防护服贴条机的结构与控制系统的优化设计

郭 力，陈伟升，黄 平

（1.中国电器科学研究院股份有限公司，广州 510300；2.东莞市迈邦智能制衣设备有限公司，广东东莞 523000）

0 引言

据中国缝制机械协会不完全统计，疫情之前国内生产防护服贴条机企业共有十余家，数量非常之少[1]。疫情发生之后，抗疫一线医疗防护服不断告急，处于产业链上游的生产设备缺口非常之大，产能严重不足。医用防护服是重要医疗物资，是保护医护人员生命安全的关键屏障。而其中防护服贴条机又是医用防护服增产扩能的关键配套产品[2]。防护服贴条机通过热风对热封胶带进行加温（加热），利用压轮连续运转进行加压，将热封胶带粘合在防护服（或其他产品）的缝口上，以达密封的目的与效果[3]。

另一方面，目前，防护服贴条机无论是在产品设计方面，亦或是生产制造过程中都缺少对应国家、行业标准，缺乏统一的科学评价要求，因此造成了机器的质量水平参差不齐的现象，导致了防护服密封效果不能完全满足要求，从而不仅在国家经济上带来损失，更会影响广大群众，特别是医护人员的生命安全[4]。

因此，为了实现更好的密封效果，隔离病菌和有害超细粉尘等，保证医护人员的安全和保持环境清洁。在做了大量针对防护服贴条机的国内外研究与调研的基础上，并且已经通过实践证明了可行性的情况下，本文将主要讲述如何科学地设计并优化防护服贴条机的硬件设备以及软件系统，从而提高贴条机产品质量、提高产能以及完善相应的控制系统[5-6]。

1 工作原理

防护服贴条机主要的工作原理：在加热密封胶带后，胶带上的粘合剂黏性会变得活跃，再将其加压贴合于防水涂层或织物封口叠层上。待胶带冷却后，胶带与封口便可以紧密地粘合在一起。封口的粘合强度能够阻挡加压水渗入接缝，这便制成了防水缝口[7]。

本文设计的防护服贴条机能够准确地控制所产生的热风温度，并可以直接加热密封胶带的粘合剂。织物及加热后的胶带会受压被输送入上下轮的旋转滚轴上，上下轮的线速度称之为密封缝合速度。

在密封过程中，热风从风嘴喷出，因为实际到达胶带表面的热风是风嘴所喷出的热空气及周围空气的混合气体，故气体到达胶带的实际温度低于风嘴的温度。可见，风嘴与胶带之间的距离越近，热风中所混合的周围空气比例越低；另一方面，提高热风的流量也可减少周围空气混入的比例，从而提高接触胶带的热风温度。因此，风嘴位置的设计及热器流量的控制是防护服贴条机工作效率及工作质量的重要考核因素[8]。

综上所述，影响缝口密封缝合的主要因素：热风温度；密封缝合速度；风嘴气压；空气流量；风嘴位置。以上条件的合理设计，将直接影响密封缝合的准确性、快速性、科学性，在防护服贴条机的设计中需综合考虑所有因素。

2 结构设计

图1所示为防护服贴条机各部件组成的总装配图。防护服贴条机的重要结构包括加热器、加热器运动机构、上下压轮组件、机架主体4大部分。其中的核心部分就是加热器部分及其运动机构，而加热器机构核心零部件是发热管及其外围U型导风管，运动机构的核心组件是摆动机构及其连接结构件选材。

图1 防护服贴条机三维模型

在本文设计中，对防护服各重要组成结构主要做了如下的设计以及优化，从而提高机器的产能和质量。

2.1 加热器组件

加热器组件的功能是把压缩空气加热到所需温度，图2所示为压缩空气加热线路。主要优化了空气流通管道的设计，采用U型的外围导风管。压缩空气经U型管道后再留进发热管内部，然后再流经风嘴吹出加热胶条。该设计利用最外围的压缩空气有效降低了加热器外围导风管的温度，从而更好地保护使用者的安全。同时因压缩空气经过了外围循环从而达到了预热的效果，使得加热效率更高。

图2 压缩空气加热线路

如图3所示，发热管是加热器最为核心的部件，本文设计的防护服贴条机优化了发热管的发热丝绕制，从原来的单根一种发热丝绕制改为2种规格发绕丝绕制，对发热管尾部发热丝进行加粗并与前端相连接，在不大幅度增加功率的同时，有效地减少发热管尾部因温度过高而烧坏，从而增加了发热管的寿命。

图3 发热丝烧制

2.2 加热器运动机构

加热器运动机构的功能主要是把加热器及风嘴快速平稳地转动到所需位置加热胶带，图4所示为加热器运动机构的装配示意图。本文设计的防护服贴条机优化了两轴气动摆动机构的设计，传统的单轴气缸摆动设计稳定性不足，对胶条的适用性不够广，并且容易出现贴条两端折皱等工艺缺陷；同时，在制造工艺上选用了质量更好的材质为工程塑料的免维护滑动轴承及平面轴承，用以代替传统的深沟球轴承和平面推力球轴承的组合。

图4 加热器运动机构三维装配示意图

2.3 机架主体机构

机架的主体结构主要是按照了上下压轮组件及其它电气气动组件，图5所示为机架主体的结构三维设计图。本文设计的防护服贴条机优化了整体的外观设计，在保证上下压轮组件安装位置合适的前提下，将机身结构整体向后移，使得操作台右侧整体的操作空间更宽敞，从而在进行防护服压胶时有着更高的效率，进而提高防护服贴条的产能。

图5 机架主体结构的整体三维图

3 控制系统

图6所示是本文设计的防护服贴条机控制系统[9-11]的主页面，具体功能如下。

图6 防护服贴条机控制系统主页面

（1）可以直接设置贴条件密封速度。

（2）风嘴温度设定按键，按钮上直接显示设定温度。点击按钮会弹出数字键盘，可以方便地进行温度的设定。

（3）风嘴锁定启动和取消按钮，可以在穿胶条时使用，防止错误操作造成安全问题。

（4）显示风嘴当前实际温度，为用户操作时提供指示。

（5）可以进行上下压轮差速设定，差速较大时（小于90%或大于110%），滚轮之间一定要放置一块织物，否则会导致传输系统压力过大而损坏机器部件。

（6）风嘴加热器的开关按键，当加热器打开时，会显示“发热开启”的字样。

（7）可以进行防护服贴条机倒车的操作。

（8）实现贴条的剪带功能。

（9）控制防护服贴条机带夹得落带功能。

（10～12）可设置风嘴压力值，通过调节压力数值和单位实现对风嘴压力的精确控制。

（13）可进行压轮压力值的控制，通过设置准确的压轮压力实现贴条的压力控制。

（14～17）点击之后打开新界面进行对应功能设定，实现防护服贴条过程的精确控制。

另外，本文设计的防护服贴条机还能够实现自动定长剪带，如图7所示，可以设置需要进行剪带的数量，最多可以设置10段，并且能够分别设置每段的长度；同时，剪带过程还考虑了带头补偿长度和定长补偿长度。如果定长剪带的每段长度的设定值小于带头设定的送带长度，设定值会自动修改为带头长度。

图7 定长剪带设定页面

最后，本文设计的防护服贴条机还带有监控系统和报警系统，如图8～9所示。

图8 监控界面

图9 警报界面

（1）监控系统能够检测机器各个输入输出点的工作情况，例如上轮气缸测试、发热固态继电器测试、摆枪气缸测试、剪刀气缸测试、带夹气缸测试等。

（2）贴条机各重要部位安装有传感器，监控系统能够进行多种故障警报，例如温度传感器异常警报、送带器异常警报、风嘴压力过低警报、加热异常等。

4 创新性与先进性

经过设计方案的不断调整以及在试制过程中对制造工艺的摸索，通过改进工艺技术、供应链协同、加工配套等工作，本文设计出的防护服贴条机，相比传统的贴条机，优化了结构设计，采用U型外围导风管，有效降低了加热器外围导风管的温度，更好地保护使用者安全，同时使加热效率更高；另外，设计也优化了发热管的发热丝绕制，从原来的单根一种发热丝绕制改为两种规格发绕丝绕制，增加了发热管的寿命；并采用全新的外观设计，使得操作空间更加宽敞。

最重要的一点，本文设计的防护服贴条机还采用了模块化的设计，机器出现问题时，用户可通过轨迹追踪和微电脑检测，迅速找出问题所在并直接更换新的模块，使得故障机器可以很快重新投入工作。模块化的设计极大地减少了用户在安装、使用和维修环节上的时间成本，省人省力并且高效，具有极大的创新性和先进性。

5 结束语

本文分别从软硬件的角度简要地介绍了新型防护服贴条机的设计与优化过程，该款贴条机能准确控制所产生的热风温度，并直接加热密封胶带的粘合剂，织物及加热后的胶带会受压被输送入上下轮的旋转滚轴上，实现密封。上下轮不同速度的调节适用于不同弹性物料；复合式风嘴运动轨迹让胶带起头和中间停机过程时的温度更平均，因此产品会更为优质；自动送带机构使得切割裁片与胶条贴合更平顺，针对弹性物料可灵活控制尺寸；通过可编程控制器（PLC），操作简单稳定，贴合程序分段（带头、带中、带尾）设置参数更灵活。

该款防护服贴条机已经投入了正式的生产和销售，并且也以该贴条机为基础也制定了首个团体标准，规范了贴条机的技术标准，这将有助于提升我国医用防护服制作的质量水平。

随着全球疫情还在持续，各国对防疫装备的需求有增无减，我国对海外的防护服及装备的出口量迅速增加，并且受疫情影响很多服装厂转型生产防护服，所以该款新型防护服贴条机的研制将为我国甚至全球疫情防控大局提供设备保障。