基于NX 的平面口罩焊接組件機電概念設計研究

黎玲萍，趙永信，陳 勇

（1.廣西工業職業技術學院智能制造學院，廣西 南寧 530001；2.深圳復興智能制造有限公司，廣東 深圳 518127）

0 引言

基于NX MCD 的機電一體化概念設計是區別與傳統設計的一種新的機電產品解決方案，可實現機械、電氣和自動化的同步設計，利用動態設計驗證的方式實現參數的合理選擇和設計，因此相關的研究也有很多。

趙林等[1]利用NX MCD 平臺完成了堆垛機機電概念模型的設計，其研究結果驗證了這種設計方法的可操作性。徐騰等[2]利用NX MCD 構建了一條基于機電概念設計（MCD）的物料分揀系統。肖祖東等[3]以圓形裝載機的概念設計為例說明了基于MCD 的機電一體化產品概念設計的可操作性以及與傳統概念設計相比的優越性。李漫天等[4]采用NX 的MCD 模塊開發設計了自動化程度較高的圓鋼堆垛機。筆者研究團隊基于NX MCD 平臺，針對工業機器人的氣動手爪的三維模型進行了機電一體化概念設計，驗證了氣動手爪模型動態仿真的可操作性[5]。吳雁等[6]以數控車床上下料的機械手為研究對象，在NX MCD 平臺上利用該平臺的機械、電氣和自動化設計完成了其機電一體化概念設計，并結合Teamcenter 的需求分析平臺驗證了該平臺具備集成性好、可實現知識的重用等好處，進一步驗證了基于NX MCD 的機電概念設計的可行性。

從以上研究者的研究中均可以看到基于NX MCD 的機電一體化概念設計是可行的，并且比起傳統的設計要好，好在其設計模型可以實現動態仿真，通過動態仿真能夠提前驗證其功能性，而且基于NX MCD 平臺的機電概念設計能夠把一個生產單元的機械運動關系（一些運動副和耦合副）、電氣控制中的傳感器、氣缸、液壓缸等元件的驅動動作參數進行設定，自動化的程序的提前驗證，在沒有真實設備的情況下，提前進行調試和驗證。

但是把NX MCD 機電概念設計應用于平面口罩中的應用研究卻鮮有看到，所以，本研究以關乎平面口罩生產質量的關鍵機構之一的焊接組件為研究對象，搭建其三維模型，在NX MCD 平臺上實現其功能設計，為從事口罩機研發設計以及機電一體概念設計的相關技術人員提供參考思路和案例。

1 平面口罩裝配單元概述

平面口罩的整個裝配單元由對稱分布的兩組拉耳剪刀組和兩組焊接組組成。裝配單元的主要功能就是需要把傳送帶輸送過來的口罩面與剪切好的耳帶進行超聲波焊接，焊接好后就完成了整個裝配的過程。

如圖1 所示，圖中的左右是對稱的，分別實現一個平面口罩上的兩段耳帶的焊接，其中一段耳帶的焊接需要利用到一組焊接組件和一組拉耳剪刀組件共同配合，共同完成耳帶與口罩面的裝配，在這個過程中涉及這兩個組件的機械、電氣和自動化的設計和控制，單純地分割去進行機械設計、電氣設計或者自動化設計很可能后期的其他設計參數、程序、控制方式等不一定合適，這樣修改的時間就會比較長，效率低下，故還是能夠把這三種設計放在一起，整合在一個平臺同步進行，并且配合動態仿真更加直觀和有效。

圖1 平面口罩裝配單位組成

2 平面口罩焊接組的組成及動作流程分析

如圖2 所示，平面口罩的焊接組主要由上下驅動氣缸、齒輪齒條機構、夾子旋轉氣缸、耳帶夾子等結構所組成。其動作過程如下：

圖2 焊接組的主要組成結構

首先，焊接組的兩個耳帶夾子夾取由拉耳剪刀組件所剪斷的耳帶；其次，通過齒輪齒條機構使得夾子旋轉驅動氣缸的伸縮直線運動轉換為耳帶夾子的旋轉運動，通過上下驅動氣缸實現耳帶夾子氣缸的上下移動，因此，根據耳帶夾子的旋轉運動和上下移動進行組合就可以把夾取的耳帶放到口罩面上需要焊接耳帶的位置；最后，在壓板上下驅動氣缸的伸縮運動使得壓板能夠牢固的壓住口罩面的前提下，焊接頭下壓，通過超聲波加熱的方式實現了口罩的耳帶與口罩面的焊接裝配。

3 焊接組的機電一體化概念設計

平面口罩裝配單元焊接組的機電一體化概念設計是基于NX MCD 平臺實現的，機械設計方面主要根據所需的動作，分析各運動構件之間的運動副和耦合副等；電氣設計方面主要是根據所需的動作效果動態設計所需要達到的位置和速度而且可以直觀地進行參數的設計；自動化設計可以設計所需的控制程序，在MCD 中先完成仿真序列，該序列完成后可以導出到PLC 中，方便實現其程序自動化控制。

3.1 機械設計中的運動副及耦合副添加

根據焊接組的動作流程分析，在MCD 中需要設置焊接組的以下運動副和耦合副：

（1）夾子旋轉氣缸的伸縮運動設置為一個滑動副。

（2）夾子旋轉氣缸上的齒輪齒條機構設置為兩個齒輪齒條副，這里要注意，由于齒輪齒條機構中的齒條與夾子氣缸的伸縮桿是剛性連接在一起的，故在MCD 中可以通過把夾子旋轉氣缸的伸縮桿與齒條機構設置為一個剛體進行處理即可。

（3）耳帶夾子的一個夾子夾緊和釋放動作需要設置兩個滑動副，由于夾子的動作是同步完成，故在MCD 中把這兩個滑動副設置為一個齒輪副，并設置其齒輪副的主倍數與從倍數為1∶1 即可。

（4）由于耳帶夾子的上下移動是靠上下驅動氣缸的伸縮動作實現的，所以需要給上下驅動氣缸的伸縮桿設置成滑動副。至此，完成了耳帶夾子的上下移動、前后旋轉的運動副和耦合副的添加。

（5）給壓板的上下驅動氣缸的活塞缸與引擎大地添加滑動副；給焊接頭與引擎大地添加滑動副，以此實現超聲波的焊接動作。

3.2 電氣設設計中的位置控制的添加

在MCD 平臺中，機械設計的同時，也可以實現其電氣驅動設計，接下來詳細說明如下。

（1）給夾子旋轉驅動氣缸的伸縮桿與氣缸之間的滑動副添加一個位置控制，用來控制齒輪齒條的運動，又因為耳帶夾子的旋轉角度是根據齒輪齒條的運動來實現，所以就可以通過這個位置控制驅動耳帶夾子的旋轉運動。

（2）給上下驅動氣缸的伸縮桿與氣缸之間的上下滑動副添加一個位置控制，用來實現耳帶夾子氣缸的上下移動控制。

（3）給耳帶夾子氣缸的夾子與氣缸之間的滑動副所組成的齒輪副添加一個位置控制，用來控制耳帶夾子的夾緊和松開的動作控制。

（4）給壓板的上下驅動氣缸活塞桿的滑動副添加一個位置控制，實現壓板的上下移動精確控制，用以在焊接時壓住口罩面。

（5）給焊接頭的滑動副添加一個位置控制，實現焊接頭的位置精度控制，用以實現焊接動作的控制。

至此，焊接組實現了耳帶夾子的三個位置控制（夾緊和松開動作、耳帶夾子的旋轉動作、耳帶夾子的上下移動）、壓板的上下移動位置控制和焊接頭的上下移動位置控制。

3.3 自動化設計的仿真序列添加

在這里的仿真序列的添加是通過在NX MCD 中利用仿真序列命令來實現的，該仿真序列命令能夠控制相關的電氣位置控制和機械運動副等機電對象，根據序列的時間和條件邏輯進行排序，相當于其程序流程，在完成該仿真序列的添加后可以導出該動作序列到西門子PLC 編程軟件TIA 中，以方便進行程序的驗證。在MCD 中，添加的仿真序列就是把焊接組的邏輯動作進行排序，根據焊接組的動作序列需要添加以下仿真序列：

壓板下壓壓住口罩面—耳帶夾子松開—耳帶夾子旋轉至與耳帶平行—耳帶夾子下移至與耳帶接觸—耳帶夾子夾緊，夾取耳帶。

待拉耳剪刀組件松開耳帶后焊接組繼續添加以下仿真序列：耳帶夾子上移一定距離—耳帶夾子旋轉至口罩面上方—耳帶夾子下降至焊接處—焊接頭下移完成超聲波焊接—焊接頭上升—焊接后耳帶夾子松開—耳帶夾子上移。至此，完成整個動作過程。

4 結語

以平面口罩裝配單元的焊接組為研究對象，基于西門子NX MCD 平臺完成了焊接組的動作流程分析、機械設計、電氣設計及自動化設計的同步設計，設計結果表明平面口罩的焊接組的機電概念設計是可行的，并且能夠提高效率。把基于NX MCD 的機電一體化概念設計應用于平面口罩裝配單元的焊接組件的動態功能設計中，具有一定的推廣意義。