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歐洲工具機廠如何運用數位雙胞胎技術加速生產流程?
[作者 西門子提供]   2020年05月14日 星期四 瀏覽人次: [1853]

數位雙胞胎(Digital Twin)已連續三年被Gartner評選為10大策略科技應用。一般大眾對於數位雙胞胎的理解,在於對實體模型及虛擬模型的建立以及分身,而Gartner對此提出了四項延伸說明:


*虛擬模型的健壯性,以及如何透過此模型來達成特定的業務成果


*與現實世界的連結性,是否可透過此模型達到即時監控


*先進的大數據分析和AI應用帶來新興商機


*虛擬模型的互動性以及如何評估其「假設場景」



圖1 : 產品開發流程說明
圖1 : 產品開發流程說明

也因此數位雙胞胎的虛擬分身,其核心除了具備模擬模型之外,與真實模型的連結是需要能夠被量化,而其量化的基礎可以被作為智慧化應用,甚至建立新興商業模式。而歐洲工具機廠也在產品生產過程中,導入數位雙胞胎技術,來活化加速機械產業中的生產流程,以及提供更多的商業模式。


以數位雙胞胎快速打造複雜CNC機台

工具機產業為製造業之母,在2011年漢諾威展工業博覽會提出「工業4.0計畫」之後,各家歐洲大廠開始紛紛投入了智慧工具機的行列,更多的智慧化功能、IOT裝置以及AI功能導入了工具機當中。


過去數位雙胞胎應用大多以CAD/CAE為主,機台的機械設計多以CAE模擬為主,而整機的開發流程多會將機構學、電氣、自動化系統分散開發,其開發生產模式可負荷單機大規模生產的生產模式,而近幾年設備業趨勢也如同消費性電子產,產品生命週期縮短,客製化需求上升,在數位化功能的支援下,可在開發流程初期建立虛擬機台模型。


數位雙胞胎支援新機台的設計優化,從虛擬試運轉、機台行銷、生產中磨合部件,乃至翻新與服務,都是優化對象。這將為機台製造商省下大量時間,並增進其機台從概念設計到生產過程的品質。


機構、電氣以及自動化平行開發的需求在2015年開始增加,位於德國內爾辛根的Maka Systems GmbH開發和製造木材鋁材、塑膠加工及設計建模專用CNC 工具機。一年多來,該公司在其專案管理中,明確建立客製化設備虛擬試運轉。Maka透過機電一體化軟體搭配HiL(Hardware in the loop)硬體控制迴路,實施虛擬試運轉處理棘手問題。


一台大型木工客製化設備具有八個龍門同步對軸、六條伺服驅動輸送帶、一個車削站和複雜的製程邏輯。變更這類設備的零組件時,將對有限的交貨和安裝時間帶來嚴重威脅。


Maka的管理階層打算透過虛擬試運轉在組裝的同時完成設備調試,以確保遵守專案時程和設備交貨時限。迅速展開行動、節省大量時間,一般而言不需花太多時間就能確定虛擬試運轉的技術需求。藉由將機台既有CAD資料掃描?入機電一體化概念設計軟體(MCD)NX元件的方式建立數位雙胞胎。完成這個步驟後再加入動力學特性。


接著再將Simit連接CNC控制系統,透過Simit「賦予數位雙胞胎生命」。此程式將設備的訊號和資料介面反映在電腦上,同時透過數學運算模擬機台的邏輯行為。經此處理後,便能確保數位雙胞胎的訊號狀態與實際設備相符。接著用Simit的現場匯流排模擬功能整合Sinumerik CNC,從而驗證PLC軟體和優化NC程式。機台的每個反應都顯示在監視器上,並用紅色警示突顯碰撞等嚴重錯誤。


技術人員可放大每個細節,並從透視圖檢視無法從實際設備發現的錯誤。在此方法的協助下,Maka在執行第一個專案時節省了五週的時間。這個結果又因為其他效益而獲得改善:減少交通時間、避免潛在錯誤造成的損失,以及所有專家都能配合為公司效力。團隊成員很快就學會如何使用這項技術。執行第一個專案時,Maka將西門子的Sinumerik虛擬調試服務充分運用於多個準備階段,包括移轉CAD資料、動力學建模、參數化等程序。



圖2 : 德國MAKA透過數位雙胞胎測試流程
圖2 : 德國MAKA透過數位雙胞胎測試流程

公司在第一次體驗數位雙胞胎後,通常都能發掘其他潛在技術用途,例如用於服務和維護。不論故障、擴充或自動化規劃,所有應用都能透過數位雙胞胎進行分析和模擬,甚至將數位雙胞胎應用在行銷上。


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