HOME
 

機械資訊 769期

實現數位孿生之iFA系統

文/謝昱銘 國立成功大學 智慧製造研究中心 副研究員
楊浩青 國立高雄科技大學 電機工程系 教授
鄭芳田 國立成功大學 智慧製造研究中心 主任

前言

我國機械產業在2017年產值已超過一兆元,機械公會白皮書中提出,未來持續朝向智慧機械與智慧製造的方向邁進,希望在2025年達成機械產業總產值2兆元的願景。而實現此願景的關鍵之一:發展智慧機械與智慧製造創造高附加價值。
數位孿生(Digital Twins)已連續三年被資訊科技研究機構Gartner評為全球十大科技趨勢之一,簡言之:「數位孿生是指透過虛實整合(Cyber-Physical Interaction)世界的Cyber System,來顯示與掌控現實世界中的Physical Object之可能反應、狀況、和效能……等」。其可帶來的新契機如下:1)縮短產品開發期程,加速走向客製化及少量多樣的生產模式;2)掌控產品整個生命週期,使其能有效率和精確地被生產並確保品質;且可預知設備健康狀態與剩餘壽命,提高機臺妥善率和避免無預警當機;3)改變商業模式,如除產品本身外,亦能夠提供更多其他相關的售後服務(如月租型的維護保養等)。

運用Digital Twins(數位孿生)優化整個產品生命週期

近幾年來隨著產官學的積極投入,國內機械產業已藉SMB和SMU計畫等逐漸達到部分可視化和局部智慧化的境界,如:透過CAD/CAM等軟體,在產品研發期研擬產品加工參數,或是透過虛擬量測和預測保養等智慧化模組,在產品量產期進行線上且即時地預測產品品質和監視機臺健康狀況。
然而,目前的應用僅是片段的解決方案,仍無法瞻前顧後,優化整個產品生命週期。因此如何掌控且優化整個產品生命週期,讓研發期程縮短、產能提升、且達到不生產不良品之境界,即為下一階段的努力目標。
圖1為產品生命週期圖,產品品質(藍色實線)在研發結束後,品質隨著技術的熟練逐漸趨於穩定;而成本(紅色實線)於研發期至量產期逐步下降。然而在產品生命週期每一階段(研發、成長、量產等)都有不同的需求,如
? 研發期:要如何降低產品研發期程,使其能快速上市。
? 成長/量產期:可快速地提升生產品質與降低成本,意即如圖1中所示的實線提升為虛線。
Digital Twins(數位孿生)為實體物件(產品、機臺、製程、…等)的虛擬分身,透過持續地收集相關的大數據,建構在整個產品生命週期中的實體物件之數位分身,藉此實現不生產不良品與達成產品零缺陷之品質確保和機臺健康狀態監控 之目標。Digital Twins(數位孿生)可依不同應用和標的物進行區分,如圖2所示。
? 產品數位孿生(Product Digital Twin):[Virtual Product, VP]
在研發期透過產品之虛擬分身,減少實體生產的成本,壓縮產品開發週期,也能夠應付少量多樣的生產模式。而在量產時,能透過虛擬分身與實體物件資訊即時交換,即時取得產品品質資訊,進而改善且穩定生產品質;當發生品質不良時,能快速找出根源並持續改善…等。
? 機臺數位孿生(Equipment Digital Twin):[Virtual Equipment, VE]
在研發期可搭配產品虛擬分身,在虛擬機臺上進行虛擬加工,減少實際上機生產之時間與成本浪費。而在量產時,可執行即時機臺與刀具健康管理;且當機臺失效時,透過虛擬分身可進行遠距拆修與維護指導。
? 製程數位孿生(Process Digital Twin):[Process Simulator, PS]
應用程序模擬器(PS)建構產線之虛擬分身,俾便進行各式生產機臺配置、工件物流、排程最佳化、及精實生產等之評估。

以Digital Twins之概念訂定智慧製造的需求:持續改善管理(以鋁輪圈加工產線為例)

接下來將先前所定義的1.) Product Digital Twin,2.)Equipment Digital Twin,及3.)Process Digital Twin融入PDCA循環,達到持續改善管理實現不生產不良品與達成產品零缺陷之終極目標。
階段一:量產前完善的規畫
在量產前最重要的工作為“完善的生產規畫”。這包含了:產品加工參數與機臺加工參數之最佳化設計,並且對於生產程序給予優化。如圖3所示。
以鋁輪圈加工產線為例,可透過Digital Twins建立產品(鋁輪圈)及機臺虛擬分身,使得鋁輪圈能夠在實際生產之前,即進行模擬製造與檢測,減少操作實體機臺和生產樣本的成本,縮短產品開發週期,並能應付少量多樣客製化的生產模式。
並且在開始實際生產前,可以透過 Process Digital Twin模擬鋁輪圈加工產線上之物流(鋁輪圈)運作狀況,進行各式生產機臺配置、工件物流、排程最佳化、及精實生產等之評估。
階段二:量產時機況即時監控
Digital Twins技術的重點為“實現虛實整合”,因此在量產過程中可透過IoT元件即時更新鋁輪圈加工產線上機臺狀態至Equipment Digital Twin,並應用預測保養(Predictive Maintenance, PdM)及刀具管理(Tool Function Management, TFM)……等智慧化應用來即時監控機臺與刀具的健康狀況,以避免無預警當機並減少耗材損失。
階段三:量產時產品品質即時監控與逐件控制
同樣的,可透過實現虛實整合的技術,將機臺加工參數(如:主軸電流、進給率……等)即時收集更新至Product Digital Twin,再運用虛擬量測(VM)技術進行鋁輪圈品質全檢,以確保交貨產品零缺陷;以及進行線上逐件回授控制(Run-to-Run Control),以穩定加工品質。
階段四:量產時產品品質異常之真因追溯
如圖4所示,透過實現虛實整合的技術,將鋁輪圈加工產線上的機臺加工參數及鋁輪圈品質檢驗結果即時收集更新至Product Digital Twin,當鋁輪圈品質發生異常時,應用良率管理(Yield Management, YM)技術快速找出問題根源並持續改善,以便達成生產產品接近零缺陷之境界。
階段五:機臺遠距管理和維護
隨著國際化的趨勢,工具機廠商將其產品銷售至國外;所以在管理散佈各地之多廠區生產線時,如何執行機臺遠距管理和維護,就變得相當重要。
透過AR/VR及資通技術整合,來呈現完整的自動化生產資訊管理模組,如即時狀態呈現、製造流程可視化……等,便於客戶應用Digital Twins於管理、維修和保養,讓各領域管理人員可透過即時具體影像資訊進行判斷與溝通,作出精準決策。最後將生產資訊即時回饋至Product、Equipment及Process Digital Twins來更新模型,再算出最佳化產品(鋁輪圈)與機臺參數,達到持續改善的目標。

願景

Digital Twins為實體物件(產品、機臺、製程……等)的虛擬分身,可透過機械雲持續地收集相關的大數據,建構各個客戶在整個產品生命週期中的實體物件之各式Digital Twins,藉此實現不生產不良品與達成產品零缺陷之品質確保和機臺健康狀態監控……等之目標。
透過建構具Digital Twins之智慧工廠自動化(Intelligent Factory Automation, iFA)系統雲端管理架構,如圖5所示,將全部5階段之所有智慧化應用整合為一套可掌控整個產品生命週期之Digital Twins即時回饋管理機制;再運用機械雲建構此以服務為導向的Digital Twins營運模式,並由國營機構來經營此內含各式Digital Twins的機械雲,且以月租費或年租費的方式,分等級租給需要此Digital Twins服務的各式企業。相信藉此可推動臺產機械全面孿生化,完成以全球最具競爭力的成本,在最短期限內達到「不生產不良品」的目標。
Back
電話: 886-2-23494666 ? 傳真: 886-2-23813711 ? 電子信箱: tami@tami.org.tw ? 會址 : 100 臺北市懷寧街 110 號
版權所有 ? 2004-2022 臺灣機械工業同業公會
網站系統設計與資料庫維護管理 :聖僑資訊事業股份有限公司

 

丝瓜app永久免费版,丝瓜影院app下载安装污,丝瓜app官网