夾最短長度尺寸D。即裁切后鼻夾最短要求的長度等于扇形輪與牽引主動輪相接觸的弧長，故D=R θ。圖4所示狀態為兩個扇形輪相位重合，如需加長裁切后的鼻夾長度，只需要調整兩個扇形輪的相位，相當于角增加。上述得知，鼻夾推送放置為間歇運動，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應，故主動同步帶輪齒數是被動同步帶輪齒數的2倍，同時須保證圖示尺寸2A＞C，A為曲柄旋轉半徑尺寸，C為裁切后的鼻夾需要推送至放置區之間的距離。

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計

帶緩沖的鼻夾裁切裝置運行周期與其放置周期相對應。主要有擺臂、緩沖頭、刀、刀模、壓縮彈簧、緩沖過渡塊、彈性不銹鋼棒等組成，緩沖頭和刀固定為一體，緩沖過渡塊底部安裝有復位壓縮彈簧，彈性不銹鋼棒一段固定在緩沖頭上。每運行一個口罩周期內擺臂旋轉一周，撞機緩沖頭時帶動刀快速向下運動，由于刀模固定，當刀口和刀模逐漸接近并交錯時，鼻夾瞬間被裁切，同時緩沖過渡塊也被下壓；當擺臂離開緩沖頭時，由于壓縮彈簧的作用，緩沖過渡塊上移至刀模水平位置，便于后續鼻夾送入，同時彈性不銹鋼棒的作用瞬間將刀復位至初始狀態，完成一次鼻梁條自動裁切［5］。

3 結語

新型設計帶緩沖的鼻夾裁切裝置裁切穩定，避免了裁切不完全斷開的現象，刀具使用壽命長，大大提高了全自動折疊型口罩機運行的穩定性，同時也便于鼻夾長度調整，全自動化程度高，口罩美觀性強，獲得用戶一致的好評。