機床領(lǐng)域的數(shù)字孿生體應(yīng)用及實踐簡介

數(shù)字孿生體（Digital Twin）是一個較新的概念，目前它主要被行業(yè)人士應(yīng)用到較為抽象的描述中，例如，美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC，Industrial Internet Consortium）和開源工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（Openii Consortium）都對數(shù)字孿生體比較關(guān)注。

按照工業(yè)4.0研究院數(shù)字孿生體研究中心（DTRC，Digital Twin Research Center）設(shè)計的數(shù)字孿生體系（DTS，Digital Twin System），它主要分為物理孿生體（PT，Physical Twin）和數(shù)字孿生體（DT，Digital Twin）。

本文嘗試對機床領(lǐng)域的數(shù)字孿生體應(yīng)用做一定分析。

在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，Altintas等人對機床領(lǐng)域的數(shù)字化研究比較深入，不僅涉及到虛擬機床（Virtual Machine Tool），還涉及到虛擬加工（Virtual Machining），這兩個部分是數(shù)字孿生體在機床領(lǐng)域的核心應(yīng)用。

機床的數(shù)字孿生體應(yīng)用示例

對于虛擬機床的情況，2005年Altintas在CRIP上發(fā)布了Virtual machine tool一文，對相關(guān)領(lǐng)域進行了深入的論述。后續(xù)不少商業(yè)軟件對相關(guān)場景進行了開發(fā)，形成了完整的商業(yè)軟件解決方案，例如，MATLAB、ANSYS等軟件都提供相關(guān)功能。

接著在2014年，Altintas在CRIP上發(fā)布了Virtual process systems for part machining operations，闡釋了虛擬加工的多種場景，包括切削力、扭矩、驅(qū)動、穩(wěn)定度和震動等指標(biāo)。目前的現(xiàn)狀是，各種應(yīng)用對于機械加工的場景進行了較好的數(shù)字化，但還缺乏單一的系統(tǒng)來實現(xiàn)所有解決方案。

ECOMATION提供的能源數(shù)字孿生體管理

除了Altintas關(guān)注的虛擬加工和機床，數(shù)字孿生體還可以在機床生命周期方面發(fā)揮作用，例如，能源消耗管理、部件的生命周期等，機床領(lǐng)域的專家進行了詳細的研究，歐盟也對相關(guān)項目進行了支助，例如，ECOMATION、ESTOMAD（Energy Software Tools for Sustainable Machine Design）等。

與國內(nèi)系統(tǒng)級的解決方案不同，ECOMATION的解決方案從機床到部件級別的能源消耗都有跟蹤，形成了真正的數(shù)字化解決方案。據(jù)工業(yè)4.0研究院觀察，德國寶馬公司、戴姆勒等汽車企業(yè)就在做類似的能源管理應(yīng)用。

Mikel Armendia、Aitor Alzaga等人針對機床的數(shù)字孿生體應(yīng)用撰寫的論文表示，之所以采用數(shù)字孿生體來對機床進行管理，是因為隨著機床數(shù)字化程度加深，傳統(tǒng)的管理辦法不太有效，特別是信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical Systems）的方法。

數(shù)字孿生體可以獲得機床和使用過程的全方位信息（holistic information），這使得工業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用成為可能，簡單地講，機床領(lǐng)域的數(shù)字孿生體應(yīng)用具有以下好處：

1. 通過對實際機床的監(jiān)測獲得數(shù)據(jù)反饋，可以不斷優(yōu)化數(shù)字孿生體，簡單地講，數(shù)字孿生體可以結(jié)合到物理孿生體反饋回來的數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)級別的改進。

2. 通常情況下，生產(chǎn)系統(tǒng)的部署花費的時間會影響產(chǎn)品的上市時間，如果應(yīng)用數(shù)字孿生體，可以實現(xiàn)所謂虛擬委托（virtual commissioning），這樣的做法可以減少裝備系統(tǒng)的部署時間。

3. 在對設(shè)備進行保養(yǎng)修理等過程中，數(shù)字孿生體可以用來提升設(shè)備健康管理能力，利用大數(shù)據(jù)對虛擬設(shè)備（數(shù)字孿生體）進行訓(xùn)練，從而提升物理孿生體的應(yīng)用效果。

4. 通過把數(shù)字孿生體集成到控制系統(tǒng)中去，從而更為方便優(yōu)化機床的性能。

工業(yè)4.0研究院數(shù)字孿生體研究中心通過過去兩年時間的研究，得出了與Mikel Armendia等人類似的結(jié)論，那就是在機床領(lǐng)域的數(shù)字孿生體應(yīng)用，缺乏統(tǒng)一的思路和方法，主要以非標(biāo)的個性化試驗為主，國內(nèi)一些參與機床或生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)字孿生體應(yīng)用的案例，也大都如此。

接下來要進一步推進數(shù)字孿生體在機械或機床領(lǐng)域的應(yīng)用，應(yīng)該盡量系統(tǒng)化一些，不應(yīng)該只停留在試驗或可控的環(huán)境，這樣才可能有較大的突破。