基于NX MCD的TWS藍(lán)牙耳機(jī)充電倉磁鐵裝配自動線數(shù)字孿生體開發(fā)設(shè)計

摘 要：基于NX MCD的TWS藍(lán)牙耳機(jī)充電倉磁鐵裝配自動線數(shù)字孿生體設(shè)計項目，針對當(dāng)前TWS藍(lán)牙耳機(jī)市場的需求，開展基于NX MCD的TWS藍(lán)牙耳機(jī)充電盒裝配自動線數(shù)字孿生體設(shè)計研究，利用西門子數(shù)字孿生軟件NX MCD（機(jī)電一體化概念設(shè)計軟件）、TIA（PLC編程軟件）、PLCsim Advanced（PLC高級仿真軟件）完成TWS藍(lán)牙耳機(jī)充電盒裝配自動線數(shù)字孿生體機(jī)械模型的設(shè)計、PLC程序設(shè)計，并進(jìn)行TWS藍(lán)牙耳機(jī)充電盒裝配線設(shè)備開發(fā)的技術(shù)創(chuàng)新、優(yōu)化和驗證控制方案，研究和設(shè)計具有安裝容易、柔性化優(yōu)等優(yōu)點的裝配線，并總結(jié)其特點，將此解決方案應(yīng)用至其他各類異形插件生產(chǎn)線的開發(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)；自動線；NX MCD；PLC

中圖分類號：TN642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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

隨著真無線立體聲藍(lán)牙（True Wireless Stereo，TWS）耳機(jī)需求和供應(yīng)的爆發(fā)性增長，消費者對外觀的需求呈現(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)自動化設(shè)備供應(yīng)商生產(chǎn)需要快速響應(yīng)耳機(jī)廠商新產(chǎn)品開發(fā)的需求，能夠為其提供源源不斷的生產(chǎn)動力。越來越多的耳機(jī)廠商期待其設(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，從而壓縮設(shè)備采購成本，釋放場地空間，降低設(shè)備對產(chǎn)品迭代斷層供應(yīng)的影響，提升新產(chǎn)品的上市周期，緩解消費者需求和產(chǎn)能不足的矛盾。

1 研究現(xiàn)狀分析

國內(nèi)對于柔性裝配線的設(shè)計開發(fā)往往是先對多款耳機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行柔性生產(chǎn)線評估，萃取其生產(chǎn)工藝的一致性之后進(jìn)行模塊單元的開發(fā)，先在三維設(shè)計軟件如SolidWorks、NX等機(jī)械設(shè)計軟件進(jìn)行機(jī)械模型設(shè)計，再對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其進(jìn)行裝配和電氣配置，最終對完整的機(jī)電生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行編程調(diào)試。此方法每個環(huán)節(jié)都必須建立在前一個環(huán)節(jié)之上，因此必須保證上述每個環(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，對于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計失誤將可能需要設(shè)備返廠重工；對于電氣設(shè)計失誤可能導(dǎo)致燒毀器件引發(fā)事故；而對于程序的邏輯錯誤則可能產(chǎn)生機(jī)械結(jié)構(gòu)非期待性碰撞造成設(shè)備損壞。上述問題均為不可避免的，傳統(tǒng)的TWS耳機(jī)裝配線已不再是理想的機(jī)電裝備設(shè)計方式。

采用數(shù)字孿生綠色創(chuàng)新制造的方式，通過先進(jìn)的PLM（產(chǎn)品生命周期管理）軟件對機(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）組件進(jìn)行物理特征的設(shè)定，使其成為具有和真實設(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PLC編程軟件完成對孿生體的虛擬調(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)試和驗證。待自動線裝備機(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的PLC中，在消除安裝誤差后即可投入工業(yè)生產(chǎn)。通過設(shè)備級數(shù)字孿生解決方案，有效地規(guī)避了機(jī)械和電氣設(shè)計錯誤的風(fēng)險，大量減少了生產(chǎn)資料的消耗，同時節(jié)省了程序調(diào)試時間，助力企業(yè)獲得更強(qiáng)競爭力。

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“雙碳”政策、符合時代發(fā)展的創(chuàng)新設(shè)計方式，將為我國的制造業(yè)創(chuàng)造巨大的價值，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

2.1 自動線功能介紹

藍(lán)牙耳機(jī)充電倉磁鐵裝配自動線主要用于將TWS藍(lán)牙耳機(jī)充電倉底座的5枚磁鐵（四大一小）裝入至磁槽中，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。本自動線具有手自動控制模式，人機(jī)界面可實現(xiàn)對設(shè)備的操作。自動線和核心機(jī)構(gòu)線條圖如圖1所示。

2.2 自動線工藝流程

待裝配的托盤耳機(jī)充電倉如圖2所示，每個托盤上放置2個充電倉，每個充電倉上分別有2個左列、右列磁槽，還有1個中間磁槽。本自動線的目的為，將每個充電倉都裝上磁鐵并固定。核心機(jī)構(gòu)具體裝配步驟如圖2所示。

2.3 自動線系統(tǒng)架構(gòu)

本自動線在NX MCD中建立數(shù)字孿生體，然后通過TIA編寫PLC程序和WinCC界面組態(tài)，并下載到PLCsim Advanced中，通過PLCsim Advanced SoftBus通信的方式，實現(xiàn)在HMI界面上操作驗證PLC程序?qū)X MCD數(shù)字孿生體的工藝流程控制和節(jié)拍驗證，同時用Node-RED工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)低代碼開發(fā)軟件開發(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

3.1 機(jī)械模型導(dǎo)入

本項目采用西門子NX 2306軟件作為設(shè)計和開發(fā)，由于企業(yè)設(shè)計模式時采用SolidWorks，所以通過保存為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，所以需要等待較長的時間。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)試的過程中，常常只保留動作機(jī)構(gòu)，此舉是為了在設(shè)計過程中選擇部件和觀察設(shè)計效果更加直觀。同時需要對模型進(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算機(jī)硬件資源，仿真延遲時間增大，導(dǎo)致仿真和調(diào)試效果欠佳。對原始模型導(dǎo)入及優(yōu)化如圖4所示。

3.2 機(jī)械物理屬性設(shè)計

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

3.3 傳感器和電氣接口設(shè)計

為了實現(xiàn)虛擬仿真和虛擬調(diào)試，需要根據(jù)真實生產(chǎn)的過程設(shè)置傳感器和電氣接口，配置信號適配器和信號。傳感器與電氣接口表征的是PLC的IO表，傳感器用來串接工藝動作的行為，往往與PLC的輸入口對應(yīng)。電氣信號用來驅(qū)動孿生體的動作執(zhí)行，往往與PLC的輸出口對應(yīng)。此外還有很多速度和位置控制的信號需要通過這些接口傳遞入NX MCD中，從而驅(qū)動孿生體設(shè)備的行為。本項目中，由于信號較多，為了更好地實現(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。通信信號數(shù)據(jù)如圖6所示。

3.4 仿真序列實現(xiàn)工藝仿真設(shè)計

虛擬仿真用來模擬真實設(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)電對象和信號也比較多，本項目通過縮放速度標(biāo)度的方式來進(jìn)行仿真，根據(jù)企業(yè)對設(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。

虛擬仿真的過程在于通過分析驗證機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)瓶頸，從而通過優(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。本項目機(jī)構(gòu)的仿真序列大概為80個，最終驗證的理想產(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

本項目屬于離散自動化邏輯編程，在PLC程序設(shè)計前往往需要對自動線的動作流程進(jìn)行梳理，還要對每個機(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)計中，采用了結(jié)構(gòu)化編程的方法，這些運動機(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，對程序進(jìn)行具備調(diào)整時不易出錯，遇到問題可以通過程序塊監(jiān)控的方式快速發(fā)現(xiàn)問題。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)試的過程中，自動化、數(shù)字化或者信息化均有可能出現(xiàn)問題，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)庫的交互操作。本項目最終完成的效果如圖9所示，可見客戶可以用手機(jī)通過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)效率低的問題

本項目通過驗證，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，見表1，每臺設(shè)備產(chǎn)能為7 000套/人時，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60萬元，有效地達(dá)到了增值提效減排的效果。

6.2 解決實時監(jiān)控生產(chǎn)狀況和運維數(shù)字化

通過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)；同時數(shù)字孿生體可通過VPN OPC UA TSN的方式實現(xiàn)高速虛實同步，由于數(shù)據(jù)的實時采集，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析實現(xiàn)運維數(shù)字化。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障，工程師可查看孿生體的實際狀態(tài)為生產(chǎn)人員提供維護(hù)維修決策建議。

7 項目展望

在工業(yè)層面，本項目利用基于三化融合技術(shù)實現(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，雖然是針對離散制造裝配行業(yè)，但得到nBCjWfKfBfSadoKHXf+63Lsw+/3Dc/oh91Ez1mM6Tzk=的成功驗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)器人運動控制等方向去拓展研究。同時本項目的典型示范對我國制造型企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和升級中具有啟發(fā)意義，有助于數(shù)字技術(shù)創(chuàng)新，面向裝備制造開發(fā)高速推動生產(chǎn)工藝的驗證和實施性，推進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域科技創(chuàng)新平臺、技術(shù)服務(wù)平臺建設(shè)，實現(xiàn)各類科技成果轉(zhuǎn)化。

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作者簡介：付婕（1976-），女，碩士，高級講師，高級技師，中山市名師工作室主持人。研究方向為工業(yè)自動化，職業(yè)教育，產(chǎn)教融合。