【機(jī)床商務(wù)網(wǎng) 科技動(dòng)態(tài)】回顧2016年，“智能制造和工業(yè)4.0”無(wú)疑是熱門(mén)的話題。隨著“中國(guó)制造2025”的推進(jìn)和“智能制造十三五規(guī)劃”的發(fā)布，2017年將會(huì)出現(xiàn)哪些熱門(mén)新話題呢?“數(shù)字雙胞胎”可能就是其中之一。
 

　　下一代制造是基于模型的制造
 

　　上世紀(jì)60年代到70年代，建模仿真主要是用FORTRAN語(yǔ)言編寫(xiě)的數(shù)字算法，用于計(jì)算特定的物理現(xiàn)象，解決設(shè)計(jì)問(wèn)題，如機(jī)械設(shè)計(jì)的有限元分析。到了80年代和90年代，隨著工作站和微機(jī)的普及以及計(jì)算能力的提高，仿真技術(shù)的應(yīng)用逐漸遍及各個(gè)學(xué)科和不同層面。今天，仿真不僅是各種產(chǎn)品或過(guò)程的設(shè)計(jì)決策、評(píng)價(jià)和試驗(yàn)的基本工具，并且用于復(fù)雜工程系統(tǒng)的分析。毫無(wú)疑問(wèn)，這個(gè)趨勢(shì)將會(huì)延續(xù)下去，仿真的應(yīng)用不會(huì)停留在設(shè)計(jì)階段，如今正在向產(chǎn)品和系統(tǒng)的全生命周期擴(kuò)展，構(gòu)成與實(shí)體形影不離的“數(shù)字雙胞胎”。由于仿真能夠在產(chǎn)品全生命周期提供無(wú)縫協(xié)助和優(yōu)化，將來(lái)必然成為制造系統(tǒng)的核心功能之一，未來(lái)智能工廠是基于模型的系統(tǒng)工程(Model Based System Engineering—MBSE)或基于模型的制造(Model Based Manufacturing--MBM)，軟件定義產(chǎn)品、決定企業(yè)盛衰，仿真技術(shù)成為制造系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分的黃金時(shí)代才剛剛開(kāi)始(如圖1)。
 

　　數(shù)字雙胞胎
 

　　數(shù)字雙胞胎(Digital Twin)是指可用于各種物理資產(chǎn)的計(jì)算機(jī)化“伴侶”，借助安裝在物理對(duì)象上的傳感器數(shù)據(jù)來(lái)映射產(chǎn)品實(shí)時(shí)狀態(tài)、工作條件或位置。換句話說(shuō)，數(shù)字雙胞胎意味著物理對(duì)象的屬性及狀態(tài)的新和準(zhǔn)確的鏡像，包括形狀、位置、狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)。此外，數(shù)字雙胞胎也可用于監(jiān)測(cè)、診斷和預(yù)測(cè)，借助數(shù)據(jù)挖掘建立模型，通過(guò)物理資產(chǎn)使用中不斷產(chǎn)生的和歸檔的歷史信息，在不同地理分布的機(jī)器群之間進(jìn)行比較，以幫助改善預(yù)后的結(jié)果。
 

　　因此，復(fù)雜的預(yù)測(cè)和智能維護(hù)系統(tǒng)平臺(tái)可以利用數(shù)字雙胞胎尋找運(yùn)行中問(wèn)題的根本原因，使人們可以管理和優(yōu)化個(gè)別資產(chǎn)或整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，從嵌入物理對(duì)象中的傳感器獲取數(shù)據(jù)，建立其運(yùn)行的數(shù)字模型，在損壞或發(fā)生故障以前加以修復(fù)，大大減少因停機(jī)所造成的損失。
 

　　例如，若干年后，當(dāng)航空公司接收一架飛機(jī)的時(shí)候，同時(shí)還將驗(yàn)收一套詳細(xì)的數(shù)字模型。每架飛機(jī)型號(hào)都伴隨著這套數(shù)字模型。每一特定架次的飛機(jī)都不再“孤獨(dú)”。因?yàn)椋幸粋€(gè)忠誠(chéng)的“影子”，從不消失，伴隨一生。在數(shù)字世界建立的飛機(jī)模型，通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)飛行狀態(tài)完全同步，如機(jī)翼受力狀態(tài)、應(yīng)力和應(yīng)變等。飛機(jī)每次飛行后，就可以根據(jù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有情況和歷史載荷記錄，及時(shí)分析評(píng)估是否需要維修，能否承受下次飛行任務(wù)的載荷。駕駛員、維修人員和工程師皆可查閱有關(guān)架次飛機(jī)的歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)有狀態(tài)，保證飛行安全，防范于未然。換句話說(shuō)，未來(lái)的航空器生命周期管理是可預(yù)測(cè)的、集成化和完全個(gè)性化的“事前諸葛亮”。當(dāng)前，美國(guó)通用電氣公司正在著手提出在航空、風(fēng)電、保健、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用數(shù)字雙胞胎的初步解決方案。
 

　　數(shù)字雙胞胎，也可用來(lái)指代工廠的廠房及生產(chǎn)線在沒(méi)有建造之前所構(gòu)建的數(shù)字化模型。設(shè)計(jì)規(guī)劃階段在虛擬世界中對(duì)工廠的設(shè)備布局、生產(chǎn)過(guò)程和車(chē)間物流進(jìn)行仿真和模擬，并將優(yōu)化后的參數(shù)提供給實(shí)際的工廠建設(shè)。投產(chǎn)之后，在日常的工廠運(yùn)作和維護(hù)以及產(chǎn)品的服務(wù)中，兩者之間繼續(xù)進(jìn)行信息交互。使用云連接，數(shù)字雙胞胎可用以評(píng)估關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)，如產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量、停機(jī)時(shí)間分析、故障率和能源數(shù)據(jù)等。通過(guò)使用先進(jìn)的軟件工具將機(jī)器生命周期數(shù)字化，用戶在機(jī)器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用中將獲得相當(dāng)大的靈活性，這是制造業(yè)的一個(gè)里程碑。當(dāng)然，為了保護(hù)敏感的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，綜合工業(yè)安全系統(tǒng)非常關(guān)鍵。
 

　　數(shù)字化提高了機(jī)器生命周期各個(gè)階段的效率和效益，降低了生命周期關(guān)鍵階段故障和錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。例如，傳統(tǒng)的設(shè)備調(diào)試過(guò)程，以前需要付出巨大的努力和承受時(shí)間壓力進(jìn)行。如果設(shè)備信息可以在一個(gè)集成化的數(shù)據(jù)平臺(tái)上，隨時(shí)可以進(jìn)行修改、測(cè)試和驗(yàn)證，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度可以大大加快。此外，在模型的幫助下，設(shè)備的操作數(shù)據(jù)也可以用于優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程的參數(shù)，從能效到故障率和維修周期。
 

　　基于模型的系統(tǒng)工程是數(shù)字雙胞胎的基礎(chǔ)，MBSE或MBM的核心思想是：用數(shù)字化模型在系統(tǒng)水平上捕獲單個(gè)子系統(tǒng)和組件之間的相互作用。例如，企業(yè)的運(yùn)作可以分為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、過(guò)程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)運(yùn)作和服務(wù)4個(gè)階段，現(xiàn)有的各階段的信息技術(shù)系統(tǒng)，如PDM/PLM和SCADA系統(tǒng)都存儲(chǔ)有大量的數(shù)據(jù)，但皆缺乏關(guān)聯(lián)，如果加以集成，就可以逐步構(gòu)建本階段的和跨階段的數(shù)字雙胞胎(如圖2)。
 

　　按照建模支持系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)、分析和驗(yàn)證從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，貫穿于產(chǎn)品的全生命周期。在整個(gè)生命周期中，數(shù)據(jù)來(lái)自許多方面，如用戶需求、CAD/CAM/CAE等。數(shù)字雙胞胎使用這些數(shù)字信息作為初始數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建它的集成化仿真模型，并派生出新的輔助系統(tǒng)和服務(wù)應(yīng)用。后數(shù)字雙胞胎從將生命周期中積累的信息返回到新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，形成閉環(huán)，改進(jìn)產(chǎn)品和生產(chǎn)過(guò)程。由于數(shù)字雙胞胎是動(dòng)態(tài)閉環(huán)的、智能化的，不僅能夠提高生產(chǎn)效率，還可以促進(jìn)新產(chǎn)品出現(xiàn)，包括設(shè)計(jì)階段的數(shù)字模型可能轉(zhuǎn)變成產(chǎn)品的一部分，如虛擬機(jī)床。
 

　　案例
 

　　“雙胞胎控制(twincontrol)”是歐共體Horizon2020框架計(jì)劃的一個(gè)關(guān)于機(jī)床和加工過(guò)程仿真的項(xiàng)目，它通過(guò)集成各種改進(jìn)后的仿真模型，把影響加工過(guò)程的不同要點(diǎn)，包括在生命周期中越來(lái)越重要的機(jī)床能效和維護(hù)模型整合在一起，應(yīng)用整體概念和方法使模型具有更接近現(xiàn)實(shí)的性能和更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)能力(如圖3)。
 

　　從圖中可見(jiàn)，在物理世界里，機(jī)床制造商設(shè)計(jì)、生產(chǎn)機(jī)床，然后提交給用戶使用。twincontrol在虛擬世界根據(jù)機(jī)床的特征和加工工藝構(gòu)建有：機(jī)床狀態(tài)、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)、CNC、機(jī)床結(jié)構(gòu)、加工過(guò)程和能源消耗模型，預(yù)測(cè)機(jī)床加工及其部件的狀態(tài)，并將參考數(shù)據(jù)上傳到機(jī)床數(shù)據(jù)隊(duì)列云與物理世界對(duì)機(jī)床監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)的數(shù)據(jù)相比較，進(jìn)行模型更新，同時(shí)將真實(shí)機(jī)床狀態(tài)、工作狀態(tài)適應(yīng)、機(jī)床性能預(yù)測(cè)、維修計(jì)劃、補(bǔ)償和控制數(shù)據(jù)傳給機(jī)床用戶和機(jī)床制造商。該項(xiàng)目由德、法、英、西班牙的11家科研院所、高等院校和企業(yè)參與，2015年10月啟動(dòng)，為期3年，分為虛擬機(jī)床、虛擬加工過(guò)程、監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)管理3條主線9個(gè)子項(xiàng)目。
 

　　數(shù)字雙胞胎模型除了用于評(píng)價(jià)以外，也可用于生產(chǎn)系統(tǒng)監(jiān)控、診斷和預(yù)測(cè)。美國(guó)自然科學(xué)基金智能維護(hù)系統(tǒng)中心開(kāi)發(fā)的Watchdog Agent可以安裝在各種物理設(shè)備中對(duì)其進(jìn)行健康管理。例如在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中，通過(guò)監(jiān)測(cè)直接控制加工過(guò)程，含有基于模型評(píng)價(jià)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可以控制機(jī)床部件的衰退進(jìn)程、優(yōu)化維護(hù)作業(yè)、提高制造過(guò)程的有效性，通過(guò)改變加工參數(shù)保護(hù)性能已衰退的部件可維持到下一次計(jì)劃維修等(如圖4)。
 

　　從圖中可見(jiàn)，數(shù)字雙胞胎通過(guò)“時(shí)間機(jī)器”，在關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，并對(duì)歷史紀(jì)錄進(jìn)行分析比較(圖4右側(cè))，提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。對(duì)分布各地的機(jī)器群進(jìn)行健康相似性識(shí)別(圖4左側(cè))，發(fā)現(xiàn)健康衰退的異常現(xiàn)象，在故障地圖上找到故障點(diǎn)。對(duì)機(jī)床采用不同數(shù)控程序加工的4種狀態(tài)進(jìn)行比較分析(圖4上方)：當(dāng)前狀態(tài)采用7號(hào)程序加工，主軸轉(zhuǎn)速1200r/min，生產(chǎn)效率為200件/h，機(jī)床剩余壽命為1200h;經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，采用3號(hào)程序加工，主軸轉(zhuǎn)速1100r/min，生產(chǎn)效率略為降低到180件/h，但機(jī)床剩余壽命提高到2000h，增加了800h。
 

　　(原標(biāo)題：數(shù)字雙胞胎浪潮來(lái)襲)