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      西門子數字孿生技術推動工業機械行業的數字化

      發布日期:2020/08/07

      1.   工業機械企業應關注數字孿生技術

       

      近年來,數字孿生技術,或者稱作數字化雙胞胎技術,成為吸引全球制造業的明星技術。我國的制造業,尤其我們所接觸比較多的工業機械行業及產業,由于其快速崛起,面臨大量需要解決的矛盾和問題,因此,對數字孿生技術,更加注目。

      所謂“數字孿生”,或者“數字化雙胞胎”,是計算機技術發展現階段可以實現的,一種人們在計算機及其網絡,或者各種類型的計算資源的支持下,對物理 (例如工業產業)實現虛擬化、模型化,幫助人們在虛擬 與物理 間建立關聯、施加有效控制并適度融合的有效的解決方案。

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      工業機械隨著近年來的迅速發展,已經不滿足于簡單的仿制裝配,而是致力于高端裝備自主創新,致力于提升產品的質量,有了一定的市場品牌意識,并不斷創新思路,將服務納入企業業務,以保持對某一細分市場工業機械的專業優勢。同時,也有大量企業從產業鏈角度出發,專精于關鍵基礎零部件的供應,專精于基礎工藝和基礎材料的研制開發,為工業機械及裝備提供精良的,符合國標及各種國際通行標準的零部件、傳動元件以及機電元件或系統。

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      在這種發展趨勢下,促使行業各方不得不以虛擬化,數字化的方式方法,構建工業機械產品的數字化模型,并在模型中納入更多的屬性,幫助企業進行諸如快速形成方案、快速驗證方案、快速做出決策,快速完成各種制造及裝配工藝。數字孿生技術,我們的工業機械企業,志在必得。


      2.   數字孿生模型對產品開發的深刻影響

       

      產業化的企業,要求快速開發,準確估算,高效形成產品。而以往種種技術手段,雖然已經局部采用了計算機技術和各種分立的模型化技術,但沒有整體的、集成的思路,導致產品開發中,仍然不能避免手工作坊式的低效率。而且在產品開發周期中,各種數據和知識不容易有序的積累和管理。工程技術人員無法綜合各種信息,沒有得到現代計算機技術及信息化技術的充分支持,導致產品開發不能快速,信息及數據不易查詢,容易混淆和失散,直接影響了產品開發的效率,增加了產品開發失敗的風險,而工程技術人員和產品開發人員卻要付出艱辛的努力,企業也無法進行創新,或者更有效的進行產品的計劃、研制、試制,和投入生產,難以獲得企業競爭優勢。 

      數字孿生技術,則是對此低效率的做法的一個顛覆。采用當前的計算機技術、圖形學技術以及數據庫技術,可以對工業機械開發中需要建立的快速概念模型、方案模型,各種布局圖、原理設計和原理圖等,全部實現數字化。

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      更具優勢的是,數字孿生模型可以通過有成熟算法支撐的數據結構,將產品的各種性能進行建模,將處于各種工況、各種物理環境之下的產品的運行情況進行建模。在虛擬數字化模型上,施加各種模擬參數對模型進行迭代計算,幫助產品開發進行設計決策,能夠在短時間內評估多種方案,方案比較和進行方案取舍。

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      工業機械企業要想在產品開發、工藝生產計劃、以及將產品推向市場的其它環節上,獲得這些虛擬化的優勢,就必須是在工業機械的數字孿生模型上,才成為可能。

       

      3.   數字孿生技術在工業機械開發中的應用


      3.1 高性能大型裝配模型

       

      工業機械行業需要的產品模型,是要涵蓋從單臺簡單設備,到各種產線級、車間級設備的。這些模型不論是需要非標設計試制,還是需要采用標準裝配方案快速設計,如果企業決定采納數字孿生技術,則首先需要形成虛擬化數字化的裝配模型。這意味著模型的規模很可能很龐大。而對如此大跨度的各種裝配虛擬模型,如何能夠在一定的計算資源下提供給工程技術人員順暢的操作體驗,就需要虛擬裝配模型技術。

      目前高端的PLM系統,例如西門子的NX/Teamcenter系統,已經完全滿足了工業機械企業這方面的要求。

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      西門子NX/Teamcenter系統的裝配處理,體現了當前PLM系統的典型優勢。系統能夠對以數據庫系統為依托,采用靈活的管理策略對復雜裝配進行管理。既可以通過直接的裝配占用空間管理處理超大模型(百萬級以上部件),也可以通過對復雜的裝配層級結構進行分層檢索進行高效導航和管理。為方便工業機械企業實現系統工程,數字孿生的裝配結構可以支持自上而下的系統級設計。

      西門子NX/Teamcenter系統充分理解工業機械行業產業鏈環境下的多種CAD系統共存的數據環境。她所能夠處理的裝配模型,能夠將各種CAD數據納入其中,形成數字孿生模型,或稱之為數字樣機。并且能夠在數字樣機中繼續進行機電聯合設計,完善此裝配模型,使之進行諸如運動包絡、裝配路徑方面的評估仿真。

       

      3.2 機構動態及其它動態(液壓、氣動)虛擬化模型

       

      現代的工業機械,已經完全是一個機電綜合的系統,其系統的動態行為,工藝功能及控制機制,需要數字孿生技術不但要在機械構造上提供模型,而且要在機構運動學、動力學、系統驅動、系統控制,乃至采用電子控制的軟件程序行為上提供模型,以期在全領域提供給系統研發工程人員以模型,進行仿真計算完成多學科綜合設計決策。

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      數字孿生技術,正是一種提供多學科多專業數字化模型和信息的綜合技術。通過數字孿生技術,工業機械產品的工程師們實現了產品的系統化的結構、機械、電子、軟件的集成設計決策和迭代管理。數字孿生系統模型應有盡有地提供了機構行為、動作軸、軸驅動、控制、耦合及時序等虛擬模型,并融入了數字化的量化仿真技術。

      這種數字孿生技術的范疇中, *具代表性的,就是西門子所提供的幾個系統,包括NX/MCD機電聯合設計系統,LMS 1D(Amesim)仿真系統,TIA博圖系統,以及SIMIT仿真系統。

       

      3.3 數字孿生試驗試制

       

      在試驗條件有限的情況下,在工業機械產品的開發試制調試階段,充分利用數字孿生技術進行虛擬運動學、動力學仿真,并納入驅動和控制特性,是數字孿生技術的重要一環。

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      工業機械在投入運行之前,普遍需要一個組立調試過程,才能交付客戶方上線投入生產,而這也是一個相對占壓資金,費時費工的過程。交付方需要集成所有的結構、機構、電機、液壓和/或氣動元件、管線、線纜,以及控制系統,按客戶對系統的功能及質量要求進行調試,并給出相應的驗證數據及報告。

      數字孿生技術,能夠在虛擬的數字化的環境中,幫助工業機械企業從產品方案設計階段開始即著手同步地構建一個伴生的數字化模型。這個模型除了在如上所述的方案論證、評估和設計決策方面提供支持之外,更伴隨著設計的成熟提前展開虛擬調試。隨著設計的 *終成熟,調試也隨著從全虛擬狀態逐步進行到軟件入環(SIL)、硬件入環(HIL)階段,直至 *終實現全系統上電檢測,單步運行及自動運行。

      由于這個陪伴式的數字孿生模型在整個系統的方案取舍、驅動方案、控制方案中完全同步的孿生仿真,可以將任何設計錯誤、人工疏漏都提前得到糾正,就使得整個產品的試驗調試時間和費用得到極大的壓縮。同時,所有設計中確定采購的控制方案、系統及元件,如果在這個虛擬孿生系統中采用能夠提供虛擬化數據的可靠供應商,例如西門子系統,則整個工業機械工程的交付質量也會得到提升。

       

      4.   工業機械數字孿生技術的可持續性


      4.1 大量數字化模型庫資源

       

      工業機械行業是一個成熟的傳統工業行業,產品在由來已久的不斷開發演進中,積累了大量的產品類型、慣用設計和慣用零配件及零部件。為了能夠更好的利用這些積累,行業和企業有相應的共識,就是實現標準化,很多企業就是專精于特定類型的零部件零配件,取得產品的高質量,獲得更低的成本和更快的市場響應效率。

      在此情況下,數字化雙胞胎技術也能夠提供更好的信息支持。特別是 在這個方面一直非常重視,不斷以發布 標準的形式促進行業應用。因此,當前的互聯網數字化環境中, 標準、行業標準的檢索越來越便捷、及時。而產業的發展,也使數字化環境升級,已經涌現出大量信息化平臺和采購平臺,他們向機械工業企業提供大量的標準件、緊固件等等,并提供跟蹤各種標準,及時更新的服務。這些信息化平臺和采購平臺,很多已經提供標準件、緊固件的三維模型。

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      4.2 企業軟件采用數字孿生技術實現重用及其數據庫

       

      目前先進的PLM平臺,以西門子的NX/Teamcenter系統為例,為工業企業更好地應用數字孿生技術,提供了產品模板工作室(PTS)。此技術,就是在采用數字孿生技術及其理念的企業產品開發業務中,幫助工程技術人員及工藝制造人員,整理各種數字化模型并據此形成再次調用時的友好操作界面,以 *高的效率和 *方便的數據重用性,進行工業機械的系統、組件乃至特定零部件的開發。

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      為了在企業中推廣數字孿生技術的應用,需要給工程技術人員提供一個適用便捷的數據訪問環境,為企業快節奏的產品開發生產提供高效堅實的數據庫支撐。西門子的NX/Teamcenter系統就提供產品系統、裝配部件、零部件及其屬性的可擴充的歸類管理、檢索、更新、規則檢查系統,以及工程技術人員桌面的,與具體產品設計、裝配設計及工藝規劃軟件相應的按屬性存取使用的應用工具。

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      5.   工業機械企業推廣數字孿生技術正當時 

      在我們從制造大國向制造強國邁進的當下,我們的機械工業企業在不斷找尋各種先進技術,不斷評估適合自己行業的技術,以期以 *小的代價和 *短的時間快速提升企業的競爭力,獲得更高的產出。

      而數字雙胞胎技術,在工業4.0、以及兩化深度融合思維的大潮之下,已經達到了相當成熟的狀態。認識到這一技術的優越性,并知道有西門子這樣的工業行業的先行者為之投入多年努力,整合了各種技術,形成了現在的系統,我們的工業機械,就不得不承認,這真是一個好時機,為企業,為行業取得這份進步,邁上一個新臺階。

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