半自动口罩耳带焊接机设计与实现*

侯柏林

(惠州城市职业学院，广东 惠州 516025)

0 引言

口罩能有效保护口腔、呼吸道等,能有效隔断传染病、流行性呼吸疾病等常见疾病,也是日常医用卫生防疫用品。随着新型冠状病毒肺炎的流行,医用防护用品的需求急剧上升,各厂家都在加紧生产[1]。

2020年以来,口罩需求的猛增使得口罩制造商急需开发一种安全、效率高、控制好的口罩耳带焊接机及控制系统[2]。程争卿等[3]发明了一种全自动折叠式的口罩机送料装置。曾俊福等[4]设计了一套主动送料机构,解决了从动轮送料机构张力不足等问题。张伟等[5]设计了一套新型口罩机,解决了布料输送过程中的折弯问题,实现了生产五层KN95口罩。王安敏等[6]设计了两个口罩模在一个焊接工作台面上并实现两个焊接位轮替焊接,提高了焊接效率。

本文设计了一种基于PLC控制的应用于C型口罩的口罩耳带半自动焊接设备,并对机械结构、功能、控制系统进行了设计。

1 基于PLC的C型口罩耳带半自动焊接设备总体结构

基于PLC控制的应用于C型口罩的耳带半自动焊接设备总体结构如图1所示,主要由转盘平台机构1、气动拉耳带机构2、双轴气缸压紧机构3、耳带夹取旋转送料机构4、摩擦输送机构5、张力滚轮及保持配重机构6、手指气缸剪切耳带机构7、压紧焊接机构8、机架9等组成。

1-转盘平台机构;2-气动拉耳带机构;3-双轴气缸压紧机构;4-耳带夹取旋转送料机构;5-摩擦输送机构;6-张力滚轮及保持配重机构;7-手指气缸剪切耳带机构;8-压紧焊接机构;9-机架

通过摩擦输送机构5输送耳带线,利用张力滚轮及保持配重机构6实现耳带松紧调节并保持平衡;利用手指气缸剪切耳带机构7实现耳带长度裁剪;通过耳带夹取旋转送料机构4实现旋转90°并夹取耳带便于下一步工序双轴气缸压紧机构3对口罩进行压紧,然后利用压紧焊接机构8实现焊接;利用转盘平台机构1可以实现精准定位,调整不同的角度便于焊接不同型号的口罩[7,8]。

2 控制系统设计

半自动口罩耳带焊接机工艺参数要求如表1所示。选择三菱FX3U-48MT/ES-A型号PLC可满足控制系统的I/O点数及高速脉冲的输出需求;焊接温度监测和控制采用模拟量输入/输出模块;口罩主体的传送驱动采用小型伺服电机驱动;HMI触摸屏采用威纶通TPC1031Ki;温度变送器选用赫斯曼一体化温度传感器HTHSM-010,探头长度为70 mm,精度为0.1 ℃。

表1 半自动口罩耳带焊接机参数

3 主要部件机械结构设计

3.1 摩擦输送机构

摩擦输送机构主要由耳带放置架1、铝滚轮2、6W减速电机3、包胶轮4、配重块5、滚轮6、小滚轮7等组成,如图2所示。

1-耳带放置架;2-铝滚轮;3-6W减速电机;4-包胶轮;5-配重块;6-滚轮;7-小滚轮

摩擦输送机构主要功能是控制耳带自动上料并将耳带顺利送入耳带剪切装置处,由包胶轮4和铝滚轮2组成一对摩擦轮,由6 W减速电机3提供动力;耳带的张力通过滚轮6的自身重量及配重块5进行维持,耳带往下拉时,滚轮可以往上升;由3个小滚轮7实现上下调节,保证耳带顺利到达耳带剪切机构并实现耳带调直及保证耳带的绷紧,实现耳带的备料。

3.2 手指气缸剪切耳带机构

手指气缸剪切耳带机构主要由Y型气动手指1、耳带剪刀2、夹头滑块3、导轨4、液压缓冲器5、浮动接头6、耳带气缸7、座板8等组成,如图3所示。手指气缸剪切耳带机构本质上是一种耳带拉线裁剪装置,座板8水平安装在图1所示的机架9上,导轨4安装在座板8上,耳带气缸7固定在座板8上;夹头滑块3可以左右滑动将耳带拉出;Y型气动手指1用于耳带剪断,耳带剪刀2包括两个上下交叉的半剪刀,半剪刀的交叉处通过一铰轴铰接于两个左右正对的锁合块上;为防止气缸在运动过程中撞击到其他零部件,采用液压缓冲器5实现设备冲击的缓冲;浮动接头6的主要作用是使耳带气缸7释放一定的自由度,防止耳带气缸7在安装或者运行过程中被憋死。

1-Y型气动手指;2-耳带剪刀;3-夹头滑块;4-导轨;5-液压缓冲器;6-浮动接头;7-耳带气缸;8-座板

3.3 耳带夹取旋转送料机构

耳带夹取旋转送料机构主要由升降气缸1、耳带升降滑动装置2、滑台气缸3、双联齿条4、耳带开闭气缸5、耳带抓取夹6等组成,如图4所示。通过耳带抓取夹6抓取耳带的两头,在双联齿条4带动下通过齿轮齿条运动带动耳带抓取夹子旋转90°并通过限位块进行角度限位,到位后,进行耳带一边两头的焊接;焊接结束后,旋转台旋转一定角度,重复以上动作进行耳带另外一边两头的焊接。

1-升降气缸;2-耳带升降滑动装置;3-滑台气缸;4-双联齿条;5-耳带开闭气缸;6-耳带抓取夹

3.4 压紧焊接机构

压紧焊接机构主要由超声波升降电机1、超声波升降滑动装置2、换能器安装板3、超声波焊头4等组成,如图5所示。首先,夹耳带机构夹紧耳带后在电机推动下沿着导轨伸出,耳带达到合适的长度后,Y型气动手指完成伸缩动作并剪切;然后,通过耳带抓取装置抓紧耳带并旋转90°到达焊接位置进行焊接。焊接过程中气缸爪子防止走位超程问题、液压缓冲器防止碰撞,利用限位传感器实现剪切特定长度的耳带。

1-超声波升降电机;2-超声波升降滑动装置;3-换能器安装板;4-超声波焊头

3.5 转盘平台机构

转盘平台机构主要由电机1、减速机2、步进电机固定板3、感应器固定块4、联轴器5、光电开关6、转盘轴7、光电感应开关8、转盘9、转盘轴套10、接近开关支架11、出料感应片12等组成,如图6所示。电机1启动后,通过减速机2、联轴器5带动转盘9旋转一定角度,通过光电感应开关8感应有无工件,从而实现自动焊接。另外,可以通过调节一定角度实现不同口罩类型的焊接,提升了其不同型号的适应性。

1-电机;2-减速机;3-步进电机固定板;4-感应器固定块;5-联轴器;6-光电开关;7-转盘轴;8-光电感应开关;9-转盘;10-转盘轴套;11-接近开关支架;12-出料感应片

3.6 双轴气缸压紧机构

双轴气缸压紧机构主要由下压固定板1、支撑立板2、气缸3、下压安装板4、旋转轴5、压板6、定位块国内成人款7等组成,如图7所示。通过压板以及气缸的上下运动实现口罩的压紧及精准定位;通过更换不同的定位块形状可以实现不同口罩类型的压紧和焊接,焊接效率大大提高。

1-固定板;2-支撑立板;3-气缸;4-下压安装板;5-旋转轴;6-压板;7-定位块国内成人款

4 验证性试验

对样机生产能力进行了验证性试验,试验结果如下:

(1) 无需停机卸料,提高了生产效率,焊接效率是人工手动焊接的数倍,设计效率最高为40 PCS/min。

(2) 采用半自动口罩耳带焊接机不仅减轻工人的劳动强度,缩短了焊接时间,而且能够确保焊缝质量、工作性能稳定,得到了客户的一致好评。