数字孪生技术推动工业机械行业数字化转型

2020-09-16 11:20:12
无锡汪特软件
数字孪生
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近年来,数字孪生技术,或者称作数字化双胞胎技术,成为吸引全球制造业的明星技术。我国的制造业,尤其我们所接触比较多的工业机械行业及产业,由于其快速崛起,面临大量需要解决的矛盾和问题,因此,对数字孪生技术,更加注目。

1.工业机械企业应关注数字孪生技术

近年来,数字孪生技术,或者称作数字化双胞胎技术,成为吸引全球制造业的明星技术。我国的制造业,尤其我们所接触比较多的工业机械行业及产业,由于其快速崛起,面临大量需要解决的矛盾和问题,因此,对数字孪生技术,更加注目。

所谓“数字孪生”,或者“数字化双胞胎”,是计算机技术发展现阶段可以实现的,一种人们在计算机及其网络,或者各种类型的计算资源的支持下,对物理世界(例如工业产业)实现虚拟化、模型化,帮助人们在虚拟世界与物理世界间建立关联、施加有效控制并适度融合的有效的解决方案。

工业机械随着近年来的迅速发展,已经不满足于简单的仿制装配,而是致力于高端装备自主创新,致力于提升产品的质量,有了一定的市场品牌意识,并不断创新思路,将服务纳入企业业务,以保持对某一细分市场工业机械的专业优势。同时,也有大量企业从产业链角度出发,专精于关键基础零部件的供应,专精于基础工艺和基础材料的研制开发,为工业机械及装备提供精良的,符合国标及各种国际通行标准的零部件、传动元件以及机电元件或系统。

在这种发展趋势下,促使行业各方不得不以虚拟化,数字化的方式方法,构建工业机械产品的数字化模型,并在模型中纳入更多的属性,帮助企业进行诸如快速形成方案、快速验证方案、快速做出决策,快速完成各种制造及装配工艺。数字孪生技术,我们的工业机械企业,志在必得。

2.数字孪生模型对产品开发的深刻影响

产业化的企业,要求快速开发,准确估算,高效形成产品。而以往种种技术手段,虽然已经局部采用了计算机技术和各种分立的模型化技术,但没有整体的、集成的思路,导致产品开发中,仍然不能避免手工作坊式的低效率。而且在产品开发周期中,各种数据和知识不容易有序的积累和管理。工程技术人员无法综合各种信息,没有得到现代计算机技术及信息化技术的充分支持,导致产品开发不能快速,信息及数据不易查询,容易混淆和失散,直接影响了产品开发的效率,增加了产品开发失败的风险,而工程技术人员和产品开发人员却要付出艰辛的努力,企业也无法进行创新,或者更有效的进行产品的计划、研制、试制,和投入生产,难以获得企业竞争优势。

数字孪生技术,则是对此低效率的做法的一个颠覆。采用当前的计算机技术、图形学技术以及数据库技术,可以对工业机械开发中需要建立的快速概念模型、方案模型,各种布局图、原理设计和原理图等,全部实现数字化。

更具优势的是,数字孪生模型可以通过有成熟算法支撑的数据结构,将产品的各种性能进行建模,将处于各种工况、各种物理环境之下的产品的运行情况进行建模。在虚拟数字化模型上,施加各种模拟参数对模型进行迭代计算,帮助产品开发进行设计决策,能够在短时间内评估多种方案,方案比较和进行方案取舍。

工业机械企业要想在产品开发、工艺生产计划、以及将产品推向市场的其它环节上,获得这些虚拟化的优势,就必须是在工业机械的数字孪生模型上,才成为可能。

3.数字孪生技术在工业机械开发中的应用

3.1高性能大型装配模型

工业机械行业需要的产品模型,是要涵盖从单台简单设备,到各种产线级、车间级设备的。这些模型不论是需要非标设计试制,还是需要采用标准装配方案快速设计,如果企业决定采纳数字孪生技术,则首先需要形成虚拟化数字化的装配模型。这意味着模型的规模很可能很庞大。而对如此大跨度的各种装配虚拟模型,如何能够在一定的计算资源下提供给工程技术人员顺畅的操作体验,就需要虚拟装配模型技术。

目前高端的PLM系统,例如西门子的NX/Teamcenter系统,已经完全满足了工业机械企业这方面的要求。

西门子NX/Teamcenter系统的装配处理,体现了当前PLM系统的典型优势。系统能够对以数据库系统为依托,采用灵活的管理策略对复杂装配进行管理。既可以通过直接的装配占用空间管理处理超大模型(百万级以上部件),也可以通过对复杂的装配层级结构进行分层检索进行高效导航和管理。为方便工业机械企业实现系统工程,数字孪生的装配结构可以支持自上而下的系统级设计。

西门子NX/Teamcenter系统充分理解工业机械行业产业链环境下的多种CAD系统共存的数据环境。他所能够处理的装配模型,能够将各种CAD数据纳入其中,形成数字孪生模型,或称之为数字样机。并且能够在数字样机中继续进行机电联合设计,完善此装配模型,使之进行诸如运动包络、装配路径方面的评估仿真。

3.2机构动态及其它动态(液压、气动)虚拟化模型

现代的工业机械,已经完全是一个机电综合的系统,其系统的动态行为,工艺功能及控制机制,需要数字孪生技术不但要在机械构造上提供模型,而且要在机构运动学、动力学、系统驱动、系统控制,乃至采用电子控制的软件程序行为上提供模型,以期在全领域提供给系统研发工程人员以模型,进行仿真计算完成多学科综合设计决策。

数字孪生技术,正是一种提供多学科多专业数字化模型和信息的综合技术。通过数字孪生技术,工业机械产品的工程师们实现了产品的系统化的结构、机械、电子、软件的集成设计决策和迭代管理。数字孪生系统模型应有尽有地提供了机构行为、动作轴、轴驱动、控制、耦合及时序等虚拟模型,并融入了数字化的量化仿真技术。

这种数字孪生技术的范畴中,最具代表性的,就是西门子所提供的几个系统,包括NX/MCD机电联合设计系统,LMS 1D(Amesim)仿真系统,TIA博图系统,以及SIMIT仿真系统。

3.3数字孪生试验试制

在试验条件有限的情况下,在工业机械产品的开发试制调试阶段,充分利用数字孪生技术进行虚拟运动学、动力学仿真,并纳入驱动和控制特性,是数字孪生技术的重要一环。

工业机械在投入运行之前,普遍需要一个组立调试过程,才能交付客户方上线投入生产,而这也是一个相对占压资金,费时费工的过程。交付方需要集成所有的结构、机构、电机、液压和/或气动元件、管线、线缆,以及控制系统,按客户对系统的功能及质量要求进行调试,并给出相应的验证数据及报告。

数字孪生技术,能够在虚拟的数字化的环境中,帮助工业机械企业从产品方案设计阶段开始即着手同步地构建一个伴生的数字化模型。这个模型除了在如上所述的方案论证、评估和设计决策方面提供支持之外,更伴随着设计的成熟提前展开虚拟调试。随着设计的最终成熟,调试也随着从全虚拟状态逐步进行到软件入环(SIL)、硬件入环(HIL)阶段,直至最终实现全系统上电检测,单步运行及自动运行。

由于这个陪伴式的数字孪生模型在整个系统的方案取舍、驱动方案、控制方案中完全同步的孪生仿真,可以将任何设计错误、人工疏漏都提前得到纠正,就使得整个产品的试验调试时间和费用得到极大的压缩。同时,所有设计中确定采购的控制方案、系统及元件,如果在这个虚拟孪生系统中采用能够提供虚拟化数据的可靠供应商,例如西门子系统,则整个工业机械工程的交付质量也会得到提升。

4.工业机械数字孪生技术的可持续性

4.1大量数字化模型库资源

工业机械行业是一个成熟的传统工业行业,产品在由来已久的不断开发演进中,积累了大量的产品类型、惯用设计和惯用零配件及零部件。为了能够更好的利用这些积累,行业和企业有相应的共识,就是实现标准化,很多企业就是专精于特定类型的零部件零配件,取得产品的高质量,获得更低的成本和更快的市场响应效率。

在此情况下,数字化双胞胎技术也能够提供更好的信息支持。特别是国家在这个方面一直非常重视,不断以发布国家标准的形式促进行业应用。因此,当前的互联网数字化环境中,国家标准、行业标准的检索越来越便捷、及时。而产业的发展,也使数字化环境升级,已经涌现出大量信息化平台和采购平台,他们向机械工业企业提供大量的标准件、紧固件等等,并提供跟踪各种标准,及时更新的服务。这些信息化平台和采购平台,很多已经提供标准件、紧固件的三维模型。

4.2企业软件采用数字孪生技术实现重用及其数据库

目前先进的PLM平台,以西门子的NX/Teamcenter系统为例,为工业企业更好地应用数字孪生技术,提供了产品模板工作室(PTS)。此技术,就是在采用数字孪生技术及其理念的企业产品开发业务中,帮助工程技术人员及工艺制造人员,整理各种数字化模型并据此形成再次调用时的友好操作界面,以最高的效率和最方便的数据重用性,进行工业机械的系统、组件乃至特定零部件的开发。

为了在企业中推广数字孪生技术的应用,需要给工程技术人员提供一个适用便捷的数据访问环境,为企业快节奏的产品开发生产提供高效坚实的数据库支撑。西门子的NX/Teamcenter系统就提供产品系统、装配部件、零部件及其属性的可扩充的归类管理、检索、更新、规则检查系统,以及工程技术人员桌面的,与具体产品设计、装配设计及工艺规划软件相应的按属性存取使用的应用工具。

5.工业机械企业推广数字孪生技术正当时

在我们从制造大国向制造强国迈进的当下,我们的机械工业企业在不断找寻各种先进技术,不断评估适合自己行业的技术,以期以最小的代价和最短的时间快速提升企业的竞争力,获得更高的产出。

而数字双胞胎技术,在工业4.0、以及两化深度融合思维的大潮之下,已经达到了相当成熟的状态。认识到这一技术的优越性,并知道有西门子这样的工业行业的先行者为之投入多年努力,整合了各种技术,形成了现在的系统,我们的工业机械,就不得不承认,这真是一个好时机,为企业,为行业取得这份进步,迈上一个新台阶。

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