電熱毯切割分離設備的結構設計

張宏翔 佟河亭 牟葆田

摘要：為提高電熱毯生產的自動化水平和生產效率，本文基于Creo三維建模軟件對電熱毯自動化生產線中的切割分離設備進行結構設計。給出了電熱毯自動化生產線中切割分離設備的結構和原理，同時為保證各部分機構實現相應的功能，對定位裝置、夾緊裝置、抬升裝置和分離裝置氣動控制回路進行設計研究。研究結果表明，該設計解決了生產線中對電熱毯的自動化切割和分離工作，而且切割分離設備與前后自動化單元的銜接，形成了完整的自動化生產線。提高了生產的準確性，節約了生產時間，減少了人工成本，提高了生產效率。該研究為電熱毯自動化生產線的結構優化和自動化水平的提高提供了實際的應用價值。

關鍵詞：電熱毯自動化生產; 切割; 分離; 氣動回路控制

眾所周知，電熱毯[1-2]是常見的取暖和驅寒用品，是一種直接取暖的電熱器具[3]，與空調、電暖器產品相比，電熱毯更為經濟、實用和便捷，在我國中小城市和廣大農村具有極大的需求量[4]。電熱毯的制作過程是將雙層布料及電熱線[5]縫合在一起，通電時實現正常發熱工作[6]。目前，我國取得電熱毯產品生產許可證的廠家有200多家，年生產量可達5 000萬床左右，主要品牌包括彩虹、琴島、小綿羊等[7]。生產企業以小型企業為主，占企業數量的97%，大多數小型企業為家庭式作坊生產，人數多在5～20人之間[8]。傳統的電熱毯制作需要大量的人工操作，效率低，人工成本高，工人在生產時存在較大的安全隱患。從多次進行國家監督抽查工作來看，也存在不合格企業的不合格產品[9]。因此，電熱毯全自動和安全的生產線成為各個廠家的迫切需求。目前，市場上的電熱毯生產裝置通常只有一個加工單元[10]，包含下料、布線、焊接等多道工序，需要人工協助完成電熱毯的分離，并且只能完成單一規格的電熱毯，生產效率低下。因此，本文基于Creo2.0三維建模軟件[11]，設計了電熱毯自動化生產線中的切割分離設備單元。本電熱毯生產線能實現自動化生產，由多個加工單元組成，每個單元依次完成生產工序，并且自動完成電熱毯的分離工作，同時，也可以根據需求生產不同規格的電熱毯，極大提高了生產效率，保證了電熱毯的生產質量。該設計具有一定的實際應用價值。

1 電熱毯切割分離設備工作原理及結構

本文所設計的電熱毯自動化生產線是由放置底布單元、布線單元、放置頂布單元、超聲波焊接單元、切割分離單元及針盤循環單元等組成。電熱毯的每道工序都是在針盤[12]上完成，針盤通過動力驅動裝置經過各個單元完成相應的工作，最終實現電熱毯自動化生產。通常情況下，為提高生產效率，在放布料時放置一張相當于兩個電熱毯面積的布料，最后加工出兩張電熱毯，所以在超聲波焊接后需要對其進行切割，得到兩張電熱毯;此處電熱毯外料是無紡布[13]，切割刀具的高度直接影響切割效率和質量，過高或過低容易碰撞針盤，或無法將電熱毯完全切割開;當切割完成后，需將電熱毯從針盤上分離，使針盤通過循環單元送至初始加工單元進行下一循環使用。

1.1 電熱毯切割分離設備工作原理

電熱毯切割分離設備主要由針盤、切割裝置、夾緊裝置、定位裝置、分離輸送裝置、抬升裝置和機架組成。切割分離設備整體模型如圖1所示。其工作原理：當電熱毯完成上一單元的加工后，針盤在電機的驅動下進入切割分離工位，當傳感器[14]檢測到針盤到位時，針盤減速停止，此時定位裝置的氣缸[15]工作，推動針盤到達預定位置，完成針盤定位工作;定位完成后，4個夾緊裝置氣缸完成對針盤的夾緊，之后抬升裝置中的氣缸工作，頂起電熱毯中間需要切割的部分，該部分與針盤分離，便于進行切割，其它部分仍靠針固定，而刀具裝置在線性滑軌和同步帶[16]的作用下，完成對電熱毯的切割工作;切割完成后，針盤繼續向前運動，在運動過程中，分離裝置前端將電熱毯從針盤上分離出來，通過皮帶裝置將電熱毯輸送出去，針盤進入下一單元，完成電熱毯的切割與分離動作。

1.2 電熱毯切割分離設備的結構

1.2.1 抬升裝置

抬升裝置是由固定在機架上的鋁合金型材、氣缸及頂起件組成。抬升和切割裝置模型如圖2所示。由圖2可以看出，在完成定位夾緊以后，進行切割之前，氣缸接收到信號，使活塞桿伸出，頂起件抬升，從而頂起電熱毯的切割部位與針盤完成分離，便于進行切割工作。

頂起件是一種U型鋸齒狀排列的槽類零件，而針盤是一種鏤空結構。當頂起件抬升時，鋸齒恰好處于針盤鏤空部位，對針盤沒有作用力，只頂起需進行切割部分的電熱毯，使之與針盤分離。在整個切割過程中，刀具運動軌跡處在U型槽內，避免了刀具對針盤的破壞，提高了切割的正確性。

1.2.2 切割裝置

切割裝置[17]橫跨固定在機架上，作用是將電熱毯橫向切割。切割機構由固定在型材機架上的線性滑軌裝置、固定在滑塊上的刀具、刀具電機及同步帶裝置組成，通過連接件，將同步帶和滑塊固定在一起。切割裝置模型如圖3所示。當抬升裝置完成動作后，刀具電機接受信號開始運轉。同時，同步帶輸送裝置中的減速電機運轉，通過同步帶傳動，滑軌裝置中滑塊橫向移動，帶動所連刀具對電熱毯進行切割。

1.2.3 分離裝置

分離裝置是由前端分離件、帶輪輸送裝置、固定在輸送裝置下方的氣缸提升裝置及機架組成，分離裝置模型如圖4所示。分離設備是將切割好的電熱毯從針盤中分離出來。電熱毯與針盤的連接方式是通過針盤中一排排的針將電熱毯固定在上面。通過人工分離所需時間長，分離效率低，針盤的針很可能對工人造成誤傷，影響整個生產線的工作。相比之下，利用機械結構進行自動化分離，大大提高了生產效率，節約人工成本，減少工人的誤傷。

電熱毯自動化生產線完成切割工作后，針盤在電機驅動下繼續向前運動，通過分離裝置時，前端的分離件類似一個“鏟子”，提升裝置的氣缸行程增大，使分離機構角度增大，分離件的前端會插入針盤中間鏤空部分，電熱毯運動的初始位置如圖5所示。由圖5a可以看出，隨著針盤的移動，電熱毯前端會被“鏟”離針盤。由于針盤中間鏤空，存在加固的橫梁，所以分離裝置的分離件前端不能一直插入針盤鏤空部分;由圖5b可以看出，當針盤向前運動一段距離，分離件尚未與針盤橫梁發生干涉時，電熱毯前端已被“鏟”離針盤，這時提升裝置的氣缸行程復位，整個分離裝置傾角恢復到原始角度，使分離裝置的分離件與針盤分離，避免與針盤橫梁發生碰撞，這時電熱毯通過帶輪輸送裝置輸送出去，完成對電熱毯的分離工作，針盤在電機作用下繼續向前運動，進入下一單元。

2 氣動控制回路設計

為了保證各部分機構能夠按照生產順序完成相應的動作，需對相應機構氣動控制回路進行設計[18]。氣動控制原理圖[19]如圖6所示。

2.1 定位裝置氣動回路設計

定位裝置氣路工作原理：當針盤進入切割分離單元后，通過固定在前端的傳感器檢測到信號，讓針盤停止運動，此時電磁換向閥中2DT通電，氣源裝置出來的壓縮氣體通過減壓閥、電磁換向閥、單向節流閥進入氣缸的無桿腔，推動氣缸活塞桿帶動定位裝置氣缸向上移動，使定位氣缸達到與針盤平齊高度。同時，有桿腔氣體通過單向節流閥和電磁換向閥排出;隨后電磁換向閥中4DT通電，壓縮氣體進入定位裝置氣缸的無桿腔，活塞桿左移，推動針盤到達預定位置，完成針盤的定位工作，有桿腔氣體通過單向節流閥和換向閥排出。在完成夾緊及切割動作后，1DT和3DT通電，兩氣缸復位。

2.2 夾緊裝置氣動回路設計

夾緊裝置氣路工作原理：當針盤完成定位工作后，電磁換向閥中8DT通電，壓縮氣體通過減壓閥、電磁換向閥和單向節流閥進入夾緊裝置氣缸，使4個氣缸活塞桿同時伸長，完成對針盤的夾緊工作。當切割完成后，電磁換向閥7DT通電，使4個氣缸活塞桿復位，松開針盤。

2.3 抬升裝置氣動回路設計

抬升裝置氣路工作原理：當針盤完成定位后，電磁換向閥中5DT通電，壓縮氣體通過減壓閥、電磁換向閥、單向節流閥進入抬升機構氣缸中的無桿腔，使活塞桿及與之連接的抬升機構中的氣缸連接件向上運動，使電熱毯切割部分與針盤分離，方便進行切割。當完成切割動作后，電磁換向閥中5DT通電，活塞桿收縮，并帶動抬升機構回到初始位置。

2.4 分離裝置氣動回路設計

分離機構氣路工作原理：當電熱毯自動化生產線進行分離工作時，電磁換向閥中9DT通電，氣體經過減壓閥、電磁換向閥和單向節流閥進入分離機構氣缸，活塞桿上移，整個分離機構傾角變大，前端分離部件插入針盤中;延時2 s后，電磁換向閥7DT通電，氣體進入氣缸的有桿腔，氣缸活塞桿回縮，分離裝置角度減小，前端分離部件將電熱毯從針盤中“挑”出，完成電熱毯的分離工作。

3 結束語

由于電熱毯的加工還沒有完整的全自動化生產線，需要人工去切割和分離，費時費力，生產效率低，本文基于Creo三維建模軟件，對電熱毯自動化生產線中的切割分離設備進行結構設計。此生產線是由多個加工單元組成，不僅提高了生產效率，還能觀察各個單元加工的實際情況，方便對每個單元進行數據采集。其中，切割分離設備解決了在生產線中對電熱毯的自動化切割和分離工作，節約了生產時間，減少了人工成本，保證了產品的生產質量;切割分離設備與前后自動化單元的銜接，形成了完整的電熱毯自動化生產線。在設計過程中也發現一些需要改進的地方，在電熱毯完成分離之后，需要人工將電熱毯從生產線中取走包裝，所以在下一步的生產研究中應該繼續設計一套裝置，直接將加工完的電熱毯輸送離開生產線，自動完成對電熱毯的包裝，從而進一步提高生產效率。該設計對電熱毯自動化生產線的結構優化和自動化水平的提高具有重要意義。

參考文獻：

[1] 常志宏， 傅魯杰， 陳博儒. 腈綸電熱毯的設計與生產[J]. 紡織科技進展， 2017（11）： 50-52.

[2] 劉星偉，劉林. 電熱毯技術的發展[J]. 技術與市場， 2006（8）： 63-64.

[3] 武漢紡織大學. 電熱毯自動布線針刺機： 中國， CN201610040240. 3[P]. 2016-05-18.

[4] 王聰聰. 電熱毯產品概況及其標準介紹[J]. 家用電器， 2018（1）： 32.

[5] 毛旭春， 徐維萍. 從標準內容， 看電熱毯發熱線的技術發展[J]. 家電科技， 2007（3）： 45-46， 48.

[6] 東莞市利瀚機械有限公司. 電熱毯加工機： 中國， CN201611219959. X[P]. 2017-04-26.

[7] 凌慧. 電熱毯行業現狀與前景展望[J]. 家用電器， 2018（1）： 38-39.

[8] 許應成， 王鋒， 王洪建， 等. 我國電熱毯產品質量安全狀況分析[J]. 標準科學， 2015（12）： 82-87.

[9] 張兆明. 歷年來電熱毯抽查的情況[J]. 家用電器， 2018（1）： 33.

[10] 連建永. 電熱毯自動生產裝置： 中國， CN201110108742. 2[P]. 2011-09-14.

[11] 杜白石， 劉洪萍. Pro/ENGINEER設計分析和優化機構[M]. 北京： 電子工業出版社， 2012.

[12] 趙朋. 電熱毯加工輸送帶及電熱毯加工輸送裝置： 中國， CN201710409973. 4[P]. 2017-08-11.

[13] 徐聞. 介紹兩種保溫覆蓋材料——無紡布與保溫被[J]. 當代蔬菜， 2006（1）： 24-25.

[14] 陳鑫洋. 光電傳感器測量設計與應用探究[J]. 電子制作， 2018（19）： 50-51， 47.

[15] 王怡， 朱凌云. 氣缸運動控制系統的設計與研究[J]. 石油化工自動化， 2018， 54（1）： 41-47.

[16] 方亞輝， 高云國. 大跨距同步帶直線驅動機構運動特性分析[J]. 現代制造工程， 2018（11）： 101-106.

[17] 湖州吉豪非織造布有限公司. 一種無紡布成卷套筒的切割裝置： 中國， CN201721587859. 2[P]. 2018-11-16.

[18] 王建民. 液壓與氣壓控制技術[M]. 北京： 北京航空航天大學出版社， 2010.

[19] 童和平， 張香紅. FluidSIM仿真軟件在《液壓與氣動技術》實踐教學中的應用[J]. 現代商貿工業， 2019， 40（8）： 163-164.