半自動口罩耳帶焊接機設計與實現*

侯柏林

(惠州城市職業學院，廣東 惠州 516025)

0 引言

口罩能有效保護口腔、呼吸道等,能有效隔斷傳染病、流行性呼吸疾病等常見疾病,也是日常醫用衛生防疫用品。隨著新型冠狀病毒肺炎的流行,醫用防護用品的需求急劇上升,各廠家都在加緊生產[1]。

2020年以來,口罩需求的猛增使得口罩制造商急需開發一種安全、效率高、控制好的口罩耳帶焊接機及控制系統[2]。程爭卿等[3]發明了一種全自動折疊式的口罩機送料裝置。曾俊福等[4]設計了一套主動送料機構,解決了從動輪送料機構張力不足等問題。張偉等[5]設計了一套新型口罩機,解決了布料輸送過程中的折彎問題,實現了生產五層KN95口罩。王安敏等[6]設計了兩個口罩模在一個焊接工作臺面上并實現兩個焊接位輪替焊接,提高了焊接效率。

本文設計了一種基于PLC控制的應用于C型口罩的口罩耳帶半自動焊接設備,并對機械結構、功能、控制系統進行了設計。

1 基于PLC的C型口罩耳帶半自動焊接設備總體結構

基于PLC控制的應用于C型口罩的耳帶半自動焊接設備總體結構如圖1所示,主要由轉盤平臺機構1、氣動拉耳帶機構2、雙軸氣缸壓緊機構3、耳帶夾取旋轉送料機構4、摩擦輸送機構5、張力滾輪及保持配重機構6、手指氣缸剪切耳帶機構7、壓緊焊接機構8、機架9等組成。

1-轉盤平臺機構;2-氣動拉耳帶機構;3-雙軸氣缸壓緊機構;4-耳帶夾取旋轉送料機構;5-摩擦輸送機構;6-張力滾輪及保持配重機構;7-手指氣缸剪切耳帶機構;8-壓緊焊接機構;9-機架

通過摩擦輸送機構5輸送耳帶線,利用張力滾輪及保持配重機構6實現耳帶松緊調節并保持平衡;利用手指氣缸剪切耳帶機構7實現耳帶長度裁剪;通過耳帶夾取旋轉送料機構4實現旋轉90°并夾取耳帶便于下一步工序雙軸氣缸壓緊機構3對口罩進行壓緊,然后利用壓緊焊接機構8實現焊接;利用轉盤平臺機構1可以實現精準定位,調整不同的角度便于焊接不同型號的口罩[7,8]。

2 控制系統設計

半自動口罩耳帶焊接機工藝參數要求如表1所示。選擇三菱FX3U-48MT/ES-A型號PLC可滿足控制系統的I/O點數及高速脈沖的輸出需求;焊接溫度監測和控制采用模擬量輸入/輸出模塊;口罩主體的傳送驅動采用小型伺服電機驅動;HMI觸摸屏采用威綸通TPC1031Ki;溫度變送器選用赫斯曼一體化溫度傳感器HTHSM-010,探頭長度為70 mm,精度為0.1 ℃。

表1 半自動口罩耳帶焊接機參數

3 主要部件機械結構設計

3.1 摩擦輸送機構

摩擦輸送機構主要由耳帶放置架1、鋁滾輪2、6W減速電機3、包膠輪4、配重塊5、滾輪6、小滾輪7等組成,如圖2所示。

1-耳帶放置架;2-鋁滾輪;3-6W減速電機;4-包膠輪;5-配重塊;6-滾輪;7-小滾輪

摩擦輸送機構主要功能是控制耳帶自動上料并將耳帶順利送入耳帶剪切裝置處,由包膠輪4和鋁滾輪2組成一對摩擦輪,由6 W減速電機3提供動力;耳帶的張力通過滾輪6的自身重量及配重塊5進行維持,耳帶往下拉時,滾輪可以往上升;由3個小滾輪7實現上下調節,保證耳帶順利到達耳帶剪切機構并實現耳帶調直及保證耳帶的繃緊,實現耳帶的備料。

3.2 手指氣缸剪切耳帶機構

手指氣缸剪切耳帶機構主要由Y型氣動手指1、耳帶剪刀2、夾頭滑塊3、導軌4、液壓緩沖器5、浮動接頭6、耳帶氣缸7、座板8等組成,如圖3所示。手指氣缸剪切耳帶機構本質上是一種耳帶拉線裁剪裝置,座板8水平安裝在圖1所示的機架9上,導軌4安裝在座板8上,耳帶氣缸7固定在座板8上;夾頭滑塊3可以左右滑動將耳帶拉出;Y型氣動手指1用于耳帶剪斷,耳帶剪刀2包括兩個上下交叉的半剪刀,半剪刀的交叉處通過一鉸軸鉸接于兩個左右正對的鎖合塊上;為防止氣缸在運動過程中撞擊到其他零部件,采用液壓緩沖器5實現設備沖擊的緩沖;浮動接頭6的主要作用是使耳帶氣缸7釋放一定的自由度,防止耳帶氣缸7在安裝或者運行過程中被憋死。

1-Y型氣動手指;2-耳帶剪刀;3-夾頭滑塊;4-導軌;5-液壓緩沖器;6-浮動接頭;7-耳帶氣缸;8-座板

3.3 耳帶夾取旋轉送料機構

耳帶夾取旋轉送料機構主要由升降氣缸1、耳帶升降滑動裝置2、滑臺氣缸3、雙聯齒條4、耳帶開閉氣缸5、耳帶抓取夾6等組成,如圖4所示。通過耳帶抓取夾6抓取耳帶的兩頭,在雙聯齒條4帶動下通過齒輪齒條運動帶動耳帶抓取夾子旋轉90°并通過限位塊進行角度限位,到位后,進行耳帶一邊兩頭的焊接;焊接結束后,旋轉臺旋轉一定角度,重復以上動作進行耳帶另外一邊兩頭的焊接。

1-升降氣缸;2-耳帶升降滑動裝置;3-滑臺氣缸;4-雙聯齒條;5-耳帶開閉氣缸;6-耳帶抓取夾

3.4 壓緊焊接機構

壓緊焊接機構主要由超聲波升降電機1、超聲波升降滑動裝置2、換能器安裝板3、超聲波焊頭4等組成,如圖5所示。首先,夾耳帶機構夾緊耳帶后在電機推動下沿著導軌伸出,耳帶達到合適的長度后,Y型氣動手指完成伸縮動作并剪切;然后,通過耳帶抓取裝置抓緊耳帶并旋轉90°到達焊接位置進行焊接。焊接過程中氣缸爪子防止走位超程問題、液壓緩沖器防止碰撞,利用限位傳感器實現剪切特定長度的耳帶。

1-超聲波升降電機;2-超聲波升降滑動裝置;3-換能器安裝板;4-超聲波焊頭

3.5 轉盤平臺機構

轉盤平臺機構主要由電機1、減速機2、步進電機固定板3、感應器固定塊4、聯軸器5、光電開關6、轉盤軸7、光電感應開關8、轉盤9、轉盤軸套10、接近開關支架11、出料感應片12等組成,如圖6所示。電機1啟動后,通過減速機2、聯軸器5帶動轉盤9旋轉一定角度,通過光電感應開關8感應有無工件,從而實現自動焊接。另外,可以通過調節一定角度實現不同口罩類型的焊接,提升了其不同型號的適應性。

1-電機;2-減速機;3-步進電機固定板;4-感應器固定塊;5-聯軸器;6-光電開關;7-轉盤軸;8-光電感應開關;9-轉盤;10-轉盤軸套;11-接近開關支架;12-出料感應片

3.6 雙軸氣缸壓緊機構

雙軸氣缸壓緊機構主要由下壓固定板1、支撐立板2、氣缸3、下壓安裝板4、旋轉軸5、壓板6、定位塊國內成人款7等組成,如圖7所示。通過壓板以及氣缸的上下運動實現口罩的壓緊及精準定位;通過更換不同的定位塊形狀可以實現不同口罩類型的壓緊和焊接,焊接效率大大提高。

1-固定板;2-支撐立板;3-氣缸;4-下壓安裝板;5-旋轉軸;6-壓板;7-定位塊國內成人款

4 驗證性試驗

對樣機生產能力進行了驗證性試驗,試驗結果如下:

(1) 無需停機卸料,提高了生產效率,焊接效率是人工手動焊接的數倍,設計效率最高為40 PCS/min。

(2) 采用半自動口罩耳帶焊接機不僅減輕工人的勞動強度,縮短了焊接時間,而且能夠確保焊縫質量、工作性能穩定,得到了客戶的一致好評。