數(shù)位分身可以預(yù)測(cè)機(jī)器的運(yùn)作狀態(tài)，透過(guò)結(jié)合實(shí)際機(jī)器運(yùn)作資訊，最大限度地發(fā)揮實(shí)際系統(tǒng)的性能。此外，還能更精確地掌握因故障、壽命終止等原因進(jìn)行維護(hù)的時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)更好的運(yùn)作。
根據(jù)西門(mén)子部落格文章，阿波羅飛船應(yīng)該是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)數(shù)位分身概念的太空船。眾所周知，阿波羅13號(hào)因氧氣罐爆炸損壞飛船的事故倖存而聞名，在這次事故中，被認(rèn)為是數(shù)位分身先驅(qū)的技術(shù)，利用操作物理特性來(lái)改變太空船後，再透過(guò)剩餘的電力和水返回地球的極端過(guò)程。
而類似數(shù)位分身這樣技術(shù)是一種模擬器，透過(guò)結(jié)合休士頓的Johnson太空中心實(shí)際指揮艙，和月球著陸器的硬體系統(tǒng)以及電腦，來(lái)重建太空船緊急的環(huán)境狀況，進(jìn)而模擬太空船在事故發(fā)生時(shí)的情況，以及考慮如何使用有限的電力執(zhí)行返回地球所需的操作程序。最終，太空人平安的返回地球，同時(shí)也能還原整個(gè)事故過(guò)程與關(guān)鍵點(diǎn)。
透過(guò)這種方式，重現(xiàn)遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的情況、預(yù)測(cè)未來(lái)情況並做出回應(yīng)，從20世紀(jì)的60年代末到70年代初就已經(jīng)被實(shí)踐過(guò)。
因此數(shù)位分身可以定義為物理空間中，存在的系統(tǒng)的電腦或數(shù)位複製品。與傳統(tǒng)模擬的不同之處在於，可以預(yù)測(cè)機(jī)器的運(yùn)作狀態(tài)，透過(guò)結(jié)合實(shí)際機(jī)器運(yùn)作資訊，最大限度地發(fā)揮實(shí)際系統(tǒng)的性能。此外，還能更精確地掌握因故障、壽命終止等原因進(jìn)行維護(hù)的時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)更好的運(yùn)作。而透過(guò)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段建立數(shù)位分身，更快地實(shí)現(xiàn)所需的性能，降低產(chǎn)品成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間。
半個(gè)世紀(jì)過(guò)去了，電腦的處理能力和通訊速度都得到了巨大的提高，數(shù)位分身的建構(gòu)更成為了有效利用硬體，和軟體組成的機(jī)械系統(tǒng)的常規(guī)技術(shù)，這可說(shuō)是一個(gè)正面進(jìn)化的方向。在這裡，我們將根據(jù)上述的定義來(lái)說(shuō)明目前數(shù)位分身應(yīng)用在工具機(jī)的現(xiàn)況和發(fā)展。
透過(guò)數(shù)位分身簡(jiǎn)化試切
在購(gòu)買(mǎi)工具機(jī)之前，有一個(gè)稱為「試切」的過(guò)程，以確認(rèn)金屬加工精度和生產(chǎn)率是否符合要求。例如從2021年開(kāi)始，DMG就有提供這項(xiàng)服務(wù)。
該服務(wù)是透過(guò)數(shù)位化建構(gòu)工具機(jī)、工具、加工材料和治具的物理特性來(lái)再現(xiàn)切削過(guò)程。無(wú)論是靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性均以高精度建模，與使用實(shí)際工具機(jī)進(jìn)行加工相比，可以進(jìn)行誤差正負(fù)幾個(gè)百分點(diǎn)的加工模擬。該系統(tǒng)的特點(diǎn)在於，允許操作者隨時(shí)運(yùn)行模擬，而不管機(jī)器可用性，或工具、加工材料和治具的可用性如何，這大幅減少了試切所需的時(shí)間。由於不使用實(shí)際設(shè)備，因此還具有減少工具、材料、冷卻劑和電力消耗的優(yōu)點(diǎn)。DMG就是基於數(shù)位分身技術(shù)下，開(kāi)發(fā)出此系統(tǒng)與服務(wù)。
數(shù)位分身可在電腦上對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的行為進(jìn)行建模。可以說(shuō)，數(shù)位分身的完整性是透過(guò)建立一個(gè)模型來(lái)證明的，而該模型的輸出行為準(zhǔn)確地代表了回應(yīng)目標(biāo)系統(tǒng)輸入的現(xiàn)實(shí)。在使用工具機(jī)進(jìn)行切削的情況下，再現(xiàn)加工過(guò)程中發(fā)生的物理現(xiàn)象是非常重要，而在基於數(shù)位分身的技術(shù)下，可透過(guò)再現(xiàn)現(xiàn)象的準(zhǔn)確性而增加。
透過(guò)數(shù)位分身技術(shù)開(kāi)發(fā)的架構(gòu)與功能
說(shuō)到切削加工模擬軟體，最著名的是美國(guó)ThirdWave Systems的「AdvantEdge」。雖然加工現(xiàn)像是在有限元素的基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬的，但需要大量的時(shí)間進(jìn)行分析，雖然耗費(fèi)了一些時(shí)間，不僅可以預(yù)測(cè)切削力，還可以預(yù)測(cè)溫度、殘餘應(yīng)力和應(yīng)變等詳細(xì)資訊。因此不止可用於最佳化切削條件，還可用於設(shè)計(jì)刀具。
VERICUT Force的低廉運(yùn)算成本
另一方面，有些CAM也導(dǎo)入可選用的模擬功能，但僅限於切削力，例如CGTech的VERICUT Force。它不像有限元素法那樣進(jìn)行詳細(xì)模擬，但由於運(yùn)算成本低廉，可以實(shí)際應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。透過(guò)了為每種類型的工作材料和工具所建立的機(jī)械模型參數(shù)資料庫(kù)，可以輕鬆地在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬。如圖一所示，可以模擬加工過(guò)程中的切削力，並提供根據(jù)結(jié)果最佳化刀具進(jìn)給速度的功能，來(lái)有效減少加工時(shí)間和並抑制過(guò)載。
| 圖一 : 透過(guò)CGTech的VERICUT Force進(jìn)行切削力預(yù)測(cè)。（source：CGTech） |
|
CELOS DYNAMICpost的模型創(chuàng)建模擬
具有類似功能的產(chǎn)品包括ThirdWave Systems的「生產(chǎn)模組」和DMG的「CELOS DYNAMICpost」，這些產(chǎn)品不僅可預(yù)測(cè)切削力，並根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果最佳化進(jìn)給速度。
目前DMG開(kāi)發(fā)了一種稱為「數(shù)位分身測(cè)試切割」（圖二）的數(shù)位分身技術(shù)，不僅可以計(jì)算切削過(guò)程中刀具和工件之間的干涉，還可以預(yù)測(cè)出加工過(guò)程中發(fā)生的各種現(xiàn)象，例如切削時(shí)所引起振動(dòng)，來(lái)使得工具機(jī)床能夠達(dá)到更高的精度和效率。此外更能利用數(shù)位方式重複加工條件的試驗(yàn)，並使用被認(rèn)定為最佳的方法來(lái)進(jìn)行實(shí)際加工。
| 圖二 : DMG的數(shù)位分身測(cè)試切割。（左）在實(shí)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試切割；（右）利用數(shù)位分身測(cè)試切割。（source: DMG） |
|
此外，在試驗(yàn)的過(guò)程中，也不需要實(shí)際使用刀具、加工材料、夾具、切削油、液壓油、潤(rùn)滑油等，甚至加工所使用的電力都將變得更少，大幅度的減少了二氧化碳（CO2）的排放量。並且實(shí)際加工過(guò)程中，循環(huán)時(shí)間平均可以減少30%，功耗和二氧化碳排放量也減少約3成左右。並且工具機(jī)床數(shù)量越多，效果就越大，這些都是加工過(guò)程數(shù)位化下的最大優(yōu)點(diǎn)。
除機(jī)械結(jié)構(gòu)外，還可以透過(guò)數(shù)位分身技術(shù)的幫助，以數(shù)位方式再現(xiàn)數(shù)控（NC）以及可程式設(shè)計(jì)邏輯控制器（PLC）等工具機(jī)的運(yùn)行。同時(shí)，除了數(shù)控程式外，還可以使用機(jī)床或刀具的三維（3D）模型對(duì)實(shí)際使用的機(jī)床和工具的運(yùn)行情況進(jìn)行數(shù)位驗(yàn)證，來(lái)確保實(shí)際運(yùn)行是否正確無(wú)誤。這就是前面所提到，DMG的「CELOS DYNAMICpost」。
因?yàn)椋菙?shù)位刀的幾何資訊準(zhǔn)確無(wú)誤，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正可避免干涉的現(xiàn)象。為了解決這一問(wèn)題，可以透過(guò)測(cè)量來(lái)獲得刀具形狀（包括刀架）後，進(jìn)行三維建模的作業(yè)，避免真實(shí)刀具和數(shù)位刀具之間的差異。此外，還可獲取刀具切削刃影像，來(lái)監(jiān)測(cè)刀具磨損狀況。
CNC Guide 2的高速模擬與誤差分析
圖三是Fanuc的電腦數(shù)控（CNC）數(shù)位分身系統(tǒng)。在圖中「CNC Guide 2」是作為數(shù)位分身基礎(chǔ)的CNC數(shù)位模型。透過(guò)CNC模型可以在計(jì)算機(jī)上忠實(shí)地再現(xiàn)CNC運(yùn)作，同時(shí)考慮到每個(gè)軸的加速和減速。因此與傳統(tǒng)CAM相比，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)加工時(shí)間。
| 圖三 : Fanuc電腦數(shù)控（CNC）數(shù)位分身系統(tǒng)架構(gòu)。（source：Fanuc；作者整理） |
|
此外，該功能還考慮了CNC特性的刀具軌跡，進(jìn)而對(duì)加工表面進(jìn)行估算。到目前為止，可以透過(guò)使工具機(jī)空轉(zhuǎn)並獲取刀具軌跡來(lái)估計(jì)加工表面，但透過(guò)使用 CNC Guide 2在虛擬空間中操作CNC，速度比實(shí)際空間快10倍以上，可以獲得刀具路徑。透過(guò)比較透過(guò)實(shí)際加工獲得的加工表面和基於CNC導(dǎo)軌2獲得的加工表面，對(duì)於識(shí)別加工誤差的原因也很有用。
此外，該功能還考慮了CNC特性的刀具軌跡，進(jìn)而對(duì)加工表面進(jìn)行估算。到目前為止，加工表面估算只能透過(guò)空轉(zhuǎn)的機(jī)床來(lái)獲取刀具軌跡，但透過(guò)CNC Guide 2系統(tǒng)，可在虛擬空間中運(yùn)行CNC，獲取刀具軌跡的速度，這比在真實(shí)環(huán)境中快了10倍以上。透過(guò)將實(shí)際加工獲得的加工表面結(jié)果，與CNC Guide 2所獲得的加工表面結(jié)果進(jìn)行比較，還可以幫助找出加工誤差的原因。
現(xiàn)實(shí)空間與虛擬空間即時(shí)連動(dòng)
如上所述，構(gòu)成數(shù)位分身基礎(chǔ)的技術(shù)已開(kāi)始在機(jī)械加工領(lǐng)域被導(dǎo)入，並有望取得更進(jìn)一步的發(fā)展。目前，CNC和加工領(lǐng)域的數(shù)位模型還處?kù)堕_(kāi)發(fā)階段，但未來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)位分身的關(guān)鍵是，如何即時(shí)連接虛擬空間和現(xiàn)實(shí)空間，來(lái)超越傳統(tǒng)單純的模擬機(jī)制。
圖四是日本茨城大學(xué)理工學(xué)研究所，開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)針對(duì)立銑刀加工狀態(tài)數(shù)位分身的監(jiān)控方法。在真實(shí)空間中，是利用加工中心機(jī)（MC）進(jìn)行加工作業(yè)，刀具位置和主軸馬達(dá)扭力是透過(guò)CNC監(jiān)控，並傳輸?shù)教摂M空間。在虛擬空間中，實(shí)際加工和切削模擬會(huì)根據(jù)監(jiān)測(cè)到的刀具位置同步進(jìn)行。便可即時(shí)預(yù)測(cè)切削扭力，和作用在刀具上的切削力。因此無(wú)需使用測(cè)力計(jì)即可在虛擬空間中監(jiān)測(cè)切削力。
| 圖四 : 使用數(shù)位分身的加工狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。（source：茨城大學(xué)理工學(xué)研究所；作者整理） |
|
圖五比較了虛擬監(jiān)控結(jié)果，和使用動(dòng)力計(jì)測(cè)量切削三向分力的結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，虛擬監(jiān)測(cè)結(jié)果與動(dòng)力計(jì)測(cè)量結(jié)果相當(dāng)。主軸馬達(dá)在真實(shí)空間中的扭力，與虛擬空間中的切削扭力是相對(duì)應(yīng)的，因此兩者所表現(xiàn)出的扭力波形是一致。 然而，當(dāng)?shù)毒郀顟B(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，例如磨損加劇或刀具破損的情況下，所得到的結(jié)果就不是這樣了。因此，可以透過(guò)連續(xù)比較兩個(gè)扭力波形來(lái)估算出刀具的狀況。
| 圖五 : 切削力虛擬監(jiān)控與比較結(jié)果。（source：茨城大學(xué)理工學(xué)研究所；作者整理） |
|
數(shù)位分身在大規(guī)模客製化時(shí)代至關(guān)重要
大規(guī)模客製化正在刺激著工具機(jī)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)入數(shù)位轉(zhuǎn)換。過(guò)去，工具機(jī)主要用於特定加工，但近年來(lái)，主流機(jī)種已經(jīng)是能夠執(zhí)行多項(xiàng)作業(yè)的多任務(wù)工具機(jī)。例如，大隈的生產(chǎn)能力高達(dá)600臺(tái)/月，每年生產(chǎn)約300種型號(hào)。在大隈的智慧工廠Dream Sight 3中，每月加工次數(shù)超過(guò)五次的工件被定義為大量生產(chǎn)的產(chǎn)品。而DS3正是利用數(shù)位分身，根據(jù)設(shè)備運(yùn)作狀態(tài)模擬未來(lái)生產(chǎn)預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。
另外，在使用工具機(jī)進(jìn)行加工時(shí)，一旦加工完一個(gè)產(chǎn)品，就需要切換到下一個(gè)產(chǎn)品，並且每次都必須重新設(shè)定。如今，在進(jìn)入工具機(jī)大規(guī)模客製化時(shí)代下，利用數(shù)位分身在實(shí)現(xiàn)「數(shù)位轉(zhuǎn)換」變得更加重要。
因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，「調(diào)試」工作是必不可少的，如建立加工程式、輸入資料和設(shè)定機(jī)床。在傳統(tǒng)的設(shè)置工作中，在建立程式部分（在個(gè)人電腦上進(jìn)行）和實(shí)際設(shè)置機(jī)床的現(xiàn)場(chǎng)工作是分開(kāi)的，這就造成了由於程式和工作現(xiàn)場(chǎng)的情況不一致而導(dǎo)致重複工作的浪費(fèi)。
對(duì)此，山崎MAZAK開(kāi)發(fā)了相關(guān)輔助工具，可以根據(jù)實(shí)際機(jī)床的資料，在虛擬空間中建立工具機(jī)的數(shù)位分身系統(tǒng)，並透過(guò)這個(gè)系統(tǒng)創(chuàng)建加工程式，除了有效節(jié)省時(shí)間外，更進(jìn)一步的，可以減少重工並提高生產(chǎn)力。
對(duì)工具機(jī)導(dǎo)入Generation AI創(chuàng)新技術(shù)的期待
2023年4月在德國(guó)舉行的Hannover Messe 2023上，利用生成式人工智慧（Generation AI）的來(lái)開(kāi)發(fā)出更為智慧化的工具機(jī)成為展場(chǎng)中的熱門(mén)話題。
透過(guò)導(dǎo)入AI的工具機(jī)，發(fā)現(xiàn)故障的作業(yè)人員將情況以語(yǔ)音形式輸入行動(dòng)終端器。 然後，生成的人工智慧會(huì)對(duì)內(nèi)容進(jìn)行解析，甚至將其翻譯成公司的官方語(yǔ)言，建立出一份總結(jié)報(bào)告，並在公司內(nèi)部快速共用。 這些演示讓人們看到了不久的將來(lái)，人與機(jī)器將和諧共存。
說(shuō)到生成式人工智慧的技術(shù)創(chuàng)新，不能不提名為「GAFAM」的平臺(tái)。 雖然目前仍處?kù)堆邪l(fā)階段，但已經(jīng)有許多利用ChatGPT使用自然語(yǔ)言（口語(yǔ)）來(lái)控制各種機(jī)器人。相信不久之後，使用生成式人工智慧創(chuàng)建程式來(lái)控制工廠中的工業(yè)機(jī)器人，和可程式控制器（PLC）等設(shè)備就會(huì)變得相當(dāng)普及，而作業(yè)人員和生產(chǎn)設(shè)備將能夠在執(zhí)行任務(wù)時(shí)進(jìn)行互動(dòng)。
在工具機(jī)維護(hù)上，預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)這樣的情況：在人工輸入和下達(dá)工作指令的情況下，首先會(huì)透過(guò)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行的監(jiān)控和預(yù)測(cè)性檢測(cè)，然後調(diào)查各種因素並製作工作清單以考慮應(yīng)對(duì)措施，並在工作完成後製作報(bào)告。
生成式人工智慧會(huì)根據(jù)提示（指令）產(chǎn)生資料。關(guān)鍵在於「與人的互動(dòng)（人機(jī)對(duì)話）」。這已經(jīng)可以說(shuō)，「人機(jī)共生」新模式時(shí)代即將開(kāi)始。
