西門子機(jī)床數(shù)字化雙胞胎方案的技術(shù)思路及特點(diǎn)
2021-2-22 來(lái)源：西門子（中國(guó)）有限公司機(jī)床數(shù)控部 作者：許政順
摘要：基于機(jī)床設(shè)計(jì)與用戶生產(chǎn)規(guī)劃，全面闡述了數(shù)字化雙胞胎的技術(shù)思路和工作機(jī)制，介紹了數(shù)字化雙胞胎的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并對(duì)數(shù)字化、智能化之路進(jìn)行了前瞻性的分析與建議。
關(guān)鍵詞：智能化；數(shù)字化雙胞胎；邊緣計(jì)算；數(shù)字原生
1、序言
企業(yè)對(duì)速度、效率、柔性和質(zhì)量等的追求是企業(yè)發(fā)展不變的總目標(biāo)，只是不同的時(shí)代會(huì)有不同的技術(shù)依托。西門子基于機(jī)床本身的制造和機(jī)床最終用戶雙維度數(shù)字化解決方案是工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)下機(jī)床制造產(chǎn)品全生命周期的開(kāi)發(fā)應(yīng)用平臺(tái)。同時(shí)，其強(qiáng)大完整的工業(yè)自動(dòng)化硬件、完善和先進(jìn)的工業(yè)軟件體系、信息安全體系、通訊技術(shù)和云服務(wù)也是一套完善的生態(tài)系統(tǒng)。
2、數(shù)字化雙胞胎方案的技術(shù)思路及工作機(jī)制
如圖1所示，西門子數(shù)字化雙胞胎方案的主要技術(shù)思路是：對(duì)于機(jī)床廠商而言，數(shù)字化方案需要涵蓋從機(jī)床設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)，再到機(jī)床調(diào)試和后期服務(wù)的整個(gè)過(guò)程。對(duì)于最終用戶而言，數(shù)字化方案需要貫穿整條增值鏈，從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)規(guī)劃，再到生產(chǎn)執(zhí)行和數(shù)字化服務(wù)。其中兩種方案中的第1、2、4、5步都是傳統(tǒng)的制造過(guò)程，而增加的第3步即針對(duì)最終用戶的“生產(chǎn)工程”和機(jī)床制造商的“虛擬機(jī)床調(diào)試”，其主要作用是產(chǎn)品加工之前完成加工程序的優(yōu)化確定，而不用通過(guò)傳統(tǒng)的不斷試錯(cuò)來(lái)達(dá)到目的；在機(jī)床設(shè)計(jì)完成后也不必等數(shù)個(gè)月機(jī)床的整體組裝后來(lái)完成。這就是西門子數(shù)字化解決方案的核心技術(shù)——數(shù)字化雙胞胎！
這些數(shù)字化雙胞胎將服務(wù)涵蓋整個(gè)產(chǎn)品生命周期：在虛擬世界中進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)驗(yàn)證及性能評(píng)估和改進(jìn)。當(dāng)所有這些環(huán)節(jié)在虛擬世界中得到驗(yàn)證和優(yōu)化后，就可以利用虛擬世界中所有現(xiàn)成的數(shù)據(jù)，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中生產(chǎn)產(chǎn)品。更重要的是，來(lái)自實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)將會(huì)反饋到虛擬世界中，持續(xù)改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。這就是數(shù)字化雙胞胎的主要工作機(jī)制，如圖2所示。
3、數(shù)字化雙胞胎的優(yōu)點(diǎn)
圖1：數(shù)字化雙胞胎方案的主要技術(shù)思路
（1）設(shè)計(jì)更高效、更快速。機(jī)床廠商有兩大目標(biāo)：一個(gè)是以設(shè)計(jì)為中心，使設(shè)計(jì)更高效、 更靈活，方法比如有將整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的數(shù)據(jù)可視化。另一個(gè)是以生產(chǎn)為中心，為用戶產(chǎn)線提供各種數(shù)字化產(chǎn)品組合，構(gòu)建數(shù)字化生產(chǎn)環(huán)境。數(shù)字化覆蓋各個(gè)層級(jí)，甚至包含了新的業(yè)務(wù)模式。借助虛擬調(diào)試，機(jī)床上原先耗時(shí)耗力的調(diào)試過(guò)程明顯加快。這是因?yàn)閿?shù)字化雙胞胎和真實(shí)SINUMERIK 連通在一起，用戶因此可以在幾乎完全真實(shí)的條件下對(duì)機(jī)床功能開(kāi)展測(cè)試和改進(jìn)。對(duì)于最終用戶的工件加工，也可以在虛擬環(huán)境下通過(guò)對(duì)機(jī)床參數(shù)的調(diào)節(jié)來(lái)優(yōu)化加工策略，最終實(shí)現(xiàn)加工程序的優(yōu)化。
（2）開(kāi)發(fā)柔性好、優(yōu)化便捷 面對(duì)靈活多變、個(gè)性化的用戶和市場(chǎng)需求，機(jī)床廠商如何靈活應(yīng)對(duì)變得日益重要。高效的機(jī)械和電氣開(kāi)發(fā)過(guò)程，可以加快產(chǎn)品上市速度。憑借該數(shù)字化技術(shù)，在機(jī)床早期設(shè)計(jì)階段就可以構(gòu)建一個(gè)虛擬機(jī)床模型。“數(shù)字化雙胞胎”可以進(jìn)行機(jī)床的虛擬調(diào)試，從而為機(jī)床設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供強(qiáng)大的平臺(tái)支持。另外，還可以助力機(jī)床的銷售、試產(chǎn)及后期的升級(jí)改造和服務(wù)。開(kāi)發(fā)更省時(shí)，產(chǎn)品成熟快，機(jī)床質(zhì)量更高、柔性更強(qiáng)。
（3）虛擬環(huán)境，保障安全。虛擬調(diào)試可以提供最高程度的安全保障，避免了真實(shí)調(diào)試或試車時(shí)可能對(duì)機(jī)床造成的損壞。另外，用戶可以在一個(gè)幾乎和真實(shí)環(huán)境一樣的虛擬環(huán)境中提前驗(yàn)證他們的工件加工程序。
（4）生產(chǎn)更高效。作為生產(chǎn)企業(yè)，如何將機(jī)床智能地集成到生產(chǎn)過(guò)程中非常重要。用戶可以將生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)執(zhí)行及所涉及的各種機(jī)器都通過(guò)SINUMERIK Integrate 這一平臺(tái)連接在一起，這樣就可以準(zhǔn)確無(wú)誤地傳輸程序和數(shù)據(jù)。
（5）改進(jìn)生產(chǎn)柔性和效率。隨著加工計(jì)劃和加工過(guò)程的復(fù)雜度越來(lái)越高，一體式無(wú)縫數(shù)字化能夠輕松應(yīng)對(duì)高產(chǎn)能需求、產(chǎn)品切換及新產(chǎn)品引入這些情況，從而減少不同過(guò)程之間的銜接而導(dǎo)致的錯(cuò)誤，也可以減少工件返工次數(shù)。
圖2：數(shù)字化雙胞胎的主要工作機(jī)制
4、數(shù)字原生數(shù)控系統(tǒng)Sinumerik ONE
EMO2019 展會(huì)上西門子推出第一款數(shù)字原生數(shù)控系統(tǒng)Sinumerik ONE，成功引入邊緣計(jì)算Sinumerik Edge（見(jiàn)圖３），包括人工智能等在內(nèi)的有近60種App，可以提供生產(chǎn)基礎(chǔ)透明信息，包括刀具、程序、性能和設(shè)備狀態(tài)，并對(duì)這些信息進(jìn)行監(jiān)控和優(yōu)化。西門子這一技術(shù)已經(jīng)被歐洲主流機(jī)床廠家如DMG MORI、Grob、Chiron、Index、Mikron、KAPP，F(xiàn)ooke等采用，成為引領(lǐng)機(jī)床發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。這給他們?cè)袉螜C(jī)制造的優(yōu)勢(shì)又帶來(lái)新的制造體系效率的提升。并已引起國(guó)內(nèi)眾多高端機(jī)床企業(yè)的重視，相關(guān)應(yīng)用研究也已陸續(xù)展開(kāi)。
圖3：數(shù)字化架構(gòu)不可或缺的組成部分Sinumerik Edge
5、數(shù)字化雙胞胎與傳統(tǒng)模擬仿真的主要區(qū)別
西門子數(shù)字化雙胞胎含PLC，可以仿真機(jī)床的動(dòng)作及邏輯，而傳統(tǒng)的模擬不能；西門子數(shù)字化雙胞胎可以仿真帶有機(jī)床參數(shù)的虛擬NC內(nèi)核，含有真實(shí)機(jī)床的機(jī)電性能來(lái)運(yùn)行加工程序，好像加工程序真的在數(shù)控機(jī)床中運(yùn)行一樣，而傳統(tǒng)的模擬仿真只能計(jì)算加工程序的運(yùn)行軌跡而不能模擬像加工時(shí)間效果等性能性指標(biāo)。
6、新技術(shù)、新理念與時(shí)俱進(jìn)
從方案可以看出，工業(yè)4.0級(jí)機(jī)床智能制造最重要的技術(shù)特征是以數(shù)字化雙胞胎為核心技術(shù)的虛擬對(duì)現(xiàn)實(shí)的表現(xiàn)力，也是我們解決真實(shí)工程問(wèn)題的時(shí)空隧道。我們現(xiàn)在很多智能制造系統(tǒng)雖然有了一些機(jī)器人、云、MES、ERP甚至包括人工智能要素，但是如果它的現(xiàn)實(shí)狀態(tài)不能與虛擬環(huán)境下相互映射，那仍然是工業(yè)3.0級(jí)的普通智能制造系統(tǒng)。金屬切削面對(duì)的不再是單一的“加工效率/效果”，而是要將設(shè)計(jì)、工程、生產(chǎn)、優(yōu)化、服務(wù)，包括銷售一并多維解決，達(dá)到“體系化效率”的提升。數(shù)控系統(tǒng)不再只是電氣專業(yè)的一個(gè)“軸運(yùn)動(dòng)的控制器”或是“G指令的執(zhí)行器”，而是數(shù)字化工廠下的一個(gè)核心子系統(tǒng)，其將決定企業(yè)的技術(shù)路線和技術(shù)潛力。
7、結(jié)束語(yǔ)
數(shù)字化、智能化之路需要系統(tǒng)化、持續(xù)化的規(guī)劃和發(fā)展。對(duì)于中小企業(yè)的普通生產(chǎn)單元，其技術(shù)升級(jí)可能在很長(zhǎng)一段時(shí)間不需要升級(jí)到工業(yè)4.0級(jí)。但對(duì)于中大型企業(yè)的數(shù)字化規(guī)劃與實(shí)施，要有系統(tǒng)化和持續(xù)化的考慮，要先確定企業(yè)數(shù)字化之路的基本架構(gòu)和技術(shù)體系，走階梯式發(fā)展道路。而我們?nèi)藛T團(tuán)隊(duì)的能力建設(shè)也需要這樣一個(gè)連貫的時(shí)空來(lái)適應(yīng)與成長(zhǎng)。這樣初期從小生產(chǎn)單元的規(guī)劃就要考慮系統(tǒng)軟硬件的升級(jí)兼容潛力，特別是數(shù)控系統(tǒng)的選擇，避免走彎路。企業(yè)數(shù)字化勢(shì)在必行，面向數(shù)字化趨勢(shì)的企業(yè)重構(gòu)，是基于跨機(jī)械、電子、工業(yè)軟件、通訊及IT 等多領(lǐng)域知識(shí)與技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)的理性調(diào)整，是一個(gè)系統(tǒng)工程。西門子在北京、成都都建設(shè)有真實(shí)體數(shù)字化體驗(yàn)中心，歡迎業(yè)內(nèi)同仁前來(lái)參觀。
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