全自動毛巾折疊機的研究與設計

安源，徐明旭，李松林，曹長業，曹可新，陳浩東，徐學正，李賀

（1.吉林大學 機械與航空航天工程學院，長春 130000；2.中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062；3.煙臺杰瑞石油裝備技術有限公司，山東 煙臺 264000；4.沈陽機床（集團）有限責任公司，沈陽 110142）

0 引言

毛巾是人們日常生活中最常用的清潔工具[1]，在餐飲、服務等行業應用廣泛。毛巾折疊機工作效率高，節省勞動力并且無二次污染，是折疊毛巾的最理想設備。毛巾折疊機在商品發展及包裝工業中起著重要作用。隨著人們對毛巾在質量、美觀度、衛生條件等方面的要求逐漸提高，毛巾折疊機的種類和功能也逐漸增加。

經濟快速發展中所帶來的環境問題日益顯著，消費者環保意識不斷增強[2]。人們逐漸建立自然、健康、安全、環保節能的消費理念和消費方式[3-5]。可回收的消毒毛巾代替了傳統的餐巾紙。其中“蛋卷式”折疊方法非常適用于方巾，折疊后的毛巾小巧、易于存儲且方便運輸，已經在酒店服務行業、餐飲食品行業普及。毛巾折疊作為我國的勞動密集型產業，人工折疊不僅效率低、成本高且容易對消毒后的毛巾造成二次污染[6]。

因此，本文通過文獻研究，設計出一種可以將毛巾折疊成蛋卷狀的自動毛巾折疊機，可有效地將毛巾的折疊批量化、規范化、衛生化。

1 毛巾折疊機整體結構設計

本文研究設計的毛巾自動折疊機用于將方巾折疊成“蛋卷式”，能夠代替人工折疊毛巾。其整體結構示意如圖1所示。主要由上料機構1、折疊機構2、打卷機構3組成；上料機構1負責從毛巾垛中抓取和運輸毛巾的工作；折疊機構2負責毛巾的3次折疊工作；打卷機構3負責最后毛巾搓成“蛋卷”的工作。

圖1 毛巾折疊機整體方案

2 工作原理

按照毛巾的柔軟性質和折疊方法，設計的毛巾自動折疊機如圖1所示，其工作原理如下：上料機構1從毛巾垛中利用4個氣動抓手逐一抓取毛巾并輸送到平臺上；在折疊機構2中待毛巾運行到第一次折疊單元位置，氣缸作用下的推板和壓板相互配合對毛巾進行圖2（b）→圖2（c）所示的第一次折疊；待運行到第二次折疊單元位置時，利用電動滑臺作用下的一對對稱的推板和氣缸作用下的壓板實現對毛巾進行圖2（d）→圖2（g）所示的第二、三次折疊；毛巾隨輸送帶運行到打卷機構3中的楔形搓卷空間，搓卷板為毛巾提供一對方向相反的摩擦力將其搓成蛋卷式，任務完成。與將長條狀毛巾打卷的毛巾打卷機相比，該自動毛巾折疊機適用于將毛巾折疊成蛋卷式，無需人工碼料，且折好后的毛巾更加美觀小巧。

3 關鍵機構的詳細設計

3.1 上料機構

上料機構1由氣動抓手4、微動開關、抓手固定盤5、托板8、電動缸9和鋁型材框架10組成，如圖3所示。電動滑臺固定于鋁型材框架10上，抓手固定盤5通過螺栓固定于電動滑臺6的滑塊上，通過L形固定片將4只氣動抓手安裝在抓手固定盤5上。微動開關嵌于抓手固定盤5下面。

圖3 自動上料部分結構圖

圖4 自動打卷部分結構圖

圖5 自動打卷部分結構圖

電動缸9固定于鋁型材框架10上，支架8與電動缸9的伸縮軸連接。托板8用于承載毛巾垛7。該上料機構的任務就是將毛巾逐一分開并將每一張毛巾輸送到折疊機構2的傳送帶上。

電動缸9推動托板8上的毛巾垛7向上直線運動，當毛巾垛7觸碰到抓手固定盤5下面的微動開關后，電動缸9停止上升。4只氣動抓手4通氣，電動缸9沿直線垂直向下移動，從而使抓取到毛巾的電動滑臺6能夠向右移動到折疊機構2的正上方，松開氣爪，毛巾成功脫落在傳送帶上。電動滑臺6返回到待機位置，電動缸9重新進行上述操作，從而實現連續上料。

3.2 折疊機構

折疊機構2由傳送帶11、鋁型材框架16、直流電動機23、傳送帶24、傳感器以及第一折疊單元和第二折疊單元組成。用于支撐傳送帶轉動的同步帶輪被螺栓固定于鋁型材框架16上，由直流電動機提供動力，帶動傳送帶轉動。毛巾的兩次折疊均采用“錯切原理”。“錯切原理”是指兩個相差一定高度的推板相對移動，從而在空間上形成一個剪切的過程，即壓板壓在毛巾的一側，而毛巾的另一端位于推板的上方，當推板和壓板相對移動時，壓在推板上的毛巾便會因推板和壓板的共同作用而發生折疊[7]。

第一折疊單元由氣缸13、電動滑臺15、推板14、壓板12、傳感器、傳送帶11、同步帶輪和直流電動機23組成。從上料機構1輸送到折疊機構2的毛巾隨傳送帶11移動，毛巾緩緩滑到推板14上。毛巾到達預設位置時，傳感器會接收信號使直流電動機23停止轉動。壓板機構由氣缸13和壓板12組成；氣缸通過螺栓與壓板12連接。推板機構由電動滑臺15與推板14組成；電動滑臺15與推板14通過L形固定片連接。當傳送帶11停止后，氣缸13控制壓板12下壓到工作位置，電動滑臺15帶動推板14緩緩將毛巾向左推動，毛巾完成第一次折疊任務。直流電動機23開始轉動并帶動傳送帶11上的毛巾進入到第二折疊單元。

第二折疊單元由氣缸18、過渡板17、推板21、推板22、壓板19、電動滑臺20、傳感器、傳送帶24、同步帶輪和直流電動機25組成。從第一折疊單元輸送到第二折疊單元的毛巾通過過渡板17緩緩滑到推板21、22上。毛巾到達預設位置時，傳感器會接收信號使直流電動機25停止轉動。壓板機構由氣缸18和推板19組成；氣缸18通過螺栓與推板19聯接。推板機構由電動滑臺20與推板21、22組成；左、右電動滑臺分別與左、右推板通過L型固定片聯接。當傳送帶24停止后，氣缸18控制壓板19下壓到工作位置，由于圖2（d）→圖2（g）所示的兩次折疊相對于毛巾是對稱分布的，所以可以在一個工位依次完成兩次折疊任務。直流電動機25開始轉動并帶動傳送帶24上的毛巾進入到打卷機構部分。

3.3 打卷機構

打卷機構由搓卷板26、楔形空間27和傳送帶24組成。搓卷板26利用螺栓固定于打卷機構的鋁型材框架16的最右側橫梁。毛巾打卷采用一對運動方向相反且帶有紋路的兩條板材對搓，使毛巾受到一對方向相反的摩擦力組合成的力偶，從而實現毛巾打卷的功能。利用打卷機構2中第二折疊單元的傳送帶，在其右側安裝一打卷板26，打卷板26由質量輕、彈性大的鋁片制成，內表面與傳送帶材質相同。使傳送帶24與打卷板26組合成為楔形打卷空間27。當毛巾完成折疊任務后，傳送帶24繼續轉動使毛巾進入打卷機構3，利用楔形的打卷空間，使毛巾受到力偶從而完成打卷任務。

與運用兩套運行方向相反的輸送平臺對毛巾進行打卷相比，不僅節省了空間，而且減少了一套輸送平臺，從而節省資源、降低成本。

4 實驗

根據結構的設計和經驗，制造了一臺自動毛巾折疊機，如圖6所示。為了確認該機器是否能滿足設計要求及功能是否達標，進行了實際的樣機試驗。實驗中的方巾選用規格為300 mm×300 mm的純棉材質方巾。電動機轉速為380 r/min，電動缸及電動滑臺移動速度均為0.2 m/s。實驗證明了該結構的設計與理論的正確性，打卷后的毛巾美觀小巧、易于運輸且避免了二次污染，打卷效率與熟練工人基本一致，但是可24 h工作，所以生產效率遠高于人工。

圖6 全自動毛巾折疊機實物圖

5 控制系統軟件設計

選用歐姆龍CP1H系列的PLC[8-9]，該PLC采用現代大規模集成電路技術，嚴格的生產工藝制造和內部電路的先進抗干擾技術使其具有很高的可靠性[10]。選用CX-Progra mmer編程軟件，其特點為功能豐富、操作簡單，具有豐富的調試功能和良好的兼容性。

該毛巾折疊機的程序按照功能可劃分為5個部分：參數錄入部分、初始化部分、主程序部分、報警單元部分和終止部分。其中錄入部分是將需要的指令錄入到存儲單元中，當需要某項指令時，通過地址將指令從存儲單元中調出。初始化部分是為每個執行元件確定工作初始點。主程序部分為該程序的核心部分，通過動作的不同可分為自動上料部分、第一折疊部分和第二折疊部分[11]，各個執行單元根據指定的操作命令來完成任務。報警單元部分負責實時監控程序的執行。終止部分負責結束程序的運行。其具體控制流程如圖7所示。

圖7 控制系統流程圖

6 控制系統硬件設計

根據毛巾折疊機工作時各氣缸的工作需求，編制了一套氣動回路圖，如圖8所示。

圖8 氣動回路圖

7 結論

目前折疊毛巾的方式仍采用傳統人工折疊的形式，不僅費時費力而且容易造成對消毒后的毛巾二次污染。本文在對方巾包裝情況進行充分調研和分析的基礎上，設計并研制了一套組合全自動毛巾折疊機。經過反復試驗、調試，證明該機器可以有效地將方巾折疊成蛋卷形狀，效率高且成本低。

該全自動毛巾折疊機的開發和應用為我國勞動密集型產業的產品生產提供了重要參考，相信會在未來毛巾包裝市場得到廣泛應用。