數字孿生：為更快、更高效的機器制造構建基礎
發布時間：2024-04-01 作者：Steve Sands
本文圖片來源：Festo
數字孿生使機器在生產任何硬件之前能夠以虛擬方式快速開發，從而在項目初期就可以開展硬件和軟件測試以及系統集成。
為了提高生產力，制造企業需要實現更快速的機器制造和實現更高效的工程過程，同時減少構建后期的錯誤或不可預見的問題。實現這一目標的方法之一就是采用數字優先策略。
為了縮短機器開發時間，需要更多的同步工程設計。數字孿生越來越多地被用于精確復制其組件的功能。它可以大大縮短項目時間并提高生產效率。至關重要的是，這意味著機器開發人員可以在切割或組裝任何金屬之前，利用軟件進行模擬、評估和調整。例如，他們可以使用虛擬模型設計和優化程序，以實現更高效的處理系統。在初期檢測并糾正錯誤，有助于在后期實現更高效和更穩定的運營。
自動化組件的數字孿生不僅僅是3D模型。它們還提供各種信息的數字表示，包括對其能力、文檔和行為的清晰描述，例如對其運動學和動力學的模擬以及與它們的通信，包括它們在機器中扮演的角色。這些都是在標準化模板中使用子模型構建的，如數字銘牌、聯系信息、技術數據、CAD模型等。
01 生命周期數據
工業4.0的機器架構是基于數字孿生的。得益于標準化的通信接口，它們使機器在整個生命周期中更加輕松——從機器的虛擬調試和控制到數據采集和增值服務（如維護或診斷）。
過去，每個自動化零件都有多種不同格式的數據源，從CAD和PDF圖紙到紙質手冊和操作說明。在自動化產品的整個生命周期中，數據管理往往很繁瑣且難以訪問。項目團隊中不同的職能角色，對數據有不同需求。信息通常由不同的職能部門獨立收集，很少在不重新輸入數據的情況下進行傳遞。這是一項重復的、容易出錯的任務，也是一項耗時的工作。這種數字連續性的缺乏也很難將所有對象完全聯網。
數字孿生意味著在目錄或門戶網站上搜索信息的需求大大減少，并減少了準備機器文檔所需的時間。它們的管理殼被用作信息的中心來源，使它們能夠在組件的整個壽期中使用。
當然，供應商所供信息的質量和深度可能仍有所不同。然而，使用標準化格式可以更快地識別、吸收和傳遞信息。標準化的資產管理殼數字格式使其能夠完全實現機器可讀。這是超越目錄信息的擴展方式：它使“智能算法”能夠用于配置和優化設計。
數字孿生還可以通過對能效組件的設計進行仿真和優化，成為提高可持續性的一個驅動因素，無論是在制造環境足跡還是在特定應用中的能量消耗方面。如果僅從一種驅動技術比另一種更節能的角度來考慮是有些淺顯的。相反，需要考慮應用，包括循環率、保持時間，以便根據計算結果做出最佳選擇。
甚至在機器制造商完全使用數字孿生之前，就可以從這項技術中以零星的方式受益。例如，傳統印刷產品標簽上的信息有限，尤其是在產品變得更加緊湊的情況下。標準和法律規定了必須包含的信息，對于在全球銷售的產品，需要在極小的標簽上貼上許多合格標志。這使得查找和閱讀所有必要的信息變得更困難。一個解決方案是數字銘牌。它以數字格式提供所有相關信息，包括證書、文件和操作說明，以及全面的目錄信息。因此，數字銘牌可以節省時間，并可提供最新和持續更新的信息，這些信息以當地語言全天候在全球提供。
02 模擬和仿真
虛擬模型還允許開發人員測試（例如，處理系統），并查看來自電機位移編碼器的運行數據或來自終端位置傳感器的信號。然后，開發人員就可以使用組件的功能（如擴展、旋轉或抓握）來創建機器控制程序。
其它基于數字孿生的增值服務還包括狀態監測功能，該功能可以生成消息，預測運行組件何時接近其設計使用壽命的終點。然后，機器的數字孿生可以自動觸發訂購備件的要求。如果要更換的組件有新型號，客戶可以在訂購之前使用虛擬環境先測試新組件的交互方式。
狀態監測還可以與數字孿生的模擬模型結合使用，以創建預測性維護計劃。可以從組件中讀取標準運行性能數據，并使用人工智能系統檢測異常。然而，它不僅僅是一個難以解釋的觸發器，還能與組件以及可能需要采取的糾正措施有關。例如，光學透鏡的簡單清潔、軸承的維修或完全更換在特定時間內預期會發生故障的零件。客戶還可以使用數字孿生來開發和評估虛擬模型上的后續更改、優化或重新配置，然后再在機器上實施，這可以加快流程。
數字孿生技術有著光明的未來。機器制造商不可避免地要廣泛使用它，再加上不斷增加的技術工具包，將有助于其提高生產力和產品價值。
關鍵概念：
■ 數字孿生還可以通過對能效組件的設計進行仿真和優化，成為提高可持續性的一個驅動因素。
■ 狀態監測也可以與數字孿生的模擬模型結合使用，以創建預測性維護計劃。
思考一下：
機器制造商如何實現更高效的機器設計和開發？