全自动折叠型口罩机关键部件的分析与设计

（陕西沛愉包装科技研究院，西安 710077）

0 引言

近期，新型冠状病毒在全球快速传播，导致口罩、呼吸机等相关医用产品和医疗设备短缺，口罩供不应求，市场急需增加口罩生产设备。为解决此问题，国内部分大型制造企业及部分民营自动化设备企业均开始研发设计口罩机，短时间各式各样的半自动口罩机和全自动口罩机数量剧增，纵观设备实际运行状况，无论是全自动平面型口罩设备还是全自动折叠型如图1所示。

图1 折叠型口罩图样Fig.1 Folding type mask pattern

口罩机的连续稳定运行均有待提高，尤其是一些关键部件的稳定性设计。本文主要针对全自动折叠型口罩机的鼻夹自动裁切与放置部件进行分析与设计。

1 全自动折叠型口罩机的工艺

本文所设计的全自动折叠型口罩机是指口罩由五层布组成且内置鼻夹型设备，主要组成部分如图2所示，口罩生产顺序，从左到由，原材料由气涨轴组件定位固定在料架上，每层布料经过若干个导向辊导向后进入纠偏系统，实现布料自动纠偏功能，解决目前市场上自动口罩机因布料走偏自动化程度低的的问题，同时提高了设备运行的稳定性并增强口罩成型后的美观性。布料走向如图2所示，下层四层布料合并后进入鼻夹放置区，已裁好的鼻夹自动放置于四层合并后的布料上，顶层布料将鼻夹包裹并进入超声印花区域［1］，经超声印花后口罩完成平面成型且鼻夹内置固定。平面成型后的口罩运行至左、右口罩带超声焊接工位，因五层布料是连续不间断运行，口罩带超声焊接部件须设计往复跟踪装置，与布料运行的线速度相匹配，完成左、右口罩带超声焊接后进入折叠成型；布料运行过程中由折叠成型模具实现自动折叠成型，再运行至成型超声焊接工位完成折叠型折缝焊接。切刀和成型超声焊接之间设计有相位调节装置，通过其装置微调布料前后相位［2］，保证切刀轨迹和折缝超声熔合轨迹的一致性，通过旋转切刀将口罩从布料上按照预设形状切除，完成折叠型口罩生产过程［3］。

图2 折叠型口罩机整机图Fig.2 Assembly drawing of folding type mask machine

2 内置鼻夹自动裁切与放置的分析与设计

2.1 鼻夹自动裁切与放置部件关键点分析

折叠型口罩使用的鼻夹均为双芯鼻夹［4］，原材料以缠绕盘状形式放置于料架上，进入自动裁切前须校直消除应力，否则裁切后的鼻夹成弯曲状态，难以被顺畅送入鼻夹放置区，设备无法稳定运行，同时鼻夹在口罩上的定位不准，因此裁切之前设计有多组鼻夹校直轮，鼻夹经过多组校直轮后，弯曲应力基本消除，鼻夹也被牵引拉直。其次，因整机采用机械内传动，同时鼻夹裁切长度要实现可调，故鼻夹牵引传动采用两块扇形轮叠加方式，通过调整两个扇形轮的夹角实现鼻夹裁切长短。除此之外，带缓冲的裁切装置也是至关重要，目前市场上口罩机裁切装置是通过斜口刀片与下刀模硬撞击剪断，通过推板将鼻夹送至鼻夹放置区，裁切偶尔会有裁切不完全断开情况出现，导致设备故障停机；其次撞击噪音大，刀具使用寿命短。新设计的带缓冲裁切装置实现了裁切稳定，且刀具使用寿命长，裁切噪音低。

2.2 鼻夹裁切与放置传动分析与设计

如图3所示，鼻夹的牵引、裁切和放置通过两分度凸轮分割器将外部传入的动力分离为连续运动和间歇传动，牵引和裁切的动力主动轴和凸轮分割器入力轴同轴，即为连续运动；鼻夹推送放置由凸轮分割器出力轴传动，即为间歇运动。通过两块扇形轮调整夹角实现鼻夹按预设长度牵引传送，凸轮分割器出力轴的间歇运动由同步带传至曲柄滑块机构完成鼻夹推送与放置。如图3、图4所示，经过校直轮的鼻夹在通过牵引主动轮和牵引被动轮共同作用被送至裁切位置，牵引主动轮和牵引被动轮直径相等。假设主动牵引轮和鼻夹无相对运动，扇形轮与牵引主动轮无打滑，两个扇形轮相位重合后有效夹角（与牵引主动轮相接触弧长所对应的圆心角）为θ，半径为R，裁切后的鼻夹最短长度尺寸D。即裁切后鼻夹最短要求的长度等于扇形轮与牵引主动轮相接触的弧长，故D=R θ。图4所示状态为两个扇形轮相位重合，如需加长裁切后的鼻夹长度，只需要调整两个扇形轮的相位，相当于角增加。上述得知，鼻夹推送放置为间歇运动，由于采用的的是两分度凸轮分割器，为满足鼻梁条的放置周期与裁切周期相对应，故主动同步带轮齿数是被动同步带轮齿数的2倍，同时须保证图示尺寸2A＞C，A为曲柄旋转半径尺寸，C为裁切后的鼻夹需要推送至放置区之间的距离。

图3 鼻夹裁切与放置部件图Fig.3 Nose clip trim and components arrangement drawing

图4 B-B剖视图Fig.4 B-B section view

2.3 带缓冲的裁切装置的分析与设计

带缓冲的鼻夹裁切装置运行周期与其放置周期相对应。主要有摆臂、缓冲头、刀、刀模、压缩弹簧、缓冲过渡块、弹性不锈钢棒等组成，缓冲头和刀固定为一体，缓冲过渡块底部安装有复位压缩弹簧，弹性不锈钢棒一段固定在缓冲头上。每运行一个口罩周期内摆臂旋转一周，撞机缓冲头时带动刀快速向下运动，由于刀模固定，当刀口和刀模逐渐接近并交错时，鼻夹瞬间被裁切，同时缓冲过渡块也被下压；当摆臂离开缓冲头时，由于压缩弹簧的作用，缓冲过渡块上移至刀模水平位置，便于后续鼻夹送入，同时弹性不锈钢棒的作用瞬间将刀复位至初始状态，完成一次鼻梁条自动裁切［5］。

3 结语

新型设计带缓冲的鼻夹裁切装置裁切稳定，避免了裁切不完全断开的现象，刀具使用寿命长，大大提高了全自动折叠型口罩机运行的稳定性，同时也便于鼻夹长度调整，全自动化程度高，口罩美观性强，获得用户一致的好评。