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数位双胞胎的应用

数字双胞胎已连续三年被Gartner评选为10 大策略科技应用,根据其解释与定义如下:数位双胞胎是现实世界实体或系统的数字表示。数字双胞胎的实现是一种封装的软件对象或模型,可反映唯一的物理对象、过程、组织、人或其他抽象。可以汇总来自多个数字双胞胎的数据,以跨多个现实世界的实体(例如电厂或城市)及其相关过程进行合成视图。

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产品开发流程说明

按照字面定义,一般大众对于数字双胞胎的理解在于对实体模型及虚拟模型的建立以及分身,而Gartner 对此提出以下四项延伸说明:

①虚拟模型的健壮性,以及如何透过此模型来达成特定的业务成果;

②与现实世界的连结性,是否可透过此模型达到实时监控;

③先进的大数据分析和AI 应用带来新兴商机;

④虚拟模型的互动性以及如何评估其“假设场景"。

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德国MAKA 透过数字双胞胎测试流程
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西门子数字双胞胎完整解决方案

也因此数字双胞胎的虚拟分身,其核心除了具备仿真模型之外,其与真实模型的链接是需要能够被量化,而其量化的基础除了可以被作为智慧化应用,甚至建立新兴商业模式。本篇文章将介绍欧洲机床厂如何于产品生产过程中导入数字双胞胎技术,来活化加速机械产业中的生产流程,以及提供更多的商业模式。

数字分身提升机台开发灵活性快速打造复杂CNC 机台机床产业为制造业之母,在2011年汉诺威展工业博览会提出“工业4.0计划”之后,各家欧洲大厂开始纷纷投入了智慧机床的行列,更多的智能化功能、IOT 装置以及AI 功能导入了机床当中,过去数字双胞胎应用大多以CAD/CAE 为主,机台的机械设计多以CAE 模拟为主,而整机的开发流程多会将机构学、电气、自动化系统分散开发,其开发生产模式可负荷单机大规模生产的生产模式,而近几年设备业趋势也如同消费性电子产品,产品生命周期缩短,定制化需求上升,在数字化功能的支持下,可在开发流程初期建立虚拟机台模型。数字双胞胎支持新机台的设计优化,从虚拟试运转、机台营销、生产中磨合部件,乃至翻新与服务,都是优化对象。这将为机台制造商省下大量时间,并增进其机台从概念设计到生产过程的质量。

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机构、电气以及自动化平行开发的需求在2015 年开始增加,位于德国内尔辛根的Maka Systems GmbH 开发和制造木材铝材、塑料加工及设计建模专用CNC 机床。一年多来,该公司在其项目管理中明确建立定制化设备虚拟试运转。Maka 透过机电一体化软件搭配HiL(Hardware in the loop) 硬体控制回路实施虚拟试运转处理棘手问题:一台大型木工定制化设备具有八个龙门同步对轴、六条伺服驱动输送带、一个车削站和复杂的制程逻辑。变更这类设备的零组件时,将对有限的交货和安装时间带来严重威胁。Maka 的管理阶层打算透过虚拟试运转在组装的同时完成设备调试,以确保遵守专案时程和设备交货时限。迅速展开行动、节省大量时间,一般而言不需花太多时间就能确定虚拟试运转的技术需求。借由将机台既有CAD 数据扫描汇入机电一体化概念设计软件(MCD)NX 组件的方式建立数字双胞胎。完成这个步骤后再加入动力学特性。接着再将Simit 连接CNC控制系统,透过Simit“赋予数位双胞胎生命”。此程序将设备的讯号和数据接口反映在计算机上,同时透过数学运算仿真机台的逻辑行为。经此处理后,便能确保数字双胞胎的讯号状态与实际设备相符。接着用Simit 的现场总线仿真功能整合Sinumerik CNC,从而验证PLC 软件和优化NC 程序。机台的每个反应都显示在监视器上,并用红色警示突显碰撞等严重错误。

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技术人员可放大每个细节,并从透视图检视无法从实际设备发现的错误。在此方法的协助下,Maka 在执行第一个项目时节省了五周的时间。这个结果又因为其他效益而获得改善:减少交通时间、避免潜在错误造成的损失,以及所有专家都能配合为公司效力。团队成员很快就学会如何使用这项技术。执行第一个项目时,Maka 将西门子的Sinumerik 虚拟调试服务充分运用于多个准备阶段,包括移转CAD 数据、动力学建模、参数化等程序。

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公司在第一次体验数字双胞胎后,通常都能发掘其他潜在技术用途,例如用于服务和维护。不论故障、扩充或自动化规划,所有应用都能透过数字双胞胎进行分析和仿真,甚至将数字双胞胎应用在营销上。

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