基于NX MCD的藍牙耳機充電盒裝配自動線數字孿生體設計研究

周欽河，黃 誠，李儒杰

（廣東水利電力職業技術學院，廣州 510925）

自2016年，蘋果iPhone7手機取消了傳統的3.5 mm耳機接口并發售無線耳機AirPods，推動了耳機行業的變革，打開了TWS（True Wireless Stereo）真無線藍牙智能耳機的市場，引發了消費者對藍牙耳機的狂熱追捧。2021年，TWS耳機的出貨量達2.1億臺，市場規模達190億美金，且隨著無線耳機音質及智能化的持續提升，在未來5年TWS耳機滲透率不可避免地將持續性提升。

1 研究的背景

隨著TWS耳機需求和供應的爆發性增長，消費者對外觀的需求也呈現多樣性，同時耳機廠商不斷開發各類新功能，導致PCB板結構也不斷發生變化，其模具也需要做相應變化，意味著TWS耳機自動化設備供應商生產的需要快速響應耳機廠商新產品開發的需求，能夠為其提供源源不斷的生產動力。越來越多的耳機廠商期待其設備供應商能提供具有柔性的多功能的TWS耳機裝配線，從而可減少設備的數量采購，從而壓縮設備采購成本，釋放場地空間，降低設備對產品迭代斷層供應的影響，提升新產品的上市周期，緩解消費者需求和產能不足的矛盾。

迄今為止，國內對于柔性裝配線的設計開發方式相較國外比較落后，國內往往是先對多款耳機產品進行柔性生產線評估，汲取其生產工藝的一致性之后進行模塊單元的開發。由于TWS耳機裝配線屬于離散自動化控制，其設計流程為典型的機電裝備開發流程，國內裝備供應商往往都是采用傳統的先在三維設計軟件如SolidWorks、NX等機械設計軟件進行機械模型設計，再對模型生成工程圖紙進行機械部件加工，待部件加工完畢后對其進行裝配和電氣配置，最終對完整的機電生產設備進行編程調試。此方法存在著較大風險，即每個環節都必須建立在前一個環節之上，因此必須保證上一個環節的高度準確性，否則將導致機械、電氣、程序的反復重新設計，對于機械結構設計失誤將可能需要設備返廠重工，對于電氣設計失誤可能導致燒毀器件引發事故，而對于程序的邏輯錯誤則可能產生機械結構非期待性碰撞造成設備損壞。上述問題均為不可避免的，傳統的TWS耳機裝配線研發方式已不是理想的機電裝備設計方式。

歐美國家對機電裝備的研制已廣泛采用數字孿生體的方式，通過先進的PLM（產品生命周期管理）軟件對機械結構進行數字化建模后，將其導入到NX MCD進行物理特征的設定，使其成為具有和真實設備相近物理屬性的數字孿生體，繼而為孿生體配置電氣接口，進而通過PLC編程軟件完成對孿生體的虛擬調試，在調試期間，若發現機械存在問題，則可由相應的工程師快速發現并處理，處理完畢即可投入將圖紙進行機械加工；在加工的過程中，可以繼續在孿生體上完成電氣和程序的調試和驗證。待自動線裝備機械、電氣安裝調試完畢，即可將在孿生體中調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生產。通過設備級數字孿生解決方案，有效地規避了機械和電氣設計錯誤的風險，同時節省了程序調試時間，助力企業獲得更強競爭力。

2 研究目的

本項目針對當前TWS藍牙耳機市場的需求，開展基于NX MCD的TWS藍牙耳機充電盒裝配自動線數字孿生體設計研究，利用西門子DES數字化仿真套件NX MCD（機電一體化概念設計軟件）、SIMIT（自動化項目仿真與設計軟件）、TIA（PLC編程軟件）和PLCsim Advanced（PLC高級仿真軟件）完成TWS藍牙耳機充電盒裝配自動線數字孿生體機械模型的設計、電氣原理圖設計、氣動回路圖設計，以及PLC程序設計，進行TWS藍牙耳機充電盒裝配線設備開發的技術創新、優化和驗證控制方案，研究和設計具有安裝容易、柔性化優、故障率低、精度高、安靜環保等優點的裝配線，并總結其特點，將此解決方案應用至其他各類異形插件生產線的開發生產中，服務3C數碼企業生產、促進企業的數字化轉型和升級。

本項目應用數字孿生技術，結合數字化機械設計、裝配、電氣設計、PLC虛擬仿真與調試和低代碼物聯網組態編程等，全鏈條覆蓋機電裝備研發的過程，通過TWS藍牙耳機充電盒裝配線的研究，歸納總結其特性，應用于創新性人才培養上面，編寫或利用數字孿生相關的項目化教材、錄制操作過程，利用公眾號、訂閱號、抖音等自媒體平臺對技術進行多方位的推廣，增加受益面，響應時代要求，跟進時代趨勢，加快自動化人才向數字化人才的高層次轉化。

3 研究內容

本研究基于NX MCD的TWS藍牙耳機充電盒裝配自動線數字孿生體設計嘗試對TWS藍牙耳機充電盒裝配自動線機械模型進行數字孿生體設計，使其具有物理屬性、電氣接口等，并完成對孿生體的PLC程序設計。現有的TWS藍牙耳機的充電盒底座均由底殼、頂殼、PCB電路板、磁吸鐵、充電探針和鋰電池組成，因此本研究具有針對TWS藍牙耳機充電盒裝配的通性，通過數字孿生體的設計對生產線的設計具有統一邏輯，有助于該行業的標準化，促進藍牙耳機充電盒的柔性化制造，高效驗證自動線的可行性。

3.1 研究生產工藝

針對TWS藍牙耳機充電盒裝配自動線的生產工藝進行深入研究，設計裝配線機械模型，開發供料機構、上料機構、環形傳輸機構、裝配機構、點膠機構和固化機構等，完成對裝配工件的供料和上料，固定后進行涂抹速干膠，然后進行藍牙耳機充電倉左、右邊磁鐵的安裝，最終對安裝磁鐵的左、右、上邊進行黃膠涂抹以對磁鐵進行安裝位的固化，最后對成品組裝件進行退料（圖1）。研究工藝流程的可行性和高效性，并對裝配線機械結構運作進行NX MCD的運動仿真，從而進行驗證評估。

圖1 藍牙耳機充電倉磁鐵自動裝配系統的生產工藝流程

3.2 研究數據鏈路

結合西門子智能制造先進的PLM數字孿生技術，采用PLCsim Advanced模擬西門子S7-1511T PLC，通過Share Memory共享內存的方式，完成PLC程序和SIMIT的連接，NX MCD項目和SIMIT的連接，打通PLC仿真、SIMIT驅動及IO仿真、NX MCD數字孿生體場景仿真的數據鏈路，在TIA中完成PLC程序的編制，實現對虛擬設備工藝流程控制（圖2）。

圖2 TIA+PLCsim Advanced+SIMIT+MCD虛擬調試系統架構

3.3 研究現場設備層的電氣硬件架構

用工業以太網絡總線控制Profinet通信技術，連接軟PLC與IO、驅動，實現數據的高速傳送，做到μ秒級的數據刷新速度，TWS藍牙耳機充電盒裝配自動線架構如圖3所示。

圖3 TWS藍牙耳機充電盒裝配自動線電氣系統架構圖

3.4 研究裝配自動線的PLC程序和機器人程序調試的機制

數字孿生體在PLC控制伺服和變頻器的應用中往往需要對其Profit通信報文、103報文、105報文等做以深入研究，完成PLCsim Advanced、SIMIT、NX MCD三者的數據連接后，測試程序掃描周期、通信延時對MCD數字孿生體行為的影響，優化程序結構及孿生體的物理特性設置，盡可能地減少碰撞體、摩擦、阻尼的物件的剛體設定。

4 研究的關鍵問題

（1）本項目通過數字孿生技術在TWS藍牙耳機充電盒裝配自動線中的應用，將邏輯控制與運動控制技術結合，實現對機電一體化裝配生產線深入融合，除對PLC程序進行驗證外，亦可通過機器人編程軟件以OPC UA通信的方式實現對機電設備中的機器人實現場景的離線編程，以孿生體的方式對機械、電氣、PLC程序、HMI程序和機器人程序進行驗證。為TWS藍牙耳機充電盒裝配柔性化裝配提供解決方案，加速新產品上市時間。

（2）本項目在TWS藍牙耳機充電盒裝配自動線孿生體得到統一驗證后，可將其工作機制進行抽象化并輻射應用至其他領域，比如異形插件的安裝、張力控制系統、機器人運動控制系統等，同時也可在孿生體中完成工業物聯網IOT低代碼程序的開發驗證，實現遠程監控面板的快速開發和產品數據追溯，完成數字孿生體的數據云采集，實現產品生產的數據動態分析和決策。

（3）我國的工業機電設備開發模式至今依然是薄弱環節，在智能制造數字化仿真和調試上幾乎是空白，具有一定的提升空間，通過藍牙耳機充電倉的裝配設備的西門子PLM數字孿生案例的驗證，可深度了解其軟件的工作機制，對后期自主研發虛擬仿真與調試軟件有較好的啟發意義。

5 研究方法

通過進一步加深了解傳統的TWS藍牙耳機充電盒裝配線的研發流程，總結其缺點，認真思考，深刻掌握藍牙耳機充電盒裝配線的工作工藝過程、研究能滿足結構變化多樣的充電盒裝配線，構建機械裝配線的數字模型，對模型進行物理特性如剛體、運動副、碰撞面、摩擦力和阻尼比等的設定，融合時代發展高新尖技術，打通頂層至底層的數據鏈路，搭建基于西門子工業以太網PROFINET總線的網絡架構，并繪制電氣控制原理圖，讓數據能在PLC Advanced、SIMIT、NX MCD中穩定快速傳送，同時對模型所需的傳感器進行相應的設定，能與真實產線構建虛實互動反饋，實現數字孿生體的控制工藝流程設計，同時借助工業OPC UA技術，將孿生體放置在工業服務云端，實現遠程PLC對孿生體的控制，開放并交付給企業，使其能在短時間內完成對產品線的調試，贏得產品上市時間，并對數字孿生體進行應用示范推廣。

6 研究的創新性

6.1 結構體的物理特性1∶1設計

通過SolidWorks完成TWS藍牙耳機充電盒裝配線進行機械模型設計，并將模型導入NX MCD中，將各個元器件、結構件根據自身的特性設置為剛體、碰撞體或者是軸副運動體，將各個元器件的約束調節配置好，使得物理結構3D模型可以在手動的模式下，完成產線的各個動作，為后續的調試做好基礎工作。

6.2 感知元件的1∶1設置

各個傳感器是感知設備運動的基礎元器件，將各個傳感器按照自身的物理特性進行設置，使得傳感器可以在虛擬環境中完成相關的動作，便于數字孿生體的各項反饋與實物一致。

6.3 執行元件的1∶1設置

數字孿生體的執行元件是數字孿生體的靈魂，各個電機、氣缸等執行元件必須與真實設備保持高度一致，包括氣缸的運行速度、到位信號、電機轉速和伺服運動位置等信號必須全部建立數字模型，提供與外界對接的接口。

6.4 PLC、機器人程序的1∶1設計

通過對TIA博途編程軟件、SIMIT自動化項目仿真設計、機器人編程軟件對數字孿生體的變量鏈接，進行相關控制工藝程序的設計，實現對PLC和機器人的程序設計，該程序在消除安裝誤差后可直接用于實體設備的控制。

7 結束語

本項目通過對NX MCD藍牙耳機充電盒裝配自動線數字孿生體設計的研究，對裝配設備進行機械模型設計、對裝配工藝場景進行設計、對PLC程序和HMI組態界面進行設計和驗證、對設備的產能進行分析和預測、對設備的生產數據進行管理和決策，此項目將對國內的機電裝備人才培養產生較大的影響，通過研究總結規律，開發相應的項目化教材，錄制相應的教學視頻，開展數字孿生應用技術課程，服務專業、服務課程，培養高層次的智能制造優秀畢業生，并通過應用案例面向社會開展培訓，引導更多的自動化工程師向數字化工程轉型，通過人才的數字化轉型帶動企業的數字化轉型，由企業的數字化轉型帶動產業的數字化升級，將更好地受益高校、企業、產業及政府。

在“中國制造2025”背景下，國家大力推進企業的數字化、智能化的改造和產業升級，職業市場崗位及人才需求的變化正在對高校發生沖擊，人才培養的標準與市場崗位對接正悄然發生變化。經調研，智能制造數字孿生技術人才職業方向主要針對的是智能制造企業的數字化產品設計與研制、數字化設備生產流程編程與調試、數字化智能產線設計與調試、數字化智能工廠設計等，同時也全面覆蓋至安裝及維護。這必將需要大量掌握機械、電氣制圖的計算機輔助繪圖高效工具;掌握電工電子技術，液壓與氣動技術，傳感技術；掌握工業自動化領域的核心技術如各種驅動技術（步進、變頻、伺服等）、PLC控制、工業網絡控制、組態技術、虛擬仿真技術的技師、現場工程師等復合型技術技能人才作為有力保障。