西門子機床數字化雙胞胎方案的技術思路及特點
2021-2-22 來源：西門子（中國）有限公司機床數控部 作者：許政順
摘要：基于機床設計與用戶生產規劃，全面闡述了數字化雙胞胎的技術思路和工作機制，介紹了數字化雙胞胎的技術優勢，并對數字化、智能化之路進行了前瞻性的分析與建議。
關鍵詞：智能化；數字化雙胞胎；邊緣計算；數字原生
1、序言
企業對速度、效率、柔性和質量等的追求是企業發展不變的總目標，只是不同的時代會有不同的技術依托。西門子基于機床本身的制造和機床最終用戶雙維度數字化解決方案是工業4.0標準下機床制造產品全生命周期的開發應用平臺。同時，其強大完整的工業自動化硬件、完善和先進的工業軟件體系、信息安全體系、通訊技術和云服務也是一套完善的生態系統。
2、數字化雙胞胎方案的技術思路及工作機制
如圖1所示，西門子數字化雙胞胎方案的主要技術思路是：對于機床廠商而言，數字化方案需要涵蓋從機床設計、工程設計，再到機床調試和后期服務的整個過程。對于最終用戶而言，數字化方案需要貫穿整條增值鏈，從產品開發、生產規劃，再到生產執行和數字化服務。其中兩種方案中的第1、2、4、5步都是傳統的制造過程，而增加的第3步即針對最終用戶的“生產工程”和機床制造商的“虛擬機床調試”，其主要作用是產品加工之前完成加工程序的優化確定，而不用通過傳統的不斷試錯來達到目的；在機床設計完成后也不必等數個月機床的整體組裝后來完成。這就是西門子數字化解決方案的核心技術——數字化雙胞胎！
這些數字化雙胞胎將服務涵蓋整個產品生命周期：在虛擬世界中進行產品的設計、生產驗證及性能評估和改進。當所有這些環節在虛擬世界中得到驗證和優化后，就可以利用虛擬世界中所有現成的數據，在現實環境中生產產品。更重要的是，來自實際生產過程中的數據將會反饋到虛擬世界中，持續改進產品的設計。這就是數字化雙胞胎的主要工作機制，如圖2所示。
3、數字化雙胞胎的優點
圖1：數字化雙胞胎方案的主要技術思路
（1）設計更高效、更快速。機床廠商有兩大目標：一個是以設計為中心，使設計更高效、 更靈活，方法比如有將整個開發過程中的數據可視化。另一個是以生產為中心，為用戶產線提供各種數字化產品組合，構建數字化生產環境。數字化覆蓋各個層級，甚至包含了新的業務模式。借助虛擬調試，機床上原先耗時耗力的調試過程明顯加快。這是因為數字化雙胞胎和真實SINUMERIK 連通在一起，用戶因此可以在幾乎完全真實的條件下對機床功能開展測試和改進。對于最終用戶的工件加工，也可以在虛擬環境下通過對機床參數的調節來優化加工策略，最終實現加工程序的優化。
（2）開發柔性好、優化便捷 面對靈活多變、個性化的用戶和市場需求，機床廠商如何靈活應對變得日益重要。高效的機械和電氣開發過程，可以加快產品上市速度。憑借該數字化技術，在機床早期設計階段就可以構建一個虛擬機床模型。“數字化雙胞胎”可以進行機床的虛擬調試，從而為機床設計及優化提供強大的平臺支持。另外，還可以助力機床的銷售、試產及后期的升級改造和服務。開發更省時，產品成熟快，機床質量更高、柔性更強。
（3）虛擬環境，保障安全。虛擬調試可以提供最高程度的安全保障，避免了真實調試或試車時可能對機床造成的損壞。另外，用戶可以在一個幾乎和真實環境一樣的虛擬環境中提前驗證他們的工件加工程序。
（4）生產更高效。作為生產企業，如何將機床智能地集成到生產過程中非常重要。用戶可以將生產規劃、生產執行及所涉及的各種機器都通過SINUMERIK Integrate 這一平臺連接在一起，這樣就可以準確無誤地傳輸程序和數據。
（5）改進生產柔性和效率。隨著加工計劃和加工過程的復雜度越來越高，一體式無縫數字化能夠輕松應對高產能需求、產品切換及新產品引入這些情況，從而減少不同過程之間的銜接而導致的錯誤，也可以減少工件返工次數。
圖2：數字化雙胞胎的主要工作機制
4、數字原生數控系統Sinumerik ONE
EMO2019 展會上西門子推出第一款數字原生數控系統Sinumerik ONE，成功引入邊緣計算Sinumerik Edge（見圖３），包括人工智能等在內的有近60種App，可以提供生產基礎透明信息，包括刀具、程序、性能和設備狀態，并對這些信息進行監控和優化。西門子這一技術已經被歐洲主流機床廠家如DMG MORI、Grob、Chiron、Index、Mikron、KAPP，Fooke等采用，成為引領機床發展的風向標。這給他們原有單機制造的優勢又帶來新的制造體系效率的提升。并已引起國內眾多高端機床企業的重視，相關應用研究也已陸續展開。
圖3：數字化架構不可或缺的組成部分Sinumerik Edge
5、數字化雙胞胎與傳統模擬仿真的主要區別
西門子數字化雙胞胎含PLC，可以仿真機床的動作及邏輯，而傳統的模擬不能；西門子數字化雙胞胎可以仿真帶有機床參數的虛擬NC內核，含有真實機床的機電性能來運行加工程序，好像加工程序真的在數控機床中運行一樣，而傳統的模擬仿真只能計算加工程序的運行軌跡而不能模擬像加工時間效果等性能性指標。
6、新技術、新理念與時俱進
從方案可以看出，工業4.0級機床智能制造最重要的技術特征是以數字化雙胞胎為核心技術的虛擬對現實的表現力，也是我們解決真實工程問題的時空隧道。我們現在很多智能制造系統雖然有了一些機器人、云、MES、ERP甚至包括人工智能要素，但是如果它的現實狀態不能與虛擬環境下相互映射，那仍然是工業3.0級的普通智能制造系統。金屬切削面對的不再是單一的“加工效率/效果”，而是要將設計、工程、生產、優化、服務，包括銷售一并多維解決，達到“體系化效率”的提升。數控系統不再只是電氣專業的一個“軸運動的控制器”或是“G指令的執行器”，而是數字化工廠下的一個核心子系統，其將決定企業的技術路線和技術潛力。
7、結束語
數字化、智能化之路需要系統化、持續化的規劃和發展。對于中小企業的普通生產單元，其技術升級可能在很長一段時間不需要升級到工業4.0級。但對于中大型企業的數字化規劃與實施，要有系統化和持續化的考慮，要先確定企業數字化之路的基本架構和技術體系，走階梯式發展道路。而我們人員團隊的能力建設也需要這樣一個連貫的時空來適應與成長。這樣初期從小生產單元的規劃就要考慮系統軟硬件的升級兼容潛力，特別是數控系統的選擇，避免走彎路。企業數字化勢在必行，面向數字化趨勢的企業重構，是基于跨機械、電子、工業軟件、通訊及IT 等多領域知識與技術發展特點的理性調整，是一個系統工程。西門子在北京、成都都建設有真實體數字化體驗中心，歡迎業內同仁前來參觀。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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