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落实数位制造 Digital Twin让虚实同步
[作者 王明德]   2017年12月18日 星期一 浏览人次: [7065]


公司将使用数字化双生主动修复和规划设备服务、规划制造流程、操作工厂、预测设备故障或提高运营效率,以及执行增强的产品开发。因此,数字化双生最终将成为技术人员和传统监测设备和控制(例如,压力计,压力阀)的组合的代理。


几个月前,Gartner依惯例发布2017年十大技术趋势,其中最受瞩目的项目,无疑正是区块链(Blockchain),甚至被喻为网际网路问世至今,最具有破坏力的一项创新发明。


对於制造企业而言,当然也关注区块链相关技术的发展,只因它可被用於追踪产品履历、保护产品(防止遗失、窃取、伪照或调包)、降低供应链的资金转帐成本、实现供应链协同供货CPFR,但另一个同样被列入十大技术的项目,似??更加吸睛。


这个被Gartner揭露的亮点,便是Digital Twin,有人把它翻译为「数位双胞胎」,其意指物件或系统的多元软体模型,借助感测器来理解标的物件或系统的真实处境,让使用者能精准快速地反应各种变动情况,从而改善物件或系统的的操作,或增添其附加价值。


以制造业而论,若能善加运用Digital Twin,即等於巧妙建立一套智慧代理人,可以主动修复与规划设备服务,规划制程、产线或整座工厂,从而及早预测设备的潜在故障因子、强化产品开发,终至提升营运效能。


由此看来,一旦企业能够妙用工业物联网(IIoT)与Digital Twin,一方面就可以有效汇集来自周边环境或设备的大量资料,二方面更可善用这些数据,在犹如真实世界化身的数位世界里执行模拟运算。


如此一来,企业毋需耗费高昂的成本代价购置大量装置或设备,即可透过Digital Twin这个虚拟分身,持续不断进行分析与测试,并随时针对异常状态进行修补与复原,藉此缩短各项创新研发专案的试误历程,且易於维系创新产品的品质与稳定性。


Digital Twin象徵CPS虚实融合技术


图1 : 展??未来,许许多多事物皆可透过Digital Twin执行高精准度的模拟,使企业得以利用经济实惠且又安全的环境,模拟各种流程改变可能产生的影响。
图1 : 展??未来,许许多多事物皆可透过Digital Twin执行高精准度的模拟,使企业得以利用经济实惠且又安全的环境,模拟各种流程改变可能产生的影响。

有专家甚至认为,深究Digital Twin的本质,即是一种虚实融合技术,与工业4.0所提及的CPS,可说完全契合;因此若说数位双胞胎就是CPS,基本上算是一种正确说法,但Digital Twin似??比起CPS更为生动到位。


而这个概念无疑是从既有虚拟制造、数位原型(包含几何原型、功能原型、效能原型)等技术基础演化而来,若欲凸显前後差异,则是数位原型之建构目的,主要用於描述产品设计者针对此产品的理想定义,作为产品生产制造、功能与效能分析的指引。


但不可讳言,在真实世界里,产品在生产过程的加工、组装等程序上,难免稍有误差,而後续产品被使用、维修的状态,更充满不可预测性,因此要让真实产品与数位模型保持一致,无疑难上加难,这也使得所有在数位模型上执行的模拟分析,不见得具备有效性。


反观Digital Twin,则充分运用物理模型、感测器资料更新,辅以历史运行数据,并整合多种维度的模拟过程,在虚拟空间中完成映射,进而更能确实反应出实体物件的全生命周期历程。


比方说,一个厂房或产线在尚未建构完毕时,即可先行建立数位模型,举凡3D布局、设备排布、产线规划、人因工程模拟与作业研究等因素皆可纳入其中,继而透过虚拟空间,针对厂房或产线进行预先模拟,假使察觉动线不良、产能不隹或可能造成人员伤害等等不利因子,便可预先排除并修正。


同时把经过优化的叁数,传递予实际建厂的工程团队,而日後即使该工厂或产线正式启用,在日常维运过程中,虚实世界两端也能彼此进行资讯交换。


值得一提的,随着电脑运算能力增强、感测器价格下降、感测精准度攀高等正面因素加持,展??未来,许许多多事物皆可透过Digital Twin执行高精准度的模拟,使企业得以利用经济实惠且又安全的环境,模拟各种流程改变可能产生的影响,甚至进一步将虚拟实境(VR)、扩增实境(AR)、混合实境(MR)乃至Digital Twin等不同技术概念,巧妙融合在一起,帮助企业研发团队「身历其境」推动各种创新探索。


就在去年(2016),身处工业4.0概念发源地(德国)的西门子,便在其论坛活动中,针对Digital Twin做了绝隹演绎。该公司强调,透过Digital Twin可助企业纵向或横向整合价值链,从而为工业生态系的建构、乃至工业4.0的实现,打造一条从上到下完整的实践路径。


更让人啧啧称奇的,西门子也将VR技术运用得淋漓尽致,於英国柴郡的一座工厂内安装Virtalis虚拟实境软体与系统,藉以实现组装制程的模拟与优化,并提升概念设计的效率、有效执行工厂规划,针对制程过程早期阶段可能出现的种种问题,一并加以解决。


不仅如此,西门子除透过这套Virtalis VR系统,帮助这座英国工厂减少差错外,更促进跨专业领域的大规模沟通,使得不论是生产工程师、测试工程师、生产管理者、生产作业员,甚至研发单位、机构部门、物流公司或外包商,都能在VR环境中共同作业,确保新产品研发专案的各个设计环节都趋於完善。


数位双胞胎加VR 挥洒弹性制造效益


图2 : 近年来部份企业已结合FMS、VR与Digital Twin等不同系统与技术,构筑出一套虚拟弹性制造系统。
图2 : 近年来部份企业已结合FMS、VR与Digital Twin等不同系统与技术,构筑出一套虚拟弹性制造系统。

总而言之,虚拟实境、Digital Twin等技术之於工业界的运用范围相当广阔,从虚拟厂区布置、虚拟原型、网路虚拟制造、虚拟装配,一直到虚拟工厂的建立等,皆拥有很高的利基优势。


专家解释,伴随工业生产技术进步,不少制造企业为了提升竞争力,纷纷把原本单一生产的机台模式,转变为多台机械连线的自动化生产模式,并结合电脑控制,满足少量多样的弹性化生产需求,组合为多数业者并不陌生的弹性制造系统(FMS)。


然而一套FMS个中涵盖多个自动化岛(Islands of Automation),由多台CNC加工机、搬运设备(例如无人搬运车、输送带、机械手臂)、仓储系统与监控电脑等单元共同组成,可想而知,意欲维运FMS,少不得需要投注大量金钱与人力资源,且可能衍生莫大风险。


为了兼收趋吉避凶、撙节成本等多重效益,近年来部份企业已结合FMS、VR与Digital Twin等不同系统与技术,构筑一套虚拟弹性制造系统,让使用者可透过网际网路从远端操控系统,譬如藉由CAD/CAM软体将绘制好的工件图形转为NC码,接着把NC档案传送到伺服器,进而汇入虚拟弹性制造系统,实现整个系统加工作业,达到虚拟制造目标。


专家一并提醒,尽管Digital Twin对於制造业而言,算是富含魅力的应用模式,但不宜将之窄化为只是一套「构型管理工具」、「制成品的3D尺寸模型」或是「制成品的模型定义(MBD)」,它主要是透过内嵌的综合健康管理系统(IVHM),再整合感测器资料、历史维运资料,经由大数据挖掘出来的高值化资讯,因而可持续预测装置、设备或系统的健康状态、剩馀使命寿命,甚至是执行任务的成功机率,亦可预先洞察潜在的安全事件,显示这些装置、设备或系统的未知问题。


更有甚者,制造企业一经采用Digital Twin,也可能透过启动自愈机制或建议修改任务叁数等方式,针对有疑虑的装置、设备或系统进行降级,以便将可能的损害降低到最轻微程度,等於把迈向工业4.0目标的路障,予以有效排除。


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