分解数字双胞胎

“数字孪生”这个术语经常被提起，但是对于数字孪生究竟是什么以及它能做什么，人们存在一些误解。数字孪生通常被定义为物理世界的虚拟表示。对于机械车间，可以使用单个机床或整个车间的数字模型，通过实时数据和模拟来检测、预防、预测和优化过程，而无需将工具放入金属中。

“数字孪生是过去几年出现的，”业务开发机床总监吉伯特·勒冯(Gisbert Ledvon)说，Heidenhain,了。“像工业4.0和工业物联网这样的术语已经被大量使用，许多人相信他们拥有的是一个数字孪生兄弟，但为了成为真正的数字孪生兄弟，它必须是虚拟空间中机床的真正复制。”

其中一个误区是数字双胞胎是CAD / CAM软件和仿真的函数。虽然CAD / CAM仿真可以显示机器的机制，3D模型和机器将执行的后续动作，其无法做的是在切割过程中究竟展示机器的行为，尤其是速度和饲料。这就是数字双胞胎进入，铰接和估算芯片载荷，材料去除速率，切割力，刀具偏转和切割时间的参数。

产品经理Gene Granata说:“‘数字双胞胎’的目标是收集有关现实世界中正在发生的事情的数据、信息和指标。”CGTech, Irvine, Calif. "The digital twin allows users to see in advance what’s going to happen, or go back and reference the data when something unexpected occurs. It also helps mimic exactly what’s going on with that component and process to help achieve better results."

数字化的推动在过去几年中已经出现，并在许多行业扎根，成为数字化过程的一个重要元素。这两者可以是机器、生产过程、性能或类似的东西，但在其核心，它是一个物理实体的视觉表现。

“如果你看看今天的市场，我们看到了巨大的变化和技术上的巨大转变，”机床产品经理Gligor Ukropina说，西门子加拿大奥克维尔,。“组件的定制、个性化和复杂性也在不断发展。还有一个成本压力，制造商需要高度灵活。为了满足这些不断增长的需求，机床行业可以利用数字孪生工具的力量。”

数字双胞胎一开始是一个虚拟模型，但当它开始接收来自现实世界的数据时，它就变成了一个强大的工具。与提供被动建模的仿真不同，数字孪生产品可以根据其生命周期中积累的数据动态变化，并在其真实产品生命周期中不断成长和成熟。

数字双胞胎的水平

一旦一家商店决定投资数字孪生技术，它必须确定数字孪生技术的最终目标是什么。

“你需要考虑到最终的目标，”Ledvon说。“为什么你想要一个数字双胞胎？你想要它做什么？如果你只是想做一个验证，那么通过更便宜的解决方案去。如果你真的想深入优化并获得每秒part to maximize your profits, then you should look into a comprehensive digital twin designed by the control manufacturer in conjunction with the machine tool builder. It’s more expensive but it’s going to give a quick return on investment. But it’s also going to take longer to develop, so there are lots of things to consider."

专家们一致认为，不同程度的数字孪生是可行的，这完全取决于商店在寻找什么。一个基本的数字孪生可以用于避免碰撞和确保部分适合机器。在这一层面上，3D模型反映了机器及其运动，类似于标准的CAD/CAM验证软件。

“当它归结为估算准确的速度和饲料时，数字双胞胎真正需要深入挖掘机的运动控制系统，”LEDVON说。“它需要模仿机器的确切行为。对于一个更包含的数字双胞胎，它需要包括设置功能，工具，材料类型，组件功能，只是进入生产过程的任何东西。“

格拉纳塔勾勒出了三层数字孪生。第一级是基本的机器运动学。一级数字孪生显示了机器如何移动，它的轴，以及它能移动多远和多快。

“这些是机器的核心基础，”他说。"The first thing that we generally do, especially if it’s a newer machine, is ask the vendor to provide models of the machine for simulation purposes. The models need to be accurate and detailed based on the customer’s machine specifications. We always recommend that when a shop purchases a new machine, it insists it comes with simulation models that they can use for the digital twin software. Our virtual machine building experts also request a copy of the parameters from the CNC because these hold important information about how a particular machine is configured to move, how it handles various offsets, etc."

一旦开发了一种数控机床的数码双胞胎，包括控制和机器的行为方式，都有机会进入第二级数字孪晶，这侧重于与工作有关的所有组件。

“当一份工作安排为商店时，一块库存材料需要为机器做好准备，”Granata说。"What sizes and shapes are going to be used? How many flutes are going to be used on cutting tools? How is the part fixtured? What’s going to hold the workpiece on the machine, and where will it be located? A list of cutting tools, specific pocket locations, tool lengths, build parameters, and other elements of the machining process is needed for the digital twin to accurately simulate the process. We encourage users to put in everything: accurate models for fixtures, clamps and bolts, design models, and stock models. To avoid unpleasant surprises during machining, it’s important to prep the digital twin to the maximum material conditions that are found in the shop."

这可能是一个更耗时的过程，但是对于要获得的数字双胞胎的全部好处，需要准确性和开发完整的图片。

“这总是归结为商店有多少时间以及它想要花费多少努力。如果它没有投入时间和努力，这可能会导致潜在问题的风险是什么？”Granaata。"Shops doing more expensive parts, especially in aircraft titanium or INCONEL, are going to spend the time to digital-twin everything they can to make sure they’ve caught every potential problem that can be caught. On the other hand, some guys in production shops that are making one or two ‘low-risk’ parts may not believe they need that level of digital twinning."

最近有很多关注的第三级涉及切割方法和过程。一旦所有硬件孪生，可以输入NC刀具路径和切割方法的创意。此级别全部是关于优化而不是验证。

“该层进入了与工具对材料的特定工件的性能相关的各种生理事物，”Grana。“铝的行为与钛的行为不同，这与刀具钢不同。最强大的优化软件和数字双胞胎可以显示所有这些数据。在此级别，程序员可以看出哪些切割条件，例如，进入特定的corner, and if it’s too rough on the tool, they can choose a different tool to produce less deflection, or change the cutting approach to use less stepdown. Best of all, these decisions are made and strategies refined before any machining is done on the real machine. In the best-case scenario, a shop using NC program optimization software can press a button and the software goes through all of the NC code and adjusts all feed rates to keep forces in line and keep chip thicknesses optimal."

许多商店相信，一旦他们有一个简单的数字双胞胎，就完成了。但是，如此多的质量和复杂程度可以建立在数字双胞胎中。商店需要完成他们的作业，看看究竟需要什么，如何提供它，以及在哪里开始。

Ledvon说:“这取决于商店如何利用技术和信息。”“如果它能在安装上节省30%，减少操作时间，提高切割速度，并比以前更快地完成零件，那么很容易看到为什么它是一个值得的投资。”它可以帮助商店更有竞争力，特别是在准确报价的工作岗位上。”

创建数字双胞胎

虽然它看起来像是一个艰巨的任务，但创造一个数字双胞胎不需要是一种可怕的事业。商店可以选择与提供数字双胞胎咨询服务的公司合作。他们的专家将与商店合作，收集必要的数据并建立数字双胞胎。商店还可以选择自己构建它。

“当我们为客户构建数字双胞胎时，我们首先需要知道控制类型是什么及其处理能力，”LeDvon说。“那么我们需要了解机器并获得所有功能和组件的3D模型，包括夹紧，设置，表和主轴。当我们获取所有信息时，我们可以构建针对特定机器定制的数字双胞胎。它can then be downloaded into a PC or simulator software. From there the shop can import raw materials and other features into the digital twin. It’s as simple as loading it in and playing around with it."

或者，商店可以创建数字双胞胎。但是，他们必须清楚地了解机器及其控制，以便提取所需的正确信息。有许多课程和课程可用于帮助商店开始流程并帮助他们走到上方，超出基本的“开箱即用”功能。

要开始这项工作，商店首先需要选择一个软件程序和后续技术，以允许实体资产和虚拟模型之间的实时数据流动。

同样重要的是，尽早决定一个商店到底希望这个数字孪生兄弟如何运作。它将严格用于监控，还是将更多的交互数据共享用于预测性维护?它会被用来进行模拟以提高性能和生产更好的产品吗?数字孪生应用越先进，可以实现的见解就越全面。

“最好的开始是与机床制造商密切合作，”Ukropina说。“使用CAD绘制的机器图纸可以帮助开发3D虚拟模型。轴向运动、PLC安全和功能、外部风扇或开关、工具库等都需要创建一个完整的数字孪生，所以现在硬件成为了软件的循环。机器的档案文件或数据必须集成到软件中，这样我们才能确切地知道机器是如何配置的。”

重要的是详细说明机器，并尽可能地将它与真正的数控机床做的事情紧密结合，直到控制中的子程序。每台机器都有不同的设置组。毫不夸张地说，一台机器要输入数千个设置。很重要的一点是要模拟机器在数字孪生中的去向，但同时也要自信地知道，它将以完全相同的方式实时运行。

在大多数情况下，机器商店可以开始小，并扩展数字双胞胎的功能，因为它们更熟悉该技术以及如何使用洞察和信息。

“这是一种数字第一方法，”乌克托里纳说。“在踩踏车间之前在办公室进行数字地进行数字化的所有任务。为了有效地做到这一点，商店需要找到并理解数字孪生的全部潜力以及如何应用于其特定需求。”

添加剂应用

西门子的伙计们的陈图德打破了数字双胞胎如何帮助变得更容易

“增材制造(AM)并不是一件容易的事情，”西门子PLM软件公司(Siemens PLM Software)模拟业务组合开发经理Guy Dulude表示。“你不能只是在AM的机器上解决问题。这涉及到大量的试验和错误，而且设备和材料都很昂贵。这是一个复杂的过程，因此能够虚拟化整个过程确实会有所帮助。一个数码双胞胎将确认你的整体AM过程，这样当你去打印的部分，它将第一次正确地完成。”

制造商已经转向AM，以帮助减少零件的数量或组件的重量。这都是为了降低装配的复杂性。AM的设计是关于生成工程，但实际上构建一个组件要复杂得多。

“打印粉末金属的一个复杂之处在于，当它加热时，它会变成液态，”Dulude说。“这可能会导致严重的扭曲。如果你在不考虑这种变形的情况下打印它，你可以打赌最终的产品将不会达到规格。数字孪生可以用来预测变形，因为它了解印刷过程中所有的热-机械行为。如果你理解了冷却过程中的变形，你可以在打印过程中进行补偿，这样当它冷却时就会变直，抵消变形。”

数字双床允许制造商确认在设计和制造过程中不同步骤的性能，确保产品和过程实时正常。

Dulude说:“一个综合的数字孪生工具用于简化AM从设计到完成再到使用的工作流程。”“它用于生成设计，优化，并确定最终打印的部分是否结构健全和在使用中的耐久性。一个数字双胞胎还可以帮助制造商了解建造准备和过程，在一个环境中，你需要支持材料沉积、材料性能、机器和工厂地板效率。您还可以通过工业物联网框架监控打印过程，并将数据反馈到您的程序中，从而触发持续改进的循环。”

有许多方法，一个数字孪生可以帮助制造商虚拟测试，验证和分析产品和制造过程，它当然可以与AM一起使用，以帮助使这项技术更容易获得和成本效益。

可以达到助理编辑Lindsay Lindosollinkoso@canadianmetalworking.com.。

CGTech，www.cgtech.com.

Heidenhain,www.heidenhain.us

西门子,www.siemens.com.