【機床商務網 科技動態】回顧2016年，“智能制造和工業4.0”無疑是熱門的話題。隨著“中國制造2025”的推進和“智能制造十三五規劃”的發布，2017年將會出現哪些熱門新話題呢?“數字雙胞胎”可能就是其中之一。
 

　　下一代制造是基于模型的制造
 

　　上世紀60年代到70年代，建模仿真主要是用FORTRAN語言編寫的數字算法，用于計算特定的物理現象，解決設計問題，如機械設計的有限元分析。到了80年代和90年代，隨著工作站和微機的普及以及計算能力的提高，仿真技術的應用逐漸遍及各個學科和不同層面。今天，仿真不僅是各種產品或過程的設計決策、評價和試驗的基本工具，并且用于復雜工程系統的分析。毫無疑問，這個趨勢將會延續下去，仿真的應用不會停留在設計階段，如今正在向產品和系統的全生命周期擴展，構成與實體形影不離的“數字雙胞胎”。由于仿真能夠在產品全生命周期提供無縫協助和優化，將來必然成為制造系統的核心功能之一，未來智能工廠是基于模型的系統工程(Model Based System Engineering—MBSE)或基于模型的制造(Model Based Manufacturing--MBM)，軟件定義產品、決定企業盛衰，仿真技術成為制造系統關鍵組成部分的黃金時代才剛剛開始(如圖1)。
 

　　數字雙胞胎
 

　　數字雙胞胎(Digital Twin)是指可用于各種物理資產的計算機化“伴侶”，借助安裝在物理對象上的傳感器數據來映射產品實時狀態、工作條件或位置。換句話說，數字雙胞胎意味著物理對象的屬性及狀態的新和準確的鏡像，包括形狀、位置、狀態和運動。此外，數字雙胞胎也可用于監測、診斷和預測，借助數據挖掘建立模型，通過物理資產使用中不斷產生的和歸檔的歷史信息，在不同地理分布的機器群之間進行比較，以幫助改善預后的結果。
 

　　因此，復雜的預測和智能維護系統平臺可以利用數字雙胞胎尋找運行中問題的根本原因，使人們可以管理和優化個別資產或整個網絡，從嵌入物理對象中的傳感器獲取數據，建立其運行的數字模型，在損壞或發生故障以前加以修復，大大減少因停機所造成的損失。
 

　　例如，若干年后，當航空公司接收一架飛機的時候，同時還將驗收一套詳細的數字模型。每架飛機型號都伴隨著這套數字模型。每一特定架次的飛機都不再“孤獨”。因為，它有一個忠誠的“影子”，從不消失，伴隨一生。在數字世界建立的飛機模型，通過傳感器實現與飛機飛行狀態完全同步，如機翼受力狀態、應力和應變等。飛機每次飛行后，就可以根據結構現有情況和歷史載荷記錄，及時分析評估是否需要維修，能否承受下次飛行任務的載荷。駕駛員、維修人員和工程師皆可查閱有關架次飛機的歷史數據和現有狀態，保證飛行安全，防范于未然。換句話說，未來的航空器生命周期管理是可預測的、集成化和完全個性化的“事前諸葛亮”。當前，美國通用電氣公司正在著手提出在航空、風電、保健、交通運輸等領域應用數字雙胞胎的初步解決方案。
 

　　數字雙胞胎，也可用來指代工廠的廠房及生產線在沒有建造之前所構建的數字化模型。設計規劃階段在虛擬世界中對工廠的設備布局、生產過程和車間物流進行仿真和模擬，并將優化后的參數提供給實際的工廠建設。投產之后，在日常的工廠運作和維護以及產品的服務中，兩者之間繼續進行信息交互。使用云連接，數字雙胞胎可用以評估關鍵績效指標，如產品的數量和質量、停機時間分析、故障率和能源數據等。通過使用先進的軟件工具將機器生命周期數字化，用戶在機器的設計、生產和使用中將獲得相當大的靈活性，這是制造業的一個里程碑。當然，為了保護敏感的生產數據，綜合工業安全系統非常關鍵。
 

　　數字化提高了機器生命周期各個階段的效率和效益，降低了生命周期關鍵階段故障和錯誤的風險。例如，傳統的設備調試過程，以前需要付出巨大的努力和承受時間壓力進行。如果設備信息可以在一個集成化的數據平臺上，隨時可以進行修改、測試和驗證，產品更新換代的速度可以大大加快。此外，在模型的幫助下，設備的操作數據也可以用于優化生產過程的參數，從能效到故障率和維修周期。
 

　　基于模型的系統工程是數字雙胞胎的基礎，MBSE或MBM的核心思想是：用數字化模型在系統水平上捕獲單個子系統和組件之間的相互作用。例如，企業的運作可以分為產品設計、過程設計、生產運作和服務4個階段，現有的各階段的信息技術系統，如PDM/PLM和SCADA系統都存儲有大量的數據，但皆缺乏關聯，如果加以集成，就可以逐步構建本階段的和跨階段的數字雙胞胎(如圖2)。
 

　　按照建模支持系統要求，設計、分析和驗證從產品概念設計階段開始，貫穿于產品的全生命周期。在整個生命周期中，數據來自許多方面，如用戶需求、CAD/CAM/CAE等。數字雙胞胎使用這些數字信息作為初始數據來構建它的集成化仿真模型，并派生出新的輔助系統和服務應用。后數字雙胞胎從將生命周期中積累的信息返回到新產品設計，形成閉環，改進產品和生產過程。由于數字雙胞胎是動態閉環的、智能化的，不僅能夠提高生產效率，還可以促進新產品出現，包括設計階段的數字模型可能轉變成產品的一部分，如虛擬機床。
 

　　案例
 

　　“雙胞胎控制(twincontrol)”是歐共體Horizon2020框架計劃的一個關于機床和加工過程仿真的項目，它通過集成各種改進后的仿真模型，把影響加工過程的不同要點，包括在生命周期中越來越重要的機床能效和維護模型整合在一起，應用整體概念和方法使模型具有更接近現實的性能和更準確的評價能力(如圖3)。
 

　　從圖中可見，在物理世界里，機床制造商設計、生產機床，然后提交給用戶使用。twincontrol在虛擬世界根據機床的特征和加工工藝構建有：機床狀態、進給驅動、CNC、機床結構、加工過程和能源消耗模型，預測機床加工及其部件的狀態，并將參考數據上傳到機床數據隊列云與物理世界對機床監測和試驗的數據相比較，進行模型更新，同時將真實機床狀態、工作狀態適應、機床性能預測、維修計劃、補償和控制數據傳給機床用戶和機床制造商。該項目由德、法、英、西班牙的11家科研院所、高等院校和企業參與，2015年10月啟動，為期3年，分為虛擬機床、虛擬加工過程、監測和數據管理3條主線9個子項目。
 

　　數字雙胞胎模型除了用于評價以外，也可用于生產系統監控、診斷和預測。美國自然科學基金智能維護系統中心開發的Watchdog Agent可以安裝在各種物理設備中對其進行健康管理。例如在機床數控系統中，通過監測直接控制加工過程，含有基于模型評價的監控數據可以控制機床部件的衰退進程、優化維護作業、提高制造過程的有效性，通過改變加工參數保護性能已衰退的部件可維持到下一次計劃維修等(如圖4)。
 

　　從圖中可見，數字雙胞胎通過“時間機器”，在關鍵時間點采集數據，并對歷史紀錄進行分析比較(圖4右側)，提高預測的準確性。對分布各地的機器群進行健康相似性識別(圖4左側)，發現健康衰退的異常現象，在故障地圖上找到故障點。對機床采用不同數控程序加工的4種狀態進行比較分析(圖4上方)：當前狀態采用7號程序加工，主軸轉速1200r/min，生產效率為200件/h，機床剩余壽命為1200h;經過優化后，采用3號程序加工，主軸轉速1100r/min，生產效率略為降低到180件/h，但機床剩余壽命提高到2000h，增加了800h。
 

　　(原標題：數字雙胞胎浪潮來襲)