數(shù)位分身可以預(yù)測機(jī)器的運(yùn)作狀態(tài)，透過結(jié)合實際機(jī)器運(yùn)作資訊，最大限度地發(fā)揮實際系統(tǒng)的性能。此外，還能更精確地掌握因故障、壽命終止等原因進(jìn)行維護(hù)的時機(jī)，實現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)更好的運(yùn)作。

根據(jù)西門子部落格文章，阿波羅飛船應(yīng)該是第一個實現(xiàn)數(shù)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(rèn)為是數(shù)位分身先驅(qū)的技術(shù)，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(shù)位分身這樣技術(shù)是一種模擬器，透過結(jié)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(tǒng)以及電腦，來重建太空船緊急的環(huán)境狀況，進(jìn)而模擬太空船在事故發(fā)生時的情況，以及考慮如何使用有限的電力執(zhí)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(guān)鍵點。

透過這種方式，重現(xiàn)遠(yuǎn)端現(xiàn)場發(fā)生的情況、預(yù)測未來情況並做出回應(yīng)，從20世紀(jì)的60年代末到70年代初就已經(jīng)被實踐過。

因此數(shù)位分身可以定義為物理空間中，存在的系統(tǒng)的電腦或數(shù)位複製品。與傳統(tǒng)模擬的不同之處在於，可以預(yù)測機(jī)器的運(yùn)作狀態(tài)，透過結(jié)合實際機(jī)器運(yùn)作資訊，最大限度地發(fā)揮實際系統(tǒng)的性能。此外，還能更精確地掌握因故障、壽命終止等原因進(jìn)行維護(hù)的時機(jī)，實現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)更好的運(yùn)作。而透過在產(chǎn)品開發(fā)的規(guī)劃和設(shè)計階段建立數(shù)位分身，更快地實現(xiàn)所需的性能，降低產(chǎn)品成本和開發(fā)時間。

半個世紀(jì)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(shù)位分身的建構(gòu)更成為了有效利用硬體，和軟體組成的機(jī)械系統(tǒng)的常規(guī)技術(shù)，這可說是一個正面進(jìn)化的方向。在這裡，我們將根據(jù)上述的定義來說明目前數(shù)位分身應(yīng)用在工具機(jī)的現(xiàn)況和發(fā)展。

透過數(shù)位分身簡化試切

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

該服務(wù)是透過數(shù)位化建構(gòu)工具機(jī)、工具、加工材料和治具的物理特性來再現(xiàn)切削過程。無論是靜態(tài)和動態(tài)特性均以高精度建模，與使用實際工具機(jī)進(jìn)行加工相比，可以進(jìn)行誤差正負(fù)幾個百分點的加工模擬。該系統(tǒng)的特點在於，允許操作者隨時運(yùn)行模擬，而不管機(jī)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(shè)備，因此還具有減少工具、材料、冷卻劑和電力消耗的優(yōu)點。DMG就是基於數(shù)位分身技術(shù)下，開發(fā)出此系統(tǒng)與服務(wù)。

數(shù)位分身可在電腦上對實際系統(tǒng)的行為進(jìn)行建模。可以說，數(shù)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(zhǔn)確地代表了回應(yīng)目標(biāo)系統(tǒng)輸入的現(xiàn)實。在使用工具機(jī)進(jìn)行切削的情況下，再現(xiàn)加工過程中發(fā)生的物理現(xiàn)象是非常重要，而在基於數(shù)位分身的技術(shù)下，可透過再現(xiàn)現(xiàn)象的準(zhǔn)確性而增加。

透過數(shù)位分身技術(shù)開發(fā)的架構(gòu)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(xiàn)像是在有限元素的基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬的，但需要大量的時間進(jìn)行分析，雖然耗費(fèi)了一些時間，不僅可以預(yù)測切削力，還可以預(yù)測溫度、殘餘應(yīng)力和應(yīng)變等詳細(xì)資訊。因此不止可用於最佳化切削條件，還可用於設(shè)計刀具。

VERICUT Force的低廉運(yùn)算成本

另一方面，有些CAM也導(dǎo)入可選用的模擬功能，但僅限於切削力，例如CGTech的VERICUT Force。它不像有限元素法那樣進(jìn)行詳細(xì)模擬，但由於運(yùn)算成本低廉，可以實際應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場。透過了為每種類型的工作材料和工具所建立的機(jī)械模型參數(shù)資料庫，可以輕鬆地在現(xiàn)場進(jìn)行模擬。如圖一所示，可以模擬加工過程中的切削力，並提供根據(jù)結(jié)果最佳化刀具進(jìn)給速度的功能，來有效減少加工時間和並抑制過載。

圖一 : 透過CGTech的VERICUT Force進(jìn)行切削力預(yù)測。（source：CGTech）

CELOS DYNAMICpost的模型創(chuàng)建模擬

具有類似功能的產(chǎn)品包括ThirdWave Systems的「生產(chǎn)模組」和DMG的「CELOS DYNAMICpost」，這些產(chǎn)品不僅可預(yù)測切削力，並根據(jù)預(yù)測結(jié)果最佳化進(jìn)給速度。

目前DMG開發(fā)了一種稱為「數(shù)位分身測試切割」（圖二）的數(shù)位分身技術(shù)，不僅可以計算切削過程中刀具和工件之間的干涉，還可以預(yù)測出加工過程中發(fā)生的各種現(xiàn)象，例如切削時所引起振動，來使得工具機(jī)床能夠達(dá)到更高的精度和效率。此外更能利用數(shù)位方式重複加工條件的試驗，並使用被認(rèn)定為最佳的方法來進(jìn)行實際加工。

圖二 : DMG的數(shù)位分身測試切割。（左）在實機(jī)上進(jìn)行測試切割；（右）利用數(shù)位分身測試切割。（source: DMG）

此外，在試驗的過程中，也不需要實際使用刀具、加工材料、夾具、切削油、液壓油、潤滑油等，甚至加工所使用的電力都將變得更少，大幅度的減少了二氧化碳（CO₂）的排放量。並且實際加工過程中，循環(huán)時間平均可以減少30%，功耗和二氧化碳排放量也減少約3成左右。並且工具機(jī)床數(shù)量越多，效果就越大，這些都是加工過程數(shù)位化下的最大優(yōu)點。

除機(jī)械結(jié)構(gòu)外，還可以透過數(shù)位分身技術(shù)的幫助，以數(shù)位方式再現(xiàn)數(shù)控（NC）以及可程式設(shè)計邏輯控制器（PLC）等工具機(jī)的運(yùn)行。同時，除了數(shù)控程式外，還可以使用機(jī)床或刀具的三維（3D）模型對實際使用的機(jī)床和工具的運(yùn)行情況進(jìn)行數(shù)位驗證，來確保實際運(yùn)行是否正確無誤。這就是前面所提到，DMG的「CELOS DYNAMICpost」。

因為，除非數(shù)位刀的幾何資訊準(zhǔn)確無誤，否則無法實現(xiàn)真正可避免干涉的現(xiàn)象。為了解決這一問題，可以透過測量來獲得刀具形狀（包括刀架）後，進(jìn)行三維建模的作業(yè)，避免真實刀具和數(shù)位刀具之間的差異。此外，還可獲取刀具切削刃影像，來監(jiān)測刀具磨損狀況。

CNC Guide 2的高速模擬與誤差分析

圖三是Fanuc的電腦數(shù)控（CNC）數(shù)位分身系統(tǒng)。在圖中「CNC Guide 2」是作為數(shù)位分身基礎(chǔ)的CNC數(shù)位模型。透過CNC模型可以在計算機(jī)上忠實地再現(xiàn)CNC運(yùn)作，同時考慮到每個軸的加速和減速。因此與傳統(tǒng)CAM相比，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測加工時間。

圖三 : Fanuc電腦數(shù)控（CNC）數(shù)位分身系統(tǒng)架構(gòu)。（source：Fanuc；作者整理）

此外，該功能還考慮了CNC特性的刀具軌跡，進(jìn)而對加工表面進(jìn)行估算。到目前為止，可以透過使工具機(jī)空轉(zhuǎn)並獲取刀具軌跡來估計加工表面，但透過使用 CNC Guide 2在虛擬空間中操作CNC，速度比實際空間快10倍以上，可以獲得刀具路徑。透過比較透過實際加工獲得的加工表面和基於CNC導(dǎo)軌2獲得的加工表面，對於識別加工誤差的原因也很有用。

此外，該功能還考慮了CNC特性的刀具軌跡，進(jìn)而對加工表面進(jìn)行估算。到目前為止，加工表面估算只能透過空轉(zhuǎn)的機(jī)床來獲取刀具軌跡，但透過CNC Guide 2系統(tǒng)，可在虛擬空間中運(yùn)行CNC，獲取刀具軌跡的速度，這比在真實環(huán)境中快了10倍以上。透過將實際加工獲得的加工表面結(jié)果，與CNC Guide 2所獲得的加工表面結(jié)果進(jìn)行比較，還可以幫助找出加工誤差的原因。

現(xiàn)實空間與虛擬空間即時連動

如上所述，構(gòu)成數(shù)位分身基礎(chǔ)的技術(shù)已開始在機(jī)械加工領(lǐng)域被導(dǎo)入，並有望取得更進(jìn)一步的發(fā)展。目前，CNC和加工領(lǐng)域的數(shù)位模型還處於開發(fā)階段，但未來實現(xiàn)數(shù)位分身的關(guān)鍵是，如何即時連接虛擬空間和現(xiàn)實空間，來超越傳統(tǒng)單純的模擬機(jī)制。

圖四是日本茨城大學(xué)理工學(xué)研究所，開發(fā)了一項針對立銑刀加工狀態(tài)數(shù)位分身的監(jiān)控方法。在真實空間中，是利用加工中心機(jī)（MC）進(jìn)行加工作業(yè)，刀具位置和主軸馬達(dá)扭力是透過CNC監(jiān)控，並傳輸?shù)教摂M空間。在虛擬空間中，實際加工和切削模擬會根據(jù)監(jiān)測到的刀具位置同步進(jìn)行。便可即時預(yù)測切削扭力，和作用在刀具上的切削力。因此無需使用測力計即可在虛擬空間中監(jiān)測切削力。

圖四 : 使用數(shù)位分身的加工狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。（source：茨城大學(xué)理工學(xué)研究所；作者整理）

圖五比較了虛擬監(jiān)控結(jié)果，和使用動力計測量切削三向分力的結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，虛擬監(jiān)測結(jié)果與動力計測量結(jié)果相當(dāng)。主軸馬達(dá)在真實空間中的扭力，與虛擬空間中的切削扭力是相對應(yīng)的，因此兩者所表現(xiàn)出的扭力波形是一致。 然而，當(dāng)?shù)毒郀顟B(tài)出現(xiàn)異常時，例如磨損加劇或刀具破損的情況下，所得到的結(jié)果就不是這樣了。因此，可以透過連續(xù)比較兩個扭力波形來估算出刀具的狀況。

圖五 : 切削力虛擬監(jiān)控與比較結(jié)果。（source：茨城大學(xué)理工學(xué)研究所；作者整理）

數(shù)位分身在大規(guī)模客製化時代至關(guān)重要

大規(guī)模客製化正在刺激著工具機(jī)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)入數(shù)位轉(zhuǎn)換。過去，工具機(jī)主要用於特定加工，但近年來，主流機(jī)種已經(jīng)是能夠執(zhí)行多項作業(yè)的多任務(wù)工具機(jī)。例如，大隈的生產(chǎn)能力高達(dá)600臺/月，每年生產(chǎn)約300種型號。在大隈的智慧工廠Dream Sight 3中，每月加工次數(shù)超過五次的工件被定義為大量生產(chǎn)的產(chǎn)品。而DS3正是利用數(shù)位分身，根據(jù)設(shè)備運(yùn)作狀態(tài)模擬未來生產(chǎn)預(yù)測，實現(xiàn)高效生產(chǎn)。

另外，在使用工具機(jī)進(jìn)行加工時，一旦加工完一個產(chǎn)品，就需要切換到下一個產(chǎn)品，並且每次都必須重新設(shè)定。如今，在進(jìn)入工具機(jī)大規(guī)模客製化時代下，利用數(shù)位分身在實現(xiàn)「數(shù)位轉(zhuǎn)換」變得更加重要。

因為在實際生產(chǎn)過程中，「調(diào)試」工作是必不可少的，如建立加工程式、輸入資料和設(shè)定機(jī)床。在傳統(tǒng)的設(shè)置工作中，在建立程式部分（在個人電腦上進(jìn)行）和實際設(shè)置機(jī)床的現(xiàn)場工作是分開的，這就造成了由於程式和工作現(xiàn)場的情況不一致而導(dǎo)致重複工作的浪費(fèi)。

對此，山崎MAZAK開發(fā)了相關(guān)輔助工具，可以根據(jù)實際機(jī)床的資料，在虛擬空間中建立工具機(jī)的數(shù)位分身系統(tǒng)，並透過這個系統(tǒng)創(chuàng)建加工程式，除了有效節(jié)省時間外，更進(jìn)一步的，可以減少重工並提高生產(chǎn)力。

對工具機(jī)導(dǎo)入Generation AI創(chuàng)新技術(shù)的期待

2023年4月在德國舉行的Hannover Messe 2023上，利用生成式人工智慧（Generation AI）的來開發(fā)出更為智慧化的工具機(jī)成為展場中的熱門話題。

透過導(dǎo)入AI的工具機(jī)，發(fā)現(xiàn)故障的作業(yè)人員將情況以語音形式輸入行動終端器。 然後，生成的人工智慧會對內(nèi)容進(jìn)行解析，甚至將其翻譯成公司的官方語言，建立出一份總結(jié)報告，並在公司內(nèi)部快速共用。 這些演示讓人們看到了不久的將來，人與機(jī)器將和諧共存。

說到生成式人工智慧的技術(shù)創(chuàng)新，不能不提名為「GAFAM」的平臺。 雖然目前仍處於研發(fā)階段，但已經(jīng)有許多利用ChatGPT使用自然語言（口語）來控制各種機(jī)器人。相信不久之後，使用生成式人工智慧創(chuàng)建程式來控制工廠中的工業(yè)機(jī)器人，和可程式控制器（PLC）等設(shè)備就會變得相當(dāng)普及，而作業(yè)人員和生產(chǎn)設(shè)備將能夠在執(zhí)行任務(wù)時進(jìn)行互動。

在工具機(jī)維護(hù)上，預(yù)計會出現(xiàn)這樣的情況：在人工輸入和下達(dá)工作指令的情況下，首先會透過物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行的監(jiān)控和預(yù)測性檢測，然後調(diào)查各種因素並製作工作清單以考慮應(yīng)對措施，並在工作完成後製作報告。

生成式人工智慧會根據(jù)提示（指令）產(chǎn)生資料。關(guān)鍵在於「與人的互動（人機(jī)對話）」。這已經(jīng)可以說，「人機(jī)共生」新模式時代即將開始。