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西門子機床數字化雙胞胎方案的（de）技術思路及特點

2021-2-22 來（lái）源：西門子（中國）有限公司機床數控部（bù）作者（zhě）：許政順

摘要：基於機床設計與（yǔ）用戶生產規劃，全麵闡述了（le）數字化雙胞胎的技術思路和工作機製，介紹了（le）數字化（huà）雙胞胎的技術優勢，並對數字化、智能化之路（lù）進行了前瞻性的分析與建議。

關鍵詞：智能化（huà）；數字化雙胞胎；邊（biān）緣計算；數字原生

1、序言（yán）

企業對速（sù）度、效率、柔性和質量等的追（zhuī）求是企業發展不變的總（zǒng）目標，隻是不（bú）同的時代會有不同的技術（shù）依托。西（xī）門子基於機床本身的製造和機床最終用戶雙維度數字化解決方案是（shì）工業4.0標（biāo）準下機床製造產品全生命周期的開發應（yīng）用平台。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係、信息安全體係、通訊技術和雲服務也是一套完（wán）善的生態係統。

2、數字化雙胞胎方案的技術思路及工作（zuò）機（jī）製

如圖1所示，西門子數字化雙胞胎方案的主要技術思路是：對於機床廠商而言，數字化方案（àn）需要（yào）涵（hán）蓋從機床設計、工程設計，再到機床調試和後期服務的整個（gè）過程。對於最終用（yòng）戶而言，數字化方案需要貫穿整條增值鏈，從產品開發、生產（chǎn）規（guī）劃，再到（dào）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（chuán）統的製造過程，而增加的第3步（bù）即針對最終（zhōng）用戶的（de）“生產工程”和（hé）機床製造商的“虛擬機床調（diào）試”，其（qí）主（zhǔ）要（yào）作（zuò）用是產品加工之前完成加工程序（xù）的優化確（què）定，而不用通過傳統的不斷試錯來達到目的；在機床設計完成後也不必等數個月機（jī）床的整體組裝後來完成。這就是西門子數字化（huà）解（jiě）決方案的核心技術——數字化（huà）雙胞胎！

這些數字化（huà）雙胞胎將（jiāng）服務涵（hán）蓋（gài）整個產品生命周（zhōu）期：在虛擬世界中進行產品的設計、生產驗（yàn）證（zhèng）及性能評估和改進（jìn）。當所有這些環節在虛擬世界中得（dé）到驗證和優化後，就可以利用虛擬（nǐ）世界中（zhōng）所有（yǒu）現成的數據，在現（xiàn）實（shí）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（shuāng）胞胎的主要工作機製，如圖（tú）2所示。

3、數字化雙胞胎的優點

圖1：數字化雙胞胎方案的（de）主要技術思路（lù）

（1）設計更高效、更快速。機（jī）床廠商有（yǒu）兩大目標：一個是（shì）以（yǐ）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（xiàn）提供（gòng）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（jiè）助虛擬調試（shì），機床上原先（xiān）耗時耗力的調試過程明顯加快。這是因（yīn）為（wéi）數字化雙胞胎和真實SINUMERIK 連通在一起，用戶因此可以在幾乎（hū）完全真實的（de）條件下（xià）對機床功能開展測試和改進。對於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（chéng）序的優化。

（2）開（kāi）發柔性（xìng）好、優化便捷　麵對靈活多（duō）變、個性化的用（yòng）戶和市場需（xū）求，機床廠商如（rú）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（huà）技術，在機床早期設計階段就可以構建一個虛擬機床模（mó）型。“數字化（huà）雙胞胎”可以進行（háng）機床的虛（xū）擬調試，從（cóng）而為機床設計及優化提供強（qiáng）大的平台支持。另外，還可以助力機床的銷售、試產及後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（zhàng）安全。虛擬調試可以提供最高程（chéng）度的（de）安全保障，避免（miǎn）了真實調試或試車時可能對機床造成的損（sǔn）壞。另外，用戶可（kě）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（gèng）高效。作為生產企業，如何將機床智能（néng）地集成到生產（chǎn）過程中非常重要。用戶可以將（jiāng）生產規劃、生產執行及所涉及的各種機器都通過SINUMERIK Integrate 這（zhè）一平（píng）台連接在一起，這樣就可以準確無誤地傳輸程序和數據。

（5）改進生產柔性（xìng）和效（xiào）率。隨著加工計劃和加工過程的複雜（zá）度越來越高，一體式無縫數字化能夠（gòu）輕鬆應對高產能需求、產品切換及新產（chǎn）品引入這（zhè）些情（qíng）況（kuàng），從而減少不同過（guò）程之間的銜接而導致的錯誤，也可以減少工件返工（gōng）次數。

圖2：數字化雙（shuāng）胞胎的主要工作機製

4、數字原生數（shù）控係統Sinumerik ONE

EMO2019 展會（huì）上西門子推出第（dì）一款數字原生數控係統Sinumerik ONE，成功引（yǐn）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（xìng）能和（hé）設備狀態，並對這些（xiē）信息進行監控和（hé）優（yōu）化。西門子（zǐ）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（lǐng）機床發展（zhǎn）的風向標。這給他們原（yuán）有單機製造的（de）優勢（shì）又帶來新的製造體係效率的提升。並已引（yǐn）起國（guó）內眾（zhòng）多高（gāo）端機（jī）床企業的重視，相關應用研究也（yě）已陸續展開。

圖3：數字化架（jià）構不可或（huò）缺的組成部分Sinumerik Edge

5、數字化（huà）雙胞胎與傳（chuán）統模擬仿真的（de）主要區別

西（xī）門子數字化雙胞胎含PLC，可以（yǐ）仿真機床的動（dòng）作及邏輯，而傳統的模擬不能；西門（mén）子數字化雙胞胎可以仿（fǎng）真帶有機床參數的虛擬NC內核（hé），含有真實機床的機電（diàn）性能來（lái）運行加工程序，好像加工程序真的在數控機（jī）床中運行一（yī）樣，而傳統的（de）模擬仿真隻能（néng）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（xìng）能性指標。

6、新技（jì）術、新理（lǐ）念（niàn）與時俱進（jìn）

從方案可以看出，工業4.0級機床智能製造最重要的技術特征是以（yǐ）數字化（huà）雙胞胎（tāi）為核心技（jì）術的虛擬對現實的表現力，也（yě）是我們解（jiě）決真實工程問題的時空隧道。我們現在很多智能製造（zào）係統雖然有了一些機器人、雲、MES、ERP甚至包（bāo）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（de）普通智能（néng）製造係統。金屬切削麵對的不再（zài）是（shì）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（shòu）一並多維（wéi）解決，達到（dào）“體係化效（xiào）率”的提升。數（shù）控係統不再隻（zhī）是電氣專業的一個“軸運動的控製器（qì）”或是“G指（zhǐ）令的執行器”，而是數字化工廠（chǎng）下的一個核心子（zǐ）係統，其將決定企業的技術（shù）路線和技（jì）術潛力。

7、結束語

數字化、智能化之路需要係統化（huà）、持續化的規劃和發展。對於中小企業的（de）普通生產單元，其（qí）技（jì）術升級可能在很長一段（duàn）時間不需要（yào）升級到工業4.0級。但對於中大型企業的（de）數字化規劃與實施，要有係統化和持續化（huà）的考慮，要先確定企業數（shù）字化之路的基本架構和技術體係，走階梯式（shì）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（guàn）的時（shí）空來適應與成長。這樣初期從小生產單元的規劃就要考慮係統軟（ruǎn）硬件（jiàn）的（de）升級兼容潛力，特別是數控係統的選擇，避免走彎路。企業數字化勢在必行，麵向數（shù）字化（huà）趨勢的（de）企業重構，是基於跨機械、電子、工業軟件、通訊及IT 等（děng）多領（lǐng）域知識與技術發展特點的理（lǐ）性調整，是一個係統工程。西門子在北京、成都都建設（shè）有真實體數字（zì）化體驗中心，歡迎業內（nèi）同仁前來參（cān）觀。

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