半自動呼吸閥口罩打閥機設計

陳冠峰

(廈門大學嘉庚學院，福建 漳州 363105)

0 引言

呼吸閥口罩是為了人們的健康而設計的，用于阻止空氣中不可見或可見的有害物質進入人體[1]。呼氣時閥片受排出氣體的正壓吹開，迅速將廢氣排出，降低戴口罩的悶熱感；吸氣時閥片受負壓會自動關閉，以阻止吸進外界的有害物質。

因全自動化口罩生產線造價和維護成本較高，在傳統的呼吸閥口罩生產線中依舊采用人工填裝呼吸閥，存在生產效率低及工人容易受傷的現象。為此，本文設計了一款半自動呼吸閥口罩打閥機，代替人工自動完成呼吸閥的裝填，實現呼吸閥與無紡布口罩的焊接，提高呼吸閥安裝的生產效率、避免人員對呼吸閥的直接接觸，減少口罩污染、確保操作人員人身安全。

1 半自動呼吸閥口罩打閥機機械機構設計

為提高口罩的生產合格率、生產效率和設備的穩定性，采用電壓式振動料盤送料，通過調節電壓振幅和頻率控制送料速度，由料盤、真空吸盤、水平推動氣缸和垂直頂料氣缸組成氣動輸送裝填裝置；采用超聲波焊接，在超聲波振動條件下完成呼吸閥與口罩的熔融結合[2]。半自動呼吸閥口罩打閥機的整體結構如圖1所示。

1.1 超聲波焊接裝置設計

超聲波焊接是利用頻率萬次以上的高頻振動波傳遞到焊接元件表層，在焊接氣缸壓力的作用下讓接觸表面相互摩擦，由摩擦生熱熔融結合，達到一定的焊接效果時，保持作用壓力一段時間，使得焊接區域得以冷卻固化，從而緊密地將兩個接觸表面結合到一起[3，4]。

超聲波振動部分由換能器、變幅桿、焊頭三部分組成，下模具安裝在超聲波變幅桿上，再將其結合體固定于連接板上，連接板通過螺桿螺母調節其水平高度。上模具上下活動,上模具與下模具接觸加壓時，超聲波發生器啟動，開始焊接口罩本體與呼吸閥，當焊接氣缸回到原點位置時，再輸送裝填呼吸閥。上型腔模具由焊接氣缸驅動，調整氣缸進氣壓力，控制焊接壓力的大小，調節調速閥可靈活改變氣缸伸縮速度。超聲波焊接裝置如圖2所示。

1-超聲波焊接裝置；2-氣動輸送裝填裝置

1.2 氣動輸送裝填裝置的設計

氣動輸送裝填裝置主要由送料氣缸、頂料氣缸、導軌、滑塊、料盤、真空吸盤等組成[5]，如圖3所示。利用真空吸盤3吸附固定呼吸閥并定位在料盤2中，直線導軌7和滑塊6及送料氣缸5、頂料氣缸4配合完成輸送。選型采用標準化零部件，方便采購配套的標準氣動、機械、電氣接口及進行維護。

1-焊接氣缸；2-上模具；3-下模具；4-工作臺；5-變幅桿；6-超聲波振子；7-氣缸安裝板；8-支撐柱；9-底板

1-頂料支架；2-料盤；3-真空吸盤；4-頂料氣缸；5-送料氣缸；6-滑塊；7-直線導軌

吸盤直徑越大吸附力越大，料盤設計也需變大，但料盤過大影響呼吸閥定位準確度，考慮呼吸閥體積及重量，結合真空吸盤直徑及吸盤與呼吸閥底面最大靜摩擦力的關系，選用直徑為25 mm平型帶肋類型的硅橡膠真空吸盤，型號為ZP-25-CS。氣動輸送裝填裝置選型見表1。

表1 氣動輸送裝填裝置選型

根據吸盤型號設計料盤，并將料盤一側設計較長橫臂，料盤送料過程利用橫臂阻擋后序呼吸閥排出，料盤結構如圖4所示。

圖4 料盤結構

2 氣動系統設計

氣動回路主要由氣源、凈化調節裝置、各電磁控制閥以及各執行氣缸組成，氣動原理圖如圖5所示。氣動系統采用雙作用氣壓缸雙向調速控制回路，配有3個二位五通先導單電控電磁閥分別用于控制送料氣缸、頂料氣缸、焊接氣缸兩側的通氣狀態，從而決定伸出或者退回兩者狀態之間的切換；2個二位二通電磁閥用于控制真空發生器產生真空條件與迅速破壞真空吸盤的真空狀態；氣源三聯件空氣包括減壓閥、過濾器、油霧器，減壓閥可對氣源進行降壓穩壓，使氣源壓力保持相對穩定。

1-送料氣缸；2-頂料氣缸；3-焊接氣缸；4-真空發生器組件；5-真空吸盤；6-二位二通電磁閥；7-減壓閥；8-氣源三聯件；9-二位五通氣動電磁閥

3 電氣系統設計

3.1 硬件設計

電氣系統硬件由主電路和控制電路組成，控制系統以PLC為核心。主電路圖如圖6所示，交流電源220 V進線首先經過空氣斷路器，再由旋鈕開關選擇是否接通主接觸器KM1，供電給開關電源、PLC以及主要的用電設備。各線路配相應規格的保險熔絲，保證電路的安全運作。振動盤供電接觸器KM2由中間繼電器控制。

圖6 主電路圖

選擇采用臺達DVP-40ES系列PLC作為控制主機，其主機自帶24 V電源，但是其功率有限且損壞難以更換，輸入輸出設備數量多，所以輸入輸出設備選擇外部開關電源供電，輸入點信號為直流電源流入共享端S/S即SINK接法。PLC外部接線圖如圖7所示。

圖7 PLC接線圖

3.2 控制系統程序設計

半自動呼吸閥口罩打閥機的控制系統由PLC和觸摸屏HMI組成，下位機PLC實現各傳感器信號的接收處理，對各電磁閥直接控制；上位機觸摸屏HMI監控各裝置運行狀態，能夠實現對PLC控制命令的發送及數據讀取，兩者之間通過RS232通訊串口實現通訊[6]。

半自動呼吸閥口罩打閥機控制程序由PLC和觸摸屏HMI程序兩部分組成，PLC程序使用臺達公司編程軟件WPLsoft2.46用梯形圖語言編寫，觸摸屏畫面用威綸通EB8000軟件組建。

3.2.1 控制流程分析

半自動呼吸閥口罩打閥機有自動和手動兩種裝填呼吸閥模式，自動模式下整個裝填過程全部自動完成，系統工藝流程如圖8所示。開始由振動機構將呼吸閥挑選整理后依次送入軌道排列等待提取，進入送料盤的呼吸閥由料盤底部的真空吸盤吸附固定，接著由送料氣缸推送料盤至上模具型腔下方，頂料氣缸推送真空吸盤向上運動完成裝填呼吸閥動作后依次退回；然后由人工放置口罩到超聲波下模具上，最后由焊接裝置完成呼吸閥與口罩的焊接工作；取下口罩，延時，進入下一個工作循環。其中的焊接工藝流程如圖9所示。根據工藝流程制定的程序流程框圖如圖10所示。

圖8 系統工藝流程

圖9 焊接工藝流程

圖10 程序流程框圖

3.2.2 梯形圖設計

PLC程序按梯形圖從上到下、從左到右的順序執行程序。程序采用環環相扣的設計思路，即一個觸發條件會接通一個保持電路，而保持電路會切斷上一個電路，又接著觸發下一個電路，直到最后的電路觸發最開始的電路，最終不斷循環這個過程。程序中還增加了安全保護觸發條件，只有在檢測到有口罩放置在工位時才可以進行焊接操作。料盤部分也配備相應的傳感器檢測是否有呼吸閥，否則不進行裝填動作。

程序設計中使用了多個10毫秒單位的停電保持計時器，用來設置裝填焊接動作的時間參數，配合HMI數值輸入元件的數值限制，可將時間輸入控制在合理范圍，有效避免了誤輸入造成設備損壞。使用兩個停電保持計數器用來計入總產量與開機后的產量，使產量的記錄與管理變得簡單容易。經過仿真調試，此次設計的梯形圖實現了設想的功能。

使用臺達WPLsoft2.46編程軟件編輯的部分梯形圖[7]如圖11所示。

圖11 部分梯形圖程序

3.3 人機界面HMI組態設計

人機界面不僅要滿足設計的功能要求，還需滿足界面的外觀按鈕便于操作者的操作。

3.3.1 主界面設計

主界面可以通過界面下方按鈕控件直接跳轉到相應的子界面，是日常操作的主要窗口，由相應的時間日期顯示、計數、各種操作控件組成，如圖12所示。

圖12 主界面

3.3.2 參數設置界面設計

參數界面主要是時間定時器的時間設置，定時器為10毫秒基準調整單位，精準調整時間，配合HMI數值輸入元件的數值限制可將時間輸入控制在合理范圍，如圖13所示。

圖13 參數設置界面

設計制作的半自動呼吸閥口罩打閥機如圖14所示。經調試，設備運行穩定，故障率極低，可以長時間工作。

圖14 設計制作的半自動呼吸閥口罩打閥機

4 結論

按照本文的設計思路制作的半自動呼吸閥口罩打閥機可實現8個/min呼吸閥口罩的焊接，在確保口罩焊接合格的同時，極大提高了口罩焊接的速度。使用該設備后可減少人員投入，降低生產成本，為大批量生產優質口罩提供一種實現方法。