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机械资讯 769期

实现数位孪生之iFA系统

文/谢昱铭 国立成功大学 智慧制造研究中心 副研究员
杨浩青 国立高雄科技大学 电机工程系 教授
郑芳田 国立成功大学 智慧制造研究中心 主任

前言

我国机械产业在2017年产值已超过一兆元,机械公会白皮书中提出,未来持续朝向智慧机械与智慧制造的方向迈进,希望在2025年达成机械产业总产值2兆元的愿景。而实现此愿景的关键之一:发展智慧机械与智慧制造创造高附加价值。
数位孪生(Digital Twins)已连续三年被资讯科技研究机构Gartner评为全球十大科技趋势之一,简言之:「数位孪生是指透过虚实整合(Cyber-Physical Interaction)世界的Cyber System,来显示与掌控现实世界中的Physical Object之可能反应、状况、和效能……等」。其可带来的新契机如下:1)缩短产品开发期程,加速走向客制化及少量多样的生产模式;2)掌控产品整个生命周期,使其能有效率和精确地被生产并确保品质;且可预知设备健康状态与剩余寿命,提高机台妥善率和避免无预警当机;3)改变商业模式,如除产品本身外,亦能够提供更多其他相关的售后服务(如月租型的维护保养等)。

运用Digital Twins(数位孪生)优化整个产品生命周期

近几年来随着产官学的积极投入,国内机械产业已藉SMB和SMU计画等逐渐达到部分可视化和局部智慧化的境界,如:透过CAD/CAM等软体,在产品研发期研拟产品加工参数,或是透过虚拟量测和预测保养等智慧化模组,在产品量产期进行线上且即时地预测产品品质和监视机台健康状况。
然而,目前的应用仅是片段的解决方案,仍无法瞻前顾后,优化整个产品生命周期。因此如何掌控且优化整个产品生命周期,让研发期程缩短、产能提升、且达到不生产不良品之境界,即为下一阶段的努力目标。
图1为产品生命周期图,产品品质(蓝色实线)在研发结束后,品质随着技术的熟练逐渐趋于稳定;而成本(红色实线)于研发期至量产期逐步下降。然而在产品生命周期每一阶段(研发、成长、量产等)都有不同的需求,如
• 研发期:要如何降低产品研发期程,使其能快速上市。
• 成长/量产期:可快速地提升生产品质与降低成本,意即如图1中所示的实线提升为虚线。
Digital Twins(数位孪生)为实体物件(产品、机台、制程、…等)的虚拟分身,透过持续地收集相关的大数据,建构在整个产品生命周期中的实体物件之数位分身,藉此实现不生产不良品与达成产品零缺陷之品质确保和机台健康状态监控 之目标。Digital Twins(数位孪生)可依不同应用和标的物进行区分,如图2所示。
• 产品数位孪生(Product Digital Twin):[Virtual Product, VP]
在研发期透过产品之虚拟分身,减少实体生产的成本,压缩产品开发周期,也能够应付少量多样的生产模式。而在量产时,能透过虚拟分身与实体物件资讯即时交换,即时取得产品品质资讯,进而改善且稳定生产品质;当发生品质不良时,能快速找出根源并持续改善…等。
• 机台数位孪生(Equipment Digital Twin):[Virtual Equipment, VE]
在研发期可搭配产品虚拟分身,在虚拟机台上进行虚拟加工,减少实际上机生产之时间与成本浪费。而在量产时,可执行即时机台与刀具健康管理;且当机台失效时,透过虚拟分身可进行远距拆修与维护指导。
• 制程数位孪生(Process Digital Twin):[Process Simulator, PS]
应用程序模拟器(PS)建构产线之虚拟分身,俾便进行各式生产机台配置、工件物流、排程最佳化、及精实生产等之评估。

以Digital Twins之概念订定智慧制造的需求:持续改善管理(以铝轮圈加工产线为例)

接下来将先前所定义的1.) Product Digital Twin,2.)Equipment Digital Twin,及3.)Process Digital Twin融入PDCA循环,达到持续改善管理实现不生产不良品与达成产品零缺陷之终极目标。
阶段一:量产前完善的规画
在量产前最重要的工作为“完善的生产规画”。这包含了:产品加工参数与机台加工参数之最佳化设计,并且对于生产程序给予优化。如图3所示。
以铝轮圈加工产线为例,可透过Digital Twins建立产品(铝轮圈)及机台虚拟分身,使得铝轮圈能够在实际生产之前,即进行模拟制造与检测,减少操作实体机台和生产样本的成本,缩短产品开发周期,并能应付少量多样客制化的生产模式。
并且在开始实际生产前,可以透过 Process Digital Twin模拟铝轮圈加工产线上之物流(铝轮圈)运作状况,进行各式生产机台配置、工件物流、排程最佳化、及精实生产等之评估。
阶段二:量产时机况即时监控
Digital Twins技术的重点为“实现虚实整合”,因此在量产过程中可透过IoT元件即时更新铝轮圈加工产线上机台状态至Equipment Digital Twin,并应用预测保养(Predictive Maintenance, PdM)及刀具管理(Tool Function Management, TFM)……等智慧化应用来即时监控机台与刀具的健康状况,以避免无预警当机并减少耗材损失。
阶段三:量产时产品品质即时监控与逐件控制
同样的,可透过实现虚实整合的技术,将机台加工参数(如:主轴电流、进给率……等)即时收集更新至Product Digital Twin,再运用虚拟量测(VM)技术进行铝轮圈品质全检,以确保交货产品零缺陷;以及进行线上逐件回授控制(Run-to-Run Control),以稳定加工品质。
阶段四:量产时产品品质异常之真因追溯
如图4所示,透过实现虚实整合的技术,将铝轮圈加工产线上的机台加工参数及铝轮圈品质检验结果即时收集更新至Product Digital Twin,当铝轮圈品质发生异常时,应用良率管理(Yield Management, YM)技术快速找出问题根源并持续改善,以便达成生产产品接近零缺陷之境界。
阶段五:机台远距管理和维护
随着国际化的趋势,工具机厂商将其产品销售至国外;所以在管理散布各地之多厂区生产线时,如何执行机台远距管理和维护,就变得相当重要。
透过AR/VR及资通技术整合,来呈现完整的自动化生产资讯管理模组,如即时状态呈现、制造流程可视化……等,便于客户应用Digital Twins于管理、维修和保养,让各领域管理人员可透过即时具体影像资讯进行判断与沟通,作出精准决策。最后将生产资讯即时回馈至Product、Equipment及Process Digital Twins来更新模型,再算出最佳化产品(铝轮圈)与机台参数,达到持续改善的目标。

愿景

Digital Twins为实体物件(产品、机台、制程……等)的虚拟分身,可透过机械云持续地收集相关的大数据,建构各个客户在整个产品生命周期中的实体物件之各式Digital Twins,藉此实现不生产不良品与达成产品零缺陷之品质确保和机台健康状态监控……等之目标。
透过建构具Digital Twins之智慧工厂自动化(Intelligent Factory Automation, iFA)系统云端管理架构,如图5所示,将全部5阶段之所有智慧化应用整合为一套可掌控整个产品生命周期之Digital Twins即时回馈管理机制;再运用机械云建构此以服务为导向的Digital Twins营运模式,并由国营机构来经营此内含各式Digital Twins的机械云,且以月租费或年租费的方式,分等级租给需要此Digital Twins服务的各式企业。相信藉此可推动台产机械全面孪生化,完成以全球最具竞争力的成本,在最短期限内达到「不生产不良品」的目标。
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