多层柔性材料输送装备的优化设计与研制

李庆达，陈生荣，张亚民

(1.中山火炬职业技术学院装备智造学院，广东中山 528436；2.中山达远智造有限公司，广东中山 528447)

0 前言

在疫情的影响下，医用物资需求量爆增，口罩机设备也随之加速生产。在口罩生产过程中，需要用到无纺布、熔喷布、过滤热风棉等多层材料，按口罩生产工艺要求，通过机械设备将多层材料精准组合，并输送到生产加工位。但传统的多层材料输送机构在装调和运行时，常出现物料输送速度和张力不稳定、灵活度差、适用范围较窄、定位精度不高、需要手工纠编调整、工作量大、效率低、更换物料不够便捷等问题。因此，本文作者研制一种具有匀速和恒张力的多层材料输送装备。首先，从更换材料处开始，按照材料输送的工艺要求，展开工艺的机制分析和实践研究,然后进行优化。具体如下：(1)采用气胀轴装夹机构；(2)放卷机构恒张力控制；(3)经自动纠偏装置进行精调工序,将多层材料有机组合；(4)以机电一体化技术实现具有匀速、恒张力和准确输送的工艺方案。通过实践验证了其可行性和实用性，该装备还适用于医卫用品产业、纺织产业、包装产业等，适用性较广。

1 装备结构设计原理

1.1 系统组成

多层柔性材料输送机构主要采用机电一体化技术控制，具有匀速、恒张力输送的特点。在材料放卷输送过程中，该设备根据生产效率设置智能调整物料输送速度，且保持稳定的张力状态动作。物料输送装置系统主要包括气胀轴(装夹卷状材料)、放卷机构、张力机构、纠偏装置和物料架等，辅助部分为传送物料滚轴/滚筒，其整体结构如图1所示。材料输送机构外观尺寸为3 200 mm×980 mm×1 560 mm，输送方式为全自动，传输速度为0～18 m/min，定位精度为1.5 mm；材料尺寸为外径80～700 mm，宽度120～300 mm，材料层数为5层。

图1 材料输送机构整体结构

工作原理：先安装材料，然后在牵引力的作用下，带动整体多层材料输送；再在摆臂摆动的作用下，间接驱动放卷机构，达到控制稳定张力的目的；在材料输送到加工位之前，会经过纠偏器的纠偏调整，以保证将材料精准输送到加工位，实现优化工艺的目的。

物料输送部分可根据产品型号尺寸进行选择和调整，使用便捷、灵活性强。多层物料输送机构可用于平面口罩机、KN95口罩机、医卫用品产业(纸尿片)、纺织产业、包装产业等，作为卷状物料输送机构装备，它具有适用性广的特点。

1.2 设计创新亮点

1.2.1 气胀轴装夹机构

如图2所示，传统物料架大部分是以两顶锥件挤压调心并固定。物料更换麻烦，装夹效果不稳定，常出现装夹不牢的工况，影响后续的生产工艺。

图2 传统料架装夹放卷机构

图3所示为键式气胀轴，由芯轴、管壁、气囊、键条凸键、轴头等组成。芯轴主体采用优质钢管，结构刚性好、强度高、表面镀镍防锈处理；管壁、键条凸键导向端均采用铝合金材质，凸键伸缩灵活自如。为了延长内部装置使用寿命，气囊内胆采用优质橡胶配置，气嘴接头密封效果好，且具有快速充排气能效。为方便维护保养，轴头采用可拆卸式设计。另外，在气胀轴管壁上配装一个可移动的定位环，用作参考定位基准。在气胀轴管壁外表增设嵌入式标尺，方便安装不同宽度型号材料时用于位置参考和检测。材料安装到位，可通过友好工控界面控制气动夹紧，物料将在稳压下锁定，不会出现松动、移动或相对转动现象。气胀轴机构主要适用于卷料的放卷、收卷装置，能实现快速涨紧和准确定位，更换物料便捷、操作方便，因此得到广泛应用。

图3 气胀轴装夹机构

1.2.2 放卷机构

如图2所示，现有的口罩料架放卷机构虽然取代了人工输送的功能，但由于卷料是整体输送，其恒张力的控制和持续性不够稳定。

图4所示为放卷的输送机构，包括电机支撑机架、主动轴法兰固定座、摆臂传动机构、导向机构、传送皮带等组合部件。图5所示为摆臂传动机构，主要是由主动皮带轮、从动皮带轮、输送撑开支架、导向机构和输送皮带构成，在输送撑开支架与导向件压缩弹簧的弹力作用下实现摆动。图6所示为放卷导向机构，利用弹簧张力保持传送皮带张紧，实现平稳传动。采用手柄手提方式，使摆臂传动机构绕主动轴摆动，满足卷料最大直径为700 mm的条件。该机构完善了现有物料辅助输送机构存在的不足，实现了两个皮带轮活动稳定、顺畅、相互平行的工艺。该导向机构结构简单、操作方便，节省了维护时间，提高了生产效率。

图4 输送机构

图5 摆臂传动机构有效摆角

图6 放卷导向机构

在物料传输过程中，随着半径逐渐变化，摆臂与卷料外径相切位置点也不断改变，但皮带张紧力不变，张紧的皮带对卷料、转轴振动还发挥着微量的吸振作用。当摆臂机构运作时，便能以相同线速度带动卷料的输送；当暂停时，材料又可得到及时有效的制动，很好地控制材料转动的瞬时惯性冲量，保障稳定张力，解决了材料在恒张力输送工艺过程的缺陷。

1.2.3 张力机构

张力是在卷料受到摆臂及配重拉力作用下，内部垂直于两相邻部分接触面上的相互牵引力。图7所示为传统张力机构，感应器位于感应板上，采用等距定点感应检测方式，感应点之间的间距无实时跟踪检测，其张力的配合呈现出弹性波动，匀速或提速过程不是平稳过渡，影响了材料输送张力的平稳性和张弛力的保持，导致材料通过滚筒后，出现跑偏的现象。

图7 传统张力机构

根据上述分析，设计出如图8所示的优化张力机构。图9所示为优化后的张力机构摆角示意。优化后，摆臂能更好地获得稳定的输送工艺。采用旋转电位器取代感应器进行检测，旋转电位器的最大转角为270°，当同步轮旋转角达到60°时，按传动比1∶3计算，可获得电位器180°的转角。将摆臂转动角度的信号转换为电位信号，发送至终端控制器处理中心，终端控制器处理中心获得反馈数据后，驱动放卷输送信号组成闭环控制系统，增强了响应灵敏度，实现自动检测张紧力，优化了放卷速率的控制和张紧力的工艺。该机构主要是通过电位自动检测摆臂转动角度，依据角度变化信号，及时调节放料速度，以实现自动调节材料恒张力的目的。该机构不但可以解决传统放卷机构传输过程出现过紧或过松牵引的问题，提高材料输送精度和工艺质量，还具有响应灵敏高、结构简单的优点。

图8 优化张力机构

图9 张力机构摆角

1.2.4 纠偏器装置

总结原有的机构装置和优化方案，发现物料在输送过程中出现跑偏的原因还有很多，经过实践调测和分析总结，有如下几种情况：

(1)卷状料芯筒轴中心线与托辊机构料轴的中心线不重合，如果重合度误差超过2 mm，则需要及时调整机械调测部分或材料装夹；

(2)各托辊轴卷料轴向同一侧面的基准面偏差不超过2 mm，如出现超差现象，需根据滚筒偏移工况进行及时调整；

(3)输送过程中，前后滚筒轴中心线不平行：检测出偏差，重新调整安装；若出现机械变形，则应该重新研究材质、工艺或重新更换零件；

(4)在物料输送过程中，张力和输送速度不匹配，先检查材料是否为同批次型号，因为不同批次型号的物料，其柔韧性不同，应根据工况及时调整张力机构的摆臂配重块位置；如果不是材料柔韧性原因，在设备运行的状态下，尝试检测调试张力，或优化张力与输送速度的参数设置。

在上述背景和实践检验的基础上，提出纠偏方法，图10所示为纠偏器装置。从机械设计到机械调测，再到材料输送的工艺过程，很难做到完美无偏差，但由于物料成本昂贵，必须解决因偏差导致的材料浪费，因此提出更优化的纠偏方案。材料通过纠偏器后，直接输送到生产加工位，定位效果更好，纠偏更精准，为材料定位提供了保障。

图10 纠偏器装置

2 装备控制系统设计

装备控制系统主要由硬件和软件控制系统组成。

2.1 系统硬件

基于生产工艺的需要，对张力和速度配合的平稳性提出了要求：响应速度与输送张力稳定。因此，放卷输送驱动电机需要兼顾自锁力和大扭矩，使其输送自如，以在保证放卷输送质量的前提下，降低制造成本。根据测试计算和选型要求等，综合考虑后选择CV-18-200-3～10型号减速电机。

在前端牵引力的作用下，由摆臂重力和放卷机构的有机配合可获得稳定的张力。旋转电位器是将摆杆机械摆角转化为电控信号的关键。根据旋转电位器的工作原理，获得电信号与旋转角度的函数关系，以实现放卷机构与稳定张力的控制。经控制测算，旋转电位器选用型号为：WX112(050)4K7。

牵引力是材料输送的第一主动力，由伺服电机驱动牵引轴实现。在牵引轴转动下，牵动材料稳速输送，且张力机构摆杆处于有效摆角范围内，实现稳定张力。另外，在牵引力转轴上连接一个编码器进行跟踪检测，实时将检测数据反馈到数据处理中心，及时根据反馈信号进行误差补偿，为材料在稳定张力的作用下输送提供双重保障。

2.2 软件系统

图11所示为张力控制系统。主要在机械摆臂重力和牵引力的作用下，通过张力装置响应系统中枢处理中心，使得材料放卷输送时保持恒张力状态，环环相扣形成一个闭环控制系统。例如，通过张力控制单元，把张力上的旋转电位器信号(标准为0～10 mA或4～20 mA)送入PID中，设置张力为，并与实际张力相比较：当<时，>0，PID的输出增加，电动机转速升高，张力回升，直到=为止；当>时，<0，PID的输出增加减小，电动机转速下降，张力减小，直到=为止。

图11 总体张力控制系统

为减少或避免出口设备的上门调试服务，该系统采用欧版式设计理念，结合了GALIL加利尔运动控制系统、PLC控制系统、MITSUBISHI人机界面控制单元、Omron Relay G2Rk中继模组等，可通过以太网实现远程维护、监控和操控，具有环保、节能、低碳等特点。

所提的双系统运行保障方案，不但能解决人工繁琐操作的问题，实现智能自动化生产，还保障加工工艺质量的稳定性，提高生产效率。

3 总结

本文作者研制了一种具有稳速和恒张力的多层柔性材料输送装备，介于自动化功能和人工上料之间。该装置构型简单、操作方便、平稳性好、准确性高、实用性强，除可用于平面口罩机、KN95口罩机外，还适用于医卫用品(纸尿片)、纺织、包装等行业的输送。该机构适用性广、自动化效率高，具有应用前景。