半自動口罩耳帶焊接機設(shè)計與實現(xiàn)*

侯柏林

(惠州城市職業(yè)學(xué)院，廣東 惠州 516025)

0 引言

口罩能有效保護(hù)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(yī)用衛(wèi)生防疫用品。隨著新型冠狀病毒肺炎的流行,醫(yī)用防護(hù)用品的需求急劇上升,各廠家都在加緊生產(chǎn)[1]。

2020年以來,口罩需求的猛增使得口罩制造商急需開發(fā)一種安全、效率高、控制好的口罩耳帶焊接機及控制系統(tǒng)[2]。程爭卿等[3]發(fā)明了一種全自動折疊式的口罩機送料裝置。曾俊福等[4]設(shè)計了一套主動送料機構(gòu),解決了從動輪送料機構(gòu)張力不足等問題。張偉等[5]設(shè)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(xiàn)了生產(chǎn)五層KN95口罩。王安敏等[6]設(shè)計了兩個口罩模在一個焊接工作臺面上并實現(xiàn)兩個焊接位輪替焊接,提高了焊接效率。

本文設(shè)計了一種基于PLC控制的應(yīng)用于C型口罩的口罩耳帶半自動焊接設(shè)備,并對機械結(jié)構(gòu)、功能、控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。

1 基于PLC的C型口罩耳帶半自動焊接設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

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

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

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

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

半自動口罩耳帶焊接機工藝參數(shù)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(tǒng)的I/O點數(shù)及高速脈沖的輸出需求;焊接溫度監(jiān)測和控制采用模擬量輸入/輸出模塊;口罩主體的傳送驅(qū)動采用小型伺服電機驅(qū)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(shù)

3 主要部件機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 摩擦輸送機構(gòu)

摩擦輸送機構(gòu)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(gòu)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(jìn)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(xiàn)上下調(diào)節(jié),保證耳帶順利到達(dá)耳帶剪切機構(gòu)并實現(xiàn)耳帶調(diào)直及保證耳帶的繃緊,實現(xiàn)耳帶的備料。

3.2 手指氣缸剪切耳帶機構(gòu)

手指氣缸剪切耳帶機構(gòu)主要由Y型氣動手指1、耳帶剪刀2、夾頭滑塊3、導(dǎo)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(gòu)本質(zhì)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(dǎo)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(xiàn)設(shè)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(dǎo)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(zhuǎn)送料機構(gòu)

耳帶夾取旋轉(zhuǎn)送料機構(gòu)主要由升降氣缸1、耳帶升降滑動裝置2、滑臺氣缸3、雙聯(lián)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(lián)齒條4帶動下通過齒輪齒條運動帶動耳帶抓取夾子旋轉(zhuǎn)90°并通過限位塊進(jìn)行角度限位,到位后,進(jìn)行耳帶一邊兩頭的焊接;焊接結(jié)束后,旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一定角度,重復(fù)以上動作進(jìn)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(lián)齒條;5-耳帶開閉氣缸;6-耳帶抓取夾

3.4 壓緊焊接機構(gòu)

壓緊焊接機構(gòu)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(gòu)夾緊耳帶后在電機推動下沿著導(dǎo)軌伸出,耳帶達(dá)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(zhuǎn)90°到達(dá)焊接位置進(jìn)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(xiàn)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(zhuǎn)盤平臺機構(gòu)

轉(zhuǎn)盤平臺機構(gòu)主要由電機1、減速機2、步進(jìn)電機固定板3、感應(yīng)器固定塊4、聯(lián)軸器5、光電開關(guān)6、轉(zhuǎn)盤軸7、光電感應(yīng)開關(guān)8、轉(zhuǎn)盤9、轉(zhuǎn)盤軸套10、接近開關(guān)支架11、出料感應(yīng)片12等組成,如圖6所示。電機1啟動后,通過減速機2、聯(lián)軸器5帶動轉(zhuǎn)盤9旋轉(zhuǎn)一定角度,通過光電感應(yīng)開關(guān)8感應(yīng)有無工件,從而實現(xiàn)自動焊接。另外,可以通過調(diào)節(jié)一定角度實現(xiàn)不同口罩類型的焊接,提升了其不同型號的適應(yīng)性。

1-電機;2-減速機;3-步進(jìn)電機固定板;4-感應(yīng)器固定塊;5-聯(lián)軸器;6-光電開關(guān);7-轉(zhuǎn)盤軸;8-光電感應(yīng)開關(guān);9-轉(zhuǎn)盤;10-轉(zhuǎn)盤軸套;11-接近開關(guān)支架;12-出料感應(yīng)片

3.6 雙軸氣缸壓緊機構(gòu)

雙軸氣缸壓緊機構(gòu)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(zhuǎn)軸5、壓板6、定位塊國內(nèi)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(xiàn)口罩的壓緊及精準(zhǔn)定位;通過更換不同的定位塊形狀可以實現(xiàn)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(zhuǎn)軸;6-壓板;7-定位塊國內(nèi)成人款

4 驗證性試驗

對樣機生產(chǎn)能力進(jìn)行了驗證性試驗,試驗結(jié)果如下:

(1) 無需停機卸料,提高了生產(chǎn)效率,焊接效率是人工手動焊接的數(shù)倍,設(shè)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(zhì)量、工作性能穩(wěn)定,得到了客戶的一致好評。