周欽河，黃 誠，李儒杰

（廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510925）

自2016年，蘋果iPhone7手機(jī)取消了傳統(tǒng)的3.5 mm耳機(jī)接口并發(fā)售無線耳機(jī)AirPods，推動了耳機(jī)行業(yè)的變革，打開了TWS（True Wireless Stereo）真無線藍(lán)牙智能耳機(jī)的市場，引發(fā)了消費者對藍(lán)牙耳機(jī)的狂熱追捧。2021年，TWS耳機(jī)的出貨量達(dá)2.1億臺，市場規(guī)模達(dá)190億美金，且隨著無線耳機(jī)音質(zhì)及智能化的持續(xù)提升，在未來5年TWS耳機(jī)滲透率不可避免地將持續(xù)性提升。

1 研究的背景

隨著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也呈現(xiàn)多樣性，同時耳機(jī)廠商不斷開發(fā)各類新功能，導(dǎo)致PCB板結(jié)構(gòu)也不斷發(fā)生變化，其模具也需要做相應(yīng)變化，意味著TWS耳機(jī)自動化設(shè)備供應(yīng)商生產(chǎn)的需要快速響應(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，從而可減少設(shè)備的數(shù)量采購，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。

迄今為止，國內(nèi)對于柔性裝配線的設(shè)計開發(fā)方式相較國外比較落后，國內(nèi)往往是先對多款耳機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行柔性生產(chǎn)線評估，汲取其生產(chǎn)工藝的一致性之后進(jìn)行模塊單元的開發(fā)。由于TWS耳機(jī)裝配線屬于離散自動化控制，其設(shè)計流程為典型的機(jī)電裝備開發(fā)流程，國內(nèi)裝備供應(yīng)商往往都是采用傳統(tǒng)的先在三維設(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。此方法存在著較大風(fēng)險，即每個環(huán)節(jié)都必須建立在前一個環(huán)節(jié)之上，因此必須保證上一個環(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)裝配線研發(fā)方式已不是理想的機(jī)電裝備設(shè)計方式。

歐美國家對機(jī)電裝備的研制已廣泛采用數(shù)字孿生體的方式，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NX MCD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，處理完畢即可投入將圖紙進(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，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。

2 研究目的

本項目針對當(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DES數(shù)字化仿真套件NX MCD（機(jī)電一體化概念設(shè)計軟件）、SIMIT（自動化項目仿真與設(shè)計軟件）、TIA（PLC編程軟件）和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、電氣原理圖設(shè)計、氣動回路圖設(shè)計，以及PLC程序設(shè)計，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)、故障率低、精度高、安靜環(huán)保等優(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)字化轉(zhuǎn)型和升級。

本項目應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，結(jié)合數(shù)字化機(jī)械設(shè)計、裝配、電氣設(shè)計、PLC虛擬仿真與調(diào)試和低代碼物聯(lián)網(wǎng)組態(tài)編程等，全鏈條覆蓋機(jī)電裝備研發(fā)的過程，通過TWS藍(lán)牙耳機(jī)充電盒裝配線的研究，歸納總結(jié)其特性，應(yīng)用于創(chuàng)新性人才培養(yǎng)上面，編寫或利用數(shù)字孿生相關(guān)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(shù)進(jìn)行多方位的推廣，增加受益面，響應(yīng)時代要求，跟進(jìn)時代趨勢，加快自動化人才向數(shù)字化人才的高層次轉(zhuǎn)化。

3 研究內(nèi)容

本研究基于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)計嘗試對TWS藍(lán)牙耳機(jī)充電盒裝配自動線機(jī)械模型進(jìn)行數(shù)字孿生體設(shè)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(shè)計?，F(xiàn)有的TWS藍(lán)牙耳機(jī)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(lán)牙耳機(jī)充電盒裝配的通性，通過數(shù)字孿生體的設(shè)計對生產(chǎn)線的設(shè)計具有統(tǒng)一邏輯，有助于該行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化，促進(jìn)藍(lán)牙耳機(jī)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(chǎn)工藝

針對TWS藍(lán)牙耳機(jī)充電盒裝配自動線的生產(chǎn)工藝進(jìn)行深入研究，設(shè)計裝配線機(jī)械模型，開發(fā)供料機(jī)構(gòu)、上料機(jī)構(gòu)、環(huán)形傳輸機(jī)構(gòu)、裝配機(jī)構(gòu)、點膠機(jī)構(gòu)和固化機(jī)構(gòu)等，完成對裝配工件的供料和上料，固定后進(jìn)行涂抹速干膠，然后進(jìn)行藍(lán)牙耳機(jī)充電倉左、右邊磁鐵的安裝，最終對安裝磁鐵的左、右、上邊進(jìn)行黃膠涂抹以對磁鐵進(jìn)行安裝位的固化，最后對成品組裝件進(jìn)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(jī)械結(jié)構(gòu)運作進(jìn)行NX MCD的運動仿真，從而進(jìn)行驗證評估。

圖1 藍(lán)牙耳機(jī)充電倉磁鐵自動裝配系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝流程

3.2 研究數(shù)據(jù)鏈路

結(jié)合西門子智能制造先進(jìn)的PLM數(shù)字孿生技術(shù)，采用PLCsim Advanced模擬西門子S7-1511T PLC，通過Share Memory共享內(nèi)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(qū)動及IO仿真、NX MCD數(shù)字孿生體場景仿真的數(shù)據(jù)鏈路，在TIA中完成PLC程序的編制，實現(xiàn)對虛擬設(shè)備工藝流程控制（圖2）。

圖2 TIA+PLCsim Advanced+SIMIT+MCD虛擬調(diào)試系統(tǒng)架構(gòu)

3.3 研究現(xiàn)場設(shè)備層的電氣硬件架構(gòu)

用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)總線控制Profinet通信技術(shù)，連接軟PLC與IO、驅(qū)動，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳送，做到μ秒級的數(shù)據(jù)刷新速度，TWS藍(lán)牙耳機(jī)充電盒裝配自動線架構(gòu)如圖3所示。

圖3 TWS藍(lán)牙耳機(jī)充電盒裝配自動線電氣系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.4 研究裝配自動線的PLC程序和機(jī)器人程序調(diào)試的機(jī)制

數(shù)字孿生體在PLC控制伺服和變頻器的應(yīng)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(shù)據(jù)連接后，測試程序掃描周期、通信延時對MCD數(shù)字孿生體行為的影響，優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)及孿生體的物理特性設(shè)置，盡可能地減少碰撞體、摩擦、阻尼的物件的剛體設(shè)定。

4 研究的關(guān)鍵問題

（1）本項目通過數(shù)字孿生技術(shù)在TWS藍(lán)牙耳機(jī)充電盒裝配自動線中的應(yīng)用，將邏輯控制與運動控制技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)對機(jī)電一體化裝配生產(chǎn)線深入融合，除對PLC程序進(jìn)行驗證外，亦可通過機(jī)器人編程軟件以O(shè)PC UA通信的方式實現(xiàn)對機(jī)電設(shè)備中的機(jī)器人實現(xiàn)場景的離線編程，以孿生體的方式對機(jī)械、電氣、PLC程序、HMI程序和機(jī)器人程序進(jìn)行驗證。為TWS藍(lán)牙耳機(jī)充電盒裝配柔性化裝配提供解決方案，加速新產(chǎn)品上市時間。

（2）本項目在TWS藍(lán)牙耳機(jī)充電盒裝配自動線孿生體得到統(tǒng)一驗證后，可將其工作機(jī)制進(jìn)行抽象化并輻射應(yīng)用至其他領(lǐng)域，比如異形插件的安裝、張力控制系統(tǒng)、機(jī)器人運動控制系統(tǒng)等，同時也可在孿生體中完成工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IOT低代碼程序的開發(fā)驗證，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控面板的快速開發(fā)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)追溯，完成數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)云采集，實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)的數(shù)據(jù)動態(tài)分析和決策。

（3）我國的工業(yè)機(jī)電設(shè)備開發(fā)模式至今依然是薄弱環(huán)節(jié)，在智能制造數(shù)字化仿真和調(diào)試上幾乎是空白，具有一定的提升空間，通過藍(lán)牙耳機(jī)充電倉的裝配設(shè)備的西門子PLM數(shù)字孿生案例的驗證，可深度了解其軟件的工作機(jī)制，對后期自主研發(fā)虛擬仿真與調(diào)試軟件有較好的啟發(fā)意義。

5 研究方法

通過進(jìn)一步加深了解傳統(tǒng)的TWS藍(lán)牙耳機(jī)充電盒裝配線的研發(fā)流程，總結(jié)其缺點，認(rèn)真思考，深刻掌握藍(lán)牙耳機(jī)充電盒裝配線的工作工藝過程、研究能滿足結(jié)構(gòu)變化多樣的充電盒裝配線，構(gòu)建機(jī)械裝配線的數(shù)字模型，對模型進(jìn)行物理特性如剛體、運動副、碰撞面、摩擦力和阻尼比等的設(shè)定，融合時代發(fā)展高新尖技術(shù)，打通頂層至底層的數(shù)據(jù)鏈路，搭建基于西門子工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET總線的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并繪制電氣控制原理圖，讓數(shù)據(jù)能在PLC Advanced、SIMIT、NX MCD中穩(wěn)定快速傳送，同時對模型所需的傳感器進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定，能與真實產(chǎn)線構(gòu)建虛實互動反饋，實現(xiàn)數(shù)字孿生體的控制工藝流程設(shè)計，同時借助工業(yè)OPC UA技術(shù)，將孿生體放置在工業(yè)服務(wù)云端，實現(xiàn)遠(yuǎn)程PLC對孿生體的控制，開放并交付給企業(yè)，使其能在短時間內(nèi)完成對產(chǎn)品線的調(diào)試，贏得產(chǎn)品上市時間，并對數(shù)字孿生體進(jìn)行應(yīng)用示范推廣。

6 研究的創(chuàng)新性

6.1 結(jié)構(gòu)體的物理特性1∶1設(shè)計

通過SolidWorks完成TWS藍(lán)牙耳機(jī)充電盒裝配線進(jìn)行機(jī)械模型設(shè)計，并將模型導(dǎo)入NX MCD中，將各個元器件、結(jié)構(gòu)件根據(jù)自身的特性設(shè)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(diào)節(jié)配置好，使得物理結(jié)構(gòu)3D模型可以在手動的模式下，完成產(chǎn)線的各個動作，為后續(xù)的調(diào)試做好基礎(chǔ)工作。

6.2 感知元件的1∶1設(shè)置

各個傳感器是感知設(shè)備運動的基礎(chǔ)元器件，將各個傳感器按照自身的物理特性進(jìn)行設(shè)置，使得傳感器可以在虛擬環(huán)境中完成相關(guān)的動作，便于數(shù)字孿生體的各項反饋與實物一致。

6.3 執(zhí)行元件的1∶1設(shè)置

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

6.4 PLC、機(jī)器人程序的1∶1設(shè)計

通過對TIA博途編程軟件、SIMIT自動化項目仿真設(shè)計、機(jī)器人編程軟件對數(shù)字孿生體的變量鏈接，進(jìn)行相關(guān)控制工藝程序的設(shè)計，實現(xiàn)對PLC和機(jī)器人的程序設(shè)計，該程序在消除安裝誤差后可直接用于實體設(shè)備的控制。

7 結(jié)束語

本項目通過對NX MCD藍(lán)牙耳機(jī)充電盒裝配自動線數(shù)字孿生體設(shè)計的研究，對裝配設(shè)備進(jìn)行機(jī)械模型設(shè)計、對裝配工藝場景進(jìn)行設(shè)計、對PLC程序和HMI組態(tài)界面進(jìn)行設(shè)計和驗證、對設(shè)備的產(chǎn)能進(jìn)行分析和預(yù)測、對設(shè)備的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和決策，此項目將對國內(nèi)的機(jī)電裝備人才培養(yǎng)產(chǎn)生較大的影響，通過研究總結(jié)規(guī)律，開發(fā)相應(yīng)的項目化教材，錄制相應(yīng)的教學(xué)視頻，開展數(shù)字孿生應(yīng)用技術(shù)課程，服務(wù)專業(yè)、服務(wù)課程，培養(yǎng)高層次的智能制造優(yōu)秀畢業(yè)生，并通過應(yīng)用案例面向社會開展培訓(xùn)，引導(dǎo)更多的自動化工程師向數(shù)字化工程轉(zhuǎn)型，通過人才的數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶動企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，由企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶動產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化升級，將更好地受益高校、企業(yè)、產(chǎn)業(yè)及政府。

在“中國制造2025”背景下，國家大力推進(jìn)企業(yè)的數(shù)字化、智能化的改造和產(chǎn)業(yè)升級，職業(yè)市場崗位及人才需求的變化正在對高校發(fā)生沖擊，人才培養(yǎng)的標(biāo)準(zhǔn)與市場崗位對接正悄然發(fā)生變化。經(jīng)調(diào)研，智能制造數(shù)字孿生技術(shù)人才職業(yè)方向主要針對的是智能制造企業(yè)的數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計與研制、數(shù)字化設(shè)備生產(chǎn)流程編程與調(diào)試、數(shù)字化智能產(chǎn)線設(shè)計與調(diào)試、數(shù)字化智能工廠設(shè)計等，同時也全面覆蓋至安裝及維護(hù)。這必將需要大量掌握機(jī)械、電氣制圖的計算機(jī)輔助繪圖高效工具;掌握電工電子技術(shù)，液壓與氣動技術(shù)，傳感技術(shù)；掌握工業(yè)自動化領(lǐng)域的核心技術(shù)如各種驅(qū)動技術(shù)（步進(jìn)、變頻、伺服等）、PLC控制、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制、組態(tài)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)的技師、現(xiàn)場工程師等復(fù)合型技術(shù)技能人才作為有力保障。