陳冠峰

(廈門(mén)大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建 漳州 363105)

0 引言

呼吸閥口罩是為了人們的健康而設(shè)計(jì)的，用于阻止空氣中不可見(jiàn)或可見(jiàn)的有害物質(zhì)進(jìn)入人體[1]。呼氣時(shí)閥片受排出氣體的正壓吹開(kāi)，迅速將廢氣排出，降低戴口罩的悶熱感；吸氣時(shí)閥片受負(fù)壓會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，以阻止吸進(jìn)外界的有害物質(zhì)。

因全自動(dòng)化口罩生產(chǎn)線造價(jià)和維護(hù)成本較高，在傳統(tǒng)的呼吸閥口罩生產(chǎn)線中依舊采用人工填裝呼吸閥，存在生產(chǎn)效率低及工人容易受傷的現(xiàn)象。為此，本文設(shè)計(jì)了一款半自動(dòng)呼吸閥口罩打閥機(jī)，代替人工自動(dòng)完成呼吸閥的裝填，實(shí)現(xiàn)呼吸閥與無(wú)紡布口罩的焊接，提高呼吸閥安裝的生產(chǎn)效率、避免人員對(duì)呼吸閥的直接接觸，減少口罩污染、確保操作人員人身安全。

1 半自動(dòng)呼吸閥口罩打閥機(jī)機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為提高口罩的生產(chǎn)合格率、生產(chǎn)效率和設(shè)備的穩(wěn)定性，采用電壓式振動(dòng)料盤(pán)送料，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓振幅和頻率控制送料速度，由料盤(pán)、真空吸盤(pán)、水平推動(dòng)氣缸和垂直頂料氣缸組成氣動(dòng)輸送裝填裝置；采用超聲波焊接，在超聲波振動(dòng)條件下完成呼吸閥與口罩的熔融結(jié)合[2]。半自動(dòng)呼吸閥口罩打閥機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 超聲波焊接裝置設(shè)計(jì)

超聲波焊接是利用頻率萬(wàn)次以上的高頻振動(dòng)波傳遞到焊接元件表層，在焊接氣缸壓力的作用下讓接觸表面相互摩擦，由摩擦生熱熔融結(jié)合，達(dá)到一定的焊接效果時(shí)，保持作用壓力一段時(shí)間，使得焊接區(qū)域得以冷卻固化，從而緊密地將兩個(gè)接觸表面結(jié)合到一起[3，4]。

超聲波振動(dòng)部分由換能器、變幅桿、焊頭三部分組成，下模具安裝在超聲波變幅桿上，再將其結(jié)合體固定于連接板上，連接板通過(guò)螺桿螺母調(diào)節(jié)其水平高度。上模具上下活動(dòng),上模具與下模具接觸加壓時(shí)，超聲波發(fā)生器啟動(dòng)，開(kāi)始焊接口罩本體與呼吸閥，當(dāng)焊接氣缸回到原點(diǎn)位置時(shí)，再輸送裝填呼吸閥。上型腔模具由焊接氣缸驅(qū)動(dòng)，調(diào)整氣缸進(jìn)氣壓力，控制焊接壓力的大小，調(diào)節(jié)調(diào)速閥可靈活改變氣缸伸縮速度。超聲波焊接裝置如圖2所示。

1-超聲波焊接裝置；2-氣動(dòng)輸送裝填裝置

1.2 氣動(dòng)輸送裝填裝置的設(shè)計(jì)

氣動(dòng)輸送裝填裝置主要由送料氣缸、頂料氣缸、導(dǎo)軌、滑塊、料盤(pán)、真空吸盤(pán)等組成[5]，如圖3所示。利用真空吸盤(pán)3吸附固定呼吸閥并定位在料盤(pán)2中，直線導(dǎo)軌7和滑塊6及送料氣缸5、頂料氣缸4配合完成輸送。選型采用標(biāo)準(zhǔn)化零部件，方便采購(gòu)配套的標(biāo)準(zhǔn)氣動(dòng)、機(jī)械、電氣接口及進(jìn)行維護(hù)。

1-焊接氣缸；2-上模具；3-下模具；4-工作臺(tái)；5-變幅桿；6-超聲波振子；7-氣缸安裝板；8-支撐柱；9-底板

1-頂料支架；2-料盤(pán)；3-真空吸盤(pán)；4-頂料氣缸；5-送料氣缸；6-滑塊；7-直線導(dǎo)軌

吸盤(pán)直徑越大吸附力越大，料盤(pán)設(shè)計(jì)也需變大，但料盤(pán)過(guò)大影響呼吸閥定位準(zhǔn)確度，考慮呼吸閥體積及重量，結(jié)合真空吸盤(pán)直徑及吸盤(pán)與呼吸閥底面最大靜摩擦力的關(guān)系，選用直徑為25 mm平型帶肋類型的硅橡膠真空吸盤(pán)，型號(hào)為ZP-25-CS。氣動(dòng)輸送裝填裝置選型見(jiàn)表1。

表1 氣動(dòng)輸送裝填裝置選型

根據(jù)吸盤(pán)型號(hào)設(shè)計(jì)料盤(pán)，并將料盤(pán)一側(cè)設(shè)計(jì)較長(zhǎng)橫臂，料盤(pán)送料過(guò)程利用橫臂阻擋后序呼吸閥排出，料盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 料盤(pán)結(jié)構(gòu)

2 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)回路主要由氣源、凈化調(diào)節(jié)裝置、各電磁控制閥以及各執(zhí)行氣缸組成，氣動(dòng)原理圖如圖5所示。氣動(dòng)系統(tǒng)采用雙作用氣壓缸雙向調(diào)速控制回路，配有3個(gè)二位五通先導(dǎo)單電控電磁閥分別用于控制送料氣缸、頂料氣缸、焊接氣缸兩側(cè)的通氣狀態(tài)，從而決定伸出或者退回兩者狀態(tài)之間的切換；2個(gè)二位二通電磁閥用于控制真空發(fā)生器產(chǎn)生真空條件與迅速破壞真空吸盤(pán)的真空狀態(tài)；氣源三聯(lián)件空氣包括減壓閥、過(guò)濾器、油霧器，減壓閥可對(duì)氣源進(jìn)行降壓穩(wěn)壓，使氣源壓力保持相對(duì)穩(wěn)定。

1-送料氣缸；2-頂料氣缸；3-焊接氣缸；4-真空發(fā)生器組件；5-真空吸盤(pán)；6-二位二通電磁閥；7-減壓閥；8-氣源三聯(lián)件；9-二位五通氣動(dòng)電磁閥

3 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

電氣系統(tǒng)硬件由主電路和控制電路組成，控制系統(tǒng)以PLC為核心。主電路圖如圖6所示，交流電源220 V進(jìn)線首先經(jīng)過(guò)空氣斷路器，再由旋鈕開(kāi)關(guān)選擇是否接通主接觸器KM1，供電給開(kāi)關(guān)電源、PLC以及主要的用電設(shè)備。各線路配相應(yīng)規(guī)格的保險(xiǎn)熔絲，保證電路的安全運(yùn)作。振動(dòng)盤(pán)供電接觸器KM2由中間繼電器控制。

圖6 主電路圖

選擇采用臺(tái)達(dá)DVP-40ES系列PLC作為控制主機(jī)，其主機(jī)自帶24 V電源，但是其功率有限且損壞難以更換，輸入輸出設(shè)備數(shù)量多，所以輸入輸出設(shè)備選擇外部開(kāi)關(guān)電源供電，輸入點(diǎn)信號(hào)為直流電源流入共享端S/S即SINK接法。PLC外部接線圖如圖7所示。

圖7 PLC接線圖

3.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

半自動(dòng)呼吸閥口罩打閥機(jī)的控制系統(tǒng)由PLC和觸摸屏HMI組成，下位機(jī)PLC實(shí)現(xiàn)各傳感器信號(hào)的接收處理，對(duì)各電磁閥直接控制；上位機(jī)觸摸屏HMI監(jiān)控各裝置運(yùn)行狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)PLC控制命令的發(fā)送及數(shù)據(jù)讀取，兩者之間通過(guò)RS232通訊串口實(shí)現(xiàn)通訊[6]。

半自動(dòng)呼吸閥口罩打閥機(jī)控制程序由PLC和觸摸屏HMI程序兩部分組成，PLC程序使用臺(tái)達(dá)公司編程軟件WPLsoft2.46用梯形圖語(yǔ)言編寫(xiě)，觸摸屏畫(huà)面用威綸通EB8000軟件組建。

3.2.1 控制流程分析

半自動(dòng)呼吸閥口罩打閥機(jī)有自動(dòng)和手動(dòng)兩種裝填呼吸閥模式，自動(dòng)模式下整個(gè)裝填過(guò)程全部自動(dòng)完成，系統(tǒng)工藝流程如圖8所示。開(kāi)始由振動(dòng)機(jī)構(gòu)將呼吸閥挑選整理后依次送入軌道排列等待提取，進(jìn)入送料盤(pán)的呼吸閥由料盤(pán)底部的真空吸盤(pán)吸附固定，接著由送料氣缸推送料盤(pán)至上模具型腔下方，頂料氣缸推送真空吸盤(pán)向上運(yùn)動(dòng)完成裝填呼吸閥動(dòng)作后依次退回；然后由人工放置口罩到超聲波下模具上，最后由焊接裝置完成呼吸閥與口罩的焊接工作；取下口罩，延時(shí)，進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。其中的焊接工藝流程如圖9所示。根據(jù)工藝流程制定的程序流程框圖如圖10所示。

圖8 系統(tǒng)工藝流程

圖9 焊接工藝流程

圖10 程序流程框圖

3.2.2 梯形圖設(shè)計(jì)

PLC程序按梯形圖從上到下、從左到右的順序執(zhí)行程序。程序采用環(huán)環(huán)相扣的設(shè)計(jì)思路，即一個(gè)觸發(fā)條件會(huì)接通一個(gè)保持電路，而保持電路會(huì)切斷上一個(gè)電路，又接著觸發(fā)下一個(gè)電路，直到最后的電路觸發(fā)最開(kāi)始的電路，最終不斷循環(huán)這個(gè)過(guò)程。程序中還增加了安全保護(hù)觸發(fā)條件，只有在檢測(cè)到有口罩放置在工位時(shí)才可以進(jìn)行焊接操作。料盤(pán)部分也配備相應(yīng)的傳感器檢測(cè)是否有呼吸閥，否則不進(jìn)行裝填動(dòng)作。

程序設(shè)計(jì)中使用了多個(gè)10毫秒單位的停電保持計(jì)時(shí)器，用來(lái)設(shè)置裝填焊接動(dòng)作的時(shí)間參數(shù)，配合HMI數(shù)值輸入元件的數(shù)值限制，可將時(shí)間輸入控制在合理范圍，有效避免了誤輸入造成設(shè)備損壞。使用兩個(gè)停電保持計(jì)數(shù)器用來(lái)計(jì)入總產(chǎn)量與開(kāi)機(jī)后的產(chǎn)量，使產(chǎn)量的記錄與管理變得簡(jiǎn)單容易。經(jīng)過(guò)仿真調(diào)試，此次設(shè)計(jì)的梯形圖實(shí)現(xiàn)了設(shè)想的功能。

使用臺(tái)達(dá)WPLsoft2.46編程軟件編輯的部分梯形圖[7]如圖11所示。

圖11 部分梯形圖程序

3.3 人機(jī)界面HMI組態(tài)設(shè)計(jì)

人機(jī)界面不僅要滿足設(shè)計(jì)的功能要求，還需滿足界面的外觀按鈕便于操作者的操作。

3.3.1 主界面設(shè)計(jì)

主界面可以通過(guò)界面下方按鈕控件直接跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的子界面，是日常操作的主要窗口，由相應(yīng)的時(shí)間日期顯示、計(jì)數(shù)、各種操作控件組成，如圖12所示。

圖12 主界面

3.3.2 參數(shù)設(shè)置界面設(shè)計(jì)

參數(shù)界面主要是時(shí)間定時(shí)器的時(shí)間設(shè)置，定時(shí)器為10毫秒基準(zhǔn)調(diào)整單位，精準(zhǔn)調(diào)整時(shí)間，配合HMI數(shù)值輸入元件的數(shù)值限制可將時(shí)間輸入控制在合理范圍，如圖13所示。

圖13 參數(shù)設(shè)置界面

設(shè)計(jì)制作的半自動(dòng)呼吸閥口罩打閥機(jī)如圖14所示。經(jīng)調(diào)試，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，故障率極低，可以長(zhǎng)時(shí)間工作。

圖14 設(shè)計(jì)制作的半自動(dòng)呼吸閥口罩打閥機(jī)

4 結(jié)論

按照本文的設(shè)計(jì)思路制作的半自動(dòng)呼吸閥口罩打閥機(jī)可實(shí)現(xiàn)8個(gè)/min呼吸閥口罩的焊接，在確保口罩焊接合格的同時(shí)，極大提高了口罩焊接的速度。使用該設(shè)備后可減少人員投入，降低生產(chǎn)成本，為大批量生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)口罩提供一種實(shí)現(xiàn)方法。