快速发展的技术和突破性的创新正在改变制造业的世界。大数据、云技术和物联网(IoT)等趋势只是推动数字化转型的一些工具,这种转型正在影响产品的开发、制造和在制造业所有部门的使用方式。利用新兴技术的力量是成功和持续创新的关键。

虽然转型可能会很艰难,但拥抱数字化的公司不仅有生存的潜力,还能在市场中蓬勃发展,甚至颠覆市场。以下是一些新技术如何改变行业的例子:

  • 能够理解环境并自动运行的交通工具。

  • 为特定个体的需要而设计和制造的医疗植入物。

  • 无人驾驶飞机。

  • 能源系统懂得如何优化自身以最小化消耗。

在开发和制造复杂智能产品的背景下,数字化始于创建数字模型。这个数字模型,或者说是数字孪生模型,应该描述、定义、捕获和分析产品的预期性能。数字孪生通常被描述为业务中不同资产、流程和系统的数字副本,可以以多种方式使用。

产品数字双胞胎是一种智能模型,具有预测和询问性能的特点。

虽然这个通用定义基本上是正确的,但是通过实现和利用的所有数学模型和虚拟表示,包括许多数学模型和虚拟陈述,通过实现和利用来实现资产的整个生命周期 - 以及其所有组成技术。

创意:数字产品的孪生兄弟

如今,企业要在全球范围内应对更大的竞争干扰。为了应对这些挑战,公司必须转变他们的工程、设计思维和流程实践。集成软件工具,如CAD/CAM/CAE,可以使公司在机械和电气/电子学科中真正数字化地代表整个产品。

这对闭环数字孪生将设计师和制造商聚集在一起,制定计划,将需要做什么、如何制作、所需资源和生产地点联系起来。

当谈到“数字双胞胎”时,首先想到的往往是用CAD系统创建一个3D模型;然而,数字产品双胞胎实际上是一个复杂的系统系统,包括一个产品的所有设计元素。这可以使用系统驱动产品开发(SDPD)方法来创建,该方法通过生成设计实践来创建智能3D模型,并通过预测分析进行验证。

SDPD将设计过程的核心元素(包括知识产权、配置和变更控制)与系统工程元素结合在一起;机械、电子和软件设计;并进行多领域建模与仿真。SDPD还支持与特定领域工具的接口和集成。

从需求开始,到显示验证状态的集成设计结束,SDPD提供了端到端可跟踪性。它还可以显著增加经过验证的模型和仿真的重用,从而提高质量。此外,它促进了对变更影响的快速评估和问题的早期发现,以改进进度性能和产品开发时间。

一个产品的数字孪生通常包括电子和软件模拟;有限元结构、流动和传热模型;和运动模拟。这使得公司可以预测产品的物理外观,以及其他因素,如性能特征。他们非常依赖预测工程分析,它将多学科工程模拟和测试与智能报告和数据分析结合起来。这些功能导致了数字双胞胎,可以预测产品在整个生命周期中的真实行为。

生产数字孪生模型是一种完全数字化的工厂过程模型,用于预测和优化操作性能。

这种全面的计算机化的产品模型可以实现几乎100%的虚拟验证和测试设计中的产品,这减少了对物理原型的需求,减少了验证所需的时间,提高了最终制造产品的质量。并能更快地响应客户反馈。例如,一架飞机的“数字孪生”可以通过测试来了解它在各种环境条件下的反应,从而帮助预测各种条件下的潜在失效模式。

另一个例子是汽车工业的道路安全自动车辆的发展。使用物理测试和不精确的分析模型测试车辆可靠性是不可能的,因为在考虑环境条件,其他车辆,行人和交通标志时有无限数量的组合。据估计,物理测试需要140亿英里的测试 - 相当于每小时40英里/小时的40英里每小时运行400种原型。车辆的数字双胞胎可以通过仿真实现测试,从而更快地完成更安全的车辆。

实现:数字生产的孪生兄弟

智能工厂是代表生产系统的完全数字化工厂模型——生产的数字孪生——通过传感器、监控和数据采集(SCADA)系统、可编程逻辑控制器(plc)和其他自动化设备完全连接到产品生命周期管理(PLM)数据仓库。在制造业中,数字双子星能够灵活地减少制造过程和系统规划以及生产设施设计所需的时间。智能工厂的突破性优势和关键促成因素是增材制造、先进的机器人技术、灵活的自动化以及虚拟和增强现实。

传统上,设计师和制造商在不同的系统中独立工作,把信息抛到一边。当信息不同步时,这会产生问题,使得每个人都很难看到相同的画面。因此,团队只能在物理原型的后期阶段评估性能并做出必要的调整。在此过程中发现的问题可能会导致生产延迟,并显著增加修复成本。

此外,这些错误可以转移到装配和安装说明中,这些错误最终在车间或现场上。这不仅使产品更难以产生所设计的方式,而且也可以对产品本身的质量产生负面影响。

在制造业中使用数字孪生工具提供了一个独特的机会,可以对整个生产系统进行虚拟模拟、验证和优化,以测试产品将如何使用生产流程、生产线和自动化进行整体构建。过程物流也可以纳入数字化生产的孪生,以帮助团队设计一个有效的副业物流解决方案,以喂养生产线。

用途:数字性能双胞胎

运营中的工厂资产和服务中的产品的数字性能孪生,在预期性能和实际性能之间实现了闭环。通过物联网,企业可以连接到现实世界的产品、工厂、机器和系统,以提取和分析实际性能和利用率数据。

然后可以使用数据分析来导出来自原始数据的信息和见解。然后可以应用这些可操作的见解来关闭与数字产品双胞胎和数字生产双胞胎的环路,以优化产品,生产系统和过程中的下一个创新循环。收集和分析,此信息还可以在发生之前揭示产品问题,识别潜在的有问题配置,并帮助微调操作。

数字化制造的闭环使公司能够将客户的声音和趋势融入产品创新周期,这不仅可以加快市场的速度,还有助于公司预测市场的变化。

在不断发展的数字世界中取得成功的制造商将是利用实时生产的智力的人,以便比竞争对手更快地获得更高质量的创新。

本文作者是Jim Rusk,西门子PLM软件公司的高级副总裁兼首席技术官(CTO),该公司是位于俄亥俄州米尔福德的西门子数字工厂部门的一个业务部门。欲了解更多信息,请访问在这里


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本文首次发表于2018年6月号金宝搏官网杂志。

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