工具機數位分身 實現AI智造願景

[作者 盧傑瑞]

數位分身可以預測機器的運作狀態，透過結合實際機器運作資訊，最大限度地發揮實際系統的性能。此外，還能更精確地掌握因故障、壽命終止等原因進行維護的時機，實現機械系統更好的運作。

根據西門子部落格文章，阿波羅飛船應該是第一個實現數位分身概念的太空船。眾所周知，阿波羅13號因氧氣罐爆炸損壞飛船的事故倖存而聞名，在這次事故中，被認為是數位分身先驅的技術，利用操作物理特性來改變太空船後，再透過剩餘的電力和水返回地球的極端過程。

而類似數位分身這樣技術是一種模擬器，透過結合休士頓的Johnson太空中心實際指揮艙，和月球著陸器的硬體系統以及電腦，來重建太空船緊急的環境狀況，進而模擬太空船在事故發生時的情況，以及考慮如何使用有限的電力執行返回地球所需的操作程序。最終，太空人平安的返回地球，同時也能還原整個事故過程與關鍵點。

透過這種方式，重現遠端現場發生的情況、預測未來情況並做出回應，從20世紀的60年代末到70年代初就已經被實踐過。

因此數位分身可以定義為物理空間中，存在的系統的電腦或數位複製品。與傳統模擬的不同之處在於，可以預測機器的運作狀態，透過結合實際機器運作資訊，最大限度地發揮實際系統的性能。此外，還能更精確地掌握因故障、壽命終止等原因進行維護的時機，實現機械系統更好的運作。而透過在產品開發的規劃和設計階段建立數位分身，更快地實現所需的性能，降低產品成本和開發時間。

半個世紀過去了，電腦的處理能力和通訊速度都得到了巨大的提高，數位分身的建構更成為了有效利用硬體，和軟體組成的機械系統的常規技術，這可說是一個正面進化的方向。在這裡，我們將根據上述的定義來說明目前數位分身應用在工具機的現況和發展。

透過數位分身簡化試切

在購買工具機之前，有一個稱為「試切」的過程，以確認金屬加工精度和生產率是否符合要求。例如從2021年開始，DMG就有提供這項服務。

該服務是透過數位化建構工具機、工具、加工材料和治具的物理特性來再現切削過程。無論是靜態和動態特性均以高精度建模，與使用實際工具機進行加工相比，可以進行誤差正負幾個百分點的加工模擬。該系統的特點在於，允許操作者隨時運行模擬，而不管機器可用性，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間。由於不使用實際設備，因此還具有減少工具、材料、冷卻劑和電力消耗的優點。DMG就是基於數位分身技術下，開發出此系統與服務。

數位分身可在電腦上對實際系統的行為進行建模。可以說，數位分身的完整性是透過建立一個模型來證明的，而該模型的輸出行為準確地代表了回應目標系統輸入的現實。在使用工具機進行切削的情況下，再現加工過程中發生的物理現象是非常重要，而在基於數位分身的技術下，可透過再現現象的準確性而增加。

透過數位分身技術開發的架構與功能

說到切削加工模擬軟體，最著名的是美國ThirdWave Systems的「AdvantEdge」。雖然加工現像是在有限元素的基礎上進行模擬的，但需要大量的時間進行分析，雖然耗費了一些時間，不僅可以預測切削力，還可以預測溫度、殘餘應力和應變等詳細資訊。因此不止可用於最佳化切削條件，還可用於設計刀具。

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