基于模块化设计的KN95全自动折叠口罩生产线关键技术研究*

倪明堂，赵健州，方浩贤，郭正元

（1.广东华中科技大学工业技术研究院广东省制造装备数字化重点实验室，广东东莞 523808；2．广东省智能机器人研究院，广东东莞 523808）

0 引言

2020年初，新冠肺炎疫情突然爆发。根据相关权威研究，新型冠状病毒肺炎主要通过飞沫、直接接触等途径传播[1-3]，佩戴口罩是目前人民群众预防该病毒的主要途径之一。在疫情防控期间，市民外出至公共场所或出现发热等症状均需戴口罩，既是道德义务，也是法律义务。因此，国家及各地政府均要求市民在疫情期间外出需佩戴口罩。

KN95口罩机是目前抗击疫情紧缺的防疫物品生产设备，全国乃至全球需求量巨大且是刚需。现在行业的口罩机多种多样，且大同小异，有一拖一口罩机、一拖二口罩机等，也有全自动折叠口罩机、全自动杯型口罩等，由于疫情爆发之前，口罩产能相对过剩，因此口罩机存货不多，但设备通用性和稳定性较差，通常是3、4个操作员配1台生产设备。生产过程中存在的问题有：超声波工作不稳定；耳线带焊接不牢固，容易掉；耳带绕线转盘远点位易丢失，使得转盘转动不到位，容易撞剪刀；启动剪刀结构复杂，价格高且易坏；滚切不稳定，容易切不断等。经常需要设备维护人员来保证口罩机的正常生产与运行。

有鉴于此，本文设计一种面向模块化设计的KN95全自动折叠口罩生产线，将整机设计为由送料机、本体成型机、耳带焊接机、折叠熔切机4个模块单元组成，各单元既可以独立为一台独立设备，又能快速集成组合成自动化生产线全自动化生产，既能满足手工、半自动、全自动等多种生产方式的设备功能需求，又可以实现对整条生产线的并行调试和快速维护。可自动完成布料稳定输送、鼻梁条定长裁切，并导入至布料中，超声波焊接压花和耳带焊接，折叠，封边，裁切及废料回收，最后将成型口罩输送出料。

1 工艺流程

KN95全自动折叠口罩机按照生产工艺可分为：放料工序、鼻梁条切断植入工序[4]、滚焊外轮廓工序、焊耳带工序[5]、折叠工序、封边、切断工序等工序[6]。其生产工艺流程如图1所示。

图1 KN95全自动折叠口罩生产工艺流程

根据KN95折叠口罩的生产工艺流程，文本所设计的KN95全自动折叠口罩机，主要包含放卷料架、外轮廓滚焊及鼻梁条植入、移动焊耳、跟随封边、滚切收料等核心机构，如图2和图3所示。

图2 KN95全自动折叠口罩生产线设计图

图3 KN95全自动折叠口罩生产线机构分解

2 关键技术

为稳定生产符合要求的折叠口罩，本生产线涉及多项核心技术。主要包括布料放卷技术、鼻梁条切断植入技术、移动焊耳技术、跟随封边技术和控制系统等。

2.1 布料放卷技术

布料放卷主要由放卷料架机构实现。如图4所示，设计的KN95口罩机的放卷料架设计有6根放卷料轴，可满足最多6层口罩的制作。每个放卷料轴设计有布料纠偏调节机构和张力调节机构，以避免在生产过程中出现6层布料无法对齐及跑偏现象。

通过张力控制装置反馈的信号控制放卷料轴的伺服电机进行主动放卷，以维持布料在整个放卷过程中的张力稳定。放卷料轴和张力控制装置分别如图5（a）和5（b）所示。其工作原理为：（1）当布料卷开始放料，由于放料速度大于生产时的进料速度，所以这时布料会开始变松，而旋转杆左侧的滚筒由于重力原因开始下坠，一直到感应板被传感器检测到，这时布料卷的驱动电机停止，在这个过程中，布料一直保持紧绷的状态；（2）当驱动电机停止旋转后，进料会使布料越来越紧，这时会拉动旋转杆左侧的滚筒逐渐往上，直到感应板被上面的传感器检测到，布料卷开始放料；（3）重复以上过程以实现布料的连续放料。

图4 放卷料架

图5 放卷料轴和张力控制装置

2.2 鼻梁条切断植入技术

鼻梁在布料的植入是整条生产线的技术难点之一。如何保证鼻梁条的定长切断及稳定植入布料中正确的位置，需要对机构进行巧妙的设计。该主要包含鼻梁条放料装置和鼻梁条切断及推料装置两部分，如图6所示。

图6 鼻梁条放料机构和鼻梁切断及推料装置

为实现鼻梁条的定长切断，鼻梁条的送料装置需要实现间歇送放料，即在切断及推料进布料的过程中，鼻梁条停止放料，以防发生鼻梁条堵塞的情况。在设计上，通过一对凸轮来实现该功能，调整两凸轮的相对角度，使得凸轮旋转一圈时鼻梁条刚好送出符合要求的长度。

鼻梁条放料完成后，鼻梁切刀对鼻梁进行切断，然后鼻梁推料装置推动鼻梁进入布料，实现鼻梁条在布料中的植入。鼻梁条的推料装置为一曲柄滑块机构，可通过曲柄的圆周转动实现鼻梁推板的前后往复运动。鼻梁推板运动至最后位置时，需要进行一段时间的停留，以方便鼻梁条再次送料并切断。凸轮分割器的应用则很好的解决了这一问题，当鼻梁推板运动至最后位置时，凸轮分割器刚好进入间歇位，给鼻梁送料预留时间。

鼻梁条机构的巧妙设计不但可以使机构运行更加稳定，而且整个装置只有一个动力源，极大地节省了成本。

2.3 移动焊耳技术

由于布料一直连续向前移动，在对口罩进行焊接耳带时，需要焊接机构跟随布料以同样的速度一起向前运动。本设计采用高精度伺服驱动控制技术，获取布料的运动速度，然后控制伺服电机以同样的速度跟随布料向前运动完成耳带焊接，焊接完成后，焊接机构快速返回进行下一次焊接。图7所示为移动焊耳机构模型图。

图8 耳带焊接机构

图7 移动焊耳机构

耳带焊接机构主要由耳带送料机构、耳带拉取熔接机构和耳带剪切机构组成，如图8所示。其工作原理为：耳带从送料机构出来后，耳带拉取机构进行旋转拉料，紧接着由耳带剪刀机构将耳带剪断，最后焊接机构在气缸的带动下下压与超声波焊头配合将耳带熔接在口罩本体上。

2.4 跟随封边技术

传统封边焊接过程需要停留，为解决布料一直持续向前运动的矛盾，同移动焊耳一样，采用了伺服驱动控制技术，使封边焊接系统与布料同速向前运动。如图9所示，跟随封边机构主要包括伺服电机、超声波焊接系统、封边齿模等。其工作原理为：封边齿模在气缸的动作下将布料压在超声波焊头上，在焊头的高频振动下，产生大量的热，将对折后的布料熔接在一起。焊接完成后，封边机构在伺服电机的控制下快速返回，进行下一次的焊接。

2.5 自动控制技术

采用高性能PLC作为主控制单元，对折叠口罩机进行全自动化控制，控制各工序按生产节拍可靠运行，折叠口罩机控制系统按照高效、稳定、可兼容多规格折叠口罩生产要求。如图10所示，HMI与PLC通过以太网进行通信，PLC将设备运行状态实时传送到HMI进行显示，HMI接受操作指令发送给PLC完成对相关机构动作的控制，同时对异常状态进行警告，并记录维护维修日志，为生产线调试安装提供便捷的操作功能，保障生产线安全稳定可靠性运行；PLC通过脉冲接口控制左右旋转焊耳带电机完成耳带焊接动作；PLC通过SSCNETIII/H协议与主传动电机驱动、耳带焊接移动轴电机驱动、封边移动轴电机驱动进行通信，控制相关机构完成布料输送、耳带焊接、封边动作的同步；PLC通过IO控制实现对卷料送料6个电机的调速控制、线体气动元器件动作的控制，按照节拍实现各个工序动作控制的衔接。控制系统的主界面如图11所示。

图9 跟随封边装置

图10 KN95口罩生产线控制系统

3 试验结果及改进

图11 控制系统主界面

随着疫情发展，口罩机供需矛盾越显突出，由于新冠病毒疫情在全世界范围内爆发，导致国外对KN95口罩的需求量激增。基于本设计的生产线实现了50多台套的销售，其生产线的实物如图12所示。

图12 KN95全自动折叠口罩生产线

通过对所销售的KN95全自动折叠口罩生产线的工艺质量数据进行统计分析，其鼻梁条切断植入环节是较为薄弱的环节，需要现场针对用户的实际情况进行调整。调整后，该环节一次性合格率可以达到99.5%以上，能满足用户的需要；整个生产线稳定后，良品率可达到98%以上。

针对自动化生产经验不丰富的客户，本设计的生产线各单元可以独立为一台单个设备，采用半自动生产模式。这时候，通过增加人力的方式，将各个独立的设备进行柔性连接，各个独立设备之间设置有一定量的口罩缓冲量，从而使得当某个设备发生故障需要检修的时候，其他设备依然可以正常工作，从而提升特殊时期的KN95口罩生产量。

另外，整个生产线还需要不断提升其自动化与智能化水平，特别是智能化水平。比如，增加自动学习口罩生成过程中的故障排除方法，为用户维修提供智能化参考，以促进口罩产业链整体质量，同时也将不断优化提升口罩机械的产品质量，从而有效提升口罩的产品质量。

4 结束语

本文设计一种面向模块化设计的KN95全自动折叠口罩生产线，将整机设计为送料机、本体成型机、耳带焊接机、折叠熔切机4个模块单元组成，通过验证及实际使用，得出的主要结论如下。

（1）采用单元模块化设计技术，可实现整线单元设备的快速拆分和组合集成，各单元既可以独立为一台独立设备，又能快速集成组合成自动化生产线全自动化生产，既能满足手工、半自动、全自动等多种生产方式的设备功能需求，又可以实现对整条生产线的并行调试和快速维护。

（2）设计开发的布料放卷机构具备布料纠偏调节和张力调节功能，避免在生产过程中出现布料对齐度差及跑偏问题。张力控制装置设计有检测摆杆摆动角度的接近开关传感器，通过感知传感器信号可控制放卷电机进行放料，以维持布料张力的稳定。当缺料时亦可通过该传感器的检测信号进行报警提示。

（3）设计开发了凸轮机构控制鼻梁条的定长进给与切断。同时为保证鼻梁条稳定快速插入布料，设计了曲柄滑块机构实现鼻梁条的插入与快速返回。曲柄滑块与凸轮分割器的巧妙结合使用实现了鼻梁推板的间歇推料，与鼻梁送料交错配合，完美稳定地实现了鼻梁条的送料、切断与推料插入。

（4）为节省耳带焊接时间，设计开发了伺服驱动的丝杆直线运动平台，在布料运动的同时，左、右两套焊接系统追随布料同步进行耳带旋转拉线、剪断、下压焊接等操作，实现布料不停留焊接，极大地提高整个生产线的生产效率。