一种基于PLC程序控制的自动化平面口罩外耳带焊接系统的设计

王豪 曹飞 萧金瑞 钟乐华

摘 要：为提高平面口罩外耳带的焊接质量和效率，设计了一种基于某国产品牌PLC的自动化平面口罩外耳带焊接系统。该系统采用气缸驱动为主、电机驱动为辅的驱动方式，集气动控制、电动控制、程序控制等多种控制方式于一体，实现了平面口罩来料检测、耳带剪切、耳带焊接和口罩热压等自动化功能，解决了传统半自动平面口罩耳带绳焊接设备加工效率低、质量不稳定的问题。

关键词：PLC控制;平面口罩机;耳带焊接;超声波焊接

中图分类号：TP273;TS103.7    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2022）10-0041-03

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

0    引言

作为预防新冠肺炎的有效手段，口罩的重要性不言而喻[1]，2020全年我国口罩产量突破了60亿只[2]，在疫情防控中发挥了重要作用。而在疫情初期，由于口罩加工标准不统一、质量控制不严格等原因，产生了诸如口罩片不平整、耳带绳焊不牢等严重质量问题，致使口罩佩戴者处于暴露的风险之中。因此，设计一种自动化的平面口罩外耳带焊接系统，提升口罩外耳带的焊接质量和效率就显得尤为重要。基于PLC的可靠性和经济性，口罩生产的控制系统可以采用PLC[3-4]，因此本文设计了一种基于PLC程序控制的自动化平面口罩外耳带焊接系统。

1    平面口罩外耳带焊接机构设计

1.1    机构组成

如图1所示，平面口罩外耳带焊接机构主要由升降气缸（Y110、Y20）、旋转气缸（Y111、Y21）、双夹耳带气缸（Y112、Y22）、焊耳带气缸（Y105）、放耳带电机（Y3、Y4）、前压料气缸（Y13）、放耳线浮辊（X12、X13）以及机架组成。装载口罩片的料盘从前压料板下方垂直方向上水平通过，通过0.4～0.6 MPa气压的压缩气体驱动前压料气缸（Y13）压住口罩片，先后驱动左右升降气缸（Y110、Y20）、左右旋转气缸（Y111、Y21）、左右双夹耳带气缸（Y112、Y22）、左右焊耳带气缸（Y105）以及左右放耳带电机（Y3、Y4），完成耳带绳的自动剪切和焊接等功能。

1.2    气缸选型

平面口罩焊耳带机构主要由气缸驱动，辅助电机驱动，气缸工作的稳定性直接影响整个机构的可靠性，因此气缸选型就显得尤为重要。普通双作用气缸以其稳定性高、使用便捷的优点，广泛应用于自动化设备的搬运、码垛、焊接、打磨等场景，本文以普通双作用气缸选型为例进行说明，过程如下：

普通双作用气缸的理论推力（N）为：

F0=■D2p                 （1）

式中：D为缸径（mm）;p为气缸的工作压力（MPa）。

普通双作用气缸的理论拉力（N）为：

F1=■（D2-d2）p               （2）

式中：D为缸径（mm）;d为活塞杆直径（mm），估算时，可令d=0.3D;p为气缸的工作压力（MPa）。

在实际工况中，气缸的工作压力一般设定为0.4～0.6 MPa。气缸缸径选型时还需要考虑负载率μ，一般气缸水平使用时取μ=0.7，垂直使用时取μ=0.5[5]。

通过公式（1）和（2）以及参数计算，可以分别得出垂直方向上的升降气缸、旋转气缸、焊耳带气缸、前压料气缸以及水平方向上的双夹耳带气缸的缸径。气缸行程的选取需要综合考虑工序以及实际工况。

2    平面口罩外耳带焊接控制系统设计

2.1    控制系统设计

在平面口罩外耳带焊接机构设计的基础上，开展外耳带焊接控制系统的设计。选用某国产晶体管PLC作为主控PLC，并具体分配了输入/输出（I/O）信號，如表1所示。主控PLC包含28个输入点（X0～X33）和20个输出点（Y0～Y23），如图2所示，主控PLC主要负责启停控制、急停报警、来料感应、气缸升降旋转、电机控制以及超声波焊接控制等。

此外，在主控PLC的基础上，增设了一个拓展PLC，拓展PLC包含16个输入点（X100～X117）和16个输出点（Y100～Y117），如图3所示，拓展PLC主要控制拉耳带气缸、剪耳带气缸、焊耳带气缸等。

2.2    控制界面

在平面口罩外耳带焊接控制系统设计的基础上，开展触摸屏控制系统设计，控制界面如图4、图5所示。通过触摸屏实现对运动气缸、启动电机、超声波电箱、气动剪刀以及各种光电、温控传感器等元器件的自动化控制。

3    结语

本文所设计的基于PLC程序控制的自动化平面口罩外耳带焊接系统，采用气缸驱动为主、电机驱动为辅的驱动方式，集气动控制、电动控制、程序控制等多种控制方式于一体，具有整机结构简单、加工质量稳定、工作效率高、制造成本低的特点。在实际生产中，单机生产效率达到50～60片/min，焊接质量合格率≥96%（要保证单根耳带承受10 N的拉力5 s不脱焊），较好地解决了传统半自动化平面口罩耳带绳焊接设备加工效率低、质量不稳定的问题。但该系统仍存在无法自主检测口罩片褶皱、耳带绳焊接不牢等缺陷的问题，后期拟将机器视觉技术应用在平面口罩缺陷检测中[6]。

[参考文献]

[1] 曾繁昌，谭思敏.口罩自动化生产一体机研究[J].机电信息，2020（20）：32-33.

[2] 智研咨询集团.2020—2026年中国医用口罩行业市场运行态势及未来发展前景报告[R].中国产业信息网，2020.

[3] 许冠.一种新型平面口罩全自动化生产线的设计与实现[J].机电工程技术，2021，50（8）：66-69.

[4] 阮殿旭.基于PLC的平面口罩外耳带机控制系统设计[J].科技风，2021（35）：17-19.

[5] 章熠超.基于电气与气压混合驱动的搬运机械手设计[D].杭州：浙江理工大学，2016.

[6] 李东，梁家睿.机器视觉技术在平面口罩缺陷检测中的应用[J].机电工程技术，2021，50（6）：257-262.

收稿日期：2022-03-01

作者简介：王豪（1986—），男，广东广州人，硕士，工程师，研究方向：机电一体化、电工电子应用技术。