基于NX 的平面口罩焊接组件机电概念设计研究

黎玲萍，赵永信，陈 勇

（1.广西工业职业技术学院智能制造学院，广西 南宁 530001；2.深圳复兴智能制造有限公司，广东 深圳 518127）

0 引言

基于NX MCD 的机电一体化概念设计是区别与传统设计的一种新的机电产品解决方案，可实现机械、电气和自动化的同步设计，利用动态设计验证的方式实现参数的合理选择和设计，因此相关的研究也有很多。

赵林等[1]利用NX MCD 平台完成了堆垛机机电概念模型的设计，其研究结果验证了这种设计方法的可操作性。徐腾等[2]利用NX MCD 构建了一条基于机电概念设计（MCD）的物料分拣系统。肖祖东等[3]以圆形装载机的概念设计为例说明了基于MCD 的机电一体化产品概念设计的可操作性以及与传统概念设计相比的优越性。李漫天等[4]采用NX 的MCD 模块开发设计了自动化程度较高的圆钢堆垛机。笔者研究团队基于NX MCD 平台，针对工业机器人的气动手爪的三维模型进行了机电一体化概念设计，验证了气动手爪模型动态仿真的可操作性[5]。吴雁等[6]以数控车床上下料的机械手为研究对象，在NX MCD 平台上利用该平台的机械、电气和自动化设计完成了其机电一体化概念设计，并结合Teamcenter 的需求分析平台验证了该平台具备集成性好、可实现知识的重用等好处，进一步验证了基于NX MCD 的机电概念设计的可行性。

从以上研究者的研究中均可以看到基于NX MCD 的机电一体化概念设计是可行的，并且比起传统的设计要好，好在其设计模型可以实现动态仿真，通过动态仿真能够提前验证其功能性，而且基于NX MCD 平台的机电概念设计能够把一个生产单元的机械运动关系（一些运动副和耦合副）、电气控制中的传感器、气缸、液压缸等元件的驱动动作参数进行设定，自动化的程序的提前验证，在没有真实设备的情况下，提前进行调试和验证。

但是把NX MCD 机电概念设计应用于平面口罩中的应用研究却鲜有看到，所以，本研究以关乎平面口罩生产质量的关键机构之一的焊接组件为研究对象，搭建其三维模型，在NX MCD 平台上实现其功能设计，为从事口罩机研发设计以及机电一体概念设计的相关技术人员提供参考思路和案例。

1 平面口罩装配单元概述

平面口罩的整个装配单元由对称分布的两组拉耳剪刀组和两组焊接组组成。装配单元的主要功能就是需要把传送带输送过来的口罩面与剪切好的耳带进行超声波焊接，焊接好后就完成了整个装配的过程。

如图1 所示，图中的左右是对称的，分别实现一个平面口罩上的两段耳带的焊接，其中一段耳带的焊接需要利用到一组焊接组件和一组拉耳剪刀组件共同配合，共同完成耳带与口罩面的装配，在这个过程中涉及这两个组件的机械、电气和自动化的设计和控制，单纯地分割去进行机械设计、电气设计或者自动化设计很可能后期的其他设计参数、程序、控制方式等不一定合适，这样修改的时间就会比较长，效率低下，故还是能够把这三种设计放在一起，整合在一个平台同步进行，并且配合动态仿真更加直观和有效。

图1 平面口罩装配单位组成

2 平面口罩焊接组的组成及动作流程分析

如图2 所示，平面口罩的焊接组主要由上下驱动气缸、齿轮齿条机构、夹子旋转气缸、耳带夹子等结构所组成。其动作过程如下：

图2 焊接组的主要组成结构

首先，焊接组的两个耳带夹子夹取由拉耳剪刀组件所剪断的耳带；其次，通过齿轮齿条机构使得夹子旋转驱动气缸的伸缩直线运动转换为耳带夹子的旋转运动，通过上下驱动气缸实现耳带夹子气缸的上下移动，因此，根据耳带夹子的旋转运动和上下移动进行组合就可以把夹取的耳带放到口罩面上需要焊接耳带的位置；最后，在压板上下驱动气缸的伸缩运动使得压板能够牢固的压住口罩面的前提下，焊接头下压，通过超声波加热的方式实现了口罩的耳带与口罩面的焊接装配。

3 焊接组的机电一体化概念设计

平面口罩装配单元焊接组的机电一体化概念设计是基于NX MCD 平台实现的，机械设计方面主要根据所需的动作，分析各运动构件之间的运动副和耦合副等；电气设计方面主要是根据所需的动作效果动态设计所需要达到的位置和速度而且可以直观地进行参数的设计；自动化设计可以设计所需的控制程序，在MCD 中先完成仿真序列，该序列完成后可以导出到PLC 中，方便实现其程序自动化控制。

3.1 机械设计中的运动副及耦合副添加

根据焊接组的动作流程分析，在MCD 中需要设置焊接组的以下运动副和耦合副：

（1）夹子旋转气缸的伸缩运动设置为一个滑动副。

（2）夹子旋转气缸上的齿轮齿条机构设置为两个齿轮齿条副，这里要注意，由于齿轮齿条机构中的齿条与夹子气缸的伸缩杆是刚性连接在一起的，故在MCD 中可以通过把夹子旋转气缸的伸缩杆与齿条机构设置为一个刚体进行处理即可。

（3）耳带夹子的一个夹子夹紧和释放动作需要设置两个滑动副，由于夹子的动作是同步完成，故在MCD 中把这两个滑动副设置为一个齿轮副，并设置其齿轮副的主倍数与从倍数为1∶1 即可。

（4）由于耳带夹子的上下移动是靠上下驱动气缸的伸缩动作实现的，所以需要给上下驱动气缸的伸缩杆设置成滑动副。至此，完成了耳带夹子的上下移动、前后旋转的运动副和耦合副的添加。

（5）给压板的上下驱动气缸的活塞缸与引擎大地添加滑动副；给焊接头与引擎大地添加滑动副，以此实现超声波的焊接动作。

3.2 电气设设计中的位置控制的添加

在MCD 平台中，机械设计的同时，也可以实现其电气驱动设计，接下来详细说明如下。

（1）给夹子旋转驱动气缸的伸缩杆与气缸之间的滑动副添加一个位置控制，用来控制齿轮齿条的运动，又因为耳带夹子的旋转角度是根据齿轮齿条的运动来实现，所以就可以通过这个位置控制驱动耳带夹子的旋转运动。

（2）给上下驱动气缸的伸缩杆与气缸之间的上下滑动副添加一个位置控制，用来实现耳带夹子气缸的上下移动控制。

（3）给耳带夹子气缸的夹子与气缸之间的滑动副所组成的齿轮副添加一个位置控制，用来控制耳带夹子的夹紧和松开的动作控制。

（4）给压板的上下驱动气缸活塞杆的滑动副添加一个位置控制，实现压板的上下移动精确控制，用以在焊接时压住口罩面。

（5）给焊接头的滑动副添加一个位置控制，实现焊接头的位置精度控制，用以实现焊接动作的控制。

至此，焊接组实现了耳带夹子的三个位置控制（夹紧和松开动作、耳带夹子的旋转动作、耳带夹子的上下移动）、压板的上下移动位置控制和焊接头的上下移动位置控制。

3.3 自动化设计的仿真序列添加

在这里的仿真序列的添加是通过在NX MCD 中利用仿真序列命令来实现的，该仿真序列命令能够控制相关的电气位置控制和机械运动副等机电对象，根据序列的时间和条件逻辑进行排序，相当于其程序流程，在完成该仿真序列的添加后可以导出该动作序列到西门子PLC 编程软件TIA 中，以方便进行程序的验证。在MCD 中，添加的仿真序列就是把焊接组的逻辑动作进行排序，根据焊接组的动作序列需要添加以下仿真序列：

压板下压压住口罩面—耳带夹子松开—耳带夹子旋转至与耳带平行—耳带夹子下移至与耳带接触—耳带夹子夹紧，夹取耳带。

待拉耳剪刀组件松开耳带后焊接组继续添加以下仿真序列：耳带夹子上移一定距离—耳带夹子旋转至口罩面上方—耳带夹子下降至焊接处—焊接头下移完成超声波焊接—焊接头上升—焊接后耳带夹子松开—耳带夹子上移。至此，完成整个动作过程。

4 结语

以平面口罩装配单元的焊接组为研究对象，基于西门子NX MCD 平台完成了焊接组的动作流程分析、机械设计、电气设计及自动化设计的同步设计，设计结果表明平面口罩的焊接组的机电概念设计是可行的，并且能够提高效率。把基于NX MCD 的机电一体化概念设计应用于平面口罩装配单元的焊接组件的动态功能设计中，具有一定的推广意义。