从模拟城市到鞋盒中的宇宙——数字孪生的发展及其对中小型制造商的意义
数字孪生的能力只会随着机床控制变得更智能和越来越多的厂商开始拥抱工业物联网。 （由 Hexagon Manufacturing Intelligence 提供）视频游戏开发商 Maxis 于 1989 年发布了其热门产品《模拟城市》。玩家在其中构建街道、建筑物和城市的数字复制品，通过税收和公共工程收入虚拟地资助他们的计算机创作.这也许是第一次以数字方式复制物理对象及其非物理属性的商业尝试。正如您将看到的，他们正在做一件大事。
回到未来
不幸的是，技术1989 年还没有建立真正全面的计算机模型所需的科学。资助国家信息基础设施的高性能计算法案——阿尔戈尔称之为“信息高速公路”——尚未成为法律。最近上市的当时最先进的英特尔 486DX 微处理器拥有超过一百万个晶体管；相比之下，用于撰写本文的笔记本电脑中的 Apple M1 Pro 芯片有 33,700,000,000 个晶体管，几乎是这个数字的 34,000 倍。
尽管存在这些限制，一些未来学家还是看到了高级模拟的潜力。就在模拟城市风靡一时的时候，计算机科学家大卫·格伦特 (David Gelernter) 的书《镜像世界：或者软件将宇宙放入鞋盒》预测了计算机建模和模拟领域的一场革命（以及格伦特对本文标题的称赞，作者的方式）。
然而，直到 Michael Grieves，现在是数字孪生研究所的执行董事，在 2002 年密歇根州特洛伊举行的制造工程师协会会议上发言时，这个概念首先是在制造的背景下讨论的，当时他提议将其用作产品生命周期管理的基础（ PLM) 软件。
2010 年，NASA 的约翰·维克斯 (John Vickers) 在他提交给航天局的年度路线图报告中终于给这项新技术起了个名字——数字孪生。两位专家都会告诉您，12 年后，数字孪生正迅速成为现代工程不可或缺的组成部分。
如今，汽车制造商使用数字孪生来布置装配线、模拟制造过程并消除昂贵的道路测试。能源公司使用数字孪生验证风车设计并收集现场数据，而城市规划者则使用它们来确定交通模式和理想的基础设施配置。医疗保健提供商已经在利用数字孪生来分析医疗公关产品，并可能有一天使用它们来评估患者的治疗计划。这些功能只是数字冰山的一角。
可以在设计过程中进行虚拟测试，例如塑料零件和模具工装设计以评估填充和包装过程，以及模具的冷却系统。 （由 Dassault Systèmes 提供）
何必呢？
但是机械车间、钣金制造厂、模具制造商和服务机构呢？这些中小型企业的所有者和经理可能会问，“谁在乎呢？我们正在努力按时以合理的价格将零件运出门外。当我什至找不到像样的员工时，所有这些数字孪生有什么用？”
Vance Martin，roles po位于马萨诸塞州沃尔瑟姆的 Dassault Systèmes Americas Corp. 的 3DEXPERIENCE WORKS 机电一体化设计软件 rtfolio 高级经理用以下论点反驳了此类问题。 “我会问他们为什么一开始就在挣扎。这是他们尚未确定的与流程相关的问题吗？他们是否花了两天时间编写一项工作，却发现他们正在报废零件并且材料用完了？通过采用数字制造战略，这些和许多其他常见问题很容易解决。”
请注意，Martin 没有说数字孪生，而是数字制造战略。这是一个很好的区别，它触及了工业 4.0 的核心。数字孪生纯粹主义者可能会争辩说，该术语指的是复杂的机电系统——例如拖拉机或石油钻井平台——数字孪生反映并伴随着这些物体从生到死，容纳各种设计、采购和使用数据一路走来。另一方面，刚刚提到的商店可能难以处理的机加工、冲压或印刷部件代表了那些大得多的组件中的小部件。因此，与使用它们的产品相比，它们不会“孪生”到相同的深度——或者可能根本不会。
但他很快注意到，数字孪生概念仍然具有相关性，即使在这个较低的规模。 “在大多数情况下，这些较小的商店使用的 3D 模型只是代表物理对象的数学体积，而数字双胞胎具有智能，”Martin 说。 “设计师可能不会使用它来设计机加工轴，也没有人会费心收集冲压金属外壳的使用数据，但这些零件的模型仍然可以包含大量信息，提供类似于数字双胞胎的好处”
Dassault Systèmes 的 3DEXPERIENCE WORKS Roles Portfolio Dire演员斯蒂芬·恩德斯比同意了。 “他们还改善了沟通并使协作更容易，”他说。 “总体而言，数字孪生和数字制造有助于消除经常导致数据浪费和重复的信息孤岛。每个人都在同一个集成平台上工作。”
五轴加工过程的模拟使制造商能够创建越来越复杂的组件，并虚拟制造所需的任何零件。 （由 Dassault Systèmes 提供）
真相的单一版本
Martin 和其他人提到的信息包括批号、硬度和抗拉强度等原材料特性。需要考虑进给、速度和切削深度建议，以及质量控制标准和我检查结果。数字孪生还可以存储与流程相关的数据，例如使用了哪些切削工具和工具路径、制造零件的人员、时间、在什么机器上以及是否存在任何困难？
收集这些和其他制造信息将细节整合到单个数字零件表示中——无论您怎么称呼它——不仅创建了生产过程的历史记录，而且为机械师和钣金工人提供了提高效率的工具。
Rahul Garg，副总裁位于得克萨斯州普莱诺的 Siemens Digital Industries Software 的工业机械总裁对事情的看法大致相同，这表明规模较小的制造商将从数字化之旅中获益最多。不幸的是，他们通常也是最不情愿的。
“很多时候，这些企业担心数字化技术只对大型企业有用，但我想说的是，情况通常恰恰相反。较小的公司通常都在处理机智h 较低的利润率。如果在制造过程中出现错误，他们将损失最大，并且必须确保他们能够以尽可能快的方式满足客户的需求，并从他们的机床中获得最大的吞吐量。”
这里同样，解决方案是拥抱数字技术，而不是拒绝它。
无论是 CNC 编程和模拟、工作准备、生产计划、操作员培训还是流程优化，数字化都非常容易利用，从而提高整体盈利能力并消除缺陷。 Garg 说：“无论商店规模大小，在所有这些领域实现效率都很重要。”
他补充说，这些举措可以为制造公司带来其他好处。例如，具有自动报价功能的数字商店（通常是在线的）可以毫不费力地为潜在客户提供即时价格，即使对于加工和 3D 等不同的加工方法也是如此
在这里，该公司网站的访问者可能会很容易地试探不同的制造方法，确定哪种方法最具成本效益或最可行，然后订购零件。他说：“虽然不一定与数字双胞胎相关，但像这样的应用程序正在蓬勃发展，并为最终用户和制造商等提供了很多价值。”
双胞胎让生活更美好
应用程序也变得更易于部署和更常见。 Dassault Systèmes 和 Siemens 各自在其产品组合中拥有众多软件平台，涵盖从信息智能和内容创建到电子设计和软件开发的所有领域。位于罗得岛北金斯敦的 Hexagon 制造智能部门也是如此，数字孪生产品和市场经理 Silvère Proisy 并不太在意用于描述数字孪生的术语。他最关心的是人们使用它。
“如何定义数字孪生取决于您的要求，”Proisy 说。 “大型 OEM 可能会在设计周期的早期开发数字双胞胎，并一直使用它直到产品生命周期结束，并在整个过程中收集数据。另一方面，五人机加工车间可能需要仅支持刀具路径模拟和流程优化的数字双胞胎。无论哪种情况，它都会带来巨大的价值。”
Proisy 大部分时间都在这里，在数字孪生光谱的车间一端度过。他预测，随着机器控制变得更加智能以及工业物联网 (IIoT) 的普及，数字孪生技术的能力将越来越强。他指出，Hexagon 和其他公司已经在创建 CNC 机床的运动学精确表示，并已开始扩展该概念以反映控制以及更先进的机床制造商现在集成的传感器
“这里有多个层面需要考虑，”他说。 “它涉及资产管理方面，机床制造商可能出于与任何其他资本设备制造商相同的原因部署数字双胞胎 - 用于设计目的，然后出于性能或预测性维护原因远程监控他们的产品。但他们的客户也有更基本的需求，例如避免机床碰撞、减少设置时间和 CNC 程序优化。所有这些都由数字孪生实现，并且与更全面的对应物一样重要。”
除了被制造商使用之外，数字孪生现在在建筑、土木工程中很受欢迎、媒体创作和游戏工业。 （由 Autodesk 提供）收尾
Gene Granata 秒该视图。加利福尼亚州欧文市 CGTech Inc. 的产品管理总监解释说，在模拟世界中，你总是试图尽可能接近现实。 “你朝这个方向迈出的每一步都会给用户带来优势，”他说。 “这意味着您将捕捉到所有您能捕捉到的东西，并且您可以依靠模拟来匹配当您按下循环开始按钮时机器上真正发生的事情。”
实现这需要干净、准确和完整的数据。他说，构建加工中心的块状模型并使用圆柱体和圆锥体来模拟切削工具组件是不够的。这些块状表示与数字双胞胎相去甚远，并且对加工过程的清晰度很低。 “好数据”和“坏数据”之间的区别也并不总是那么明显
“在生成智能刀具路径模拟时，有很多未解决的问题，”Granata 说。 “软件知道机器如何解释控制命令吗？它知道哪些 G 代码格式是可以接受的吗？它知道轴限制、可用的主轴功率以及机器在特定条件下的反应吗？为了获得最佳结果，您需要尽可能完整和准确的 CNC 机床数字双胞胎。例如，我们的机器制造专家不依赖于某人对机器行为方式的看法，而是使用 CNC 控制器中驻留的参数文件中的数据。从机器中整合这种“DNA”可以消除客户的猜测，并提供有关 CNC 机器如何运行的准确答案，从而使用户尽可能获得最准确的数字孪生。”
无论是大型 OEM 还是小型机加工车间，数字孪生都带来价值和生产过程的效率。 （由 Hexagon Manufacturing Intelligence 提供）
切削工具是另一个很好的例子。根据来源，工具组件的 3D 模型可能尺寸准确且看起来令人愉悦，但就数字数据而言，它非常简单。相比之下，一些工具制造商提供模型以及有关特定材料的切削参数和使用限制的信息。根据 Granata 的说法，这对于识别这些值并将其纳入模拟以及优化 NC 程序进给率的软件系统非常有价值。
切割工具下载来自制造商网站和云存储库的信息详细且准确。当与切削数据一起下载时，模拟提供了大量有价值的切削指标：例如切屑厚度、体积去除率、切削力、刀具偏转潜力等。 （由 CGTech 提供）
此类功能远不止于避免崩溃或缩短周期时间。鉴于该行业长期缺乏技术工人，经验丰富的程序员更是如此，智能加工模拟——以及任何类型的精确模拟，就此而言——有助于让那些技术水平较低的人“处于安全制造的护栏之间”。
Granata 说：“它还使加工过程更加高效。由于程序员偏离了建议的界限，因此对灾难性工具故障的担忧减少了。当您按照设计使用的方式驱动工具时，零件光洁度得到改善，切屑流和散热会更好，工具寿命增加，循环次数减少。这正是刀具路径优化的定义，但它要求代表 CNC 机床和切削刀具的数字孪生尽可能准确。”
Autodesk 只是寻求实现机床控制的软件供应商之一参数和 CNC 传感器数据导入其制造平台。 （由 Autodesk 提供）
生产车间结对
总部位于加利福尼亚州圣拉斐尔的 Autodesk Inc. 是另一家着眼于数字孪生的软件供应商。产品经理 George Roberts 在 Autodesk 的英国办事处工作，负责为客户提供后处理、模拟和车间活动方面的支持。罗伯茨指出，数字孪生这个词“几乎每无处不在”，并且在建筑、土木工程、媒体创作甚至游戏开发（你好，SimCity）中变得很普遍。不过，他的职权范围是制造。
Roberts 同意 Granata 和 Proisy 的观点，认为准确的过程模拟很重要，但他认为机床监控和其他形式的车间管理也同样重要。 “这有两个方面，”他说。 “首先是运营商需要知道什么？这包括实时信息，例如机器是否正在运行以及当前循环还剩多少时间。然后是更多的分析数据——使用统计，以及距离下一个预防性维护周期还有多长时间。所有这些可能很快就会被整合到整个生产车间的数字双胞胎中。”
与 CGTech 和 Hexagon 一样，Autodesk 也对从机床控制系统收集配置数据非常感兴趣。根据罗伯茨的说法，这将有助于预测记录设备在特定情况下的性能，并为所有相关人员提供做出更好决策所需的信息。
“这就是为什么我们一直在与其他供应商讨论可能恢复相关机器和控制数据的原因进入我们的系统，”他说。 “这是初步的，但我们已经研究了在 CNC 设备上查询各种参数和传感器数据然后将其加载到制造软件中的方法。在执行程序之前尽可能准确地模拟加工过程，这应该是每个人的目标。”
