摘 要：基于NX MCD的TWS藍(lán)牙耳機(jī)充電倉(cāng)磁鐵裝配自動(dòng)線(xiàn)數(shù)字孿生體設(shè)計(jì)項(xiàng)目，針對(duì)當(dāng)前TWS藍(lán)牙耳機(jī)市場(chǎng)的需求，開(kāi)展基于NX MCD的TWS藍(lán)牙耳機(jī)充電盒裝配自動(dòng)線(xiàn)數(shù)字孿生體設(shè)計(jì)研究，利用西門(mén)子數(shù)字孿生軟件NX MCD（機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)軟件）、TIA（PLC編程軟件）、PLCsim Advanced（PLC高級(jí)仿真軟件）完成TWS藍(lán)牙耳機(jī)充電盒裝配自動(dòng)線(xiàn)數(shù)字孿生體機(jī)械模型的設(shè)計(jì)、PLC程序設(shè)計(jì)，并進(jìn)行TWS藍(lán)牙耳機(jī)充電盒裝配線(xiàn)設(shè)備開(kāi)發(fā)的技術(shù)創(chuàng)新、優(yōu)化和驗(yàn)證控制方案，研究和設(shè)計(jì)具有安裝容易、柔性化優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)的裝配線(xiàn)，并總結(jié)其特點(diǎn)，將此解決方案應(yīng)用至其他各類(lèi)異形插件生產(chǎn)線(xiàn)的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)中，服務(wù)3C數(shù)碼企業(yè)生產(chǎn)，促進(jìn)企業(yè)的數(shù)字化節(jié)能、創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；藍(lán)牙耳機(jī)；自動(dòng)線(xiàn)；NX MCD；PLC

中圖分類(lèi)號(hào)：TN642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）22-0026-06

Abstract： The project for the design of a digital twin for an automatic assembly line for TWS Bluetooth earbud charging cases based on NX MCD addresses the current market demand for TWS Bluetooth earbuds. Research on the digital twin design for the automatic assembly line of TWS Bluetooth earbud charging cases has been carried out using Siemens' digital twin software NX MCD （Mechatronics Concept Designer）， TIA （PLC programming software）， and PLCsim Advanced （advanced PLC simulation software）. This has led to the creation of the digital twin mechanical model for the TWS Bluetooth earbud charging case assembly line， the design of the PLC program， and the technical innovation， optimization， and verification of control schemes for the development of assembly line equipment for TWS Bluetooth earbud charging cases. The research and design focused on assembly lines that are easy to install and flexible， summarizing their characteristics. This solution is applied to the development and production of other types of irregularly-shaped plug-in production lines， serving the production of 3C digital enterprises， and promoting the digital， energy-saving， innovative transformation and development of enterprises.

Keywords： digital twin; Bluetooth headset; automatic line; NX MCD; PLC

隨著真無(wú)線(xiàn)立體聲藍(lán)牙（True Wireless Stereo，TWS）耳機(jī)需求和供應(yīng)的爆發(fā)性增長(zhǎng)，消費(fèi)者對(duì)外觀(guān)的需求呈現(xiàn)多樣性，導(dǎo)致PCB板結(jié)構(gòu)也不斷發(fā)生變化，其模具需要做相應(yīng)變化，意味著TWS耳機(jī)自動(dòng)化設(shè)備供應(yīng)商生產(chǎn)需要快速響應(yīng)耳機(jī)廠(chǎng)商新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的需求，能夠?yàn)槠涮峁┰丛床粩嗟纳a(chǎn)動(dòng)力。越來(lái)越多的耳機(jī)廠(chǎng)商期待其設(shè)備供應(yīng)商能提供具有柔性的多功能的TWS耳機(jī)裝配線(xiàn)，從而壓縮設(shè)備采購(gòu)成本，釋放場(chǎng)地空間，降低設(shè)備對(duì)產(chǎn)品迭代斷層供應(yīng)的影響，提升新產(chǎn)品的上市周期，緩解消費(fèi)者需求和產(chǎn)能不足的矛盾。

1 研究現(xiàn)狀分析

國(guó)內(nèi)對(duì)于柔性裝配線(xiàn)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)往往是先對(duì)多款耳機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行柔性生產(chǎn)線(xiàn)評(píng)估，萃取其生產(chǎn)工藝的一致性之后進(jìn)行模塊單元的開(kāi)發(fā)，先在三維設(shè)計(jì)軟件如SolidWorks、NX等機(jī)械設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行機(jī)械模型設(shè)計(jì)，再對(duì)模型生成工程圖紙進(jìn)行機(jī)械部件加工，待部件加工完畢后對(duì)其進(jìn)行裝配和電氣配置，最終對(duì)完整的機(jī)電生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行編程調(diào)試。此方法每個(gè)環(huán)節(jié)都必須建立在前一個(gè)環(huán)節(jié)之上，因此必須保證上述每個(gè)環(huán)節(jié)的高度準(zhǔn)確性，否則將導(dǎo)致機(jī)械、電氣、程序的反復(fù)重新設(shè)計(jì)，對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)失誤將可能需要設(shè)備返廠(chǎng)重工；對(duì)于電氣設(shè)計(jì)失誤可能導(dǎo)致燒毀器件引發(fā)事故；而對(duì)于程序的邏輯錯(cuò)誤則可能產(chǎn)生機(jī)械結(jié)構(gòu)非期待性碰撞造成設(shè)備損壞。上述問(wèn)題均為不可避免的，傳統(tǒng)的TWS耳機(jī)裝配線(xiàn)已不再是理想的機(jī)電裝備設(shè)計(jì)方式。

采用數(shù)字孿生綠色創(chuàng)新制造的方式，通過(guò)先進(jìn)的PLM（產(chǎn)品生命周期管理）軟件對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化建模后，將其導(dǎo)入到Siemens NX軟件中NX MCD（機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)）組件進(jìn)行物理特征的設(shè)定，使其成為具有和真實(shí)設(shè)備相近物理屬性的數(shù)字孿生體，繼而為孿生體配置電氣接口，進(jìn)而通過(guò)PLC編程軟件完成對(duì)孿生體的虛擬調(diào)試。在調(diào)試期間，若發(fā)現(xiàn)機(jī)械存在問(wèn)題，則可由相應(yīng)的工程師快速發(fā)現(xiàn)并處理，處理完畢即可投入圖紙進(jìn)行機(jī)械加工。在加工的過(guò)程中，可以繼續(xù)在孿生體上完成電氣和程序的調(diào)試和驗(yàn)證。待自動(dòng)線(xiàn)裝備機(jī)械、電氣安裝調(diào)試完畢，即可將在孿生體中調(diào)試好的程序下載至真實(shí)的PLC中，在消除安裝誤差后即可投入工業(yè)生產(chǎn)。通過(guò)設(shè)備級(jí)數(shù)字孿生解決方案，有效地規(guī)避了機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，大量減少了生產(chǎn)資料的消耗，同時(shí)節(jié)省了程序調(diào)試時(shí)間，助力企業(yè)獲得更強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。

因此，數(shù)字孿生綠色創(chuàng)新制造技術(shù)是當(dāng)前裝備制造業(yè)貫徹我國(guó)“雙碳”政策、符合時(shí)代發(fā)展的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方式，將為我國(guó)的制造業(yè)創(chuàng)造巨大的價(jià)值，促進(jìn)我們工業(yè)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)共生發(fā)展。

2 整體方案設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)線(xiàn)功能介紹

藍(lán)牙耳機(jī)充電倉(cāng)磁鐵裝配自動(dòng)線(xiàn)主要用于將TWS藍(lán)牙耳機(jī)充電倉(cāng)底座的5枚磁鐵（四大一?。┭b入至磁槽中，在裝入前先在磁槽底部灌入速干膠。在裝入后，在磁鐵和磁槽貼合處涂抹黃膠以做持久固定。本自動(dòng)線(xiàn)具有手自動(dòng)控制模式，人機(jī)界面可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的操作。自動(dòng)線(xiàn)和核心機(jī)構(gòu)線(xiàn)條圖如圖1所示。

2.2 自動(dòng)線(xiàn)工藝流程

待裝配的托盤(pán)耳機(jī)充電倉(cāng)如圖2所示，每個(gè)托盤(pán)上放置2個(gè)充電倉(cāng)，每個(gè)充電倉(cāng)上分別有2個(gè)左列、右列磁槽，還有1個(gè)中間磁槽。本自動(dòng)線(xiàn)的目的為，將每個(gè)充電倉(cāng)都裝上磁鐵并固定。核心機(jī)構(gòu)具體裝配步驟如圖2所示。

2.3 自動(dòng)線(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)

本自動(dòng)線(xiàn)在NX MCD中建立數(shù)字孿生體，然后通過(guò)TIA編寫(xiě)PLC程序和WinCC界面組態(tài)，并下載到PLCsim Advanced中，通過(guò)PLCsim Advanced SoftBus通信的方式，實(shí)現(xiàn)在HMI界面上操作驗(yàn)證PLC程序?qū)X MCD數(shù)字孿生體的工藝流程控制和節(jié)拍驗(yàn)證，同時(shí)用Node-RED工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)低代碼開(kāi)發(fā)軟件開(kāi)發(fā)外網(wǎng)遠(yuǎn)程模板。其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3所示。

3 數(shù)字孿生設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械模型導(dǎo)入

本項(xiàng)目采用西門(mén)子NX 2306軟件作為設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，由于企業(yè)設(shè)計(jì)模式時(shí)采用SolidWorks，所以通過(guò)保存為NX能導(dǎo)入的.step格式，導(dǎo)入文件后，因整機(jī)設(shè)備零部件很多，所以需要等待較長(zhǎng)的時(shí)間。一般導(dǎo)入的模型包含了大量的細(xì)節(jié)模型，比如螺絲、參考面、陣列部件等。在做虛擬仿真和調(diào)試的過(guò)程中，常常只保留動(dòng)作機(jī)構(gòu)，此舉是為了在設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇部件和觀(guān)察設(shè)計(jì)效果更加直觀(guān)。同時(shí)需要對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)的模型優(yōu)化和冗余清除，細(xì)節(jié)模型的存在將大量占用計(jì)算機(jī)硬件資源，仿真延遲時(shí)間增大，導(dǎo)致仿真和調(diào)試效果欠佳。對(duì)原始模型導(dǎo)入及優(yōu)化如圖4所示。

3.2 機(jī)械物理屬性設(shè)計(jì)

當(dāng)完成機(jī)械模型的導(dǎo)入和優(yōu)化后，需要對(duì)模型的物理屬性進(jìn)行設(shè)置，本環(huán)節(jié)是自動(dòng)線(xiàn)數(shù)字孿生體設(shè)計(jì)的最重要環(huán)節(jié)。需要針對(duì)設(shè)備制造的實(shí)際過(guò)程和生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行設(shè)定，涉及剛體、碰撞體、傳輸面、對(duì)象源、碰撞傳感器、對(duì)象收集器、對(duì)象變換器、碰撞材料、速度控制、位置控制、鉸鏈副、固定副、滑動(dòng)副、彈簧阻尼器、握爪和姿態(tài)定義等功能。除此之外，還需對(duì)孿生體機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性設(shè)置。由于涉及氣缸和軸運(yùn)動(dòng)控制，本項(xiàng)目主要包含了36個(gè)氣缸、11個(gè)伺服軸控制、1個(gè)直流電機(jī)等的位置控制、速度控制。孿生體各機(jī)構(gòu)包含的各類(lèi)物理屬性共計(jì)350個(gè)，如圖5所示，帶條導(dǎo)航欄為各物理機(jī)電對(duì)象設(shè)置匯總。

3.3 傳感器和電氣接口設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)虛擬仿真和虛擬調(diào)試，需要根據(jù)真實(shí)生產(chǎn)的過(guò)程設(shè)置傳感器和電氣接口，配置信號(hào)適配器和信號(hào)。傳感器與電氣接口表征的是PLC的IO表，傳感器用來(lái)串接工藝動(dòng)作的行為，往往與PLC的輸入口對(duì)應(yīng)。電氣信號(hào)用來(lái)驅(qū)動(dòng)孿生體的動(dòng)作執(zhí)行，往往與PLC的輸出口對(duì)應(yīng)。此外還有很多速度和位置控制的信號(hào)需要通過(guò)這些接口傳遞入NX MCD中，從而驅(qū)動(dòng)孿生體設(shè)備的行為。本項(xiàng)目中，由于信號(hào)較多，為了更好地實(shí)現(xiàn)軟件在環(huán)的虛擬調(diào)試，在NX MCD中選用PLCsim Advanced的SoftBus通信方式。通信信號(hào)數(shù)據(jù)如圖6所示。

3.4 仿真序列實(shí)現(xiàn)工藝仿真設(shè)計(jì)

虛擬仿真用來(lái)模擬真實(shí)設(shè)備的生產(chǎn)工藝流程，并進(jìn)行節(jié)拍和產(chǎn)能、電氣部件的速度分析。由于機(jī)構(gòu)模型比較復(fù)雜，機(jī)電對(duì)象和信號(hào)也比較多，本項(xiàng)目通過(guò)縮放速度標(biāo)度的方式來(lái)進(jìn)行仿真，根據(jù)企業(yè)對(duì)設(shè)備的所需產(chǎn)能反推電氣控制部件的速度，其公式為

V實(shí)際速度=（N所需產(chǎn)能/N仿真產(chǎn)能）×V仿真速度。

虛擬仿真的過(guò)程在于通過(guò)分析驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)瓶頸，從而通過(guò)優(yōu)化機(jī)械機(jī)構(gòu)和電氣部件選型的方式達(dá)到更高的產(chǎn)能。本項(xiàng)目機(jī)構(gòu)的仿真序列大概為80個(gè)，最終驗(yàn)證的理想產(chǎn)能約為2套/s，每天8 h工作制約為57 600套/d。

4 數(shù)字孿生調(diào)試

本項(xiàng)目屬于離散自動(dòng)化邏輯編程，在PLC程序設(shè)計(jì)前往往需要對(duì)自動(dòng)線(xiàn)的動(dòng)作流程進(jìn)行梳理，還要對(duì)每個(gè)機(jī)構(gòu)的行為進(jìn)行規(guī)劃，達(dá)到機(jī)構(gòu)間能協(xié)同高效率工作。在本項(xiàng)目中由于前期進(jìn)行了數(shù)字化仿真，其機(jī)構(gòu)的行為很明確，工藝流程清晰，PLC控制邏輯主要流程如圖7所示。

在PLC程序設(shè)計(jì)中，采用了結(jié)構(gòu)化編程的方法，這些運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能程序均由Main（OB1）進(jìn)行調(diào)用，在整體架構(gòu)上程序架構(gòu)清晰明了，對(duì)程序進(jìn)行具備調(diào)整時(shí)不易出錯(cuò)，遇到問(wèn)題可以通過(guò)程序塊監(jiān)控的方式快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。結(jié)構(gòu)化編程架構(gòu)如圖8所示。

5 數(shù)字孿生體調(diào)試

在進(jìn)行虛擬調(diào)試的過(guò)程中，自動(dòng)化、數(shù)字化或者信息化均有可能出現(xiàn)問(wèn)題，可以先將PLC程序和NX MCD聯(lián)調(diào)完成后，再調(diào)試Node-RED和PLC的數(shù)據(jù)。當(dāng)所有內(nèi)容完成后，再完成Node-RED與MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的交互操作。本項(xiàng)目最終完成的效果如圖9所示，可見(jiàn)客戶(hù)可以用手機(jī)通過(guò)掃碼提供的二維碼登錄到FRP Server的Node-RED DashBoard遠(yuǎn)程界面，從而進(jìn)行數(shù)字孿生體的操作和監(jiān)控；FRP Client端的PLCsim Advanced虛擬PLC與NX MCD進(jìn)行工藝流程控制動(dòng)作，其中NX MCD的所有軸數(shù)據(jù)均可經(jīng)由PLCsimAdvanced傳送至Node-RED看板中。

6 項(xiàng)目總結(jié)

6.1 解決前期產(chǎn)品質(zhì)量差、生產(chǎn)效率低的問(wèn)題

本項(xiàng)目通過(guò)驗(yàn)證，產(chǎn)品的理想生產(chǎn)效率為2套/s，在設(shè)備投放后到生產(chǎn)后，產(chǎn)生了巨大的效益，見(jiàn)表1，每臺(tái)設(shè)備產(chǎn)能為7 000套/人時(shí)，相較以前產(chǎn)能提高了2.5倍，合格率提升了15%，用人成本年節(jié)省近60萬(wàn)元，有效地達(dá)到了增值提效減排的效果。

6.2 解決實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)狀況和運(yùn)維數(shù)字化

通過(guò)Node-RED的物聯(lián)網(wǎng)編程工具，使用SIMATIC IOT2050工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)，能快速實(shí)現(xiàn)設(shè)備系統(tǒng)的數(shù)字化，并利用Node-RED和 FRP穿透技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程看板、服務(wù)器與 PLCsim Advanced的通信，建立Node-RED 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)；同時(shí)數(shù)字孿生體可通過(guò)VPN OPC UA TSN的方式實(shí)現(xiàn)高速虛實(shí)同步，由于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析實(shí)現(xiàn)運(yùn)維數(shù)字化。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障，工程師可查看孿生體的實(shí)際狀態(tài)為生產(chǎn)人員提供維護(hù)維修決策建議。

7 項(xiàng)目展望

在工業(yè)層面，本項(xiàng)目利用基于三化融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生虛擬仿真和調(diào)試是一種數(shù)字化創(chuàng)新方式，雖然是針對(duì)離散制造裝配行業(yè)，但得到nBCjWfKfBfSadoKHXf+63Lsw+/3Dc/oh91Ez1mM6Tzk=的成功驗(yàn)證可拓展至其他行業(yè)和領(lǐng)域，應(yīng)用方向極具期待性，后期可從柔性加工、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制等方向去拓展研究。同時(shí)本項(xiàng)目的典型示范對(duì)我國(guó)制造型企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和升級(jí)中具有啟發(fā)意義，有助于數(shù)字技術(shù)創(chuàng)新，面向裝備制造開(kāi)發(fā)高速推動(dòng)生產(chǎn)工藝的驗(yàn)證和實(shí)施性，推進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域科技創(chuàng)新平臺(tái)、技術(shù)服務(wù)平臺(tái)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)科技成果轉(zhuǎn)化。

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作者簡(jiǎn)介：付婕（1976-），女，碩士，高級(jí)講師，高級(jí)技師，中山市名師工作室主持人。研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化，職業(yè)教育，產(chǎn)教融合。