数字双胞胎在产品生命周期中提供更好的机器

几十年来，仿真一直是机械设计中不可或缺的技术。近年来，机电一体化通过在跨学科框架中应用建模和仿真来测试设计概念，并在早期阶段根除问题，从而简化和改进了机械设计。每一项技术都代表着比以前的机器设计和操作的进步，但大部分过程仍然需要反复试验。今天，数字双胞胎通过提供机器的进化模型，将虚拟表示带到了一个新的水平，可以用于在机器的整个生命周期中显著改善机器的设计、构造和操作。

数字双胞胎超越了传统的建模和仿真，如CAD和有限元分析。它包括制造执行系统、产品生命周期管理、预测性维护和工业物联网等方面。其结果远远超出了任何技术单独提供真实世界中设备的精确虚拟表示的好处。

“数字双胞胎是你正在建模的那个东西的活复制品，所以随着物理系统的发展，数字双胞胎也在变化，”先进技术总监戴夫·瓦斯科说，罗克韦尔自动化(密尔沃基,威斯康星州)。

“我认为数字孪生模型是三种数据模型的结合:传统的产品生命周期管理模型、商业模型和运营模型，LNS Research(比利时安特卫普)首席分析师安德鲁•休斯表示。该框架在机器生命周期的所有级别提供了强大的洞察力。“机器制造商想要的不仅仅是能够模拟。他们正在寻找在基础设计、制造过程管理和制造本身中使用数字双胞胎的能力。他们想要重新设计或适应新需求的能力。他们希望现有产品和新产品都有这种能力，或者只是为了在生产中变得越来越高效。”

该技术吸引了该行业的重要兴趣。在最近的LNS市场调查中，75％的离散制造高管在某种程度上有一个数字双胞胎策略，在预算中有一个数字双胞胎倡议，积极使用该技术。最常见的用例包括降低制造成本，减少计划计划的停机，提高吞吐量，增加安全性，并测试新的设计思路。组织在未来五年内预计在数字双胞胎举措中的数百万美元到数百万美元之间的支出。

从摇篮到坟墓
数字孪生可以应用于组织中的许多级别。可以为产品、流程和机器创建数字双胞胎。在机器方面，数字孪生概念可以应用于部件，如轴承，资产，如托盘机，或整个系统，如包装线。对于本文，我们将讨论限于机器。

数字双胞胎旨在提供物理系统整个生命周期的形式和功能的详细表示。可应用于:

• 基本设计
• 虚拟调试
• 操作
• 维护
• 客户支持
• 培训

瓦斯科说:“我们认为维护和运营阶段可能最有价值。”“我们认为最大的机会是在设计阶段获取信息，然后在安装、调试、运行和维护等其他阶段使用这些信息。

设计阶段
以前，在设计阶段的建模涉及使用CAD渲染来识别潜在的冲突，并确保所有组件都适合。数字双胞胎的方法要广泛得多。它不仅揭示了物理模型是否可行。它使确定系统是否在运动中工作成为可能，在系统建立之前识别碰撞和其他问题。因为这项工作是基于模型的，所以团队可以以最小的额外成本尝试几十种替代方案。

调试阶段
在传统的机器制造中，物理系统需要在控制工程师使用设备之前进行组装。在框架搭建好、电子设备添加好、控制架构就位之前，物理设备是不能使用的。在这种情况下，线性导向的问题可能会延迟整个项目，延迟后续步骤，如控制工程。控制工程师可能能够预先模拟控制的结果，但这只能提供近似的行为。

虚拟调试使数字化执行这些步骤成为可能，即使在机器的机械部分正在设计和建造时，也可以测试轨迹和控制架构。数字双胞胎从CAD模型开始，用真实世界的数据来增强它，以更精确地模拟实际机器。此时，在数字孪生机上安装的软件与在物理机器上使用的软件完全相同。这允许控制工程师测试不同的场景，并在物理机器完成之前收集性能数据。

“在虚拟世界中，您可以在实际在地板上建造那辆机器之前进行大量的规划，测试和编程，”机床系统的战略市场开发经理Zachary Gray说：西门子工业（伊利诺伊州麋鹿格罗夫村）。“这并不意味着当你到达地板时，它会完全完美，但你之前可以做很多工作，这减少了控制工程的时间和精力。”

Gabe Manescu，高级应用工程师，西门子工业(特洛伊，密歇根州)指出，一个客户试图通过虚拟调试减少30%的调试时间。“第一个试点项目将调试时间缩短了72%，第二个项目则缩短了78%。”

速度的提高突出了数字孪生方法的好处之一。为一台机器构造的数字双模组可应用于下一台机器，并可为特定功能增加额外的模组。这一过程将继续进行，直到OEM开发出可以有效组装到新机器中的模块库。

在操作
一台专用机器连续数年每天24小时生产一种产品的日子正在接近尾声。制造商希望能够用一台设备生产多种产品。需求和设计随着时间的推移而变化，它们需要尽可能快的方法来响应需求。一个“活的”虚拟模型使开发和测试全新的食谱和流程成为可能，而在物理机器上完成这项工作之前。工程团队可以尝试不同的修改和程序，提前解决任何问题。其结果是更大的灵活性和更快的转换，减少停机时间和整体风险。

在维护
数字双胞胎的一个核心好处是，它不仅仅是按照机器的设计和制造来建模。通过物理机器源源不断的传感器数据，虚拟机器反映了真实机器的变化状态。这使得我们能够在一个非常细的水平上预测实际的机器何时需要维护。一系列的预测性维护技术已经存在。数字双胞胎并不是要取代它们，而是要利用颗粒输入来帮助最大限度地提高操作设备效率(OEE)。

图1:使用数字双胞胎，操作人员可以在无风险的情况下获得运行机器的确切经验，使他们能够探索各种功能和选项。(图片由西门子工业提供)

在机器的生命周期中，这种方法还提供了其他好处。虽然机器的框架可以使用几十年，但电子设备通常每10年升级一次。拥有一个成熟的数字双胞胎，使原始设备制造商可以在做出任何购买决定之前探索场外的选项。格雷说:“如果你需要在未来改造这台机器，你可以在不让机器离线的情况下测试你的控制程序。”“另一个用例是虚拟世界中的自动化系统的可变性，而不是在车间里进行。”

这种粒度数据的好处超出了预测性维护。它可以提供可用于修改未来设计的见解。具有数字双床使得可以在无风险环境中探索不同的选择，其目标是提高性能和寿命。“预测维护很好，但下一个逻辑步骤是确定一台机器是否一直失败，为什么它失败了？”Vasko先知问道。"Is that part undersized? Are we using it beyond specification? Is there a better way to design the control system to give it a softer start that would give it more longevity? You’re using information you've learned from the digital twin to not just predict when it's going to fail, but to reduce the probability of it failing."

在训练中
本机的精确物理模型也可用于非生产应用。虚拟机可以在培训会话期间对运营商提供逼真的体验，使他们能够探索不同的选项和任务，没有风险的机器，产品或自己（见图1）。

销售和支持

可以使用不同的食谱和控件软件进行准确的工作模型对于销售呼叫也很有用。例如，数控机器的数字双胞胎包括虚拟数字控制内核。客户可以将产品的零件程序加载到机床的数字双胞胎中，并查看模型如何执行（参见视频）。

建造机器只是OEM角色的一部分。它们通常还为其客户提供服务和支持。准确的虚拟模型使得可以在远处监控设备以帮助维护和微调性能。“机器供应商可以访问在客户现场运行的机器的数字双胞胎，并能够警告潜在的问题，”Hughes说。“它们还可以使用虚拟机上的现实生活数据分析资产性能。这可以帮助引入新产品或略微新的进程等。

最后，数字双胞胎可以帮助在距离处进行故障排除系统，例如在碰撞的情况下。尝试用现实机器复制条件介绍了进一步损坏的可能性。虚拟机让工程师探讨各种场景，以确定在不危及设备或人员的情况下解决问题的来源。“你现在有一个环境，你可以在没有撞击那种机器的情况下进行分析，”马塞佩尔说。“通过试图重现崩溃，我碰巧是一个OEM，这个过程是如此动态，这是一个很大的问题。”例如，在机床世界中，刀具更改以高速发生。在机器人学中，路径有时是速度依赖。“低速测试并不能保证行为高速相同。这就是为什么让这款数字双床要在发生坏的情况时检查很多问题。”