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欧洲工具机厂如何运用数位双胞胎技术加速生产流程?
 

【作者: 西門子提供】2020年05月14日 星期四

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数位双胞胎(Digital Twin)已连续三年被Gartner评选为10大策略科技应用。一般大众对於数位双胞胎的理解,在於对实体模型及虚拟模型的建立以及分身,而Gartner对此提出了四项延伸说明:


*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


*与现实世界的连结性,是否可透过此模型达到即时监控


*先进的大数据分析和AI应用带来新兴商机


*虚拟模型的互动性以及如何评估其「假设场景」



图1 : 产品开发流程说明
图1 : 产品开发流程说明

也因此数位双胞胎的虚拟分身,其核心除了具备模拟模型之外,与真实模型的连结是需要能够被量化,而其量化的基础可以被作为智慧化应用,甚至建立新兴商业模式。而欧洲工具机厂也在产品生产过程中,导入数位双胞胎技术,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。


以数位双胞胎快速打造复杂CNC机台

工具机产业为制造业之母,在2011年汉诺威展工业博览会提出「工业4.0计画」之後,各家欧洲大厂开始纷纷投入了智慧工具机的行列,更多的智慧化功能、IOT装置以及AI功能导入了工具机当中。


过去数位双胞胎应用大多以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,产品生命周期缩短,客制化需求上升,在数位化功能的支援下,可在开发流程初期建立虚拟机台模型。


数位双胞胎支援新机台的设计优化,从虚拟试运转、机台行销、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品质。


机构、电气以及自动化平行开发的需求在2015年开始增加,位於德国内尔辛根的Maka Systems GmbH开发和制造木材铝材、塑胶加工及设计建模专用CNC 工具机。一年多来,该公司在其专案管理中,明确建立客制化设备虚拟试运转。Maka透过机电一体化软体搭配HiL(Hardware in the loop)硬体控制??路,实施虚拟试运转处理棘手问题。


一台大型木工客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。藉由将机台既有CAD资料扫描?入机电一体化概念设计软体(MCD)NX元件的方式建立数位双胞胎。完成这个步骤後再加入动力学特性。


接着再将Simit连接CNC控制系统,透过Simit「赋予数位双胞胎生命」。此程式将设备的讯号和资料介面反映在电脑上,同时透过数学运算模拟机台的逻辑行为。经此处理後,便能确保数位双胞胎的讯号状态与实际设备相符。接着用Simit的现场汇流排模拟功能整合Sinumerik CNC,从而验证PLC软体和优化NC程式。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。


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在执行第一个专案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。执行第一个专案时,Maka将西门子的Sinumerik虚拟调试服务充分运用於多个准备阶段,包括移转CAD资料、动力学建模、叁数化等程序。



图2 : 德国MAKA透过数位双胞胎测试流程
图2 : 德国MAKA透过数位双胞胎测试流程

公司在第一次体验数位双胞胎後,通常都能发掘其他潜在技术用途,例如用於服务和维护。不论故障、扩充或自动化规划,所有应用都能透过数位双胞胎进行分析和模拟,甚至将数位双胞胎应用在行销上。


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