數(shù)位分身可以預測機器的運作狀態(tài)，透過結(jié)合實際機器運作資訊，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、壽命終止等原因進行維護的時機，實現(xiàn)機械系統(tǒng)更好的運作。

根據(jù)西門子部落格文章，阿波羅飛船應該是第一個實現(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，被認為是數(shù)位分身先驅(qū)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(shù)位分身這樣技術是一種模擬器，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鍵點。

透過這種方式，重現(xiàn)遠端現(xiàn)場發(fā)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(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，可以預測機器的運作狀態(tài)，透過結(jié)合實際機器運作資訊，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、壽命終止等原因進行維護的時機，實現(xiàn)機械系統(tǒng)更好的運作。而透過在產(chǎn)品開發(fā)的規(guī)劃和設計階段建立數(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，和軟體組成的機械系統(tǒng)的常規(guī)技術，這可說是一個正面進化的方向。在這裡，我們將根據(jù)上述的定義來說明目前數(shù)位分身應用在工具機的現(xiàn)況和發(fā)展。

透過數(shù)位分身簡化試切

在購買工具機之前，有一個稱為「試切」的過程，以確認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。

該服務是透過數(shù)位化建構(gòu)工具機、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(tǒng)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(yōu)點。DMG就是基於數(shù)位分身技術下，開發(fā)出此系統(tǒng)與服務。

數(shù)位分身可在電腦上對實際系統(tǒng)的行為進行建模。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確地代表了回應目標系統(tǒng)輸入的現(xiàn)實。在使用工具機進行切削的情況下，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)位分身的技術下，可透過再現(xiàn)現(xiàn)象的準確性而增加。

透過數(shù)位分身技術開發(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。

VERICUT Force的低廉運算成本

另一方面，有些CAM也導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行詳細模擬，但由於運算成本低廉，可以實際應用在生產(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械模型參數(shù)資料庫，可以輕鬆地在現(xiàn)場進行模擬。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進行切削力預測。（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)品不僅可預測切削力，並根據(jù)預測結(jié)果最佳化進給速度。

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，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，來使得工具機床能夠達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，並使用被認定為最佳的方法來進行實際加工。

圖二 : DMG的數(shù)位分身測試切割。（左）在實機上進行測試切割；（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。

除機械結(jié)構(gòu)外，還可以透過數(shù)位分身技術的幫助，以數(shù)位方式再現(xiàn)數(shù)控（NC）以及可程式設計邏輯控制器（PLC）等工具機的運行。同時，除了數(shù)控程式外，還可以使用機床或刀具的三維（3D）模型對實際使用的機床和工具的運行情況進行數(shù)位驗證，來確保實際運行是否正確無誤。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)位分身基礎的CNC數(shù)位模型。透過CNC模型可以在計算機上忠實地再現(xiàn)CNC運作，同時考慮到每個軸的加速和減速。因此與傳統(tǒng)CAM相比，可以更準確地預測加工時間。

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，進而對加工表面進行估算。到目前為止，可以透過使工具機空轉(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，進而對加工表面進行估算。到目前為止，加工表面估算只能透過空轉(zhuǎn)的機床來獲取刀具軌跡，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)位分身基礎的技術已開始在機械加工領域被導入，並有望取得更進一步的發(fā)展。目前，CNC和加工領域的數(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)單純的模擬機制。

圖四是日本茨城大學理工學研究所，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（MC）進行加工作業(yè)，刀具位置和主軸馬達扭力是透過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行。便可即時預測切削扭力，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：茨城大學理工學研究所；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。主軸馬達在真實空間中的扭力，與虛擬空間中的切削扭力是相對應的，因此兩者所表現(xiàn)出的扭力波形是一致。 然而，當?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：茨城大學理工學研究所；作者整理）

數(shù)位分身在大規(guī)模客製化時代至關重要

大規(guī)模客製化正在刺激著工具機產(chǎn)業(yè)導入數(shù)位轉(zhuǎn)換。過去，工具機主要用於特定加工，但近年來，主流機種已經(jīng)是能夠執(zhí)行多項作業(yè)的多任務工具機。例如，大隈的生產(chǎn)能力高達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)設備運作狀態(tài)模擬未來生產(chǎn)預測，實現(xiàn)高效生產(chǎn)。

另外，在使用工具機進行加工時，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定。如今，在進入工具機大規(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、輸入資料和設定機床。在傳統(tǒng)的設置工作中，在建立程式部分（在個人電腦上進行）和實際設置機床的現(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致重複工作的浪費。

對此，山崎MAZAK開發(fā)了相關輔助工具，可以根據(jù)實際機床的資料，在虛擬空間中建立工具機的數(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，更進一步的，可以減少重工並提高生產(chǎn)力。

對工具機導入Generation AI創(chuàng)新技術的期待

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成為展場中的熱門話題。

透過導入AI的工具機，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，人與機器將和諧共存。

說到生成式人工智慧的技術創(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)機器人，和可程式控制器（PLC）等設備就會變得相當普及，而作業(yè)人員和生產(chǎn)設備將能夠在執(zhí)行任務時進行互動。

在工具機維護上，預計會出現(xiàn)這樣的情況：在人工輸入和下達工作指令的情況下，首先會透過物聯(lián)網(wǎng)進行的監(jiān)控和預測性檢測，然後調(diào)查各種因素並製作工作清單以考慮應對措施，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。關鍵在於「與人的互動（人機對話）」。這已經(jīng)可以說，「人機共生」新模式時代即將開始。