一種基于PLC程序控制的自動化平面口罩外耳帶焊接系統的設計

王豪 曹飛 蕭金瑞 鐘樂華

摘 要：為提高平面口罩外耳帶的焊接質量和效率，設計了一種基于某國產品牌PLC的自動化平面口罩外耳帶焊接系統。該系統采用氣缸驅動為主、電機驅動為輔的驅動方式，集氣動控制、電動控制、程序控制等多種控制方式于一體，實現了平面口罩來料檢測、耳帶剪切、耳帶焊接和口罩熱壓等自動化功能，解決了傳統半自動平面口罩耳帶繩焊接設備加工效率低、質量不穩定的問題。

關鍵詞：PLC控制;平面口罩機;耳帶焊接;超聲波焊接

中圖分類號：TP273;TS103.7? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）10-0041-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.10.011

0? ? 引言

作為預防新冠肺炎的有效手段，口罩的重要性不言而喻[1]，2020全年我國口罩產量突破了60億只[2]，在疫情防控中發揮了重要作用。而在疫情初期，由于口罩加工標準不統一、質量控制不嚴格等原因，產生了諸如口罩片不平整、耳帶繩焊不牢等嚴重質量問題，致使口罩佩戴者處于暴露的風險之中。因此，設計一種自動化的平面口罩外耳帶焊接系統，提升口罩外耳帶的焊接質量和效率就顯得尤為重要?；赑LC的可靠性和經濟性，口罩生產的控制系統可以采用PLC[3-4]，因此本文設計了一種基于PLC程序控制的自動化平面口罩外耳帶焊接系統。

1? ? 平面口罩外耳帶焊接機構設計

1.1? ? 機構組成

如圖1所示，平面口罩外耳帶焊接機構主要由升降氣缸（Y110、Y20）、旋轉氣缸（Y111、Y21）、雙夾耳帶氣缸（Y112、Y22）、焊耳帶氣缸（Y105）、放耳帶電機（Y3、Y4）、前壓料氣缸（Y13）、放耳線浮輥（X12、X13）以及機架組成。裝載口罩片的料盤從前壓料板下方垂直方向上水平通過，通過0.4～0.6 MPa氣壓的壓縮氣體驅動前壓料氣缸（Y13）壓住口罩片，先后驅動左右升降氣缸（Y110、Y20）、左右旋轉氣缸（Y111、Y21）、左右雙夾耳帶氣缸（Y112、Y22）、左右焊耳帶氣缸（Y105）以及左右放耳帶電機（Y3、Y4），完成耳帶繩的自動剪切和焊接等功能。

1.2? ? 氣缸選型

平面口罩焊耳帶機構主要由氣缸驅動，輔助電機驅動，氣缸工作的穩定性直接影響整個機構的可靠性，因此氣缸選型就顯得尤為重要。普通雙作用氣缸以其穩定性高、使用便捷的優點，廣泛應用于自動化設備的搬運、碼垛、焊接、打磨等場景，本文以普通雙作用氣缸選型為例進行說明，過程如下：

普通雙作用氣缸的理論推力（N）為：

F0=■D2p? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：D為缸徑（mm）;p為氣缸的工作壓力（MPa）。

普通雙作用氣缸的理論拉力（N）為：

F1=■（D2-d2）p? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：D為缸徑（mm）;d為活塞桿直徑（mm），估算時，可令d=0.3D;p為氣缸的工作壓力（MPa）。

在實際工況中，氣缸的工作壓力一般設定為0.4～0.6 MPa。氣缸缸徑選型時還需要考慮負載率μ，一般氣缸水平使用時取μ=0.7，垂直使用時取μ=0.5[5]。

通過公式（1）和（2）以及參數計算，可以分別得出垂直方向上的升降氣缸、旋轉氣缸、焊耳帶氣缸、前壓料氣缸以及水平方向上的雙夾耳帶氣缸的缸徑。氣缸行程的選取需要綜合考慮工序以及實際工況。

2? ? 平面口罩外耳帶焊接控制系統設計

2.1? ? 控制系統設計

在平面口罩外耳帶焊接機構設計的基礎上，開展外耳帶焊接控制系統的設計。選用某國產晶體管PLC作為主控PLC，并具體分配了輸入/輸出（I/O）信號，如表1所示。主控PLC包含28個輸入點（X0～X33）和20個輸出點（Y0～Y23），如圖2所示，主控PLC主要負責啟?？刂?、急停報警、來料感應、氣缸升降旋轉、電機控制以及超聲波焊接控制等。

此外，在主控PLC的基礎上，增設了一個拓展PLC，拓展PLC包含16個輸入點（X100～X117）和16個輸出點（Y100～Y117），如圖3所示，拓展PLC主要控制拉耳帶氣缸、剪耳帶氣缸、焊耳帶氣缸等。

2.2? ? 控制界面

在平面口罩外耳帶焊接控制系統設計的基礎上，開展觸摸屏控制系統設計，控制界面如圖4、圖5所示。通過觸摸屏實現對運動氣缸、啟動電機、超聲波電箱、氣動剪刀以及各種光電、溫控傳感器等元器件的自動化控制。

3? ? 結語

本文所設計的基于PLC程序控制的自動化平面口罩外耳帶焊接系統，采用氣缸驅動為主、電機驅動為輔的驅動方式，集氣動控制、電動控制、程序控制等多種控制方式于一體，具有整機結構簡單、加工質量穩定、工作效率高、制造成本低的特點。在實際生產中，單機生產效率達到50～60片/min，焊接質量合格率≥96%（要保證單根耳帶承受10 N的拉力5 s不脫焊），較好地解決了傳統半自動化平面口罩耳帶繩焊接設備加工效率低、質量不穩定的問題。但該系統仍存在無法自主檢測口罩片褶皺、耳帶繩焊接不牢等缺陷的問題，后期擬將機器視覺技術應用在平面口罩缺陷檢測中[6]。

[參考文獻]

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[2] 智研咨詢集團.2020—2026年中國醫用口罩行業市場運行態勢及未來發展前景報告[R].中國產業信息網，2020.

[3] 許冠.一種新型平面口罩全自動化生產線的設計與實現[J].機電工程技術，2021，50（8）：66-69.

[4] 阮殿旭.基于PLC的平面口罩外耳帶機控制系統設計[J].科技風，2021（35）：17-19.

[5] 章熠超.基于電氣與氣壓混合驅動的搬運機械手設計[D].杭州：浙江理工大學，2016.

[6] 李東，梁家睿.機器視覺技術在平面口罩缺陷檢測中的應用[J].機電工程技術，2021，50（6）：257-262.

收稿日期：2022-03-01

作者簡介：王豪（1986—），男，廣東廣州人，碩士，工程師，研究方向：機電一體化、電工電子應用技術。