1.工業(yè)機(jī)械企業(yè)應(yīng)關(guān)注數(shù)字孿生技術(shù)
近年來，數(shù)字孿生技術(shù)，或者稱作數(shù)字化雙胞胎技術(shù)，成為吸引全球制造業(yè)的明星技術(shù)。我國(guó)的制造業(yè)，尤其我們所接觸比較多的工業(yè)機(jī)械行業(yè)及產(chǎn)業(yè)，由于其快速崛起，面臨大量需要解決的矛盾和問題，因此，對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)，更加注目。
所謂“數(shù)字孿生”，或者“數(shù)字化雙胞胎”，是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)階段可以實(shí)現(xiàn)的，一種人們?cè)谟?jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)，或者各種類型的計(jì)算資源的支持下，對(duì)物理世界（例如工業(yè)產(chǎn)業(yè)）實(shí)現(xiàn)虛擬化、模型化，幫助人們?cè)谔摂M世界與物理世界間建立關(guān)聯(lián)、施加有效控制并適度融合的有效的解決方案。
工業(yè)機(jī)械隨著近年來的迅速發(fā)展，已經(jīng)不滿足于簡(jiǎn)單的仿制裝配，而是致力于高端裝備自主創(chuàng)新，致力于提升產(chǎn)品的質(zhì)量，有了一定的市場(chǎng)品牌意識(shí)，并不斷創(chuàng)新思路，將服務(wù)納入企業(yè)業(yè)務(wù)，以保持對(duì)某一細(xì)分市場(chǎng)工業(yè)機(jī)械的專業(yè)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，也有大量企業(yè)從產(chǎn)業(yè)鏈角度出發(fā)，專精于關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件的供應(yīng)，專精于基礎(chǔ)工藝和基礎(chǔ)材料的研制開發(fā)，為工業(yè)機(jī)械及裝備提供精良的，符合國(guó)標(biāo)及各種國(guó)際通行標(biāo)準(zhǔn)的零部件、傳動(dòng)元件以及機(jī)電元件或系統(tǒng)。
在這種發(fā)展趨勢(shì)下，促使行業(yè)各方不得不以虛擬化，數(shù)字化的方式方法，構(gòu)建工業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)字化模型，并在模型中納入更多的屬性，幫助企業(yè)進(jìn)行諸如快速形成方案、快速驗(yàn)證方案、快速做出決策，快速完成各種制造及裝配工藝。數(shù)字孿生技術(shù)，我們的工業(yè)機(jī)械企業(yè)，志在必得。
2.數(shù)字孿生模型對(duì)產(chǎn)品開發(fā)的深刻影響
產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)，要求快速開發(fā)，準(zhǔn)確估算，高效形成產(chǎn)品。而以往種種技術(shù)手段，雖然已經(jīng)局部采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)和各種分立的模型化技術(shù)，但沒有整體的、集成的思路，導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)中，仍然不能避免手工作坊式的低效率。而且在產(chǎn)品開發(fā)周期中，各種數(shù)據(jù)和知識(shí)不容易有序的積累和管理。工程技術(shù)人員無法綜合各種信息，沒有得到現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)及信息化技術(shù)的充分支持，導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)不能快速，信息及數(shù)據(jù)不易查詢，容易混淆和失散，直接影響了產(chǎn)品開發(fā)的效率，增加了產(chǎn)品開發(fā)失敗的風(fēng)險(xiǎn)，而工程技術(shù)人員和產(chǎn)品開發(fā)人員卻要付出艱辛的努力，企業(yè)也無法進(jìn)行創(chuàng)新，或者更有效的進(jìn)行產(chǎn)品的計(jì)劃、研制、試制，和投入生產(chǎn)，難以獲得企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
數(shù)字孿生技術(shù)，則是對(duì)此低效率的做法的一個(gè)顛覆。采用當(dāng)前的計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形學(xué)技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，可以對(duì)工業(yè)機(jī)械開發(fā)中需要建立的快速概念模型、方案模型，各種布局圖、原理設(shè)計(jì)和原理圖等，全部實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。
更具優(yōu)勢(shì)的是，數(shù)字孿生模型可以通過有成熟算法支撐的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將產(chǎn)品的各種性能進(jìn)行建模，將處于各種工況、各種物理環(huán)境之下的產(chǎn)品的運(yùn)行情況進(jìn)行建模。在虛擬數(shù)字化模型上，施加各種模擬參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行迭代計(jì)算，幫助產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)決策，能夠在短時(shí)間內(nèi)評(píng)估多種方案，方案比較和進(jìn)行方案取舍。
工業(yè)機(jī)械企業(yè)要想在產(chǎn)品開發(fā)、工藝生產(chǎn)計(jì)劃、以及將產(chǎn)品推向市場(chǎng)的其它環(huán)節(jié)上，獲得這些虛擬化的優(yōu)勢(shì)，就必須是在工業(yè)機(jī)械的數(shù)字孿生模型上，才成為可能。
3.數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)機(jī)械開發(fā)中的應(yīng)用
3.1高性能大型裝配模型
工業(yè)機(jī)械行業(yè)需要的產(chǎn)品模型，是要涵蓋從單臺(tái)簡(jiǎn)單設(shè)備，到各種產(chǎn)線級(jí)、車間級(jí)設(shè)備的。這些模型不論是需要非標(biāo)設(shè)計(jì)試制，還是需要采用標(biāo)準(zhǔn)裝配方案快速設(shè)計(jì)，如果企業(yè)決定采納數(shù)字孿生技術(shù)，則首先需要形成虛擬化數(shù)字化的裝配模型。這意味著模型的規(guī)模很可能很龐大。而對(duì)如此大跨度的各種裝配虛擬模型，如何能夠在一定的計(jì)算資源下提供給工程技術(shù)人員順暢的操作體驗(yàn)，就需要虛擬裝配模型技術(shù)。
目前高端的PLM系統(tǒng)，例如西門子的NX/Teamcenter系統(tǒng)，已經(jīng)完全滿足了工業(yè)機(jī)械企業(yè)這方面的要求。
西門子NX/Teamcenter系統(tǒng)的裝配處理，體現(xiàn)了當(dāng)前PLM系統(tǒng)的典型優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)能夠?qū)σ詳?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)為依托，采用靈活的管理策略對(duì)復(fù)雜裝配進(jìn)行管理。既可以通過直接的裝配占用空間管理處理超大模型（百萬級(jí)以上部件），也可以通過對(duì)復(fù)雜的裝配層級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分層檢索進(jìn)行高效導(dǎo)航和管理。為方便工業(yè)機(jī)械企業(yè)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工程，數(shù)字孿生的裝配結(jié)構(gòu)可以支持自上而下的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。
西門子NX/Teamcenter系統(tǒng)充分理解工業(yè)機(jī)械行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)境下的多種CAD系統(tǒng)共存的數(shù)據(jù)環(huán)境。他所能夠處理的裝配模型，能夠?qū)⒏鞣NCAD數(shù)據(jù)納入其中，形成數(shù)字孿生模型，或稱之為數(shù)字樣機(jī)。并且能夠在數(shù)字樣機(jī)中繼續(xù)進(jìn)行機(jī)電聯(lián)合設(shè)計(jì)，完善此裝配模型，使之進(jìn)行諸如運(yùn)動(dòng)包絡(luò)、裝配路徑方面的評(píng)估仿真。
3.2機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)及其它動(dòng)態(tài)（液壓、氣動(dòng)）虛擬化模型
現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)械，已經(jīng)完全是一個(gè)機(jī)電綜合的系統(tǒng)，其系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，工藝功能及控制機(jī)制，需要數(shù)字孿生技術(shù)不但要在機(jī)械構(gòu)造上提供模型，而且要在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)控制，乃至采用電子控制的軟件程序行為上提供模型，以期在全領(lǐng)域提供給系統(tǒng)研發(fā)工程人員以模型，進(jìn)行仿真計(jì)算完成多學(xué)科綜合設(shè)計(jì)決策。
數(shù)字孿生技術(shù)，正是一種提供多學(xué)科多專業(yè)數(shù)字化模型和信息的綜合技術(shù)。通過數(shù)字孿生技術(shù)，工業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的工程師們實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的系統(tǒng)化的結(jié)構(gòu)、機(jī)械、電子、軟件的集成設(shè)計(jì)決策和迭代管理。數(shù)字孿生系統(tǒng)模型應(yīng)有盡有地提供了機(jī)構(gòu)行為、動(dòng)作軸、軸驅(qū)動(dòng)、控制、耦合及時(shí)序等虛擬模型，并融入了數(shù)字化的量化仿真技術(shù)。
這種數(shù)字孿生技術(shù)的范疇中，最具代表性的，就是西門子所提供的幾個(gè)系統(tǒng)，包括NX/MCD機(jī)電聯(lián)合設(shè)計(jì)系統(tǒng)，LMS 1D（Amesim）仿真系統(tǒng)，TIA博圖系統(tǒng)，以及SIMIT仿真系統(tǒng)。
3.3數(shù)字孿生試驗(yàn)試制
在試驗(yàn)條件有限的情況下，在工業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)試制調(diào)試階段，充分利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行虛擬運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真，并納入驅(qū)動(dòng)和控制特性，是數(shù)字孿生技術(shù)的重要一環(huán)。
工業(yè)機(jī)械在投入運(yùn)行之前，普遍需要一個(gè)組立調(diào)試過程，才能交付客戶方上線投入生產(chǎn)，而這也是一個(gè)相對(duì)占?jí)嘿Y金，費(fèi)時(shí)費(fèi)工的過程。交付方需要集成所有的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、電機(jī)、液壓和/或氣動(dòng)元件、管線、線纜，以及控制系統(tǒng)，按客戶對(duì)系統(tǒng)的功能及質(zhì)量要求進(jìn)行調(diào)試，并給出相應(yīng)的驗(yàn)證數(shù)據(jù)及報(bào)告。
數(shù)字孿生技術(shù)，能夠在虛擬的數(shù)字化的環(huán)境中，幫助工業(yè)機(jī)械企業(yè)從產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)階段開始即著手同步地構(gòu)建一個(gè)伴生的數(shù)字化模型。這個(gè)模型除了在如上所述的方案論證、評(píng)估和設(shè)計(jì)決策方面提供支持之外，更伴隨著設(shè)計(jì)的成熟提前展開虛擬調(diào)試。隨著設(shè)計(jì)的最終成熟，調(diào)試也隨著從全虛擬狀態(tài)逐步進(jìn)行到軟件入環(huán)（SIL）、硬件入環(huán)（HIL）階段，直至最終實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)上電檢測(cè)，單步運(yùn)行及自動(dòng)運(yùn)行。
由于這個(gè)陪伴式的數(shù)字孿生模型在整個(gè)系統(tǒng)的方案取舍、驅(qū)動(dòng)方案、控制方案中完全同步的孿生仿真，可以將任何設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、人工疏漏都提前得到糾正，就使得整個(gè)產(chǎn)品的試驗(yàn)調(diào)試時(shí)間和費(fèi)用得到極大的壓縮。同時(shí)，所有設(shè)計(jì)中確定采購(gòu)的控制方案、系統(tǒng)及元件，如果在這個(gè)虛擬孿生系統(tǒng)中采用能夠提供虛擬化數(shù)據(jù)的可靠供應(yīng)商，例如西門子系統(tǒng)，則整個(gè)工業(yè)機(jī)械工程的交付質(zhì)量也會(huì)得到提升。
4.工業(yè)機(jī)械數(shù)字孿生技術(shù)的可持續(xù)性
4.1大量數(shù)字化模型庫(kù)資源
工業(yè)機(jī)械行業(yè)是一個(gè)成熟的傳統(tǒng)工業(yè)行業(yè)，產(chǎn)品在由來已久的不斷開發(fā)演進(jìn)中，積累了大量的產(chǎn)品類型、慣用設(shè)計(jì)和慣用零配件及零部件。為了能夠更好的利用這些積累，行業(yè)和企業(yè)有相應(yīng)的共識(shí)，就是實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，很多企業(yè)就是專精于特定類型的零部件零配件，取得產(chǎn)品的高質(zhì)量，獲得更低的成本和更快的市場(chǎng)響應(yīng)效率。
在此情況下，數(shù)字化雙胞胎技術(shù)也能夠提供更好的信息支持。特別是國(guó)家在這個(gè)方面一直非常重視，不斷以發(fā)布國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的形式促進(jìn)行業(yè)應(yīng)用。因此，當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化環(huán)境中，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的檢索越來越便捷、及時(shí)。而產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也使數(shù)字化環(huán)境升級(jí)，已經(jīng)涌現(xiàn)出大量信息化平臺(tái)和采購(gòu)平臺(tái)，他們向機(jī)械工業(yè)企業(yè)提供大量的標(biāo)準(zhǔn)件、緊固件等等，并提供跟蹤各種標(biāo)準(zhǔn)，及時(shí)更新的服務(wù)。這些信息化平臺(tái)和采購(gòu)平臺(tái)，很多已經(jīng)提供標(biāo)準(zhǔn)件、緊固件的三維模型。
4.2企業(yè)軟件采用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)重用及其數(shù)據(jù)庫(kù)
目前先進(jìn)的PLM平臺(tái)，以西門子的NX/Teamcenter系統(tǒng)為例，為工業(yè)企業(yè)更好地應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，提供了產(chǎn)品模板工作室（PTS）。此技術(shù)，就是在采用數(shù)字孿生技術(shù)及其理念的企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)業(yè)務(wù)中，幫助工程技術(shù)人員及工藝制造人員，整理各種數(shù)字化模型并據(jù)此形成再次調(diào)用時(shí)的友好操作界面，以最高的效率和最方便的數(shù)據(jù)重用性，進(jìn)行工業(yè)機(jī)械的系統(tǒng)、組件乃至特定零部件的開發(fā)。
為了在企業(yè)中推廣數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，需要給工程技術(shù)人員提供一個(gè)適用便捷的數(shù)據(jù)訪問環(huán)境，為企業(yè)快節(jié)奏的產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)提供高效堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù)支撐。西門子的NX/Teamcenter系統(tǒng)就提供產(chǎn)品系統(tǒng)、裝配部件、零部件及其屬性的可擴(kuò)充的歸類管理、檢索、更新、規(guī)則檢查系統(tǒng)，以及工程技術(shù)人員桌面的，與具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)及工藝規(guī)劃軟件相應(yīng)的按屬性存取使用的應(yīng)用工具。
5.工業(yè)機(jī)械企業(yè)推廣數(shù)字孿生技術(shù)正當(dāng)時(shí)
在我們從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的當(dāng)下，我們的機(jī)械工業(yè)企業(yè)在不斷找尋各種先進(jìn)技術(shù)，不斷評(píng)估適合自己行業(yè)的技術(shù)，以期以最小的代價(jià)和最短的時(shí)間快速提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，獲得更高的產(chǎn)出。
而數(shù)字雙胞胎技術(shù)，在工業(yè)4.0、以及兩化深度融合思維的大潮之下，已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)成熟的狀態(tài)。認(rèn)識(shí)到這一技術(shù)的優(yōu)越性，并知道有西門子這樣的工業(yè)行業(yè)的先行者為之投入多年努力，整合了各種技術(shù)，形成了現(xiàn)在的系統(tǒng)，我們的工業(yè)機(jī)械，就不得不承認(rèn)，這真是一個(gè)好時(shí)機(jī)，為企業(yè)，為行業(yè)取得這份進(jìn)步，邁上一個(gè)新臺(tái)階。
